- •Тема 1. Основные понятия строительного материаловедения
- •Классификация строительных материалов.
- •1.2. Эксплуатационные требования к материалам
- •Состав и строение материалов.
- •Основные свойства материалов
- •1.4.3 Химические и физико-химические свойства
- •1)Химическая
- •3)Биокоррозия
- •1.5 Работа материалов в сооружении.
-
Основные свойства материалов
Под свойствами строительных материалов понимают их способность определенным образом реагировать на отдельные или совокупные внешние или внутренние воздействия - силовые, усадочные, водной или иной среды и т. д.
В совокупности свойства именуют называют техническми свойствми строительных материалов.
1.4.1.ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Удельные и структурные характеристики.
• Истинная плотность
ρи = т/Vа
Размерность истинной плотности - кг/м3 или г/см3.
• Средняя плотность
ρс = m/Veст.
Так как Vt > V& (равенство только в абсолютно плотных материалах, не содержащих пор, - стали, стекле, воде), то всегда выполняется и соотношение ρи > ρс.
• Пористость
Пористость - величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала. Если известны значения средней и истинной плотности, то пористость материала, %, рассчитывают по формуле
П = (1- ρс./ ρи)100
Значения средней и истинной плотности и пористости некоторых строительных материалов
Материал
|
Плотность, кг/м3 |
Пористость, %
|
|
средняя |
истинная |
||
Гранит |
2600...2700 |
2700...2800 |
0...2 |
Тяжелый бетон |
2200...2500 |
2600...2700 |
2...25 |
Кирпич |
1400... 1800 |
2500...2600 |
25...35 |
Древесина |
400... 800 |
1500...1550 |
45...70 |
Пенопласт |
15...100 |
950... 1200 |
90...98 |
• Насыпная плотность. Рассчитывают для сыпучих материалов (цемент, песок, гравий, щебень).
ρн = m/ Vн
Величина Vн включает в себя объем всех частиц сыпучего материала и объем пространств между частицами.
Гидрофизические свойства – это свойства стойматериалов по отношению к действию воды.
• Гигроскопичность – это свойство пористого материала поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичность отрицательно сказывается на свойствах строительных материалов.
• Влажность
W=(mв/m)100
Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой, до величины WM, соответствующей максимальному водосодержанию. Для многих строительных материалов влажность нормирована. Так, влажность молотого мела - 2 %, стеновых материалов -5...7, воздушно-сухой древесины - 12...18 %.
• Водопоглощаемость Различают водопоглощаемость по массе и по объему.
Водопоглощаемость по массе WM, %, равно отношению массы воды mвн, полностью насыщающей материал, к массе сухого материала т
WM = (mвн/m)100
Водопоглощаемость по объему Wo, %, характеризует степень заполнения объема материала водой. Вычисляют водопоглощаемость как отношение объема воды FBH при полном насыщении материала к его объему Ve
W о = (Vвн/Ve)100
Водопоглощаемость по объему можно вычислить при известных значениях водопоглощаемости по массе и средней плотности материала, используя формулу
W о = WM ρс
• Водостойкость. Критерием водостойкости строительных материалов служит коэффициент размягчения - отношение прочности при сжатии материала, насыщенного водой, Rв к прочности при сжатии сухого материала Rc
KP = Rв /Rс. (4.10)
• Водонепроницаемость Это свойство особенно важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы, резервуары, плотины). Водонепроницаемость бетона оценивают маркой по W(W-2...W-8), обозначающей максимальное одностороннее гидростатическое давление, при котором стандартный образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных материалов водонепроницаемость характеризуется временем, по истечении которого появляется просачивание воды под определенным давлением через образец материала (мастика, гидроизол).
• Паропроницаемость — способность материала пропускать водяные пары при наличии разницы абсолютной влажности воздуха (парциального давления пара в воздухе) по обе стороны материала. В одних случаях нужна высокая паропроницаемость (например, материал стены должен «дышать»); в других желательно отсутствие паропроницемости (теплоизоляция не должна отсыревать). Паропроницаемость оценивается количеством водяного пара, которое проходит через слой материала толщиной 1м, площадью 1м2 в течение 1ч при разности давлений 10Па.
• Морозостойкость. Морозостойкость - одно из основных свойств, характеризующих долговечность строительных материалов в конструкциях и сооружениях.
Высокой морозостойкостью обладают плотные материалы, которые имеют малую пористость и закрытые поры. Материалы пористые с открытыми порами и соответственно большой водопоглощаемостью часто оказываются неморозостойкими.
• Гидрофильность и гидрофобность — свойства поверхности материала по отношению к воде. Мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью вещества, из которого состоит материал.
Гидрофильные (от греч. phileo — люблю) материалы имеют высокую степень связи с водой. На гидрофильной поверхности капля воды растекается (смотри рис.), а капиллярные поры гидрофильных веществ способны втягивать воду и поднимать ее на значительную высоту.
Поведение капли воды на гидрофильной (а) И гидрофобной (б) поверхностях
Гидрофобные (от греч. phobos — страх) материалы имеют низкую степень связи с водой. На их поверхности капли воды почти не растекаются (рис. 2.2, б), а в капиллярные поры вода проникает на минимальную глубину или вообще не проникает.
Для снижения смачиваемости материала и поглощения им воды можно изменять характер его поверхности. Особенно эффективны в роли гидрофобизаторов кремнийорганические вещества. Так, кирпич или бетон, обработанные гидрофобизирующей кремнийорганической жидкостью (ГКЖ), перестают поглощать воду, и более того, вода скатывается с поверхности таких гидрофобизированных материалов «как с гуся вода».
Теплофизические свойства характеризуют отношение материала к действию тепла. Они важны для теплоизоляционных и жаростойких материалов, материалов ограждающих конструкций и изделий, твердеющих при тепловой обработке.
• Теплопроводность. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1м2 поверхности при толщине 1м и разности температур на поверхностях 1°C течение 1ч. Коэффициент теплопроводности λ (Вт/м °C )
λ = Q δ / A (t1-t2) T
где Q-количество тепла, Дж; δ-толщина материала, м; А-площадь сечения, м2; (t1-t2)-разность температур, °C; Т-продолжительность прохождения тепла, с.
• Теплоемкость
Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость С, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы 1кг материала на 1 °C. Численные характеристики теплоемкости используют при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций. Кроме того, значения С надо знать для расчета затрат на топливо и энергию на обогрев материалов и конструкций при зимних работах.
• Тепловое расширение
Для численной характеристики такого явления используют температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), который показывает, на какую долю первоначальной длины расширяется материал при повышении температуры на 1 °С.
Значения ТКЛР составляют, °С-1: для бетона (10... 12)•10-6, стали 10•10-6, древесины вдоль волокон - (3...5)•10-6. ТКЛР полимерных строительных материалов в 10...20 раз больше.
• Огнестойкость - свойство материала выдерживать без разрушения воздействие высоких температур, пламени и воды в условиях пожара. Материал в таких условиях либо сгорает, либо растрескивается, сильно деформируется, разрушается от потери прочности. По огнестойкости различают материалы несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. Они не горят и не поддерживают горение. Это кирпич, бетон и др. Однако некоторые несгораемые материалы -мрамор, стекло, асбестоцемент - при резком нагревании разрушаются, а стальные конструкции сильно деформируются и теряют прочность.
Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры медленно воспламеняются, но после удаления источника огня их тление или горение прекращается. К таким материалам относятся фибролит, асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина.
Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня. Это - древесина, обои, битуминозные кровельные и полимерные материалы и др.
Предел огнестойкости - это промежуток времени (минуты или часы) от начала возгорания до возникновения в конструкции предельного состояния. Предельным состоянием считают потерю несущей способности, т. е. обрушение конструкции; возникновение в ней сквозных трещин, через которые на противоположную поверхность могут проникать продукты горения и пламя; недопустимый нагрев поверхности, противоположной действию огня, который может вызвать самопроизвольное возгорание других частей сооружения.
• Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не деформируясь и не размягчаясь.
Акустические свойства материалов.
Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук — звукопроводность и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук — звукопоглощение.
Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса; если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо заставить материал колебаться, плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.
Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук.
Способность отражать звуковые волны важна для наружных ограждений зданий. В этом случае для повышения отражения воздушных звуковых волн применяют массивные конструкции с гладкой наружной поверхностью.
Для внутренних помещений высокая отражающая способность ограждения (перегородок) недостаточна, так как отраженные звуковые волны будут усиливать шум в наиболее шумном помещении. В данном случае применяют многослойные конструкции, в состав которых входят элементы из звукоизоляционных материалов, эффективность которых оценивается динамическим модулем упругости. В качестве звукоизоляционных прокладок применяют пористо-волокнистые материалы из минеральной или стеклянной ваты, древесных волокон (древесноволокнистые плиты), засыпки из пористых зерен (керамзита, шлака и др.).
1.4.2.МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
Прочностные свойства (прочность, твердость, истираемость, сопротивлением удару, износу).
Деформационными свойства (упругость, пластичность, хрупкость и ползучесть).
Изменение формы и размеров тела под действием внешних сил называется деформацией. При этом твердые тела по-разному реагируют на снятие нагрузки, проявляя свойства упругости или пластичности.
Деформационные свойства Главнейшие виды деформаций — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.
Все они могут быть обратимыми и необратимыми.
Деформации могут быть также сложными — упруго-пластическими или упруго-вязко-пластическими, если достаточно четко выражены соответственно упругая и пластическая или упругая, эластическая и пластическая части. На характер и величину деформации влияют не только величина механического нагружения, но и скорость приложения этой нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости нагружения, а следовательно, деформирования, а также с понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругим и упруго-пластическим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.
• Упругость
Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует меру жесткости материала, т.е. его способность сопротивляться упругому изменению формы и размеров при приложении к нему внешних сил. Модуль упругости Е (МПа) вычисляется из закона Гука:
Е=σ/ε
где — σ напряжение, МПа; ε — относительная деформация.
Чем выше модуль упругости, тем меньше материал деформируется. Так, модуль упругости каучука 10...20 МПа, а стали - 200 000 МПа это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 10 000 раз меньше, чем каучука при прочих равных условиях.
• Пластичность
Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличения напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного периода времени под влиянием постоянных силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования - ползучестью.
Деформационные свойства строительных материалов обусловливаются периодом или временем релаксации.
• Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале, связанных с молекулярным перемещением, при условии, что начальная величина деформации зафиксирована и остается неизменной. Характер начальной деформации в период релаксации напряжений может измениться, например из упругой перейти в необратимую (пластическую), что связано с переориентацией внутримолекулярной структуры. Время или период релаксации определяет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых первоначальная величина напряжений при строго зафиксированной деформации снизилась в е раз (е - основание натуральных логарифмов, равное 2,718...). Эта величина является важной характеристикой строительных материалов: чем она меньше, тем менее деформативным является материал. Нередко время релаксации зависит от температуры материалов в момент испытания и скорости приложения нагрузки, являясь непостоянной величиной.
К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным - битумы при положительных температурах, некоторые виды пластмасс, бетонные и растворные смеси до затвердевания.
При весьма малой продолжительности действия сил по сравнению с величиной времени релаксации все материалы (тела) ведут себя как упруго-хрупкие и имеют полную обратимость деформаций, если, конечно, напряжения не нарушают их сплошности.
• Хрупкость
Хрупкому материалу в отличие от пластичного нельзя придать при прессовании желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается.
Хрупкими являются природные и искусственные камни, стекло, чугун и др. Приближенным значением меры хрупкости служит ψ = εу / εпред, и при ψ=1...0,8 разрушение от нагружения происходит без торможения трещин, внезапно.
Во всяком теле, подверженном действию внешних сил, возникают внутренние силы. Это происходит вследствие деформации твердого тела: атомы или ионы, образующие кристаллическую решетку, смещаются относительно своих положений равновесия, а силы связи между ними противодействуют этому смещению как внутренние силы.
Прочностные свойства
• Прочность
Мерой прочности материала является предел прочности - наибольшее напряжение, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой образец материала разрушается.
В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида возникающих напряжений различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб, скалывание (срез) (см.рис.).
Рис. . Схемы определения пределов прочности материалов: а - при сжатии; б - растяжении; в — изгибе; г — срезе
Физическая величина, которая характеризует интенсивность внутренних сил, приходящихся на единицу площади сечения, называется механическим напряжением.
Для экспериментального определения предела прочности материала используют образцы правильной геометрической формы - кубы, призмы, цилиндры, стержни, полоски. Размеры образцов, процедура испытания, вид и скорость нагружения, правила обработки результатов выдерживаются в строгом соответствии с требованиями стандарта.
Предел прочности при сжатии или растяжении R, Па, рассчитывают по формуле
R= Fразр/А
Где Fразр - разрушающая нагрузка, Н; А-площадь сечения до испытания, мм2.
Предел прочности на сжатие определяют путем нагружения до разрушения стандартных образцов на специальных прессах (испытательных машинах).
Различные материалы характеризуются разным пределом прочности при сжатии: от 0,05 (пенополистирол) до 1000 МПа и более (высокопрочная сталь). Часто одни и те же материалы имеют неодинаковый предел прочности, и в зависимости от этого их подразделяют на марки и сорта. Так, марки строительного раствора соответствуют пределу прочности (кгс/см2) от 4 до 200, обычного бетона - от 100 до 600, керамического кирпича - от 75 до 300.
Прочность материала зависит от его структуры, пористости, влажности, дефектов строения, температуры, состояния поверхности и других факторов.
• Твердость
Твердость ряда строительных материалов (бетона, древесины, металлов, строительного раствора) определяют специальным прибором, вдавливая в них закаленный стальной шарик, алмазный конус или пирамиду. В результате испытания вычисляют число твердости. Оно равно отношению силы вдавливания к площади поверхности отпечатка.
• Истираемость
Сопротивление материала истиранию определяют на круге истирания с подсыпанием абразивных порошков - наждака или кварцевого песка. Истираемость зависит от прочности и твердости материала и важна для оценки эксплуатационных свойств материалов полов, ступеней лестниц, дорожных покрытий.