СМ 2013

11

Глава 1.  ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Технические свойства строительных материалов – прочность, средняя плотность, теплопроводность и другие – являются основой для выполнения инженерных расчетов строительных конструкций и позволяют осуществить рациональный выбор материалов для зданий и сооружений в зависимости от условий эксплуатации. Без информации об отношении материала к изменению влажности, температуры и других воздействий окружающей среды невозможно построить здания, рассчитанные на нормативный срок эксплуатации.

1.1.  Зависимость свойств строительных материалов от их химического, фазового состава и строения

Технические свойства строительных материалов обусловлены их химическим, фазовым составом и строением (структурой и текстурой).

Химический состав характеризует содержание в материале химических элементов или оксидов этих элементов и позволяет оценить технические свойства материала.

Фазовый (в том числе минеральный) состав определяет содержание в материале твердых, жидкой и газовой фаз. Например, по минеральному составу клинкера можно судить о свойствах портландцемента.

В строительстве применяются преимущественно твердые тела. Твердое состояние – одно из четырех агрегатных состояний, отличающееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих колебания около положения равновесия. Минимальному уровню свободной энергии твердых тел соответствует кристаллическое состояние.

Большинство строительных материалов имеет неоднородное строение, они содержат вещества в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном (конгломераты, композиты, гетерогенные системы). Например, цементный бетон состоит из твердых веществ (цементного камня и заполнителей), являющихся основными структурообразующими компонентами, которые и составляют основу (матрицу) твердого тела. В то же время бетон является пористым телом и поры могут содержать конденсированную воду (жидкая фаза), водяной пар и воздух (газовая фаза). Изменения технических свойств строительных материалов может быть обусловлено фазовыми переходами отдельных компонентов при взаимодействии с окружающей средой – реакциями гидратации, карбонизации и др.

12 Глава 1.  Технические свойства строительных материалов

Строение материала – это обобщенный термин включающий понятия структуры (микро- и макроструктуры) и текстуры.

Структура материала – это совокупность устойчивых связей материала, обеспечивающая сохранение его основных свойств при внешних воздействиях и внутренних изменениях.

Структура обусловлена формой, размерами, взаимным расположением структурообразующих элементов (фаз), а также пор и других дефектов. Наиболее общим является подразделение материалов по структуре на изотропные, обладающие одинаковыми свойствами в трех измерениях (стекло, металлические сплавы), и анизотропные, свойства которых различны в разных направлениях. Элементы структуры, которые можно установить визуально, называют макроструктурой. Микроструктуру изучают с помощью светового и электронного микроскопов.

Текстура – преимущественная ориентация составных частей (кристаллов, молекул) в твердых телах, приводящая к анизотропии свойств. Текстура горных пород обусловлена ориентировкой и пространственным расположением составных частей (минеральных агрегатов). К числу текстурных признаков относят также пористость. Многие строительные материалы (бетон, строительные растворы, пористая керамика, теплоизоляционные материалы) являются пористыми телами. Для формирования свойств материала имеет значение не только объем пор, но и их характер – размеры и форма (структура пространства занятого порами). По размерам различают микро- и макропоры, по форме – поры открытые (в том числе капиллярные)

иусловно замкнутые. Характер пор оказывает сильное влияние на свойства

иобласть применения строительного материала. Например, если пористая (газонаполненная) пластмасса содержит преимущественно замкнутые поры, то она является хорошим теплоизоляционным материалом. Если преобладают открытые поры, материал является акустическим.

Задачей науки о строительных материалах является изучение зависимостей физических свойств материалов от их химического, фазового составов и структуры. Целенаправленное, научно обоснованное изменение химического и фазового составов и структуры путем регулирования параметров технологии их изготовления позволяет получать строительные материалы высокого качества при минимальных затратах.

1.2.  Физические свойства

Истинная плотность – масса единицы объема материала в плотном (без пор) состоянии, ρ, г/см³:

(1.1)

13

где m – масса материала, г;

Va – объем материала без пор, см³.

Средняя плотность – масса единицы объема материала в естественном (с порами) состоянии, ρс , кг/м³ (г/см³):

(1.2)

где m – масса материала, кг (г);

V – объем материала, м³ (см³).

Средняя плотность относится к числу основных свойств. По средней плотности устанавливают марку теплоизоляционных материалов, рассчитывают массу строительной конструкции.

Насыпная плотность – масса единицы объема сыпучего материала – щебня, гравия, песка, портландцемента и других материалов, ρн , кг/м³ (г/см³):

(1.3)

где m – масса материала, кг (г);

V – объем материала, м³ (см³).

Средние и истинные плотности некоторых строительных материалов приведены в табл. 2.1.

Таблица 1.1

Средняя и истинная плотность некоторых строительных материалов

Материал		Плотность
	истинная,		средняя,
	г/см³		кг/м³
Горные породы
гранит	2,65-2,80		2650
известняк	2,60-2,80		1800-2600
Древесина
дуб	1,53		610-720
сосна	1,59		440-580
Кирпич (керамический)	2,50-2,60		800-1800
Сталь	7,86		7860

14 Глава 1.  Технические свойства строительных материалов

Относительная плотность – степень заполнения объема материала твердыми веществами. Определяется как отношение средней плотности к истинной:

(1.4)

Относительная плотность плотных материалов близка к 1. Пористость – степень заполнения объема материала порами По , %:

(1.5)

Строительно-технические свойства материалов (прочность, теплопроводность, морозостойкость и др.) зависят как от их пористости, так и от распределения пор по размерам и по объему материала, а также от характера пор. По характеру поры подразделяют на открытые (открытая пористость, Пи) и условно замкнутые (закрытая пористость Пз). Объем открытых пор (Пи) численно равен водопоглощению по объему (Во).

(1.6)

По размерам открытые поры подразделяются на некапиллярные и капиллярные.

Некапиллярные поры радиусом более 20 мкм заполняются только при погружении в воду (насыщение водой).

Капиллярными называют поры радиусом меньше 20 мкм, при этом их капиллярный потенциал значительно больше потенциала поля тяжести. Капиллярные поры заполняются водой или другой жидкостью, смачивающей их стенки, путем капиллярного всасывания (подъема) под действием капиллярного давления, обусловленного поверхностным натяжением жидкости. Высота подъема зависит от среднего радиуса капилляров и в кирпичной кладке может достигать 1 м.

Пустотность – для сыпучих материалов это объем межзерновых пустот, Vп , %:

(1.7)

где ρс – средняя плотность зерен, кг/м³; ρн – насыпная плотность, кг/м³.

15

1.3.  Гидрофизические свойства

Влажность – характеризует содержание воды в материале в данных условиях, W, %:

(1.8)

где mw – масса влажного материала, г; m – масса сухого материала, г.

Увлажнение отрицательно влияет на прочность и теплопроводность материалов. При наличии перепада влажности (ΔW) возможна диффузия воды в материале (массоперенос).

Гигроскопичность – способность капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха.

Поглощение водяного пара обусловлено молекулярной адсорбцией на поверхности твердых фаз и капиллярной конденсацией. Эти процессы называются сорбцией и имеют обратимый характер. Гигроскопичность капиллярно-пористого материала характеризуется его максимальным влагосодержанием (Wmax), равным отношению массы поглощенной влаги из воздуха к массе сухого материала при относительной влажности воздуха, равной 100 % и заданной температуре (например, 20 °С). Гигроскопичность зависит от объема капиллярных пор и среднего радиуса капилляров. Чем выше капиллярная пористость и меньше средний радиус капилляров, тем выше Wmax. Сорбция водяного пара приводит к снижению прочности­ и повышению теплопроводности материала.

Водопоглощение – способность материала поглощать и удерживать в порах воду. Определяют путем насыщения водой предварительно высушенного материала.

Водопоглощение по массе, Вм , %:

(1.9)

где m1 – масса материала, насыщенного водой, г; m – масса сухого материала, г.

Объемное водопоглощение, Во , %:

(1.10)

где V – объем сухого материала, см³; ρв – плотность воды, 1,0 г/см³.

16 Глава 1.  Технические свойства строительных материалов

Водопоглощение по массе и по объему связано зависимостью

(1.11)

объемное водопоглощение Во характеризует интегральную пористость (ПиВодостойкость) материала. – способность материала не изменять прочность при насыщении водой. Водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения

(1.12)

где Rнас – предел прочности при сжатии насыщенного водой материала, МПа; Rсух – предел прочности при сжатии сухого материала, МПа.

По величине коэффициента размягчения КР строительные материалы подразделяются на две группы: неводостойкие –  КР < 0,75 и водостойкие –  КР ≥ 0,75.

Значение КР изменяется в пределах от 0 (глина) до 1 (стекло). Снижение прочности­ обусловлено сорбцией воды на поверхности твердых фаз.

Воздухостойкость – способность материала не изменять свои свойства при периодическом гигроскопическом увлажнении и высыхании.

Сорбция воды вызывает деформации усадки и набухания материала, что может привести к снижению прочности.

Водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду под давлением. Характеризуется максимальным давлением воды (в атм), которое выдерживает материал без фильтрации.

Способность материала пропускать воду под давлением называется водопроницаемостью. Характеризуется коэффициентом фильтрации, КФ , м/ч, который равен количеству воды в м³, проходящий через материал площадью 1 м², толщиной 1 м в течение 1 ч, при разности гидростатического давления 1 м водяного столба. Водопроницаемость обусловлена открытой (интегральной) пористостью материала Пи и определяется для бетонов гидротехнических сооружений.

Паропроницаемость – способность материала пропускать водяной пар. Характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который равен количеству водяного пара в м³, проходящего через материал толщиной 1 м, площадью 1 м² в течение 1 ч, при разности парциальных давлений водяного пара ∆P = 133,3 Па. Паропроницаемость учитывают при возведении стен и потолков помещений с повышенной влажностью.

17

Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии сохранять прочность при многократном попеременном замораживании и оттаивании (табл. 1.2).

В зависимости от числа циклов замораживания и оттаивания, которые выдержал материал устанавливается его марка по морозостойкости (F15, F25, …). При этом допускается снижение прочности не более, чем на 5 % (бетон), 25 % (керамика) и изменение массы – не более, чем на 5 %.

Цикл испытания включает замораживание насыщенного водой образца при температуре –(18±2) °С в морозильной камере и последующее оттаивание в воде комнатной температуры.

Разрушение образца и снижение прочности обусловлены напряжениями, возникающими при переходе воды в лед, давлением растущих кристаллов льда на стенки пор.

Морозостойкость строительных материалов				Таблица 1.2
Строительный	Водопоглощение	Средняя плот-		Морозостой­
материал	(по объему), %	ность, г/см³		кость, циклы
Керамический кирпич	8-15	1,6-1,9		15-50
Облицовочная кера-	1-5	1,9-2,2		35-50
мическая плитка
Ячеистый бетон	40-60	0,5-1,2		15-75
Легкий бетон	30-50	0,8-1,8		25-400
Тяжелый бетон	3-10	2,2-2,5		50-500
Кладочный цементно-	10-20	2,6-2,8		25-50
известково-песчаный
раствор

1.4.  Теплофизические свойства

Теплофизические свойства определяют выбор материала для ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Теплоемкость – способность материалов поглощать тепло при нагревании. Характеризуется удельной теплоемкостью, c, Дж/(кг·°С), которая равна количеству тепла Q, Дж, необходимому для нагревания материала массой m = 1 кг на 1 °С:

(1.13)

18 Глава 1.  Технические свойства строительных материалов

Теплоемкость учитывается при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий, расхода тепла на подогрев материалов в зимний период.

Теплопроводность – способность материалов проводить тепло. Теплопередача возникает в результате перепада (градиента) температур на поверхностях, ограничивающих материал. Теплопередача обусловлена изменением частоты и амплитуды колебаний атомов в структуре, излучением квантов энергии, движением воздуха в порах.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом внутренней теплопроводности, который равен количеству теплоты, проходящей через однородную стенку толщиной 1 м, площадью 1 м² за время 1 с при разности температур на поверхностях стены равной 1 °C, λ, Вт/(м·°С):

(1.14)

Теплопроводность материала зависит главным образом от пористости и влажности. С повышением пористости материала его теплопроводность понижается, так как λ воздуха сравнительно невелика. Теплопроводность материалов повышается при увлажнении, так как λ сухого воздуха состав­ ляет 0,024, а λ воды – 0,58 Вт/(м·°С), т. е. в 25 раз выше.

При замерзании воды в порах теплопроводность повышается еще приблизительно в 4 раза.

Термическое сопротивление или сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R, м²·°С/Вт:

(1.15)

где δ – толщина, м; λ – коэффициент внутренней теплопроводности, Вт/(м·°С).

По СНиПу сопротивление теплопередаче стены должно изменяться в пределах от 2 до 6 в зависимости от климатической зоны.

Теплостойкость – способность материала не разрушаться при многократных резких изменениях температуры.

Теплостойкость зависит от коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР) материала, который показывает на какую долю увеличивается длина образца материала при нагревании на 1°С. Теплостойкость увеличивается со снижением КЛТР.

19

Огнестойкость – способность материала не разрушаться от действия высоких температур и воды при пожаре.

Пожарная опасность строительных материалов определяется следующими свойствами: горючестью, воспламеняемостью, распространением пламени по поверхности, дымообразующей способностью и токсичностью.

По показателю горючести материалы подразделяют на горючие и негорючие. К негорючим материалам относятся – строительный камень, бетон, керамика, металлические сплавы и другие. Однако, при температуре выше 600 °С на некоторых негорючих материалах появляются трещины (некоторые горные породы, бетон), конструкции могут существенно деформироваться (металлические сплавы). Такие материалы и конструкции в необходимых случаях защищают более огнестойкими материалами.

Горючие строительные материалы подразделяются по параметрам горючести, по воспламеняемости (трудновоспламеняемые, умеренно воспламеняемые и легковоспламеняемые), по распространению пламени (4 типа) и по токсичности (4 группы).

Теплофизическая характеристика материалов				Таблица 1.3
Материал	Теплопроводность	Удельная тепло-		КЛТР
		емкость, с, кДж
	λ, Вт/(м·°С)			10- /°С
		(кг·°С)
Гранит	2,90	0,84		1,0-1,5
Тяжелый бетон	1,50	0,90		1,0-1,4
Кирпич	0,60	0,80		–
Сосна (поперек	0,17	2,70		0,4-0,7
волокон)	0,045	1,70		6,0-9,0
Пенополистирол
Керамзитобетон	0,66	0,84		–
Газобетон	0,14	0,84		–
марки 600

Огнеупорность – способность материалов выдерживать длительное воздействие высоких температур без значительных пластических деформаций. Огнеупорные материалы должны выдерживать воздействие среды с температурой выше 1580 °С, тугоплавные – 1350-1580 °С и легкоплавные – менее 1350 °С.

Радиационная стойкость и защитные свойства материалов – способность материала сохранять структуру и свойства при воздействии ионизирующих излучений.

20 Глава 1.  Технические свойства строительных материалов

Защитные свойства материала оцениваются его способностью поглощать гамма- и нейтронное излучение. О защитных свойствах судят по поглощению излучения слоем материала, который ослабляет интенсивность ионизирующего излучения в 2 раза. Толщина слоя половинного ослабления излучения у тяжелого цементного бетона составляет 0,1 м.

1.5.  Механические свойства

Для материалов несущих строительых конструкций основными механическими показателями являются: прочность, ударная вязкость, твердость, истираемость, износ, упругость, пластичность, релаксация.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил или других факторов, вызывающих напряжения в материале.

При приложении внешней силы (а также под действием других факторов, например, градиента температур) в материале возникают внутренние силы упругости. Физическую величину, численно равную силе, приходящейся на единицу площади материала, называют напряжением. Единицей измерения напряжения является паскаль (Па), равный давлению, которое вызывает сила в 1 ньютон (Н), равномерно распределенная по поверхности площадью 1 м². При расчете строительных конструкций обычно используют мегапаскаль 1 МПа = 10 Па. В некоторых случаях за единицу измерения технической системы принимают кгс/см². (1 МПа = 9,81 кгс/см²).

Прочность материалов характеризуют величиной называемой пределом прочности (предельным сопротивлением) – напряжением, вызывающим разрушение материала.

(1.16)

где R – предельное сопротивление, МПа (кгс/см²);

Pmax – нагрузка, вызывающая разрушение материала, Н; FO – первоначальная площадь образца, см².

При определении прочности величина разрушающей нагрузки зависит от формы и размеров образца, изготовленного из материала. В связи с этим соответствующие стандарты устанавливают форму и размеры образцов при испытании различных материалов.

В зависимости от характера действующей нагрузки и поля напряжений различают предельные сопротивления сжатию, растяжению, растяжению при изгибе, сдвигу, кручению и другим нагрузкам.

Многие строительные материалы, например бетон, керамика и другие относятся к микро- и макронеоднородным, поэтому при испытании