Глава 1.
Основные свойства строительных материалов.
СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для правильного использования строительных материалов при возведении зданий и сооружений необходимо знать их физические и механические свойства. Можно выделить следующие группы свойств:
Основные физические свойства. К ним относят плотность и пористость. Это структурные характеристики материала, во многом определяющие его технические свойства такие, как водопоглощение, теплопроводность, прочность, водостойкость, морозостойкость, акустические свойства.
Гидрофизические свойства, определяющие отношение материалов к воде. К ним относят влажность, водонасыщение, водостойкость, морозостойкость, гигроскопичность и др. В процессе эксплуатации материала в воде свойства их существенно меняются - снижается прочность, водостойкость, повышается теплопроводность и т.д.
Теплофизические свойства – теплопроводность, теплоемкость, термическое расширение, огнестойкость, огнеупорность.
Механические свойства – прочность, твердость, ударная вязкость, истираемость, износ – характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил или иных факторов, вызывающих в нем внутренние напряжения.
Для глубокого понимания свойств строительного материала необходимо знание его строения (структуры).
Под структурой материала подразумевают взаимное расположение, форму и размеры частиц материала, наличие пор, их размер и характер. Различают три уровня структуры материала:
Макрструктура – строение, видимое невооруженным глазом или через лупу. Бывает следующих видов: мелкопористая, ячеистая, волокнистая, слоистая, порошкообразная, конгломератная.
Микроструктура – строение, видимое в оптическийц микроскоп. По микроструктуре материалы бывают кристаллические и аморфные. Кристаллические вещества характеризуются расположением атомов в правильном геометрическом порядке. Кристаллическая форма более устойчива, чем аморфная. Поэтому для повышения активности в некоторых технологиях материал подвергают помолу.
Строение на молекулярно-ионном уровне, которое изучают с помощью электронного микроскопа (МЭ). Электронная микроскопия позволяет изучить фазовый состав материала, дислокацию аморфных и кристаллических зон, изменение формы и размеров кристаллов, новообразования на поверхности или в микрообъемах.
Для качественной оценки структурных характеристик применяют методы рентгеноструктурного анализа, термический и спектральный анализы (см главу 5).
Важными характеристиками материала являются химический, минеральный и фазовый составы.
Химический составопределяет способность материала к химическим превращениям под влиянием других веществ, а также физических и биологических воздействий. В зависимости от химического состава строительные материалы подразделяют на следующие виды:
органические (древесина, битум, пластмассы);
минеральные (природный камень, цемент, бетон, керамика);
металлические (сталь, чугун, цветные металлы и сплавы)
Если в минеральном материале преобладает двуоксид кремния (SiO2), то он сравнительно стоек к слабым кислотам, но взаимодействует с основными оксидами (CaO,MgO). Если в материале преобладают основные оксиды, он разрушается кислотами, но более стоек к действию слабых щелочей. Минеральные материалы хорошо противостоят действию огня, они биостойки. Материалы из органического сырья при обычной температуре стойки к действию слабых кислот и щелочей (до 5%-ой концентрации), имеют ограниченную биостойкость, склонны к возгоранию. Металлы обладают хорошей электро- теплопроводностью, легко подвергаются химической, электрохимической и другим видам коррозии.
Минеральный состав характеризуется содержанием в материале природных и искусственных минералов. Так, портландцемент состоит из нескольких искусственных минералов: силикатов (алит, белит), алюминатов (целит), ферритов кальция, синтезированных при обжиге природной сырьевой смеси в печах. Горная порода гранит состоит из природных минералов: зернисто-кристаллического кварца 20-40%, полевых шпатов (ортоклаза) 40-70%, слюд (биотит, мусковит) 5-20%.
Фазовый состав.Существуют однофазные, двухфазные и многофазные системы. Фаза – это равновесное состояние вещества, отличающееся по своим физическим свойствам от других фаз (газовые, жидкие, кристаллические фазы). Так, при затвердевании расплавленного металла образуется двухфазная система: жидкий металл + твердая кристаллическая фаза. При твердении искусственных, безобжиговых каменных материалов образуется как аморфная, так и кристаллическая фазы. Керамические материалы после обжига включают в себя при остывании стекловидную фазу застывшего расплава, кристаллические зерна, кристаллизующиеся в дисперсную фазу, представленную нерасплавившимися частицами.
Свойства материалов обуславливаются, прежде всего, составом и структурой. Взаимосвязь этих параметров играет важную роль при решении практических задач по применению строительного материала. Так, пористая структура способствует снижению средней плотности, прочности, водостойкости, но при этом понижается теплопроводность, улучшаются теплоизоляционные свойства. Плотные материалы обладают повышенной прочностью, водостойкостью, морозостойкостью; это обуславливает их повышенную долговечность.
Взаимосвязь основных свойств строительных материалов можно проследить по таблице 1.1.
Таблица 1.1.
Показатели физических свойств некоторых строительных материалов.
|
Наименование материала |
Истинная плотность, кг/м3 |
Средняя плотность, кг/м3 |
Пористость, % |
Теплопроводность, Вт/(м 0С) |
|
Бетон: тяжелый легкий ячеистый |
2500-2700 2500-2700 2500-2700 |
2300-2500 800-1200 500-700 |
8-12 50-70 70-80 |
1,0-1,16 0,3-0,4 0,2-0,3 |
|
Кирпич обыкновенный пустотный |
2600-2800 2600-2800 |
1600-1800 1100-1500 |
30-35 40-50 |
0,7-0,8 0,4-0,55 |
|
Природные камни: гранит известняк туф вулкан. |
2700-2800 2400-2600 2600-2800 |
2600-2800 2200-2400 900-2100 |
3,0-4,0 7-8 25-65 |
– 2,1-3,0 – |
|
Стекло: оконное пеностекло |
2600-2700 2600-2700 |
2600-2700 300-350 |
0 88-90 |
0,58-0,60 0,10-0,4 |
|
Полимерные материалы: стеклопластик пенопласты |
1900-2100 1300-1400 |
1900-2100 20-50 |
0 96-98 |
0,5-0,55 0,3-0,04 |
|
Древесные материалы: сосна ДВП |
1550-1600 1500-1600 |
500-600 200-300 |
62-67 81-86 |
0,16-0,18 0,05-0,06 |
|
Сталь строительная |
7800-7850 |
7800-7850 |
0 |
- |