Основы строительства и инженерное оборудование

Основные свойства строительных материалов

Строительными называются материалы, из которых изготовляют строительные детали и конструкции, возводят здания и сооружения различного назначения. Строительные материалы могут быть природные – естественные (лесные, каменные плотные, пористые, рыхлые, горные породы, гравий, песок, глина и т.д.) и искусственные (вяжущие материалы – цемент, известь; искусственные камни – кирпич, блоки; растворы, бетоны, керамические изделия, металлы, тепло- и гидроизоляционные материалы, краски, лаки, а также материалы на полимерной основе).

Природные – (естественные) строительные материалы получают непосредственно из недр Земли или путем переработки лесных массивов. Этим материалам придают определенную форму и рациональные размеры, но не изменяют их внутреннего строения или состава.

Искусственные строительные материалы производят из природных сырьевых материалов или сырья, получаемого искусственным путем, а также из побочных продуктов промышленности и сельского хозяйства. Вырабатываемые строительные материалы отличаются от исходного природного сырья, как по строению, так и по химическому составу.

Искусственные строительные материалы разделяют по главному признаку их отвердевания:

1) материалы, отвердевание которых происходит при обычных температурах;

2) материалы, отвердевание которых происходит при высоких температурах и давлении, т.е. в условиях автоклавов;

3) материалы, отвердевание которых происходит при остывании огненно-жидких расплавов.

К основным физическим свойствам строительных материалов относят массу, истинную и среднюю плотность, пористость, водопоглощение, водоотдачу, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, морозостойкость, воздухо-, паро- и газопроницаемость, теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, огнеупорность, звукопроницаемость.

Истинная плотность – ρ (кг/м³, г/см³) – отношение массы материала m к его абсолютному объему (без пор и пустот) V.

Средняя плотность – ρ_m ( кг/м³) – физическая величина, определяемая отношением массы образца материала m к его объему, включая поры и пустоты V.

Пористость материала П – степень заполнения объема материала порами.

Водопоглощение – это способность материала впитывать и удерживать в себе воду. Выражается обычно в процентах и определяется по массе W_m или объему W_V:

W_m = [(m₁ – m) / m]·100%, W_V = [(m₁ – m) / V]·100%,

где m₁, m – масса образца соответственно сухого и насыщенного водой, г; V - объем образца в естественном состоянии, см³.

Влагоотдача – способность материала отдавать влагу окружающей среде, характеризуется скоростью потери влаги материалом в сутки при относительной влажности воздуха 60 %.

Гигроскопичность – свойство пористых материалов отдавать и поглощать определенное количество воды при повышении влажности окружающего воздуха.

Водостойкость – способность материала сохранять прочность при водонасыщении. Водостойкость численно характеризуется значением коэффициента размягчения К_разм= R_нас / R_сух,

где R_нас и R_cyx – предел прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образцов. Материалы относятся к водостойким, если К_разм ≥ 0,75.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, проходящей в течение 1 ч под постоянным давлением через 1 м² испытуемого материала. К водонепроницаемым материалам относятся особо плотные материала – битум, стекло, сталь. Плотные материалы с замкнутыми мелкими порами – бетон специально подобранного состава и др.

Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное и попеременное замораживание и оттаивание без выраженных признаков разрушения и потери прочности. Морозостойкими считают такие образцы материала, которые после установленных для них циклов замораживания и оттаивания не имеют видимых признаков разрушения, трещин, расслаивания и не теряют по массе более 5 %. После заданного числа циклов попеременного замо­раживания и оттаивания определяют прочность материала при сжатии и вычисляют коэффициент морозостойкости:

K_мрз = R_мрз / R_нас,

где R_мрз – прочность образцов при сжатии после заданного числа циклов замораживания и оттаивания, МПа; R_нас – прочность водонасыщенных образцов при сжатии до замораживания, МПа. Материал считается морозостойким, если К_мрз ≥ 0,75.

Теплопроводностьλ, Вт/ (м ∙ ^оС) или Вт/ (м ∙ К) – количество теплоты, проходящей через испытуемый материал толщиной 1 м, площадью 1 м² за 1 ч при разности температур по обе стороны материала в 1 ^оС.

Теплоемкость С, (Дж/К, Дж/ ^оС) – способность материала поглощать теплоту при нагревании или отдавать ее при охлаждении. Теплоемкость является мерой энергии, необходимой для повышения температуры материала. Теплоемкость материала, отнесенная к единице его массы, называется удельной теплоемкостью с [Дж/(кг · К), Дж/ (кг · ^оС)].

Огнестойкость – способность материалов выдерживать без разрушений одновременное действие высоких температур и огня. Пределом огнестойкости конструкции называется время (в часах) от начала огневого испытания до появления одного из следующих признаков: 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. Предел огнестойкости кирпичной стены толщиной в один кирпич равен 5,5 ч. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы:

· несгораемые материалы – под действием высокой температуры или огня не тлеют и не обугливаются (бетон, кирпич, металл);

· трудносгораемые материалы – с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются при наличии источника огня; (арболит, фибролит, асфальтобетон);

· сгораемые материалы воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня (дерево, рубероид, пластмассы, краски).

Огнеупорность – способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются:

· на огнеупорные (например, шамотный кирпич) –выдерживающие действие температур от 1580 °С и выше;

· на тугоплавкие (гжельский кирпич), выдерживающие температуру 1350 до 1580 °С;

· на легкоплавкие (керамический кирпич), выдерживающие температуру до 1350 °С.

Термическая стойкость материала характеризуется максимальной величиной длительно действующей температуры, при которой конструкционные свойства материала сохраняются. Например, для древесины термическая стойкость равна 50 °С, обычного бетона – 200...250 °С, полимербетона – 140 °С.

Под механическими свойствами материалов понимается их способность сопротивляться различным силовым воздействиям.

Прочностью материала называют его свойство сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок. Прочность материала характеризуется пределом прочности (при сжатии, изгибе, растяжении). Предел прочности при сжатии R_сж или растяжении R_раст, МПа,

R_сж = P / F; R_раст = P / F,

где P – разрушающая нагрузка, Н; F – площадь поперечного сечения, мм².

Упругость – способность материала изменять свою форму под нагрузкой и принимать после прекращения нагрузки первоначальную форму (сталь, древесина).

Пластичность – способность материала изменять под действием внешних сил свою форму, размеры и сохранять их после прекращения действия внешних сил (свинец, глиняное тесто, нагретый битум).

Хрупкость – способность материала разрушаться внезапно под действием внешних сил. К хрупким материалам относятся чугун, природные и искусственные каменные материалы, стекло.

Ударная прочность – способность материала сопротивляться в условиях эксплуатации ударным нагрузкам. Обычно конструкции подвергаются нагрузке, прилагаемой к материалу без удара (статической нагрузке). В некоторых случаях материалы в конструкциях подвергаются и ударным воздействиям (динамической нагрузке). Пределом прочности материала при ударе называется количество работы, затраченной на разрушение стандартного образца.

Твердость – способность материалов сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала.

Твердость каменных материалов определяют по шкале твердости, в которой 10 специально подобранных минералов расположены так, что на каждом предыдущем все последующие могут оставлять при царапании черту. Числовое значение твердости при испытании образца может оказаться между показателями двух соседних минералов, взятых по шкале твердости. Например, если испытываемый материал чертится топазом, но сам не чертит кварц, то его твердость принимают 7,5.

Твердость древесных плит определяют вдавливанием шарика из закаленной стали диаметром 10 мм в полированную поверхность образца на глубину 2 мм (табл. 1.1).

Истираемость – способность материала изменяться в объеме и массе при действии истирающих усилий. Истираемость имеет большое значение для полов, лестниц, дорожных покрытий.

Естественные строительные материалы

Природными каменными материалами называют материалы, получаемые из различных горных пород. Минералом называется природное химическое вещество, образовавшееся в результате различных физико-химических процессов, происходящих в земной коре, и имеющее приблизительно однородный состав и физические свойства.

По своему происхождению горные породы подразделяются на три группы:

1. Изверженные породы (первичные) – образованы из расплавленных магматических масс, которые в зависимости от условий образования делятся на:

· глубинные породы (граниты, сиениты), медленно затвердевшие под большим давлением в толще земли;

· излившиеся, затвердевшие на поверхности земли (базальты, андезиты). К разновидностям изверженных излившихся горных пород относятся также вулканические обломочные горные породы, которые образовались при быстром охлаждении выбрасываемой при извержении вулканов лавы. К обломочным породам относятся пемза, вулканические пеплы.

Основными породообразующими минералами изверженных горных пород являются:

· Кварц – наиболее распространенный минерал земной коры представляет собой кристаллический кремнезем. Основой его химического состава является диоксид кремния.

· Полевые шпаты – содержатся в горных породах в количестве более 50 %. Они представляют собой алюмосиликаты Na, К, Са с примесью других химических элементов.

· Слюды представляют собой группу минералов-алюмосиликатов слоистой структуры. В зависимости от химического состава слюды имеют разный цвет.

2. Осадочные породы (вторичные) – образованы в результате разрушения и отложения горных пород различного происхождения, а также в результате осаждения солей в морских водоемах и скопления остатков растительного и животного происхождения (кальцит, магнезит, доломит, гипс). Основными породообразующими минералами осадочных пород являются:

· магнезит (MgCO₃) – минерал класса карбонатов;

· кальцит (СаСО₃) или кристаллический известковый шпат;

· доломит – минерал класса карбонатов, по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль кальция и магния;

· гипс – водная сернокислая соль кальция CaSO₄ • 2Н₂О;

· ангидрид – безводный гипс CaSO₄.

3. Метаморфические (видоизмененные) породы – образованы в результате изменения изверженных или осадочных горных пород, состав и структура которых изменились под влиянием температуры, давления и химических воздействии.

Как правило, метаморфические породы отличаются сланцевой структурой (мраморы, кварциты, сланцы). Изделия из горных пород в зависимости от способа получения делятся:

1) на дробленые, получаемые дроблением горной породы (щебень);

2) на рваные, получаемые методом взрыва горной породы (бутовый камень и др.);

3) на пиленые, получаемые в карьерах из массивов камнерезными машинами (блоки или крупные камни – заготовки);

4) на молотые, получаемые в результате помола горной породы.

Из каменных пород, применяемых в строительстве, наиболее распространены: бутовый камень и каменные блоки – для кладки и облицовки стен; щебень, гравий, песок – для приготовления бетона, устройства дорожных оснований и т.д. Некоторые горные породы используются как сырье для производства цемента, извести, гипсовых и других вяжущих. Различного рода глины применяют в производстве керамических материалов.

Дата добавления: 2014-01-05