Лекции по строительным материалам

Раздел 1. Основные свойства и оценка качества строительных материалов

Инженер-строитель должен уметь оценивать свойства строительных материалов с помощью числовых показателей и разбираться в методических принципах их определения. Свойство – это способность материала определенным образом реагировать на воздействие внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов.

Основные свойства строительных материалов можно подразделить на физические, гидрофизические, механические, теплофизические и специальные.

Физические свойства.

К физическим свойствам относятся: истинная, средняя и насыпная средняя плотности, а также пористость.

Истинная плотность. Истинной плотностью r называется масса материала в единице объема в абсолютно плотном состоянии (1)

(1)

где r – истинная плотность, г/см³;

m – масса материала, г;

V_a – объем в абсолютно плотном состоянии, см³.

Средняя плотность. Средней плотностью r_о называется масса материала в единице объема в естественном состоянии (2)

(2)

где r_о – средняя плотность, г/см³;

m – масса материала, г;

V – объем в естественном состоянии, см³.

Насыпная средняя плотность. Насыпная средняя плотность – это средняя плотность рыхлых сыпучих материалов, определяемая без вычета пустот между их частицами (3)

(3)

где r_н – насыпная средняя плотность, г/см³;

m – масса материала, г;

V_н – объем в рыхло-сыпучем состоянии, см³.

Пористость. Пористостью называют отношение объема пор к общему объему материала (4)

(4)

где П – пористость,

V_п – объем пор,

V – общий объем материала.

Пористость может быть величиной безразмерной, или, при умножении на 100%, выражаться в процентах.

Поры – это мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой. Поры бывают открытые, сообщающиеся с окружающей средой, и замкнутые, с ней не сообщающиеся. По величине пористости можно приближенно судить о других важных свойствах материалов – плотности, прочности, водопоглощении, морозостойкости и др. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. Пористость можно определить, зная истинную и среднюю плотности материалов (5).

(5)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98%. Общая пористость складывается из открытой П_о и замкнутой П_з пористости (6).

(6)

Открытые поры увеличивают водопроницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Открытую пористость можно определить по формуле 7

(7)

где м₂ и м₁ – масса образца в водонасыщенном и сухом состоянии, г;

r_в – плотность воды, г/см³,

V – объем в естественном состоянии, см³.

Гидрофизические свойства.

Водопоглощение. Водопоглощением называют способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Водопоглощение определяют по разности масс образца материала в насыщенном водой и в сухом состоянии, и выражают в % от массы сухого материала (водопоглощение по массе W_m) или в % от объема образца (водопоглощение по объему W_v). Весовое водопоглощение W_m определяется по формуле 8:

(8)

где m₂ – масса материала в водонасыщенном состоянии,г;

m₁ – масса материала в сухом состоянии, г.

Объемное водопоглощение W_v определяется по формуле 9:

∙100% (9)

где m₁ и m₂ - масса материала в сухом и водонасыщенном состоянии,

V₀ – объем материала в естественном состоянии.

Водостойкость. Водостойкость – это способность материала при насыщении водой сохранять основные физико-механические свойства. Она характеризуется коэффициентом размягчения К_разм. (10), который представляет собой ношение предела прочности на сжатие водонасыщенного материала (R_cж. ^вод) к пределу прочности на сжатие сухого материала (R_сж^{. сух}_.).

(10)

При проектировании сооружений, подвергающихся воздействию воды, необходимо применять материалы с коэффициентом размягчения не ниже 0,8.

Причиной снижения прочности при увлажнении материала водой может быть:

1. наличие в материале растворимых веществ, вымываемых водой.

2. Если материал не содержит растворимых веществ, падение прочности

при увлажнении может быть связано с расклинивающим эффектом Ребиндера, связанным с расширением (расклиниванием) устьев микротрещин при проникании в них диполей воды.

Влажность. Влажностью называют весовое содержание воды в материале, выраженное в процентах.

Сорбционная влажность. Она характеризует способность материала поглощать пары воды из окружающего воздуха. Численно она равна влажности материала после окончания поглощения им водяного пара. С повышением давления пара (т.е. с увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность материала.

Водопроницаемость. Водопроницаемость – способность материала пропускать через себя воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшей в течение 1 часа через 1 см² поверхности материала при заданном давлении воды, которое устанавливается стандартом в зависимости от вида материала.

Водонепроницаемость. Водонепроницаемостью называется способность материала не пропускать воду под давлением. Степень водонепроницаемости материалов зависит от их плотности и строения. Особо плотные материалы водонепроницаемы, материалы с замкнутыми мелкими порами практически также водонепроницаемы. Чем больше открытых пор, тем более проницаем для воды материал. Водонепроницаемость оценивается маркой материала по водонепроницаемости W, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, выраженное в МПа, при котором образец – цилиндр из испытуемого материала еще не пропускает воду. Строительные материалы имеют марки по водонепроницаемости W 0,2 – 1,2.

Морозостойкость. Морозостойкостью считают способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать многократное переменное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Количественно морозостойкость оценивается маркой материала по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости Мрз или F принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают водонасыщенные образцы материала без снижения прочности при сжатии более 15%, и потери массы более 5%.

Разрушения в материале связаны с тем, что вода, находящаяся в его порах, при замерзании увеличивается в объеме более чем на 9 %. Определение степени морозостойкости материалов производится путем замораживания водонасыщенных образцов при t^o = (-15, -17)^о в течение нескольких часов и их последующего оттаивания при t^o более 15 ^о С. не менее 6 часов. По степени морозостойкости материалы подразделяются на марки F (или Мрз) : 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 300 и выше.