Строительные материалы – 1 ЛЕКЦИЯ № 1 Введение. Взаимосвязь состава, структуры и свойств материала 1
• Чтобы спроектировать и построить здание нужно хорошо знать свойства применяемых для строительства материалов, так как от этого зависит качество строительства • Всякий материал в конструкциях зданий и сооружений воспринимает те или иные нагрузки и подвергается действию окружающей среды • Нагрузки вызывают деформации и внутреннее напряжение в материале • Строительные материалы должны обладать стойкостью, т. е. способность сопротивляться физическим и химическим воздействиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров и газов, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям температур и влажности, совместному действию воды и мороза при многократном замораживании и оттаивании, воздействию 2 химически агрессивных веществ – кислот, щелочей и др.
• Знание строения материала необходимо для понимания его свойств и в конечном итоге для решения практического вопроса, где и как применить материал, чтобы получить наибольший технико-экономический эффект • Строение материала изучают на 3 -х уровнях: • 1 – макроструктура – строение видимое невооруженным глазом (конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная)); • 2 - микроструктура – строение видимое в оптический микроскоп (кристаллическая и аморфная); • 3 – внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии и т. п. (кристаллические вещества, ковалентная связь, ионные связи, силикаты) 3
• Строительный материал характеризуется вещественным, химическим, минеральным и фазовым составами. • Вещественный состав – это совокупность химических элементов, составляющих вещество • Химический состав – это совокупность оксидных составляющих. Химический состав позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках • Минералогический состав – это совокупность природных или искусственных химических соединений (минералов), который показывает какие минералы и в каком количестве содержатсяв вяжущем веществе или в каменном материале • Фазовый состав – это совокупность гомогенных частей системы, т. е. однородных по свойствам и по физическому строению, влияющие на все свойства и поведение материала при эксплуатации. в материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т. е. каркас материала, и поры, заполненные воздухом и водой. 4
• Физические свойства и структурные характеристики строительных материалов, их влияние на прочность конструкции • Истинная плотность (г/см 3, кг/м 3) - это масса объема абсолютно сухого материала: ρ=m/Vа • Средняя плотность - масса объема материала в естественном состоянии. Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность легкого бетона – 5001800 кг/м 3, а его истинная плотность – 2600 кг/м 3. Плотность строительных материалов колеблется в широких пределах: от 15 (пористая пластмасса - мипора) до 7850 кг/м 3 (сталь) • Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор. • • 5
• Пористость - степень заполнения объема материала порами: П = (1 - ρср/ ρист) *100 • Пористость строительных материалов колеблется от 0 до 98 %, например пористость оконного стекла и стеклопластика составляет около 0%, гранита – 1, 4 %, обычного тяжелого бетона - 10 %, обыкновенного керамического кирпича – 32%, сосны – 67%, ячеистого бетона – 81 %, ДВП - 86%. • Открытая пористость - это отношение суммарного объема всех пор, насыщающихся водой к объему материала. Открытые поры увеличивают водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. • Закрытая пористость - Пз = П - Пот. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создается открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии. • Плотность и пористость строительных материалов существенно влияют на их прочность: чем выше пористость, чем ниже плотность и тем, соответственно, ниже прочность. Прочность строительных материалов увеличивается с уменьшением пористости и плотности. 6
Гидрофизические свойства • Гигроскопичность - свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из воздуха. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью • Сорбционная влажность характеризует способность материала поглощать пары воды из окружающего воздуха. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции, поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой • Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой • Водопоглощение (%) определяют по ГОСТ, выдерживая образцы в воде, характеризует в основном открытую пористость • Водопоглощение по объему - степень заполнения объема материала водой Wо = (mв - mе) / Vе 7
• Водопоглощение по массе определяют по отношению к массе сухого материала: Wм = (mв - mс) / mс* 100 Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах: гранита – 0, 02 -0, 07 %, тяжелого бетона – 2 -4 %, кирпича – 8 - 15 %, пористых теплоизоляционных материалов – 100 % и более. Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала, увеличивает плотность, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются • Коэффициент размягчения - отношение прочности материала, насыщенного водой к прочности сухого материала: Кр = Rв/Rс Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется 0 (размокающие глины и др. ) до 1 (металлы, стекло, битум) Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0, 8 • Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды. Легкий бетон, кирпич, керамические камни для наружных стен маркируются по этому свойству МРЗ 15, 25, 35. Бетон для строительства мостов и дорог - 50, 100 и 200, гидротехнический бетон - до 500. 8
Теплофизические свойства • Теплопроводность - свойство материала передавать теплоту от одной поверхности к другой. Это свойство является главным как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов, применяемых для устройства наружных стен и покрытий зданий. • Тепловой поток проходит через твердый каркас и воздушные ячейки пористого материала. Увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые поры, чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвенцией и излучением. • Влага, впадающая в поры материала увеличивает его теплопроводность, так как теплопроводность воды в 25 раз больше теплопроводности воздуха • Теплоемкость – мера энергии, необходимая для повышения температуры материала. Теплоемкость зависит от способа сообщения тепла телу при нагревании, от микроструктуры, химического состава, агрегатного состояния тела • • 9
• Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 Cо и выше) не размягчаясь и не деформируясь. Применяется для футеровки печей • Огнестойкость - свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости, т. е. способности материала воспламеняться и гореть. • Несгораемые материалы – бетон и другие материалы на минеральных вяжущих, керамический кирпич, сталь и др. Однако надо учитывать, что при пожаре некоторые несгораемые материалы растрескиваются или сильно деформируются. Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но не горят открытым пламенем. Сгораемые органические материалы необходимо защищать от возгорания антипиренами • Тепловое расширение – это свойство вещества или материала, характеризующееся изменением размеров тела в процессе его нагревания. Оно количественно характеризуется коэффициентом линейного (объемного) температурного расширения. Тепловое расширение зависит от химических связей, типа структуры кристаллической решетки, ее анизотропии и пористости твердого тела. 10
Основные механические свойства • Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжении, вызванных внешними силами или др. факторами (усадкой, неравномерным нагреванием и т. д. ). • Прочность материала оценивается пределом прочности при сжатии (для хрупких материалов). В зависимости от прочности (обозначается кгс/см 2 или МПа) строительные материалы разделяются на марки, которые являются важнейшими показателями его качества, например, марка портландцемента - 400, 550, 600. Чем выше марка, тем выше качество конструкционного строительного материала. • Прочность при осевом растяжении - используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых материалов. 11
• Прочность при изгибе - прочностная характеристика кирпича, гипса, цемента, дорожного бетона • Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под воздействием внешних сил • Динамическая (ударная) прочность - свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках • Прочность материала одного и того же состава зависит от его пористости. Увеличение пористости снижает прочность материала • Твердость - свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела. От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость. 12
• Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца, отнесенной к площади поверхности истирания • Износ - свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов • Долговечность свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Долговечность материала измеряют сроком службы без потерь качеств при эксплуатации и в конкретных климатических условиях. Например, для бетона установлено три степени долговечности: 100, 50, 20 лет • Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости 13
• Схема нагружения образца при определении пределов прочности материала на сжатие (а), растяжение (б), изгиб (в), и срез (г) 14
Схема гидравлического пресса для испытания на сжатие: 1 - станина; 2 - поршень; 3, 5 - нижняя и верхняя опорная плиты; 4 - испытуемый образец; 5 - маховик для ручного подъема верхней плиты; 7 - манометр; 8 - масляный насос 15