Тема 1.1. Определение основных свойств строительных материалов

Физические свойства строительных материалов.

Строительные материалы обладают комплексом физических свойств.

Числовые показатели физических свойств определяются с помощью специальных методов и приборов.

К физическим относятся свойства, выражающие способность материалов реагировать на воздействия физических факторов— гравитационных, т. е. основанных на законе земного притяжения, тепловых, водной среды, акустических, электрических, излучения и т. п.

Средняя плотность характеризует массу единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами). Эта важная физическая характеристика определяется путем деления массы образца на его объем. Для точного измерения объема удобнее принимать образцы правильной геометрической формы, хотя имеются несложные приемы измерения объема образцов и неправильной формы. При влажных образцах отмечается величина влажности, при которой определялась средняя плотность.

Среднюю плотность рыхлых материалов, например песка, щебня, гравия, называют насыпной плотностью. В ее величине отражается влияние не только пор в каждом зерне или куске, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпанном объеме материала.

Истинная плотность — масса единицы объема однородного материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без учета пор, трещин или других полостей, присущих материалу в его обычном состоянии.

Пористость — степень заполнения объема материала порами. Если требуется выяснить, являются ли поры замкнутыми или сквозными, как распределены они в объеме материала по своим размерам, какое имеется реальное соотношение пор разных диаметров, тогда производят дополнительные исследования с применением специальных методов: ртутной порометрии, сорбционного, капиллярного всасывания и др.

Величина пористости и размер пор в значительной мере влияют на прочность материала. При одном и том же веществе строительный материал тем слабее сопротивляется механическим силам, усилиям другого происхождения (тепловым, усадочным и т. п.), чем больше и крупнее поры в его объеме. Для некоторых разновидностей материалов существуют ярко выраженные пропорциональные зависимости: чем меньше средняя плотность (больше пористость), тем меньше прочность материала. От пористости зависят и другие качественные характеристики материала, например способность проводить теплоту и звук, поглощать воду.

От пор отличаются пустоты. Они значительно крупнее пор и всегда отчетливо видны, располагаясь между зернами насыпного материала. Поры обычно заполнены воздухом или водой, тогда как вода в пустотах не задерживается, особенно в широкополостных пустотах. При воздействии статических или циклических тепловых факторов материал характеризуется теплопроводностью, теплоемкостью, температуроустойчивостью, огнестойкостью и другими свойствами.

Теплопроводность — способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство характеризуется теплопроводностью, которая показывает количество теплоты, которое проходит через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при перепаде температур на противоположных поверхностях в 1°С в течение 1 часа.

Теплоемкость характеризует способность материала аккумулировать теплоту при нагревании, причем с повышением теплоемкости больше может выделяться теплоты при охлаждении материала. Температура в комнате, например, может сохраняться устойчивой более длительный период при повышенной теплоемкости использованных материалов для пола, стен, перегородок и других частей помещения, поглощающих теплоту в период действия отопительной системы.

Огнестойкость характеризует способность строительных материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются {кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например гранит), особенно при одновременном воздействии воды, применяемой при тушении пожаров. Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы горения, тления или обугливания полностью прекращаются. Среди такого рода материалов находятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них — древесина, войлок, битумы, смолы и др.

Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного периода времени (соприкосновение с печами, трубами, нагревательными котлами и т. п.), а материал сохраняет необходимые технические свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорным и являются шамот, динас, магнезитовый кирпич и другие материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промышленных печей. Материалы, способные длительное время выдерживать воздействие высоких температур (до 1000°С) без потери или только с частичной потерей прочности, относят к жаростойким, например жаростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы и др.

Температуростойкость или термостойкость — способность выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений, нередко с переходом от высоких положительных к низким отрицательным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и от способности каждого компонента к тепловым расширениям.

Водопоглощаемость — способность материала впитывать и удерживать воду. Процесс впитывания воды в поры называется водопоглощением и в лабораторных условиях проходит при нормальном атмосферном давлении. Образец постепенно погружают в воду и его полного водопоглощения достигают путем кипячения в воде, если температура 100°С не влияет на состав и структуру материала. Выдерживают образцы в воде в течение определенного срока или до постоянной массы.

Гигроскопичностью называется способность материала поглощать влагу из влажного воздуха или парогазовой смеси. Степень поглощения воды или паров, которые частично конденсируются в порах и капиллярах материала, зависит от относительной влажности и температуры воздуха, парциального давления смеси. С увеличением относительной влажности и со снижением температуры воздуха гигроскопичность повышается.

Влагоотдачей называют способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Влага, находящаяся в тонких порах и капилляра, удерживается прочно, особенно адсорбционно-пленочная влага, что способствует ускоренному передвижению поглощаемой воды по сообщающимся порам в материале. Если между влажностью окружающей среды воздуха и влажностью материала устанавливается равновесие, то отсутствуют гигроскопичность и влагоотдача, а состояние принято именовать воздушно-сухим.

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением.

Водостойкость - способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении. Эти материалы можно применять в сырых местах без специальных мер по защите их от увлажнения. На стабильность структуры и свойств материала заметное влияние оказывает попеременное увлажнение и просыхание. Некоторые материалы принято проверять на водостойкость путем циклического насыщения образцов водой и их высушивания.

В жестких условиях находится тот материал, который увлажняется при резких температурных перепадах. Вода, поглощенная материалом, особенно порами в поверхностном слое, замерзает при переходе через нулевую температуру с расширением на 8, 5%. Ритмично чередующаяся кристаллизация льда в порах с последующим оттаиванием приводит к дополнительным внутренним напряжениям. Могут возникнуть микро- и макротрещины со снижением прочности, с возможным разрушением структуры. Способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное (циклическое) замораживание и оттаивание без значительных технических повреждений и ухудшения свойств называется морозостойкостью. Установлены нормативные пределы допустимого снижения прочности или уменьшения массы образцов после испытания материала на морозостойкость при определенном количестве циклов замораживания и оттаивания. Некоторые материалы, например бетоны, маркируются по морозостойкости в зависимости от количества циклов испытания, которые они выдерживают без видимых признаков разрушения. Обычно замораживание образцов, насыщенных водой, производится в специальных морозильных камерах, а оттаивание организуется в воде, имеющей комнатную температуру. Продолжительность одного цикла составляет одни сутки. Многие материалы выдерживают 200... 300 циклов и более. Могут применяться и ускоренные методы испытания на морозостойкость, или сохранность в солевых растворах при чередующейся кристаллизации соли в порах материала. В отношении некоторых материалов, например природного камня, о морозостойкости судят по величине коэффициента размягчения.

К физическим свойствам относятся также звукопоглощаемость, поглощаемость ядерных излучений и рентгеновских лучей, электропроводность, светопроницаемость и др. С помощью испытания соответствующих образцов материала определяются числовые характеристики этих свойств. Они сравниваются с допустимыми по нормам.

Механические свойства строительных материалов Понятие о деформации и напряжении. Упругость, пластичность, хрупкость. Предел прочности. Твердость. Истираемость. Сопротивление удару. Механические свойства строительных материалов

Механические свойства отражают способность тел (материалов) сопротивляться силовым (от механических нагрузок), тепловым, усадочным или другим напряжениям без нарушения установившейся структуры. В свою очередь, под напряжением понимается мера интенсивности внутренних сил, возникающих под действием нагрузок, изменений температуры и других факторов или причин. Практически напряжение определяют как внутреннюю силу, отнесенную к единице площади, причем под внутренней силой подразумевают силу действия частиц, находящихся по одну сторону от площадки, на частицы, находящиеся по другую сторону от этой площадки. Обычно определяют расчетом нормальные (перпендикулярные к площадке) и касательные напряжения, выражаемые в СИ в МПа.

Механические свойства разделяются на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства характеризуют способность материала к изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы. Деформация — изменение объема или формы твердого или пластичного тела без изменения массы. Главнейшие виды деформаций — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Все они могут быть обратимыми и необратимыми, или остаточными. Обратимые полностью исчезают при прекращении действия на материал факторов, их вызвавших. Необратимые деформации, называемые, кроме того, пластическими, накапливаются в период действия этих факторов; после их снятия деформации сохраняются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно и полностью, называются упругими, а если в течение некоторого времени, то — эластическими.

Деформации могут быть также сложными — упругопластическими или упруговязкопластическими, если достаточно четко выражены соответственно упругая и пластическая или упругая, эластическая и пластическая части.

На характер и величину деформации влияет не только величина нагружения, но и скорость приложения нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости деформирования и понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластическим, уменьшаясь по абсолютной величине. Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличения напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного времени под влиянием силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования — ползучестью или крипом.

Деформационные свойства строительных материалов, как и других тел, обусловливаются периодом, или временем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале, связанных с молекулярным перемещением при условии, что начальная величина деформации остается неизменной, например зафиксированной жесткими связями. Характер начальной деформации в период релаксации напряжений может измениться, например из упругой постепенно перейти в необратимую (пластическую), что связано с переориентацией внутримолекулярной структуры. Время, или период релаксации, определяет продолжительность релаксационных процессов.

Период релаксации—важная характеристика строительных материалов: чем она меньше, тем более деформативным является материал.

К другому важному механическому свойству относится прочность, т. е. способность материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений. Типичными прочностными характеристиками являются предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии сжимающих, растягивающих или других видов усилий. Пределу упругости соответствует напряжение материала при максимальной величине упругой деформации; пределу текучести - постоянное напряжение при нарастании пластической деформации; пределу прочности - максимальное напряжение в момент разрушения материала. Эти характеристики прочности относятся к кратковременному действию приложенной нагрузки. При длительном воздействии нагрузки возрастает опасность для структуры материала и даже сравнительно малые напряжения могут вызвать ползучесть и заметное ухудшение структуры с потерей прочности. Поэтому нередко принято измерять длительную прочность материала, причем не только при статической, но и динамической нагрузках. Материал может резко терять свою прочность после приложения к нему вибрационной нагрузки, что обусловлено усталостью — накоплением неотрелаксированных напряжений и необратимых микродефектов в структуре. Соответствующая прочность называется усталостной, определяется испытанием образцов материала.

В целом, три упомянутые характеристики прочности — условные по двум причинам. Во-первых, они не учитывают фактора времени, что с некоторым приближением можно допустить только в отношении хрупких материалов. Во-вторых, приборы, образцы, скорость приложения нагрузки на прессах и другие исходные данные методов испытания материала на прочность условны. Один и тот же материал может иметь различную величину показателя прочности в зависимости от размера образца, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывались образцы. Например, чем меньше размеры «кубика», больше скорость приложения нагрузки, тем выше величина предела прочности при сжатии.

Дополнительными характеристиками механических свойств при оценке качества материалов могут служить твердость, истираемость и ударная вязкость.

Твердость выражает способность материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел, например при сдавливании стального шарика или конуса, царапании резцом, сверлении, ударах молотка, пулевом выстреле и др. Эти условные испытания дают значения твердости либо только качественные, например по следу царапания, либо также и количественные — по глубине или площади отпечатка с учетом приложенной нагрузки. Нередко от полученного значения твердости стремятся перейти к величине прочности, хотя устанавливаемые соотношения между твердостью и прочностью тем менее точные, чем пластичнее материал. Только у хрупких тел царапание можно более или менее надежно сравнивать с прочностью, так как то и другое свойство обусловлено сцеплением между микрочастицами материала.

О твердости нередко также судят по потере массы образцов при истирании на металлических кругах в присутствии абразивных порошков. О более сложном свойстве, включающем и твердость, а именно об износе, износостойкости материала судят по испытанию пробы определенной массы путем вращения ее в барабане совместно с металлическими шарами или без шаров. Чем больше измельчается проба, тем и больше износ в процентах.

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам и определяется количеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксированном с помощью насечки месте. Работа, отнесенная к площади поперечника образца, характеризует единичную ударную работу на излом, называемую удельной ударной вязкостью. Она имеет практическое значение при оценке качества металлов, асбестоцементных изделий, например кровельных листов и плит.

Основные свойства строительных материалов

Плотностью называется величина равная отношению массы вещества к занимаемому им объему; выражается в килограммах на кубический метр (кг/м³).

Истинная плотность — предел отношения массы к объему тела или вещества без учета имеющихся в них пустот и пор.

Насыпная плотность — отношение массы зернистых материалов, материалов в виде порошка ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами.

Средняя плотность — физическая величина, определяемая отношением массы тела или вещества ко всему занимаемому ими объему, включая имеющиеся в них пустоты и поры.

Относительная плотность — отношение плотности тела или вещества к плотности стандартного вещества при определенных физических условиях.

Пористость —отношение объема пор к внешнему объему (габариту) материала. Ее выражают в процентах.

Пористость определяет основные свойства материалов: прочность, морозостойкость, газопроницаемость, водопроницаемость и т.д.

Водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать воду. Водопоглощение определяют по разности массы образца материала в насыщенном водой и абсолютно сухом состоянии и выражают в процентах массы сухого материала.

Водопоглощение по объему В0 равно массе воды, поглощенной образцом при его насыщении, отнесенной к объему образца.

Водопоглощение материала по объему меньше 100 %, а водопоглощение по массе у очень пористых материалов — больше 100%,

Отношение прочности материала, насыщенного водой, к его прочности в сухом состоянии называется коэффициентом размягчения. Численное значение этого коэффициента колеблется от 0 до 1.

При коэффициенте размягчения более 0, 8 строительный материал считается водостойким, при коэффициенте менее 0, 7 — неводостойким, и его рекомендуется применять в увлажняемых конструкциях и сооружениях с большой влажностью.

Влагоотдача —способность материала отдавать влагу при изменении окружающей среды. Влагоотдача характеризуется скоростью высыхания материала в сутки при относительной влажности окружающего воздуха 60 % и температуре 20 °С.

Влажность материала в процентах определяют содержанием влаги, отнесенной к массе материала в сухом состоянии.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, прошедшей за 1 ч через 1 см2 поверхности материала при постоянном давлении. Степень водопроницаемости материала зависит от его плотности и строения.

Адгезия — способность материала слипаться с поверхностью другого тела. Количественно она характеризуется удельной работой, затрачиваемой на разделение тел. Адгезия — важное свойство лакокрасочных полимерных покрытий, антикоррозионных составов, гидроизоляционных и кровельных эмульсий и суспензий и т. д.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения и понижения прочности.

Морозостойкость характеризуется количеством выдержанных циклов замораживания, определяемых по снижению прочности материала не более чем на 25 % и потере массы не более чем на 5 %

Морозостойкость материала проверяют многократным замораживанием образцов при температуре —15...—20 °С и последующим оттаиванием в воде при температуре 20...25 °С.

Теплопроводность —способность материала передавать тепло через свою толщу от одной поверхности к противоположной вследствие разности температур.

Теплоемкость — свойство материала поглощать теплоту при нагревании и отдавать ее при охлаждении; характеризуется коэффициентом теплоемкости, равным количеству тепла в джоулях, необходимого для нагрева 1 кг материала на 1 °С.

Теплоемкость, отнесенная к единице массы, называется удельной теплоемкостью. Теплоемкость материала позволяет сохранить теплоустойчивость зданий.

Газопроницаемость-способность материала пропускать через толщу газ или воздух. Объем газа, проходящего через слой материала, прямо пропорционален площади стены, времени протекания газа, разности давлений и обратно пропорционален толщине стены.

Звукопроницаемость —свойство материала пропускать воздушные и ударные звуки. Ограждающие конструкции зданий оцениваются по звукоизолирующей способности: количественная мера — децибел. Звукоизоляция стен характеризуется показателем проницаемости от воздушного звука, а междуэтажных перекрытий — показателем звукоизоляции от воздушного и ударного звуков. Для жилых зданий показатель звукоизоляции от воздушного звука межквартирных стен и междуэтажных перекрытий должен быть не менее 1 децибеллы, а показатель звукоизоляции от ударного шума междуэтажных перекрытий — 0 (ноль) децибел.

Огнестойкость —способность материала противостоять действию огня без потери необходимых прочностных конструкционных и эксплуатационных качеств. Предел огнестойкости-время в часах, в течение которого конструкция выполняет свои функции в условиях пожара. Предел огнестойкости зависит от возгораемости материалов, а также от наличия и надежности их защиты против действия огня. По степени огнестойкости материалы различают на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Трудносгораемые материалы с трудом возгораются, тлеют или обугливаются. Сгораемые материалы воспламеняются или тлеют.

Прочность — способность твердого тела воспринимать в определенных пределах воздействие внешних сил без признаков разрушения. Прочность материала характеризуется пределом прочности на сжатие, изгиб и растяжение.

Упругость —свойство материала деформироваться под влиянием физических воздействий, связанных с возникновением внутренних сил, и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения этих воздействий.

Пластичность — способность материала под влиянием действующих на него усилий изменять свои размеры и форму без образования трещин и сохранять их после снятия нагрузки. Пластичность одного и того же материала может быть различной в зависимости от температуры. К пластичным материалам относят битум, глиняное и цементное тесто, полимерные пасты и мастики и т. д. -

Хрупкость - способность материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил без заметной пластичной деформации.

Для хрупких материалов характерна значительная разница между пределами прочности при сжатии и растяжении. Хрупкие материалы плохо сопротивляются удару. Хрупкость материала изменяется в зависимости от влажности, температуры, скорости нарастания, действующей нагрузки.

Твердость — способность материала сопротивляться прониканию в него другого более твердого тела.

Твердость хрупких материалов определяют методом царапания по минералогической шкале Мооса, где в качестве эталонов принята твердость следующих материалов; 1—тальк, 2 —гипс, 3 —кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — ортоклаз, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 —корунд, 10—алмаз.

Истираемость - способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий.

Сопротивление материала истиранию определяют на кругах истирания или пескоструйным аппаратом. Как правило, таким испытаниям подвергают материалы для устройства полов, лестниц, покрытий дорог, аэродромов и т. д.

Коррозионная стойкость — способность материала не вступать в реакции с другими веществами, изменяя при этом свои первоначальные свойства; наиболее важным показателем является способность материала сопротивляться воздействию кислот, щелочей, солей, газов.

Акустические свойства - способность материала пропускать и проводить или задерживать и поглощать звук. Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Плохо проводят звук пористые материалы. Материалы с гладкими поверхностями отражают значительную часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещениях с гладкими поверхностями стен из-за многократного отражения звука создается постоянный шум. Поверхности материалов, имеющих открытую пористость, хорошо гасят звуковые колебания. Мягкая мебель, ковры, специальная штукатурка хорошо заглушают звук.

Химическая стойкость - способность материала сопротивляться воздействию кислот, щелочей, растворов, солей и газов. Наиболее часто подвергаются воздействию агрессивных жидкостей и газов санитарно-технические сооружения, канализационные трубы, животноводческие помещения, гидротехнические сооружения. Не способны сопротивляться действию даже слабых кислот карбонатные каменные материалы: известняк, мрамор, даломит. Наиболее стойкими по отношению к действию кислот и щелочей являются керамические материалы.

Радиационная стойкость - свойство материала сохранять свою структуру и физико-механические характеристики после воздействия ионизирующего излучения. Под действием радиации могут произойти структурные изменения материалов. Для защиты от нейтронного потока применяют материалы, содержащие в большом количестве связанную воду, материалы с большой плотностью (свинец, особо тяжелый бетон). Уменьшить интенсивность проникновения нейтронного излучения через бетон можно путем введения в него специальных добавок (бора, кадмия, лития).

Долговечность — способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Такими факторами могут быть: изменение температуры и влажности, действие различных газов, находящихся в воздухе, или растворов солей, находящихся в воде, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей. При этом потеря материалом механических свойств может происходить в результате нарушения сплошности структуры (образования трещин), обменных реакций с веществами внешней среды, а также в результате изменения состояний вещества (изменения кристаллической решетки, перекристаллизации, перехода из аморфного в кристаллическое состояние).

Процесс постепенного изменения (ухудшения) свойств материалов в эксплуатационных условиях иногда называют старением.

Долговечность и химическая стойкость материалов непосредственно связаны с величиной затрат на эксплуатацию зданий и сооружений. Повышение долговечности и химической стойкости строительных материалов является наиболее актуальной задачей в техническом и экономическом отношениях.

Эстетические свойства строительных материалов — это комплекс архитектурно-художественных качеств, характеризующих уровень их художественной выразительности. К ним относятся декоративность (окраска и рисунок), цвет, форма, фактура, текстура, эстетичность, сочетаемость.

Цвет материалов - это зрительное ощущение, возникающее в результате воздействия на сетчатку глаз человека электромагнитных колебаний, отраженных от лицевой поверхности в результате действия света.

По назначению гражданские здания делят на жилые, общественные и специального назначения. К жилым зданиям относят как предназначенные для длительного проживания (индивидуальные жилые дома, многоквартирные дома, дома-интернаты.