Строительное материаловедение. Краткое учебное пособие

11

Истинная плотность - масса единицы объема абсолютно

плотного материала (без учета пор, трещин или других полостей), (г/см3,

кг/дм3, кг/м3):

= m / V,

где V – объем материала в абсолютно плотном состоянии, см3(дм3, м3).

R , МПа (Па)

0, кг/м3(г/см3)

Рис.3.1. Диаграмма качественной зависимости прочности материала R от его естественной плотности 0

Насыпная плотность нас – масса единицы объема рыхло насыпных, сыпучих или волокнистых материалов (цемента, гравия, песка, щебня, стекловаты), (г/см3, кг/дм3, кг/м3). В ее величине отражается влияние не только пор в самом материале, но и межзерновых пустот в его рыхлонасыпном объеме. Например, для известняка:

0 = 2 500 кг/м3, нас = 1 300 кг/м3.

Коэффициент плотности Кпл – степень заполнения объема материала твердым веществом

Кпл = 0/

Относительная плотность d выражает плотность материала к плотности воды, равной 1 г/см3 , тогда определяемая плотность становится безразмерной величиной. К примеру, для тяжелого бетона с естественной плотностью 0 = 2400 кг/м3 значение относительной плотности составит 2,4.

Пористость П – структурная характеристика, степень заполнения объема материала порами. Поры представляют собой ячейки, не заполненные структурным материалом. Пористость – величина относительная, измеряется в % от объема (или в долях от объема материала)

П = Vп / V;

11

12

П =[ ( - 0)/ ] 100;

П = (1- 0/ ) 100,

где - истинная плотность0 – средняя плотность

Важен характер пор. Различают открытую и закрытую пористость, мелкие и крупные поры. Сообщаясь с окружающей средой, открытые поры увеличивают водопроницаемость и водопоглощение материала, ухудшают его прочность R, морозостойкость, водостойкость и, следовательно, долговечность при эксплуатации во влажных условиях. Пористость и характер пор определяют область применения строительных материалов. Так, в звукопоглощающих и теплоизоляционных материалах умышленно создается пористость.

R, МПа(Па)

П,%

Рис.3.2. Диаграмма качественной зависимости прочности материала R от его пористости П

Пористость некоторых строительных материалов, % составляет:

Пустотность П0 – количество пустот, образующихся между зернами рыхло насыпного материала (песка, щебня и др.). Песок, к примеру, имеет пустотность 35…40 %.

Дисперсность Д – характеризуется размером твердых частиц материала, а именно удельной поверхностью S в единице объема (см2/м3) или в единице массы (см2/г). С увеличением удельной поверхности возрастает их внутренняя энергия и химическая активность (реакционная способность), что важно при производстве и использовании некоторых строительных материалов (цемент, известь, др.). Например, цемент с удельной поверхностью 3 000…3 500 см2/г через 1 сутки твердения связывает 10…13 % воды, а с удельной поверхностью 4 500…5 000 см2/г – около 18%, и относится к быстротвердеющим высококачественным цементам.

12

13

Адгезия – свойство одного материала прилипать к другому, в том числе при смешивании. Адгезия двух различных материалов зависит от природы каждого, формы и состояния поверхности, условий контакта и т.д. Она появляется и развивается в результате сложных поверхностных явлений, возникающих на границе фаз, и характеризуется прочностью сцепления при отрыве одного материала от другого. Учитывается при штукатурных, покрасочных работах, а также при приготовлении различных строительных смесей (цементных растворов, бетонов, красок и других отделочных материалов).

3.2.2. Гидрофизические свойства

Группа свойств материалов - показывает их отношение к воде, что особенно важно при их использовании в гидротехническом строительстве. Известно три формы связи воды с материалами: химическая, физикохимическая и физико-механическая.

Наиболее сильная – химическая связь – устанавливается в результате гидратации. В этом случае вода входит в состав вещества и не удаляется при испарении. К примеру, CaSO4· 0.5H2O – строительный гипс.

Физико-химическая связь воды устанавливается в результате адсорбции (поглощения) или осмоса (диффузии). При этом на поверхности материала удерживаются тонкие слои воды, что приводит к изменению их свойств – набухание, понижение твердости, пластификация и тому подобное. Физико-механическая связь с материалом – наиболее слабый вид связи. Связь разрушается при испарении воды, отжатии ее механическими или другими способами. Перечисленные связи обуславливают следующие свойства материалов.

Гидрофильность – свойство материала смачиваться водой (керамика, бетон).

Гидрофобность – свойство материала не смачиваться водой (битумы, полимеры, лаки и другие).

Степень гидрофильности и гидрофобности можно изменять искусственно в зависимости от назначения материала.

Капиллярное всасывание – свойство материала поглощать воду в результате ее подъема по капиллярам. Зависит от их формы и размеров. Характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания. Высоту капиллярного всасывания и его интенсивность учитывают при эксплуатации сооружений, работающих во влажных условиях (подвалы, фундаменты, цоколи).

Гигроскопичность – свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их вследствие капиллярной конденсации. Измеряется отношением количества поглощенной из воздуха влаги к массе сухого материала в процентах при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20 0С. Степень гигроскопичности материалов определяет возможность использования его в конкретных условиях (влажность, температура и др.). Гигроскопичность материала зависит от его пористости. К

13

14

примеру, материалы с одинаковой пористостью, но имеющие более мелкие поры, оказываются более гигроскопичными, чем крупнопористые (пески 4…9 %, керамика 5…7 %, древесина 12…18 %, ячеистые бетоны 20 % и более).

Водопоглощение W – свойство материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется количеством воды, поглощаемой сухим материалом, погружаемым полностью в воду, выражается в процентах от массы материала.

Водопоглощение по массе

W mнас mсух 100 %, m mсух

где mнас – масса материала в насыщенном водой состоянии, кг; mсух – масса материала в сухом состоянии, кг.

Водопоглощение по объему

W mнас mсух 100 % , V Vсух

где Vсух – объем материала в естественном состоянии, м3

Водопоглощение учитывается при использовании материала совместно с водой. Водопоглощение некоторых материалов по массе следую-

Между весовым и объемным водопоглощением существует соотношение:

WV = 0Wm

Всвязи с тем, что с водопоглощением связаны такие свойства, как прочность, морозостойкость, проницаемость и другие характеристики материалов, оно нормируется.

Врезультате насыщения водой понижается прочность материалов, поэтому водопоглощение используют для оценки структуры материала,

привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой Кнас, равный отношению водопоглощения по объему к пористости: Кнас= WV/П, кото-

рый зависит от количества и вида пор. Изменяется от 0 до 1. При Кнас= 0 – все поры замкнуты, Кнас = 1 – все поры открыты. При уменьшении коэф-

фициента насыщения пор повышается морозостойкость материала. При одной и

той же пористости, но разном соотношении открытых и закрытых пор, бу-

14

16

Рис.3.3. Схема к назначению водонепроницаемости материала в конструкции

Водонепроницаемыми можно считать такие материалы как сталь, стекло, битум.

Водонепроницаемость – важная характеристика для гидротехнического строительства, особенно для напорных сооружений: плотин, стенок шлюзов, напорных трубопроводов и др., и потому она нормируется

марками по водонепроницаемости (ВW2… ВW12). Водопроницаемость ре-

гулируется при производстве материалов путем увеличения их плотности. Воздухостойкость – свойство материала длительно выдерживать

многократное систематическое увлажнение и высушивание без значительных деформаций и потери механической плотности (бетон и кирпич в таких условиях склонен к медленному разрушению).

Морозостойкость F – способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Вода в порах материала при замерзании расширяется в объеме (на 8,5… 9 %). Замерзая и расширяясь, она разрывает поры, что приводит к снижению прочности материалов и к постепенному разрушению конструкций. Морозостойкость материалов имеет важное значение для гидротехнического строительства, а также для стеновых и кровельных конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации систематическому замораживанию в увлажненном состоянии и оттаиванию. Некоторые материалы, и в том числе бетон, маркируются по морозостойкости в зависимости от количества циклов замораживания и оттаивания, которые они выдерживают без видимых признаков разрушения. По морозостойкости материалы делятся на марки, к примеру, F10…F500. Цифра обозначает количество циклов знакопеременных температур в году. Морозостойкость можно регулировать. К примеру, для ке-

рамического кирпича марки по морозостойкости устанавлены в диапазоне F15… F50, для гидротехнического бетона F50…F500. Наиболее морозостойки плотные материалы. Из пористых морозостойки материалы с закрытыми порами. Морозостойким считается материал, если коэффициент насыщения пор Кнас = WV/П 0,8.

Радиационная стойкость – способность материала сохранять структуру и свойства при воздействии радиации. Используют для защиты от наиболее опасных для живых организмов - лучей и нейтронных излучений. К таким материалам можно отнести: свинец, кадмий, литий, особо тяжелые бетоны со специальными заполнителями. Учитывается при строительстве специальных сооружений, таких, к примеру, как атомные станции.

Электрофизические свойства.

16

17

Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. Электропроводные материалы – металлы. Электроизоляционные – керамика, стекло, слюда, асбест.

Электрическое сопротивление – свойство, обратное электропроводности. Электрическая прочность – способность материалов сохранять высокое электрическое сопротивление в электрических полях большой напряженности.

Электрофизические свойства зависят от минерального и химического состава, структуры и влажности материала.

К физическим свойствам относятся также звукопоглощаемость, поглощаемость рентгеновских лучей, светопроницаемость и др. С помощью испытания сооответствующих образцов материала определяются числовые характеристики этих свойств. Они сравниваются с допустимыми по нормам.

3.2.3. Теплофизические свойства

Оценка долговечности и надежности конструкций и сооружений невозможна без учета влияния температурных воздействий, особенно при проектировании и строительстве в районах с суровыми климатическими условиями. Отношение к тепловому воздействию определяет технологические и эксплуатационные показатели качества материалов и область их использования.

Теплопроводность – свойство материала пропускать через свою толщину тепловой поток под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Теплопроводность оценивают коэффициентом теплопроводности , т.е количеством тепла Q, Вт (Дж), прошедшим через стенку (образец) толщиной = 1м, площадью А = 1м2 за время , с при разности температур на противоположных поверхностях t в 1 0С. Теплопроводность – один из определяющих показателей качества тепло-

изоляционных материалов. Служит одной из основных сравнительных характеристик при выборе теплоизоляционных или теплозащитных материалов для стеновых конструкций и перекрытий отапливаемых зданий, а также используется при тепловых расчетах.

Теплопроводность определяет принадлежность материалов к классу теплоизоляционных. Класс «А» 0,0082; класс «Б» =0,082…0,116; класс конструктивно-теплоизоляционных 0,21.

Теплопроводность зависит от многих факторов, одним из которых является плотность. При практических расчетах такая зависимость используется для определения коэффициента теплопроводности, Вт/ (м •0С):

= 1,16 0,0196 0,22 0 2 -0,16,

где 0 – естественная плотность материала в г/см3.

17

18

Теплопроводность некоторых сухих материалов: кирпич керамический 0,8…0,85; бетон тяжелый 1…1,55; бетон легкий 0,35…0,8; пенобетон 0,12…0,15; минеральная вата 0,06…0,09; древесина 0,15…0,2; сталь 50; пластмассы 0,23…0,8; воздух 0,023.

Термическое сопротивление Rt , м2 •К/Вт – величина, обратная теп-

лопроводности. Используется при теплотехнических расчетах зданий, в том числе при назначении толщины стен.

Rt = / .

Термическое сопротивление определяется в соответствии со СНиП 11-3- 2006, зависит от района строительства. Для Москвы Rt =0,75 м2 К/Вт.

Огнестойкость (степень пожарной опасности) – способность материала выдерживать действие высоких температур ( t 1 000 0С ) без потери несущей способности в условиях пожара.

По огнестойкости материалы делятся на три класса: 1класс – несгораемые (асбест, металл), 2 класс – трудносгораемые, 3 класс – сгораемые (многие органические материалы).

Предел огнестойкости – продолжительность сопротивления воздействию огня в условиях пожара до потери прочности. К примеру, предел огнестойкости незащищенных металлических конструкций составляет 0.54 ч, железобетона 2…2 ч, бетона 2…5 ч.

Огнеупорность – свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По огнеупорности различают материалы: огнеупорные – выдерживают температуру до 1580 0С (динасы, корунд), тугоплавкие – 1350…1380 0С, легкоплавкие - до 1350 0С

Температурное расширение (термическая стойкость) характери-

зуется способностью материала выдерживать определенный цикл резких тепловых изменений без разрушения. Степень температурного расширения зависит от однородности материала, косвенно характеризуется коэффици-

ентами линейного Кt или объемного КV температурного расширения.

Они показывают, насколько увеличивается 1 м длины или 1 м3 объема ма-

териала при нагревании его на 10С. К примеру, для стали Кt = (11…12) 106, для бетона Кt = (11…14) 10-6. Практическое равенство коэффициентов линейного расширения стали и бетона позволяет их совместное использование в железобетоне. По величине коэффициента линейного расширения можно судить, насколько изменит свои линейные размеры деталь конструкции с изменением ее температуры. Относительная деформация материала при сезонном изменении температуры на 50 0С может составлять 1 и более мм/м. В строительстве значения коэффициентов температурного расширения используют при расчете температурно-деформационных швов в проектах массивных сооружений большой протяженности во избежание их растрескивания.

Температура плавления tпл - температура, при которой вещество в процессе нагревания из твердого состояния полностью переходит в жидкое

18

19

– в расплав. При охлаждении расплав вновь затвердевает. Это свойство используется при производстве некоторых материалов, в том числе обжиговых (цемент), металлов и др.

2.3.3. Механические свойства 3.3.1.Общие понятия

Надежность, несущая способность (прочность) и долговечность любой конструкции зависит от способности материала этой конструкции сопротивляться различным силовым воздействиям.

Механические свойства определяют способность материала сопротивляться деформациям и разрушению при воздействии внешних сил. В соответствии со строительными нормами расчеты строительных конструкций на прочность выполняются по методу «предельных состояний».

Предельным состоянием конструкции называют такое , когда она перестает сопротивляться внешним нагрузкам или же когда в ней возникают недопустимые перемещения или местные повреждения.

Основной задачей расчета по методу предельных состояний является создание условий, не допускающих переход конструкций в предельное состояние в течение всего срока их эксплуатации при экономичности этой конструкции в целом.

Метод расчета конструкций по предельным состояниям обеспечивает надежность сооружений. Надежностью называется способность объекта сохранять в процессе эксплуатации качество, заложенное при проекти

ровании. Другими словами, надежность конструкции – это устойчивость ее качества по отношению ко всевозможным отклонениям, которые могут возникнуть при изготовлении, транспортировании, возведении и функционировании. Изучение надежности и долговечности составляет предмет «теория надежности». С точки зрения строительных материалов особенностью метода предельных состояний является то, что механические характеристики материалов представлены в нормах нормативными значениями, а влияние их изменчивости на надежность конструкций учитываются соответствующими коэффициентами.

В общем случае в применении к механическим свойствам материалов условие предельного состояния можно выразить условием:

где ∑Nnmax – суммарное усилие от нормативных нагрузок (изгибающие момнты, силы); Ф – функция геометрических характеристик сечения А и нормативных сопротивлений (прочности) материалов Rn

Исходя из условия (3.1.) эксплуатационная надежность элемента, конструкции или сооружения обеспечена, если максимально возможное за время эксплуатации усилие от нормативных значений нагрузок не превышало минимально возможное сопротивление материала Rmin при экономичном сечении.

19

20

Силовые воздействия определяются нагрузками, которые делятся на статические, действующие постоянно, и динамические, действующие внезапно, вызывающие силы инерции.

Основная характеристика сопротивления (прочности) материалов силовым воздействиям - нормативное сопротивление Rн, представляющее собой установленное нормами предельное значение напряжений в материале с учетом условий контроля и статической изменчивости его механических свойств.

Нормативное сопротивление Rн вычисляется с учетом кривой распределения прочности материала x (рис.3.4) по формуле Rн =М –α σ, где М

– математическое ожидание, численно равное среднему арифметическому значению случайных величин (при гауссовом законе распределения); α – число вероятности; σ - среднее квадратичное отклонение. Вероятность, с которой обеспечивается нормативное сопротивление Rн (т.е. его обеспеченность), должна составлять не менее 0,95 (95 %).

Частота случаев, %

Прочность Rн, Па (МПа)

Рис.3.4 Кривая нормального распределения значений прочности материала

Способность материала сопротивляться деформациям и разрушению при различных силовых воздействиях характеризует его механические свойства, которые в свою очередь определяются внутренними напряжениями (внутренними силами сопротивления) .

р

∆А

Рис.3.5. Схема расположения сил при напряжениях

При отсутствии внешних воздействий, связность материала обусловлена силами воздействия атомов. Эти силы стремятся сохранить тело как

20