7904

21

Строительство - дело дорогостоящее и материалоемкое. В общем объеме капитальных затрат стоимость материалов и изделий составляет свыше 50 %, поэтому снижение материалоемкости за счет применения эффективных материалов и широкого использования местных сырьевых ресурсов имеет большое значение.

Строгой классификации строительных материалов на сегодня не существует, да и вряд ли возможно создать стройную классификационную систему. В настоящее время в строительстве применяют более 10 тыс. наименований строительных материалов и совершенно очевидна сложность создания их единой классификации.

Тем не менее, материалы классифицируются по целому ряду признаков: по производственному назначению, виду исходного сырья, по основным показателям качества (например, прочности, средней плотности и др.), а также по функциональному назначению, например, конструкционные, теплоизоляционные, акустические, огнеупорные материалы.

Одни материалы являются природными, а другие искусственными. Природные строительные материалы получают непосредственно из

недр земли или путем переработки, например, лесных материалов в «деловой лес» или добытого камня в облицовочные плиты.

Искусственные строительные материалы и изделия производят чаще всего из природных сырьевых материалов, но в последние годы значительное количество их получают из попутных продуктов промышленности, сельского хозяйства.

Наиболее широкое применение имеют искусственные строительные материалы.

Природные каменные материалы и изделия классифицируются либо по генетическому признаку (то есть по происхождению горных пород), либо по техническим свойствам - по средней плотности, прочности, морозостойкости

идругим показателям.

3.2.Основные физико-механические свойства строительных материалов

Для того, чтобы правильно, целесообразно и наиболее эффективно применить тот или иной строительный материал, необходимо знать его свойства.

Наиболее важны для строительных материалов физические и механические свойства, их реакция по отношению к воде, температуре и различным механическим воздействиям.

Физические свойства. К ним относят: плотность, пористость, водопоглощение, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, теплопроводность, огнестойкость, огнеупорность, паро- и газопроницаемость, звукопоглощение.

22

Средняя плотность – физическая величина, определяемая отношением массы тела в естественном состоянии ко всему занимаемому им объему, включая пустоты и поры (г/см3):

где т - масса материала, г, кг;

Va - объем, занимаемый материалом или веществом без пор и пустот, см3.

Для зернистых материалов, которые очень широко применяются в строительстве, определяется насыпная плотность - отношение массы зернистых материалов или материалов в виде порошка ко всему занимаемому ими объему, включая межпоровое пространство.

Пористость материала – степень заполнения объема материала порами; по значению пористость дополняет среднюю плотность до единицы или до 100 %

где ρ - истинная плотность; ρm - средняя плотность.

Водопоглощение - это способность материала впитывать и удерживать в себе воду; её определяют насыщением водой образца, предварительно высушенного до постоянной массы. Количество воды, поглощенной образцом, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе, а отнесенное к его объему - водопоглощением по объему.

Водопоглощение (%) вычисляют по формулам:

где т1 и т2 - масса материала, соответственно, в сухом и насыщенном водой состоянии, кг.

После деления этих выражений почленно получим зависимость:

Водопоглощение зависит от пористости, строения пор (замкнутые, открытые, крупные). Значение водопоглощения по объему всегда меньше 100 %, а по массе может быть более 100 %.

Водостойкость – способность материала сохранять прочность при водонасыщении. Численно водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения

где Rнас. и Rсух. - предел прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образцов;

К разм. = 0....1.

Строительные материалы из-за неодинаковой плотности, структуры, состава имеют различную водостойкость и характеризуются коэффициентом размягчения. Например, для таких материалов, как стекло, фарфор, сталь К разм = 1, а гипсовые материалы при насыщении водой могут полностью раз-

рушиться. К водостойким относятся материалы с К разм ³ 0,75 .

Гигроскопичность – способность строительных материалов поглощать водяные пары из окружающего воздуха. Степень гигроскопичности зависит от температуры и влажности воздуха, вида, количества и размера пор, а также от природы вещества.

Гигроскопичность пористых материалов ухудшает их физикомеханические свойства. В связи с этим материалы с высокой гигроскопичностью не рекомендуются для применения в ограждающих конструкциях зданий и сооружений.

Морозостойкость – одно из важнейших свойств строительных материалов. Этот показатель свойств характеризует способность материала выдерживать в насыщенном водой состоянии многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и потери прочности. Морозостойкими считают материалы, которые после установленного для них количества циклов замораживания и оттаивания не имеют выкрашивания, трещин, расслаивания, разрушения углов и граней и теряют не более 5 % массы и не более 25% прочности.

Показателем морозостойкости является коэффициент Кмрз., который определяется по формуле:

где R мрз. - прочность образцов при сжатии после заданного числа циклов замораживания и оттаивания, МПа;

24

Rнас. - прочность водонасыщенных образцов при сжатии до замораживания, МПа.

Звукопоглощение. Физический смысл процесса звукопоглощения заключается в превращении звуковой энергии в энергию тепла (процесс взаимодействия звуковых волн с частицами материала и воздухом, заключенным в объемах его пор).

Основным показателем поглощающей способности материала является коэффициент звукопоглощения (α )

Еn.

где Е погл. - энергия, поглощенная поверхностью ограждения; Е n. - энергия звука падающая.

Звукопроницаемость характеризует звукоизолирующие свойства ограждения из любого материала и определяется коэффициентом звукопроницаемости:

где Р1 и Р2 - звуковое давление соответственно в падающей и прошедшей звуковых волнах;

Q - угол падения звуковой волны относительно нормали к поверхности ограждения.

Механические свойства. К ним относятся: прочность, твердость, истираемость, деформативность.

Прочностью материала называется его способность не разрушаясь сопротивляться воздействию внешних нагрузок. В строительных материалах, подвергаемых воздействию нагрузок, возникают различные напряжения - сжатия, растяжения, изгиба, кручения, среза. В зависимости от условий работы конструкций их испытывают на прочность при сжатии, растяжении, изгибе и т. д. Требования по прочности к строительным материалам изложены в соответствующих нормативных документах (СНиП, ГОСТ, ТУ и т. п.).

Строительные материалы обладают разной прочностью и способностью сопротивления действию сил сжатия, растяжения и изгиба

Подробно изучением прочности занимается наука «Сопротивление материалов», в данном курсе приведены лишь самые краткие сведения о прочности.

Предел прочности (МПа) при сжатии или растяжении R равен разрушающей нагрузке РР, деленной на площадь поперечного сечения образца А :

Форма стандартных образцов, методика их изготовления и испытаний указываются в ГОСТах на соответствующие материалы.

Твердость – способность материалов сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала. Для некоторых материалов (например, природных каменных материалов) твердость определяют методом нанесения черты одним материалом на другом. Твердость каменных материалов определяют по шкале твердости Мооса, в которой 10 специально подобранных минералов расположены так, что на каждом предыдущем все последующие могут оставлять при царапании черту.

Например, тальк и мел, имеющие показатель твердости 1, легко царапаются ногтем, но ни на одном другом минерале не оставляют царапин. Такие минералы, как кварц, топаз, корунд и алмаз с показателем твердости соответственно 7, 8, 9 и 10 легко царапают стекло, но на них не оставляет царапин стальной нож.

Числовое значение твердости при испытании образца может оказаться между показателями двух соседних минералов, взятых по шкале твердости. Например, если испытуемый материал царапается топазом (8), но сам не царапает кварц (7), то его твердость принимают - 7,5.

Истираемость – свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. На истираемость испытывают материалы, применяемые для устройства полов, лестниц, каменных тротуаров и пр.

где G1 и G2 - масса испытуемого образца до и после истирания, г; S - площадь истирания, см2.

Значения истираемости (г/см2) некоторых материалов: гранита – 0,1 ... 0,5; керамических плит для полов – 0,25 ... 0,3; известняка – 0,3 ... 0,8.

Теплотехнические свойства. Строительные материалы, применяемые для устройства ограждающих конструкций, должны быть не только прочными и долговечными, но и обладать хорошими теплотехническими свойствами, например, теплопроводностью, теплоемкостью, огнестойкостью, термической стойкостью, огнеупорностью.

Теплопроводность – способность материала передавать теплоту через свою толщу при наличии разности температур по обе стороны материала. Теплопроводность зависит от вида материала, пористости, характера пор, его влажности и плотности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Значение теплопроводности характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м° С):

где Q - количество проходящей теплоты, Дж; а - толщина слоя материала, м;

А - площадь, через которую проходит тепловой поток, м2;

(t1 - t2) - разность температур по обеим сторонам слоя материла, °C; Z - время прохождения теплового потока, ч.

Теплоемкость – способность материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты. Она характеризуется коэффициентом теплоемкости С, Дж/(кг° С):

где Q - количество теплоты, затраченной на нагревание материала от t1 до t2, Дж;

т - масса материала, кг;

(t1 – t 2) - разность температур до и после нагревания, ° С.

Теплоемкость материалов учитывают при теплотехнических расчетах ограждающих конструкций, при расчете расхода тепла в различных тепловых установках (пропарочных камерах, автоклавах, обжиговых печах и т. п.).

Огнестойкость – способность материала выдерживать без разрушения одновременное действие высокой температуры и воды (такая ситуация возникает во время тушения пожаров).

Пределом огнестойкости конструкции называется время (в часах) от начала огневого испытания до появления одного из следующих факторов: сквозных трещин, обрушения, повышения температуры на необогреваемой поверхности более чем на 140° С в среднем, или на 180° С в любой точке по сравнению с температурой до испытания. Для примера: предел огнестойкости кирпичной стены в один кирпич (25 см) равен 5,5 ч.; незащищенных стальных колонн - 0,25 ч.

По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы (бетон, кирпич, асбестовые материалы) под действием высокой температуры или огня не тлеют и не обугливаются. Трудносгораемые материалы (например, арболит, фибролит, асфальтобетон) с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но происходит это только при наличии открытого источника огня. Сгораемые материалы (дерево, толь, пластмассы) воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

27

Огнеупорность – способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь.

По степени огнеупорности материалы подразделяются на огнеупорные

– выдерживающие действие температур от 1580° С (например, шамотные изделия), тугоплавкие – выдерживающие температуру 1350-1580° С (например, гжельский кирпич), легкоплавкие – выдерживающие температуру ниже 1350° С (обыкновенный керамический кирпич и камни).

3.3. Минеральные вяжущие вещества

Минеральные вяжущие - это, как правило, тонкомолотые порошкообразные вещества, которые при смешивании с водой (затворении водой) образуют пластичное тесто, с течением времени затвердевающее и переходящее в камневидное состояние. Загустевание и переход в камневидное состояние происходят в результате физико-химических процессов между водой (или растворами солей) и вяжущим.

По способности твердеть минеральные вяжущие вещества подразделяются на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительно сохранять свою прочность только в воздушной среде.

Гидравлические вяжущие способны затвердевать и длительно сохранять свою прочность на воздухе, во влажной среде и в воде.

3.3.1. Воздушные вяжущие вещества

Первым вяжущим веществом, которое применил человек, была обыкновенная глина.

Глина – это осадочная горная порода, состоящая в основном из глинообразующих минералов и примесей. Глинообразующие минералы являются водными алюмосиликатами, общая формула которых:

(где коэффициенты п, т, р зависят от вида глинообразующего минерала).

В зависимости от преобладающего содержания глинистых минералов глины называют каолинитовыми, гидрослюдистыми (иллитовыми) и монтмориллонитовыми. Глины белого цвета, состоящие преимущественно из каолинита, называют каолинами. Каолины, кстати сказать, являются основным сырьем при производстве фарфоровых и фаянсовых изделий.

Кроме глинообразующих минералов в глинах присутствуют примеси: кварцевый песок, карбонатные, железистые, органические соединения, растворимые соли.

По одним литературным источникам глину как вяжущее человек стал применять за 5 тыс. лет, а по другим за 12 тыс. лет до нашей эры.

28

Глина как вяжущее со временем потеряла свое значение, но зато до настоящего времени является основным компонентом при изготовлении керамических материалов и изделий. В качестве вяжущего глина применяется при устройстве бытовых печей, обмуровке тепловых агрегатов, строительстве промышленных труб.

Гипсовые вяжущие вещества. Можно предположить, что строительный гипс (гипсовое вяжущее) появился вслед за глиной, поскольку для его получения требуется сравнительно невысокая температура. Существует предание: однажды корабль пристал к берегу и команда, устраивая костер, обложила место его разведения крупными кусками белого камня, которые были разбросаны вокруг. Под действием огня белые камни рассыпались на мелкие куски. После того, как на них попала вода, они снова затвердели.

В настоящее время гипсовые вяжущие получают термической обработкой природного двуводного гипса при температуре 97 ÷ 180° С и последующего помола полученного продукта в тонкий порошок (иногда помол осуществляют в процессе тепловой обработки)

CaSO4 × 2H2O ¾®CaSO4 × 0,5H2O +1,5H2O

Процесс твердения заключается в присоединении полутора молекул воды и превращении полуводного гипса в двуводный.

CaSO4 × 0,5H 2 O +1,5H 2O = CaSO4 × 2H 2O

В зависимости от прочности при сжатии и изгибе стандартных образцов, изготовляемых из гипсового теста, гипсовые вяжущие подразделяются на марки от Г-2 до Г-25, где цифра обозначает предел прочности при сжатии, МПа.

При твердении гипсовое вяжущее увеличивается в объеме примерно на 1,0-1,5 %, это очень ценное свойство, которое широко используется при отливке различных архитектурных деталей, для изготовления матриц в литейном производстве.

Гипсовые вяжущие широко применяют в строительной практике: для приготовления штукатурных растворов, для изготовления гипсо-картонных листов (сухая штукатурка), искусственного мрамора.

Следует помнить, что гипсовые вяжущие – быстросхватывающиеся и быстротвердеющие вещества, их способность твердеть находится в пределах 5-10 мин. В течение этого промежутка времени раствор, приготовленный с применением гипсового вяжущего, должен быть израсходован.

Тепловая обработка гипсового камня при повышенных температурах дает возможность получить другие гипсовые вяжущие с другими, более продолжительными сроками схватывания и твердения и более высокой конечной прочностью.

Воздушная известь. Воздушную известь получают умеренным обжигом карбонатного сырья - известняков, мела, доломитизированных известняков и доломитов, содержащих не более 6 % глины.

29

Обжиг осуществляют в печах различного типа при максимальной температуре в зоне обжига 1000-1200° С. При такой температуре происходит термическая диссоциация СаСО3 по схеме:

CaCO3 + q ¾®CaO + CO2 ,

(где q - количество теплоты, необходимой на разложение 1 моля СaСО3 , равное 180 кДж).

Куски извести имеют пористую структуру вследствие удаления из известняков СО2 (около 40 % по массе). Известь подразделяется на гашеную и негашеную. Негашеная известь, в свою очередь, подразделяется на комовую и молотую. Гашеную известь получают путем ее гашения водой:

CaO + H 2O = Ca(OH )2

Гашеная известь подразделяется на гидратную известь (пушонку), когда для гашения воды берут 70-100 % по массе; для получения известкового теста воды берут около 300 %, при большем количестве воды образуется известковое молоко.

Следует помнить, что при гашении извести выделяется большое количество тепла и нужно соблюдать осторожность. Кроме того, известь раздражающе действует на мокрую кожу, слизистые оболочки носа, глаз, дыхательных путей. Воздушная известь по виду содержащегося в ней основного оксида подразделяется на кальциевую, магнезиальную и доломитовую.

Воздушная известь широко применяется для приготовления известко- во-песчаных и смешанных (сложных) растворов, которые, в свою очередь, используются при кирпичной кладке и выполнении штукатурных работ. Кроме того, известь применяется в металлургическом производстве, в химической промышленности, при выделке кож, для очистки свекольного сока при изготовлении сахара. Воздушную известь применяют при производстве малярных работ, особенно при побелке животноводческих помещений, овощехранилищ, погребов; кроме чисто декоративного назначения известь является хорошим дезинфицирующим средством. Из молотой извести и кварцевого песка приготовляют известково-кремнеземистое вяжущее, применяемое для изготовления силикатного кирпича, силикатных и ячеистых бетонов, о чем более подробно будет рассказано дальше.

Магнезиальные вяжущие вещества. К ним относятся каустический магнезит - продукт разложения при температуре 650-850° С природного магнезита:

MgCO3 ¾® MgO + CO2

В строительных целях чаще используют каустический доломит – продукт разложения природного доломита:

CaMg(CO3 ) 2 ¾®CaCO3 + MgO + CO2

При затворении водой эти вяжущие твердеют медленно и их конечная прочность невелика, поэтому их затворяют растворами хлористого или сернокислого магния. В этом случае процесс твердения протекает значительно быстрее, а конечная прочность значительно выше.

30

Каустический магнезит имеет марки по прочности при сжатии 400, 500, и 600 , а каустический доломит - 100, 150, 200 и 300 (цифра обозначает предел прочности при сжатии стандартных образцов, кгс/см2).

Эти вяжущие используют при устройстве ксилолитовых полов (смесь магнезиального вяжущего с древесными опилками), для изготовления фибролита (смесь этого вяжущего с древесной шерстью) и в некоторых других областях. Транспортируют магнезиальные вяжущие и хранят в условиях, предохраняющих их от увлажнения.

Жидкое стекло. Так называют растворимые соли кремниевой кислоты - N 2O × nSiO2 и K 2O × nSiO2 . n – силикатный модуль (его значения изменяются от

2,1 до 3,5).

Жидкое стекло получают расплавлением в стекловаренных печах при температуре 1350-1400° С тщательно перемешанной смеси молотых кварцевого песка, кальцинированной соды (или поташа, или сульфата натрия). Полученная в результате силикат-глыба размалывается и обрабатывается в автоклаве водяным паром.

При затворении водой для ускорения протекания химических реакций в раствор добавляют кремнефтористый натрий, который одновременно повышает водо- и кислотостойкость затвердевшего жидкого стекла. Жидкое стекло применяют при изготовлении огнезащитных красок, для предохранения каменных материалов от выветривания, для получения кислотоупорного

ижаростойкого цементов, для уплотнения грунтов.

Вбыту жидкое стекло известно под названием силикатного клея.

3.3.2. Гидравлические вяжущие вещества

Главным, наиболее широко применяемым гидравлическим вяжущим веществом является портландцемент, его не случайно называют «хлеб строительства». Материал, близкий по свойствам к портландцементу, получили практически одновременно и независимо друг от друга Егор Челиев в России и Джозеф Аспдин в Англии, 1824 и 1825 гг., соответственно.

Портландцемент представляет собой тонкомолотый порошок серозеленого цвета. Его получают измельчением портландцементного клинкера с небольшим количеством (около 3,5 %) гипсового камня, часто в процессе измельчения добавляют активные минеральные добавки. В свою очередь клинкер получают обжигом до спекания при максимальной температуре 14501500° С сырьевой смеси, составленной из известняка (около 75 %) и глины (около 25 %). Обжиг портландцементного клинкера чаще всего осуществляют во вращающихся печах диаметром от 3,5 до 7,0 м и длиной до 185 м (наибольшая длина составляет 230 м при диаметре 7,0 м).

К основным техническим свойствам портландцемента относятся: истинная плотность, насыпная плотность, тонкость помола, сроки схватывания, нормальная густота (водопотребность цемента), равномерность изменения