книги из ГПНТБ / Александровский А.В. Материаловедение для штукатуров, плиточников, мозаичников учебник

Мельчайшей частицей, которой присущи свойства данного ве­ щества, является молекула. Это объясняется тем, что атомы, со­ ставляющие молекулу, занимают относительно друг друга опреде­ ленное положение, свойственное только данному веществу.

Молекулы простых веществ состоят из одного или нескольких атомов одного элемента, а сложных — из атомов нескольких эле­ ментов. Количество атомов, составляющих молекулу, для разных веществ изменяется в значительных пределах: от одного-двух для простых веществ до нескольких сот тысяч и более для высокомоле­ кулярных.

Величина молекул простых веществ очень мала и не превышает

расположить цепочкой вплотную друг к другу, то получится нить, которой можно опоясать земной шар около 200 раз.

Несмотря на большое число молекул, плотность заполнения ими объема вещества очень мала. Так, в воздухе молекулы занимают

Лошмидта в тысячи раз. Плотность жидких тел имеет промежуточ­ ное значение.

Между молекулами действуют молекулярные силы притяжения и отталкивания. Причем при увеличении расстояния между молеку­ лами преобладают силы притяжения, а при уменьшении — силы отталкивания. Эти силы появляются только при условии, если рас­ стояние между молекулами не превышает определенной величины. Для различных веществ размеры этих величин различны; в сред­ нем они близки к 0,000 000 1 см.

При температуре выше — 273° С (0° К) молекулы всех тел нахо­ дятся в непрерывном движении, причем чем выше температура тела, тем больше скорость их движения в межмолекулярном прост­ ранстве. В твердых телах происходит главным образом колебатель­ ное движение, а в жидких — колебательное и поступательное. В твердом теле молекулы вещества сохраняют свое взаимное рас­ положение, пока им нагреванием не будет сообщено достаточное для преодоления молекулярных сил количество энергии и тело не перейдет в жидкое состояние.

В зависимости от взаимного расположения атомов, молекул или их групп различают а м о р ф н ы е , к р и с т а л л и ч е с к и е и с т е к ­ л о о б р а з н ы е в е щ е с т в а .

В аморфных веществах расположение атомов или молекул име­ ет хаотический, случайный характер, а в кристаллических телах они расположены в определенном порядке, присущем данному кри­ сталлу.

Как правило, кристаллическими бывают твердые тела, но встречаются и жидкости со свойствами кристаллов.

10

В твердом теле есть участки, не заполненные веществом данно­ го тела,— поры. В них обычно находятся газы, в том числе воздух или жидкость (частично или полностью).

Различают материалы мелкопористые, в которых размеры пор определяются сотыми и тысячными долями миллиметра, и крупно­ пористые с размерами пор от десятых долей миллиметра до 1—2 мм. К мелкопористым материалам относятся, например, кера­ мические плитки, затвердевшие растворы; к крупнопористым — поропласты, в частности мипора.

Кроме пор, в изделиях бывают пустоты. Пустотами также назы­ вают и пространство между кусками рыхлых материалов.

§ 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Физические свойства характеризуют вещество и структуру ма­ териала, а также его способность реагировать на внешние факторы, не влияющие на химический состав материала.

Плотность. Под плотностью понимают массу единицы объема данного вещества, не считая пор и пустот. Обозначают ее буквой р. Чтобы определить плотность материала, надо разделить постоян­ ную массу1 его образна.в граммах т на объем без пор и пустот К, выраженный в кубических сантиметрах. Таким образом, плотность

р = -р- г[см3 или кг[м3.

Иногда плотность выражают безразмерной величиной, сравни­ вая его с плотностью воды, которую условно принимают равной единице.

Плотность различных материалов колеблется в значительных пределах. Например, плотность гранита, кирпича, бетона составля­ ет 2,2—3,3 г/см3; битумных, дегтевых материалов и древесины — 0,9—1,6 г/см3; черных металлов (чугуна, стали) — 7,25—7,85 г/см3.

Объемная масса. Объемной массой называют массу единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами и пусто­ тами. Объемную массу принято обозначать буквой т у .

Чтобы найти объемную массу материала, надо разделить массу образца m на его объем V, включая поры и пустоты;

В практике большей частью пользуются объемной массой материа­ лов в воздушно-сухом состоянии.

1 Масса, при которой разница между двумя последними взвешиваниями по­ сле повторного высушивания будет не более 0,2%. Высушивают образец в су­ шильном шкафу при температуре 105—110° С. Первое взвешивание делают через 4—6 ч, а повторное — через 2—3 ч. Перед взвешиванием образцы охлаждают до температуры 20° С.

11

Для рыхлых материалов (песка, щебня, цемента) определяют насыпную объемную массу. Ее принимают равной массе материала, насыпанного с высоты 100 мм в тару объемом один литр.

Большинство материалов имеет поры, поэтому объемная масса, как правило, меньше плотности.

Объемная масса строительных материалов колеблется от 13—.

Объемную массу строительных материалов учитывают при рас­ чете массы сооружений, подсчете необходимых транспортных средств, устройстве складов и т. п.

Относительная плотность. Показатель плотности Р можно оп­ ределить как отношение объема вещества материала mv в образце к плотности образца q:

Относительную плотность выражают отвлеченным числом или в процентах.

Величина относительной плотности, как правило, меньше еди­ ницы (например, для плит из минеральной ваты Z5 = 0,10, т. е. составляет около 10%)- Лишь у очень плотных материалов, напри­ мер у металлов, стекла, значение относительной плотности практи­ чески равно 1.

Пористость. Пористость определяется показателем пористости П, величина которого в сумме с величиной плотности дает единицу:

р=1 _ mv Я ~ ту

При определении показателя пористости рыхлых материалов берется насыпная объемная масса. Значение показателя пористо­ сти строительных материалов колеблется от 0 (стекло, сталь) до

1S

ния определяется разностью массы образца, насыщенного водой, и сухого.

Различают объемное водопоглощение IF06, когда указанная разность масс отнесена к объему образца, и массовое водопогло­ щение Wв, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

Если массу сухого образца обозначить тсух, массу насыщенного водой образца т в, то объемное и массовое водопоглощения можно выразить следующими формулами:

^ в==—в.~~ Wgy^ -100%,

fflcvx

Различные материалы имеют различное объемное водопогло­ щение: цементный раствор — 25%, гипсовые плиты — 36%, мипо-

ра — 98%.

Массовое водопоглощение различных материалов также колеб­ лется в широких пределах. Например, у керамических плиток для внутренней облицовки стен оно доходит до 16%, а у керамических плиток для полов не превышает 4%. Массовое водопоглощение обыкновенного глиняного кирпича — 8—30%, плотного бетона 2—3%, пористых изоляционных материалов, например торфоплита, 100% и больше.

Водопоглощение материала зависит от его пористости: чем больше пористость, тем больше водопоглощение. Вода, попавшая в поры материала, резко изменяет его основные свойства и, следо­ вательно, эксплуатационные качества. Она увеличивает его объем­ ную массу и теплопроводность (у торфа, например, увеличивается и объем), понижает прочность. Некоторые материалы, в частности затвердевшие глиняные растворы, разрушаются в воде.

Степень понижения прочности материала, насыщенного водой, характеризуется к о э ф ф и ц и е н т о м р а з м я г ч е н и я /СразиКоэффициент размягчения равен отношению прочности материа­

Коэффициент размягчения материала необходимо учитывать, когда строительная конструкция из этого материала должна рабо­ тать во влажных условиях или подвергаться действию воды. Таким образом, коэффициент размягчения характеризует в о д о с т о й ­ к о с т ь материала.

Величина его для разных материалов колеблется от 0 (необож­ женная глина) до 1 (стекло, сталь, битум).

Материалы с коэффициентом размягчения больше 0,8 называют водостойкими. Эти материалы разрешается применять в строитель­ ных конструкциях, возводимых в воде и в сырых местах.

Влагоотдача — это способность материала терять находящуюся в его порах воду. Величину влагоотдачи определяют, измеряя

13

(в процентах) количество воды, испарившейся из образца в тече­ ние суток при температуре воздуха 20° С и его относительной влажности1 60%!. Масса испарившейся воды равна разнице между массой образца до и после опыта.

Величина влагоотдачи имеет большое значение, особенно для стеновых материалов. Свежеоштукатуренные стены всегда имеют повышенную влажность. В обычных условиях благодаря влаго­ отдаче стены высыхают. Вода испаряется до тех пор, пока не уста­ новится равновесие между влажностью материала стен и влажно­ стью окружающего воздуха, т. е. пока материал не достигнет воз­ душносухого состояния.

Гигроскопичность. Свойство материалов поглощать воду из воз­ духа называется гигроскопичностью. Величина гигроскопичности зависит от формы и размера пор. Например, древесина, у которой длинные и узкие поры, очень гигроскопична, а бетон и отвердев­ шие цементные растворы, у которых поры замкнуты, малогигро­ скопичны

Для многих отделочных материалов гигроскопичность — отрица­ тельное свойство, так как впитываемая вода постепенно разрушает отделочное покрытие.

Водопроницаемость. Водопроницаемостью называется способ­ ность материала пропускать воду под давлением. Величина водо­ проницаемости характеризуется коэффициентом водопроницаемо­ сти /Св, который равен количеству воды, прошедшему в течение 1 ч через образец площадью 1 м2 и толщиной 1 м.

Степень водопроницаемости зависит от пористости материала., формы и размеров пор. Водонепроницаемыми можно считать плот­ ные материалы с мелкими замкнутыми порами, в частности специ­ альные бетоны и растворы. Такие материалы, как сталь, стекло и битум, практически водонепроницаемы.

Водопроницаемость — отрицательное свойство материала, ска­ зывающееся при устройстве плотин, дамб, резервуаров для хране­ ния жидкостей и нр. Степень водопроницаемости снижают, исполь­ зуя специальную гидроизоляцию, например, из битума.

Паро-, воздухо- и газопроницаемость. Эти свойства характери­ зуются количеством пара, воздуха или газа, прошедшего через образец определенных размеров при заданном давлении.

Вязкость. Вязкость — это свойство жидкостей оказывать сопро­ тивление при перемещении одной частицы жидкости относительно другой. В строительстве понятие вязкость употребляется примени­ тельно к материалам, находящимся .в жидком и полужидком со­ стояниях.

Степень вязкости материала определяется величиной сил моле­ кулярного притяжения и зависит от температуры и давления.

1 Отношение количества водяного пара, содержащегося в определенном объ­ еме воздуха, к количеству пара, которое максимально возможно в этом объеме при данной температуре, называется относительной влажностью воздуха. Относи­ тельная влажность указывается в процентах,

14

С понижением температуры и повышением давления до нескольких сотен атмосфер вязкость резко возрастает.

Теплопроводность — это способность материала передавать теп­ ло через себя от одной своей поверхности к другой.

щего за 1 ч через 1 м2 стены толщиной 1 м при разности темпера­ тур на противоположных поверхностях стены в 1° С.

Величину коэффициента теплопроводности для разных материа­ лов определяют в лабораториях опытным путем. Она зависит, от состава и структуры материала, его пористости и влажности. На­ пример, коэффициент теплопроводности кристаллических (камен­ ных) материалов в несколько раз больше, чем аморфных; у дерева вдоль волокон он в два раза больше, чем поперек волокон при одинаковом коэффициенте пористости; коэффициент теплопровод­ ности мелкопористых материалов меньше, чем крупнопористых; у материалов с сообщающимися порами он больше, чем у материа­ лов с замкнутыми порами. Как правило, коэффициент теплопро­ водности больше у плотных материалов и меньше у пористых, например у стали Я = 50 ккал/м-ч-град, а у пробки Я = = 0,06 ккал/м-ч-град.

Это объясняется очень низкой теплопроводностью воздуха, на­ ходящегося в порах пробки, у которого Я=0,02 ккал/м-ч-град.

Влажность материала резко увеличивает его теплопроводность (до 10 раз), что объясняется значительной теплопроводностью воды, превышающей в 25 раз теплопроводность воздуха, так как коэффициент теплопроводности воды равен 0,5 ккал/м-ч-град. Особенно сильно это сказывается на материалах с крупными пора­ ми. Когда влажные материалы замерзают, их теплопроводность

Величину теплопроводности учитывают при подборе материа­ лов для ограждающих конструкций — наружных стен, верхнего перекрытия зданий. Наружные стены и верхнее перекрытие делают из малотеплопроводных материалов. Если наружные стены жилых зданий сделать из теплопроводных материалов, в помещениях с такими стенами будет холодно, стены промерзнут и отделка (шту­ катурка, окраска) разрушится.

Теплоемкость. Теплоемкость — это свойство материала погло­ щать определенное количество тепла при нагревании и выделять его при охлаждении. Теплоемкость характеризуется к о э ф ф и ц и ­

ты теплоемкости некоторых материалов приведены в табл. 1. Коэффициентом теплоемкости пользуются, например, при рас­

чете энергии, необходимой для подогревания строительных мате­ риалов зимой. Его учитывают при подборе материалов для ограж­ дающих конструкций.

15

Для сохранения относительно постоянной температуры в поме­ щениях стены должны быть сделаны из материалов с большой теплоемкостью.

Теплоусвояемость. Теплоусвояемость определяется к о э ф ф и ­ ц и е н т о м у с в о е н и я т е п л а . Величина этого коэффициента зависит от теплоемкости материала конструкции, его объемной массы, а также от скорости изменения температуры у поверхности конструкции. Чем больше коэффициент усвоения тепла, тем выше теплоусвояемость материала.

Коэффициент усвоения тепла учитывают при выборе материа­ лов для покрытия полов. За эталон принят коэффициент усвоения тепла дубовыми паркетными полами, равный 5. Полы с коэффици­ ентом больше 5 называют холодными, а с коэффициентом менее 5 — теплыми.

Звукопроводность и звукопоглощаемость. Звукопроводность — это свойство материала пропускать шумы, звуки. Сила звука (шума) измеряется в децибелах (дб).

Различают два рода шумов, передаваемых стенами и перекры­ тиями: ударные и воздушные (от радиоприемников, громкой речи). Для изоляции помещений от шумов строительные конструкции должны обладать з в у к о п о г л о щ а е м о с т ь ю . Ударные шумы хорошо поглощаются пористыми материалами. Для погашения воздушных шумов конструкция должна иметь соответствующую массу (толщину), поэтому при определении толщины перегородок учитывают и звукопроводность материала. Оштукатуривание стен также снижает их звукопроводность.

Морозостойкость. Под морозостойкостью понимают способность насыщенного водой материала выдерживать попеременное замора­ живание и оттаивание без признаков разрушения, т. е. без образо­ вания трещин, выкрашивания, расслаивания, значительной потери прочности и массы.

Для определения морозостойкости материал замораживают до температуры —15° С, а затем погружают в воду комнатной темпе­ ратуры (15±5°С) для оттаивания.Число циклов переменного замо­ раживания и оттаивания материала при условии, что прочность его в результате этого понизится не более чем на 25%, и характе­ ризует морозостойкость материала. Приняты следующие марки

16

строительных материалов по морозостойкости: МрзШ, Мрз15, Мрз25, МрзЗБ, МрзбО, МрзЮО, Мрз150 и Мрз200.

Вода, находящаяся в порах материала, превратившись в лед, увеличивается в объеме примерно на 10%. При этом в материале возникают большие внутренние напряжения, которые постепенно и разрушают его.

Морозостойкими являются материалы плотные или с малым водопоглощением (до 0,5%). Морозостойкость материалов зависит также от коэффициента размягчения. Материалы с коэффициентом размягчения ниже 0,8 практически неморозостойки.

Морозостойкость имеет большое значение при выборе материа­ лов для ограждающих конструкций и их отделки. Поверхность стен и крыш нужно делать из морозостойких материалов.

§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Механические свойства материала, являясь разновидностью физических свойств, характеризуют его поведение при действии внешних факторов, стремящихся изменить форму материала.

Прочность. Прочностью называется способность материаловсопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в резуль­ тате действия внешних нагрузок.

Проделаем несколько простейших опытов. Возьмем резиновую полоску и попробуем ее растягивать, при этом заметим:

чем больше мы хотим растянуть резину, тем большее усилие надо приложить;

при снятии усилия полоска возвращается в первоначальное со­ стояние. Однако вспомним, что если растягивать резину в течение длительного времени, она, как говорят, «растягивается» и теряет способность сокращаться;

чем больше мы растягиваем полоску, тем тоньше она становит­ ся; и если все увеличивать усилие, то в одном месте образуется «шейка» и полоска в этом месте порвется.

Возьмем теперь вместо резиновой полоски резинку, которой сти­ рают карандашные записи, и попробуем пальцами сжать ее по большому размеру, при этом мы заметим:

чем сильнее мы сжимаем резинку, тем больше она деформи­ руется;

одновременно с уменьшением длины резинка увеличивается в поперечном сечении — «распухает».

Если мы возьмем теперь резинку, которой стирают записи чер­ нилами, то увидим, что нам потребуется приложить гораздо боль­ ше усилия, чем в первом случае. Если же сжимать резиновую пористую губку, то потребуется усилие в несколько раз меньше.

Проделаем теперь более сложный опыт. Возьмем длинную дере­ вянную или металлическую линейку и положим ее концы на две спичечные коробки. На середину линейки положим груз массой 100—200 г. Линейка заметно прогнется. Сняв груз, мы обнят™™»,,___

что линейка займет первоначальное положение. РГак

ЭКЗЕМПЛЯР

опытах, прогиб линейки (деформация) будет возрастать с увели­ чением массы груза. Если груз велик, то часть прогиба сохранится. Такого же результата можно достигнуть, оставив линейку под дей­ ствием груза на длительное время. Так придают необходимый про­ гиб лыжам, связав их концы и вставив между ними под местом установки креплений распорку.

Все, что мы наблюдаем в наших опытах с резинкой и линейкой, происходит в зданиях и сооружениях, только нагрузки там значи­ тельно больше, а деформации меньше.

В построенном здании почти все его конструкции испытывают те или иные нагрузки (массу частей здания, массу оборудования или мебели, людей, находящихся в здании, воздействие ветра и др.), вследствие чего в материалах конструкции возникают те или иные деформации.

В наших опытах мы познакомились с деформациями растяже­ ния (резиновая полоска), сжатия (резинка) и изгиба (линейка). Кроме того, наши опыты, даже в их простейшей форме, позволяют сделать несколько выводов:

величина деформаций зависит от величины внешней силы; чем

(вспомним разницу между резинками для стирания записей, сде­ ланных карандашом и чернилами);

при достижении усилия достаточно большой величины матери­ ал разрушается, и если мы хотим, чтобы наше здание не теряло своих эксплуатационных качеств, то усилия и деформации отдель­ ных его частей не должны превышать определенных пределов;

внешняя нагрузка вызывает в материале внутренние силы, пре­ пятствующие его деформации и разрушению.

■СГ см см

F

ш

в)

8)

а)

Рис. 1. Деформации и напряжения при сжатии:

сечении неоднородного образца

Рассмотрим последнее положение подробней. Величину внеш­ них сил можно определить, пользуясь весами или динамометром. Внутренние силы (силы сцепления) непосредственно измерить нельзя. Их величину позволяет косвенно определить метод сечений.

Возьмем образец в виде столбика из какого-либо материала высотой h и нагрузим его сверху силой Р Сш (рис. 1,а).

Под действием этой силы высота столбика уменьшится на вели­ чину ДА, а его площадь несколько увеличится, однако не на столь­ ко, чтобы это учитывать при расчетах. Отношение величины дефор­ мации (Д/г) к первоначальной высоте образца называют относи­ тельной деформацией (безразмерная величина) и обозначают гре­ ческой буквой е. Тогда

_ Ah

h

Мысленно разрежем наш образец посередине и уберем нижнюю часть (рис. 1,6). Очевидно, что для равновесия оставшейся части необходимо, чтобы снизу на нее действовали силы, равные РСш> Эти силы называют нормальными внутренними напряжениями сжатия и обозначают греческой буквой о (сигма). Определение «нормальные» означает, что напряжения перпендикулярны плоско­ сти сечения.

Предполагается, что внутренние напряжения равномерно рас­ пределены по площади сечения F. Тогда, написав условие равно­

найдем, что

а сж = — - К2С/ СЛ12.

Следовательно, нормальное напряжение сжатия равно силе в килограммах, действующей на единицу площади поперечного сече­

ния материала, которую обычно принимают равной 1 см2 (иногда

1 мм2).

Поменяв направление сил, показанных на рис. 1, б, на противо­ положное, получим, что

Чтобы рассчитать предел прочности при сжатии /?сж, надо ве­ личину разрушающей силы PMSR разделить на первоначальную площадь сечения образца F0:

Ясж— f - кгс/см2. т»

2*

19