Строительные материалы. Часть 1. 2013

лы с kр более 0,8 считаются водостойкими, а с kр менее 0,8 – неводостойкими. Неводостойкие материалы не следует применять в воде и в местах, подвергающихся систематическому увлажнению – фундаменты, санузлы, бани, прачечные и др.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость материала зависит от его пористости и характера пор. С водопроницаемостью сталкиваются при возведении гидротехнических сооружений, резервуаров для воды.

Водопроницаемость обычно определяют для бетонов. Водопроницаемость оценивается коэффициентом фильтрации Кф [м/ч], показывающим, какое количество воды VВ [м3] проходит через стенку толщиной а = 1 м, площадью S = 1 м2 за время t = 1 ч при разности гидростатического давления на границах стенки (p1 – p2) = 1 м водяного столба:

KФ =	VВ а			(13)
	S (p − p		)t
	1	2

Обратной характеристикой водопроницаемости является водонепрони-

цаемость. Водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду под давлением. Водонепроницаемость характеризуется марками (W2, W4, W6, W8, W12), обозначающими одностороннее гидростатическое давление [кгс/см2], при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Например, марка по водонепроницаемости W8 означает, что образец не пропускает воду при давление воды 8 кгс/см2. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже Кф, тем выше марка по водонепроницаемости.

С водопроницаемостью борются в строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, при возведении стен подвалов. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны.

Влагоотдача – свойство, характеризующее скорость высыхания материала при наличии условий в окружающей среде (понижение влажности,

нагрев, движение воздуха). Влагоотдача характеризуется количеством воды, которое материал теряет в условиях испытания за сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С.

В естественных условиях вследствие влагоотдачи, через некоторое время после окончания строительных работ, устанавливается равновесие между

11

влажностью строительных конструкций и окружающей средой. Такое состоя-

ние равновесия называют воздушно-сухим или воздушно-влажностным равновесием.

Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) – увеличение размеров материала при насыщении водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки

инабухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают появление трещин, ускоряющих разрушение. В подобных условиях находится, например, бетон в дорожных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооружений.

Морозостойкость – способность материала сопротивляться разрушению под действием многократного попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии.

Вода, проникая в поры материала и, превращаясь при замерзании в лед, увеличивается в объеме примерно на 9 %, давит на стенки пор, вызывая разрушения. Для испытания морозостойкости насыщенный водой материал подвергают объёмному или одностороннему замораживанию (в зависимости от технических требований к материалу) при минус 15–20 °С и последующему оттаиванию водой при температуре +20 °С. Один цикл испытания (F) включает одно замораживание

ипоследующее оттаивание.

Оценка морозостойкости может быть по трём критериям: 1) по степени повреждений – появлению отколов, выкрашиваний, трещин, посечек, шелушений; 2) по потере массы; 3) по потере прочности. Критерии и их величина определяются нормативными документами на конкретный материал. Так керамический кирпич

12

оценивают по критерию 1, силикатный – по 1 и 3, ячеистый бетон – по 2 и 3. Материал считается выдержавшим требуемое количество циклов испыта-

ний, если он после этого не имеет недопустимых внешних повреждений и, если не снизились сверх допустимых пределов его масса (обычно не более чем на 5 %) и прочность (обычно не более чем на 15–25 %). Марки по морозостойкости различных строительных материалов могут быть от F10 до F1000 (10–1000 циклов).

Требования по морозостойкости назначают в зависимости от режима эксплуатации материала и расчетных зимних температур наружного воздуха в районе строительства. Чем больше материал в процессе эксплуатации подвергается увлажнению и чем холоднее регион, тем выше требования по морозостойкости.

Так как испытание на морозостойкость вышеописанным способом является весьма трудоёмким и длительным, в настоящее время предложено множество современных ускоренных методов.

Теплофизические свойства

Теплопроводность – свойство материала пропускать тепло через свою толщу от одной поверхности к другой. Теплопередача происходит в ре-

зультате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность материалов оценивают коэффициентом теплопроводности λ [Вт/(м °С)], показывающим какое количество тепла Q [Дж] проходит через материал толщиной δ = 1 м, площадью S = 1 м2 за время z = 1 ч при разности температур на двух противоположных поверхностях стенки (t1 – t2) = 1 °С:

	λ =	Q δ		(14)
		S (t1	− t2 )z

Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздушные ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха λ = 0,023 [Вт/(м °С)] меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит «каркас» строительного материала. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые поры, чтобы снизить количество тепла, передаваемого в ячейках конвекцией и излучением.

13

Влага, попадая в поры, увеличивает теплопроводность, а замерзая, делает материал ещё более теплопроводным, т.к. теплопроводность воды и льда больше теплопроводности воздуха, соответственно в 25 и 100 раз.

Теплопроводность материала имеет огромное значение при устройстве ограждающих конструкций зданий – стен, перекрытий, полов, крыш. Легкие и пористые материалы малотеплопроводны. Например, коэффициент теплопроводности тяжелого бетона со средней плотностью ρо = 2400 кг/ м2 равен 1,16 [Вт/(м °С)], полнотелого кирпича ρо = 1800 кг/ м2 – 0,8 [Вт/(м °С)], а газобетона

ρо = 800 кг/ м2 – 0,2 [Вт/(м °С)].

Термическое (тепловое) сопротивление материала – сопротивление передаче тепла. Термическое сопротивление слоя материала R [(м2 °С) / Вт], определяют по формуле:

R =	δ	(15)
	λ

где δ – толщина слоя, м; λ – коэффициент теплопроводности материала слоя, [Вт/(м °С)].

Если ограждающая конструкция многослойна, то её сопротивление теплопередаче Rо складывается из суммы термических сопротивлений отдельных слоев и должно быть не меньше значений, регламентированных нормативнотехническими документами для региона строительства. Так, для Алтайского края приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций жилых помещений должно быть не менее 3,62 (м2 °С) / Вт, а для Москвы и Московской области – не менее 3,2 (м2 °С) / Вт.

Термическое сопротивление – важнейшая характеристика качества ограждающих конструкций, связанная с теплопроводностью; от неё зависят толщина наружных стен и расход топлива на отопление зданий.

Теплоемкость – способность материалов поглощать тепло при нагре-

вании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с [Дж/(кг·°С)], которая равна количеству тепла Q, [Дж], затраченному на нагревание материала массой m = 1 кг, чтобы повысить его температуру на (t2 – t1) = 1 °С:

	c =	Q			(16)
		m(t2	− t1 )

С другой стороны удельная теплоёмкость – это то количество тепла, которое материал аккумулирует при нагревании его на 1 °С. Аккумулированное тепло материал выделяет при остывании. Материалы с высокой теплоёмкостью

14

выделяют больше теплоты при остывании. Удельная теплоемкость каменных материалов составляет 755–925, материалов из древесины – 2420–2750 Дж/(кг·°С). Наибольшую теплоемкость имеет вода – 4200 Дж/(кг·°С).

Теплоемкостью материалов пользуются для определения теплоустойчивости стен и перекрытий. Под теплоустойчивостью стен и перекрытий понимают их способность сохранять на внутренней поверхности предусмотренную нормативами температуру, несмотря на колебания теплового потока вследствие неравномерной работы отопления и суточных колебаний наружного воздуха. Суточные колебания температуры в жилых зданиях не должны превышать 6 °С. Для стен и перекрытий жилых и отапливаемых зданий желательно применять материалы с возможно более высокой теплоемкостью.

Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т. е. от его способности воспламеняться и гореть. По огнестойкости строительных материалов обычно приводится следующая классификация.

Несгораемые материалы – это неорганические материалы – бетон, кирпич, сталь и др. Некоторые несгораемые материалы при пожаре растрескиваются или сильно деформируются (металлы) при температуре, начиная с 600 °С.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты).

Сгораемые органические материалы, которые горят открытым пламенем.

Их необходимо защищать от возгорания. Широко используют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества — антипирены.

Так следует отвечать на вопросы федерального тестирования, связанные с огнестойкостью. Подобным образом трактуется огнестойкость во всех учебниках по строительным материалам, в том числе и в современных.

Однако современные нормативно-технические документы огнестойкость рассматривают только в отношении строительных конструкций, зданий, сооружений и строений. Строительные материалы характеризуются только пожарной опасностью. Пожарная опасность строительных материалов определяется следующими показателями: горючестью, воспламеняемостью, распространением пламени по поверхности, дымообразующей способностью и токсичностью. По

15

каждому показателю имеются классификации, стандарты на испытания. Огнеупорность – понятие, применяемое в отношении материалов, ис-

пользуемых для изготовления или внутренней облицовки (футеровки) печей,

котельных установок. Огнеупорность – свойство материала выдерживать

длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь.

Материалы, в зависимости от температуры, которую они способны длительно выдерживать, не расплавляясь и не деформируясь, делят на следующие виды:

– выше 1580 °C – огнеупорные – шамотный, динасовый кирпичи;

–1350 – 1580 °C – тугоплавкие – кирпич из белой тугоплавкой глины;

–ниже 1350 °C – легкоплавкие – обыкновенный глиняный кирпич. Материалы, способные длительное время выдерживать воздействие вы-

соких температур (до 1000°С) без потери или только с частичной потерей прочности, относят к жаростойким, например жаростойкий бетон, керамический кирпич и др.

Температурное расширение – способность материала расширяться вследствие нагревания. Температурное расширение характеризуется коэффи-

циентом линейного температурного расширения α [°С–1], показывающим на какую долю от первоначальной длины расширился материал при повышении температуры на 1 °С.

При сезонных изменениях температуры конструкции из каменных материалов – кирпича, бетона и др. могут изменяться в размерах до 0,5–0,8 мм на один метр. Каменное здание, имеющее зимой при температуре –30 °С длину 50 м, летом при температуре +30 °С становится длиннее на 25–40 мм. Во избежание растрескивания здания и сооружения большой протяжённости разрезают вертикальными температурными швами.

Механические свойства

Механические свойства материалов детально изучаются в курсах физики и сопротивления материалов. Для оценки механических свойств строительных материалов применяются самые простейшие, элементарные показатели.

При воздействии на материал внешних сил в нём возникают деформации, напряжения, и, наконец, наступает разрушение.

16

Деформация – изменение формы и размеров тела под действием внешних сил. Дефоpмации могут быть простыми (например, растяжение, сжатие, сдвиг) и сложными (например, изгиб, кручение). Однако любая сложная дефоpмация может быть сведена к комбинации двух простых элементарных видов: сжатие (растяжение) и сдвиг. Сжатие и pастяжение pассматpиваются как дефоpмации одного вида, отличающиеся лишь знаком.

Абсолютная линейная деформация (растяжения или сжатия) l [м] равна:

l = | l – l0 | ,

(17)

где l и l0 – конечный и начальный размер тела, м.

Относительная деформация ε (безразмерная величина) – отношение абсолютной деформации l [м] к первоначальному размеру тела l0 [м]:

ε =	l	(18)
	l0

Твердые тела по-разному реагируют на снятие нагрузки, проявляя свойства упругости или пластичности. Упругость – свойство тела деформироваться под действием нагрузки и восстанавливать первоначальную форму и размеры после ее снятия. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обратимой.

Пластичность – свойство тел деформироваться под нагрузкой без появления трещин (без нарушения сплошности) и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Пластическая (остаточная) деформация, не исчезающая после снятия нагрузки, называется необратимой.

Любой твёрдый материал в начале нагружения при малых деформациях проявляет упругие свойства. В то же время почти все тела в той или иной мере могут испытывать пластические деформации.

При упругих деформациях твердого тела его частицы (атомы, молекулы, ионы) смещаются из своих положений равновесия. Этим смещениям противодействуют силы взаимодействия между частицами твердого тела, удерживающие эти частицы на определенном расстоянии друг от друга. Т.е. при упругой деформации в теле возникает напряжение – внутренние силы, которые в сумме равны внешней силе. Количественно внутреннее напряжение растяжения или сжатия σ [Па] определяется как отношение растягивающей или сжимающей силы Р [Н] к площади поперечного сечения F [м2]:

	σ =	P	(19)
		F

17

В области упругих деформаций для одностороннего растяжения (сжатия) действителен закон Гука, одна из формулировок которого следующая: упругое напряжение, возникающее в теле σ [Па], пропорционально относительной деформации этого тела ε с коэффициентом пропорциональности равным модулю упругости Е [Па]:

σ = Е ε,

(20)

Если в области подчинения закону Гука снять нагрузку с деформируемого тела, то оно примет первоначальную форму. Модуль упругости Е деформации растяжения (сжатия) называют модулем Юнга. Для определения механических свойств материалов их подвергают нагружению, например, растягивают специально изготовленный образец, а затем строят диаграмму зависимости напряжения от деформации (рисунок 1). Напряжение в образце σ [Па] вычисляется путем деления нагрузки, регистрируемой на каждой стадии испытаний по шкале испытательного устройства Р [Н], на площадь поперечного сечения образца F [м2]. Деформацию материала обычно измеряют с помощью экстензометра.

Рисунок 1 – Диаграмма деформирования

Графическое изображение зависимости напряжения от деформации называется кривой деформирования. Эта кривая является характеристикой данного материала. При построении кривых деформирования для металлов, каменных материалов и многих других твердых тел неизменно обнаруживается, что для

18

небольших начальных деформаций эти кривые имеют прямолинейные участки. В этих случаях о материале говорят, что он в этой области деформаций подчиняется закону Гука или является «гуковским» материалом.

Наклоны этих прямолинейных участков для различных материалов различны (рисунок 2). Тангенс угла наклона прямолинейного участка, то есть отношение напряжения σ [Па] к относительной деформации ε и есть модуль упругости Е [Па], что также вытекает и из формулы закона Гука:

E =	σ	(21)
	ε

Чем больше модуль упругости Е, тем меньше деформируется материал при прочих равных условиях. Таким образом, модуль Юнга характеризует сопротивляемость материала упругой деформации растяжения или сжатия.

Рисунок 2 – Кривые начальных деформаций некоторых материалов

Значения модуля Юнга для большинства твёрдых материалов достигают огромных значений от 109 до 3·1011 Па так как теоретически он равен такому механическому напряжению, которое должно было бы возникнуть в теле при увеличении его длины в 2 раза. Практически любое тело (кроме резины) при упругой деформации не может удвоить свою длину: значительно раньше оно разорвется. Упругие тела являются относительно жесткими, благодаря чему перемещения точек тела весьма малы по сравнению с размерами самого тела. Для абсолютного большинства материалов упругая относительная деформация не превышает 0,01, а в процентах – 1 %.

Ещё одним показателем, характеризующим упругие свойства материала, 19

является коэффициент Пуассона μ (безразмерная величина). При приложении к телу растягивающего усилия оно начинает удлиняться, а поперечное сечение уменьшается. При сжатии поперечное сечение увеличивается. Коэффициент Пуассона равен отношению относительной поперечной деформации тела |ε1| к относительной продольной деформации ε:

μ =		ε1		(22)
		ε

Для изотропных тел, каковыми являются большинство материалов, коэффициент Пуассона не меняется ни при замене растяжения сжатием, ни при перемене осей деформации. Для абсолютно хрупкого материала коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно упругого – 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, для резины он примерно равен 0,5, для большинства горных пород и искусственных каменных материалов – 0,2–0,4.

Упругие свойства вещества при сдвиге очень похожи на его свойства при сжатии и растяжении, а такие понятия, как напряжение сдвига (касательное напряжения) и относительная деформация сдвига, аналогичны соответствующим понятиям в случае растяжения. При деформации сдвига в упругой стадии (рисунок 3) так же действует закон Гука: касательное упругое напряжение, возникающее в теле τ [Па], пропорционально углу сдвига γ с коэффициентом пропорциональности равным модулю сдвига G [Па]:

τ = G · γ

(23)

Рисунок 3 – Деформация сдвига

20