Классификация и свойства строительных материалов

Лекция № 2
Классификация и свойства строительных материалов
Всякая строительная конструкция воспринимает те или иные нагрузки и подвергается действию окружающей среды. Все нагрузки
вызывают деформации и напряжения в материалах, которые при достижении определенных величин могут приводить к их разрушению.
Очень важно точно определять физические и механические характеристики материалов и на основании этого расчетом подбирать те или
иные строительные материалы для изготовления конструкций зданий.
Кроме этого, строительные материалы должны обладать стойкостью к воздействию химических и физических факторов окружающей
среды: воздействию влаги и растворенных в ней веществ, газов, паров,
колебаний температуры и влажности, совместному действию воды и
мороза и т.д.
Исходя из условий работы, все строительные материалы можно
разделить на две группы:
– материалы универсального типа, пригодные для несущих конструкций: природные и искусственные каменные материалы, получаемые на основе вяжущих или обжигом природного сырья, древесина,
металлы, пластики и т.д.
– материалы специального назначения, необходимые для защиты
конструкций от влияния среды, а также для улучшения эксплуатационных характеристик зданий: теплоизоляционные, акустические, гидроизоляционные, кровельные, герметизирующие, отделочные, антикоррозионные и др.
Строительные материалы в настоящее время очень многообразны,
их свойства определяют область применения в конструкциях зданий и
сооружений.
Основными частями зданий являются:
– фундаменты (природный камень, бетон, железобетон, керамика,
древесина);
– стены (природный камень, бетон, железобетон, древесина, металл, керамика, стекло, пластики);
– перекрытия и покрытия (железобетон, древесина, металл, пластики),
– лестницы (железобетон, металл, древесина).
Каждый материал, применяемый в строительстве, имеет свойства,
определяющие область его рационального использования. Основные
свойства строительных материалов (физические, механические, хими-
ческие и технологические) обуславливаются их химическим составом
и строением.
В зависимости от химического состава строительные материалы
принято делить на:
– органические (древесина, битум, пластмассы);
– минеральные (природные и искусственные камни, керамика, вяжущие);
– металлические (сталь, чугун, цветные металлы).
Каждая из групп обладает специфическими свойствами: органические материалы не выдерживают высоких температур, минеральные
наоборот не горят, но плохо работают на растяжение, металл хорошо
воспринимает растягивающие усилия, но обладает плохими теплоизоляционными свойствами и т. д.
Физические свойства строительных материалов
Физические свойства материала характеризуют какую-либо особенность его физического состояния или отношение к физическим
процессам окружающей среды (действию воды, низких и высоких
температур).
Масса – совокупность материальных частиц (атомов, молекул),
содержащихся в данном теле.
Масса обладает определенным объёмом. Тела одинакового объёма, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу. Для
этого введено понятие плотности.
Истинная плотность – отношение массы (m) к объёму материала
в абсолютно плотном состоянии (Vа) без учета пор, каверн, трещин:
ρист = m/Vа (г/см3 или кг/м3)
Истинная плотность большинства строительных материалов находится в узких пределах: 2,4-3,1 г/см3, и определяется их химическим
составом, а соответственно молекулярной массой. Это физическая
константа вещества.
У каменных материалов как природных, так и искусственных, состоящих в основном из оксидов кремния, истинная плотность в основном колеблется в пределах 2500…3000 кг/м3.
Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла)
составляет 800…1200 кг/м3. Относительно невысокая истинная плотность у древесины – около 1500 кг/м3.
Большие различия истинной плотности наблюдаются у металлов:
алюминий – 2700 кг/м3 , сталь – 7850 кг/м3, свинец – 11300 кг/м3.
Плотность воды – 1000 кг/м3.
Средняя плотность (плотность) – физическая величина, определяемая отношением массы материала ко всему занимаемому им объёму (Vест), включая имеющиеся в нем поры и пустоты.
ρср = m/Vест (г/см3 или кг/м3)
Средняя плотность материала изменяется в зависимости от его
структуры. Меняя пористость бетона можно получать материал со
средней плотностью от 300 до 2500, а иногда – 6000 кг/м3.
Пористость – степень заполнения материала порами. Поры это
мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой.
– общая пористость,%
Поб = [(Vест-Vа) / Vест] 100 (%)
Чаще всего общую пористость рассчитывают исходя из средней и
истинной плотности материала:
Поб = [(ρист - ρср ) ρист ] 100 (%)
– открытая пористость % (интегральная или кажущаяся) равна
объёму всех пор сообщающихся между собой и поверхностью образца
(Пот) (можно определить через водопоглощение).
- закрытая пористость:
Пз = Поб – Пот (%)
Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0
до 90-98%. Поры бывают мелкие (сотые и тысячные доли миллиметра)
и крупные (до 2-5 мм), замкнутые и сообщающиеся. Характер пор важен при оценке способности материала поглощать воду. Кирпич
(Поб=25…30%) активно поглощает воду, пенополистирол с замкнутой
пористостью (98%) практически её не поглощает.
Пористость материалов обуславливает такие свойства, как водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и т.д.
Насыпная плотность – отношение массы сыпучих материалов
к единице их объёма:
ρнас = m/V (г/см3 или кг/м3);
В объём таких материалов входят не только поры в его частицах
но и пустоты между ними.
Пустотность – объём пустот между зернами сыпучего материала.
Вода в пустотах, как правило, не содержится.
Пуст= (1 - ρнас/ ρср) 100 (%);
Влажность – содержание влаги в материале в данный момент,
отнесённое к единице массы материала в сухом состоянии:
Wm = [(m1 – m2) / m2 ] 100 (%);
где m1 – масса материала в естественно влажном состоянии, г; m2 –
масса материала, высушенного до постоянной массы, г.
Водопоглощение – способность материала поглощать влагу и
удерживать её в своих порах.
Водопоглощение характеризуется максимальным количеством
воды, поглощаемым образцом материала при выдерживании его в воде, отнесённым к массе сухого образца W пm или к его объёму. W п о и
W пm определяют по формулам:
W пm = [(m1 – m2) / m2 ] 100 (%);
W п о = [(Vнас - Vест) / Vест ] 100 (%);
где m1 и m2 – массы насыщенного водой и сухого материала, г; Vнас и
Vест – объёмы насыщенного водой и сухого материала, см3 .
Морозостойкость – способность насыщенного водой материала
выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание.
При замораживании вода, находящаяся в порах материала увеличивается в объёме на 10%. В результате стенки некоторых пор разрушаются, и при повторном увлажнении вода проникает глубже в материал. Такие циклические замораживания и оттаивания с увлажнением
постепенно разрушают материал.
Морозостойкость материала зависит от пористости и водопоглощения и характеризуется числом циклов замораживания (при температуре не выше -18 оС) и оттаивания в воде, которое он выдержит без
снижения прочности и потери массы, указанных в ГОСТе на этот материал. По морозостойкости материалы делятся на марки 15, 25, 35, 50,
100 и т.д.
Теплопроводность – способность материала передавать теплоту
сквозь свою толщу от одной своей поверхности к другой, в случае если
температура поверхностей разная.
Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м2 поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1
градус в течение 1 секунды.
Теплопроводность материалов зависит от химического состава и
молекулярного строения и всегда во много раз превышает теплопроводность воздуха.
Тепловое расширение – свойство материалов расширяться при
нагревании и сжиматься при охлаждении характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (КЛТР):
КЛТР = (L2 – L1) / L1;
где L1 и L2 – линейные размеры материала до и после нагревания, мм.
Очень важно учитывать этот коэффициент в конструкциях, объединяющих несколько материалов.
Теплоемкость – способность материалов поглощать при нагрева
нии теплоту. Показателем служит удельная теплоемкость материала,
равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы
массы материала на один градус.
Огнестойкость – способность материала выдерживать без разру
шения воздействие огня и воды в условиях пожара.
По степени огнестойкости различают несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые материалы:
– несгораемые при воздействии огня или высокой температуры не
горят и не обугливаются (бетон, природный камень, кирпич и т.д.);
– трудно сгораемые – медленно воспламеняются и при удалении
огня их горение и тление прекращаются (фибролит, древесина, обработанная антипиренами, асфальтобетон);
– сгораемые воспламеняются и горят после удаления источника
огня.
Для повышения огнестойкости горючих веществ используют антипирены – вещества, выделяющие газы препятствующие горению,
или образующие пористый защитный слой на материале, замедляющий его нагрев.
Огнеупорность – способность материала длительно работать при
воздействии высоких температур без деформаций и размягчения (огнеупорный кирпич, шамот и др.)
Акустические свойства связаны с взаимодействием материала и
звука (волновой процесс). Строителей интересует, в какой мере материал проводит через 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 через него, так как для этого надо заставить материал колебаться. Плохо проходит звук через пористые и волокнистые материалы. При этом звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой
поверхностью материала.
Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала.
Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука. Если поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом.
Вопросы для самопроверки
1. Как можно классифицировать строительные материалы исходя из
условий их работы?
2. Какие строительные материалы чаще всего применяются в основных частях зданий?
3. Как можно классифицировать строительные материалы по химическому составу?
4. Дайте определение физическим свойствам строительных материалов.