Описание основных своиств строительных материалов

Приизучении материальной базы архитектурногоискусства следуетобращать внимание на эксплуатационно-техническиехарактеристики– ее долговечность, эстетическиепоказатели и качество, как сырьевыхматериалов так и готовыхизделий, которые учитываются вархитектурномпроектировании;в сборе требуемой информации, в томчисле и в понимании физическойсущности свойств, на которые долженбазироваться выбор строительныхматериалов и изделий, наиболее полноучитывающий творческийзамысел автора-архитектора. Свойствастроительных материалов- это комплекс показателей, характеризующийих работу в процессепроизводства, применения и эксплуатации,числовые характеристикикоторых определяются в лаборатории спомощью специальныхприборов и стандартных методик.

Показателисвойств строительных материаловнепосредственно зависятот характера их структуры, котораяопределяется, в основном,двумя видами: микроструктурой имакроструктурой.

Микроструктура- это уровень, на котором изучают элементы,которыеможно выявить с помощью оптическогоили электронного микроскопов.Они характерны для элементовмикрогетерогенных систем. Относительнобетона – это элементы структуры цементногокамня и контактногослоя; для керамики – кристаллическиеи стекловидные фазыи поры; металлов – линейные, объемные,поверхностные дефекты и фазы, т.д.Типовыми представителям такой структурыявляютсяпорошки, суспензии, пены, эмульсии.

Макроструктурастроительных материалов рассматриваетсяпутем визуальногонаблюдения или при небольшом увеличений.При этом возможноопределение особенности строенияматериала, наличие в немдефектов, обусловленные процессамиформирования и эксплуатации. При изучениймакроструктуры конгломератного типапредставляетсявозможным изучить относительноесоотношение вяжущего веществаи заполнителя, количество инородныхвключений в материале, их распределение,размер, форму зерен и порового пространства.Макроструктурабывает конгломератной (характерна длябетонов, керамики), ячеистой(газо- и пенобетон, ячеистые пластмассы,пористый заполнитель), волокнистая(древесина,стеклопластики, асбестоизделия),мелкопористая (ряд керамическихматериалов), слоистая (текстолит,бумопласт), рыхлозернистая(порошкообразные и зернистые материалы).

Кромеэтого структура материалов изучаетсяна атомно-молекулярном(менее чем 10-9м– кристаллические и аморфные образования)и субмикроскопическом(10-9…10-7м– коллоидные системы) уровнях, в основномвлияющих на формирование физико-механическихи химических свойств изделий.

Дляудобства изложения, понимания и изучениясвойств строительных материалов ихцелесообразно распределить на триосновные группы:

эксплуатационно-технические;эстетические;экономические.

1.2. Эксплуатационно-технические свойства

Этагруппа свойств определяет в большеймере функциональную надежностьзданий, сооружений, их долговечность,Так, большинствосовременных строительных материаловпредставляют собой капиллярно-пористыетела, поэтому одной из важнейшиххарактеристик, влияющейна многие свойства материала, являетсяего пористость, содержащаямакро- и микропоры, открытые и замкнутые,сообщающиесяи изолированные.

пористость-это степень заполнения объема материалапорами- промежутками, полостями между элементамиструктуры. Количество пор в материалевычисляют соотношением:

П=VП*100/VО,% 1

где VП-объем пор в материале, см3;

VО- объем пористого материала с заключеннымив него порами(общий объем материала), см3.

Взависимости от показателя пористостистроительные материалыподразделяют на низкопористые (менее30%), среднепористые (от 30до 50%) и высокопористые (более 50%).

Большоезначение при эксплуатации строительныхматериалов и изделий имеют структурныехарактеристики пористости: вид и размерпор,распределение по размерам пор в объемематериала. Для определения характерапористости используют различные методы:ртутной порометрии, адсорбции жидкостей,метод молекулярных щупов, оптическиеизмерения,механический и прочие. Взависимости от вида различают истинную,открытую (кажущуюся)и замкнутую (закрытую) пористости.

Истиннаяпористость- включает в себя все виды пористости ивычисляютее по формуле:

ПИ=(1-и/с)*100,%, 2

где: и-плотностьматериала в абсолютно плотномсостоянии,г/см3;с- средняя плотность материала, г/см3.

Пористостьстроительных материалов колеблется вшироких пределах: от0%- длястали, стекла и до 90% для мипоры.

Открытаяпористость– это пористостьдоступная для проникновенияводы вглубь материала и определяют ееотношением разности массы водонасыщенногои сухого материала к его общему объемуи вычисляютпо формуле:

П=(mвн-mс)*100/Vо,% 3

где:mвн–масса материала в водонасыщенномсостоянии,г; mс–масса материала в высушенном допостоянного веса состоянии,г; Vо–общий объем материала, см3.

Открытаяили кажущаяся пористость, в которойприсутствуют сообщающиесяпоры, увеличивает проницаемость,водопоглощение, а следовательнопроисходит понижение долговечности,морозо- и водостойкостиматериалов.

Закрытаяили замкнутая пористость- система пор, недоступная дляпроникновения жидкостей и газов внутрьматериала при атмосферном давлении,определяетсявычитанием открытой пористости изистинной:

Пзакр=Пи-Поткр,%. 4

Повышениезакрытой пористости улучшаеттеплофизические свойства строительныхматериалов, способствует повышениюдолговечности.

Количественноесодержание (в %) истинной, открытой изамкнутой пористости ни в коей мере неотражает какой она имеет вид – мелкиеили крупные, сообщающиеся или замкнутые,т.е. не отражает ее структуру, характеристикикоторой учитывают при оценке такихсвойств как прочность, долговечность,проницаемость и пр.

Сыпучиеи рыхлые материалы (песок, щебень, цемент,шлак, заполнители, молотый мел, красящиепигменты) кроме пор имеют пустоты –воздушные полости между отдельнымичастицами или зернами материала.Пустотность строительных материаловвычисляют отношнием суммарного объемапустот в рыхлом материале ко всемуобъему, занимаемому этим материалом поформуле истинной пористости 2 и выражаютв %.

Чтобы легче ориентироваться в многообразии строительных материалов и изделий, их классифицируют по назначению, исходя из условий работы материалов в сооружениях, или по технологическому признаку, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и способ изготовления.

По назначению материалы можно условно разделить на две группы: конструкционные и материалы специального назначения.

Конструкционные материалы, применяемые главным образом для несущих конструкций, различают следующие:

1) природные каменные;

2) вяжущие;

3) искусственные каменные, получаемые:

а) омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетон, железобетон, растворы);

б) спеканием (керамические материалы);

в) плавлением (стекло и ситаллы);

4) металлы (сталь, чугун, алюминий, сплавы);

5) полимеры;

6) древесные;

7) композиционные (асбестоцемент, бетонополимер, фибробетон, cтеклопластик и др.).

Строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных воздействий среды или повышения эксплуатационных свойств и создания комфорта, следующие:

1) теплоизоляционные;

2) акустические;

3) гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие;

4) отделочные;

5) антикоррозионные;

6) огнеупорные;

7) материалы для защиты от радиационных воздействий и др.

Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств, определяющих область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами.

Свойство — способность материала определенным образом реагировать на отдельный или чаще всего действующий в совокупности с другими внешний или внутренний фактор. Действие того или другого фактора обусловлено как составом и строением материала, так и эксплуатационными условиями материала в конструкции зданий и сооружений.

Чтобы здание или сооружение выполняло свое назначение и было долговечным, строители должны отчетливо представлять те эксплуатационные условия, в которых будет работать каждая изготовленная ими конструкция. Зная эти условия, можно установить, какие свойства должен иметь материал, предназначенный для изготовления данной конструкции.

Главным требованием к материалам, из которых изготовляются несущие конструкции, является их способность хорошо сопротивляться изменению формы и разрушению под действием нагрузок, а также в ряде случаев низкие теплопроводность и звукопроницаемость (например, для ограждающих конструкций). Основными требованиями к некоторым материалам являются: водонепроницаемость, низкая электропроводность, радиационная стойкость и т. д.

Но ни один материал в сооружении не работает изолированно от окружающей среды.

Если он соприкасается с водой, то подвергается действию воды и содержащихся в ней веществ, если он находится на воздухе — действию воздуха и содержащихся в нем водяных паров и газов, а на открытом воздухе также и действию мороза, дождя, солнца, ветра, резких перемен температуры, влажности и т. п. Под воздействием окружающей среды материалы в сооружении подвергаются деформациям и находятся в напряженном состоянии.

Неравномерное увлажнение и высыхание материала приводит к появлению в нем внутренних напряжений вследствие различия в деформациях сильно увлажненной и мало увлажненной частей материала. Колебания температуры также приводят к изменению расстояний между частицами и, следовательно, к изменению объема материала. Если имеет место неравномерное изменение размеров и объема, то в материале появляются внутренние напряжения, которые могут привести к его постепенному разрушению.

Плотность, пористость, прочность — это основные характеристики всех строительных материалов, служащие как для оценки качества и особенностей применения материала, так и для различных технико-экономических расчетов. Некоторые же свойства являются специальными и важными при выборе материала лишь для некоторых условий эксплуатации (стойкость против воздействия солей, кислот, щелочей, морозостойкость, теплопроводность и т. д.).

Специальные технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться обработке. Например, для каменных материалов важной является способность шлифоваться и полироваться. Податливость к сравнительно легкой формуемости глин и бетонных смесей при производстве строительных изделий является важной технологической характеристикой.

Таким образом, при выборе и обосновании целесообразности применения строительного материала для определенных условий его применения требуется учитывать различные его свойства.

По ряду признаков часто выделяют четыре основные группы технических свойств: физические, механические, химические и технологические.

Читать по теме:

К разделу

Строительные материалы

1 .Классификация стр. Мат.

Строительныематериалыи изделия классифицируют по назначению,виду материла и способу получения:

по назначению: конструкционные, отделочные, гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические, антикоррозионные, герметизирующие;по виду материала: природные каменные, лесные, полимерные, металлические, керамические, стеклянные, искусственные каменные и т.д.;по способу получения: природные и искусственные.

2.Состав и структура стр.Мат.

Составматериала: химический,минеральный (минералогический), фазовый(твердый, жидкий, газообразный) зависитв большей степени от сырья, которое былоиспользовано и в меньшей – от технологииизготовления изделий.

Структуруматериала изучаютна микроуровне при помощи микроскопови на макроуровне – визуально.

Строительныематериалы, в частности бетоны, могутиметь различную макроструктуру: ячеистую(газо-, пенобетон), зернистую (например,перлитобетон), волокнистую (например,гипсоволокнистый бетон, шифер) илимакроструктуру, представленную сочетаниемэтих структур.

Макроструктураматериалов:

плотная(стекло),искусственная ячеистая(пеносиликат), мелкопористая(кирпич), волокнистая(древесина), слоистая(пластики), рыхлозернистая(песок, щебень, гравий) зависит оттехнологии получения материала иизделия. Так, например, имея одно и тоже основное исходное сырье – глину иизменяя технологию, можно получитьоблицовочные плитки плотной структуры,стеновой мелкопористый кирпич итеплоизоляционный ячеистый – керамзит.

3. Общефизические свойства.

Кобщефизическим свойствам относятся:истиннаяплотность,средняяплотностьи пористостьматериала.

Истиннаяплотность (r)– масса единицы объема вещества вабсолютно плотном состоянии, без пор ипустот.

, (1)

Средняяплотность (rср)– масса единицы объема материала(изделия) в естественном состоянии спустотами и порами

, (2)

Повеличине истинной и средней плотностирассчитывают общуюпористость(Пп)материала в %

(3)

4. Химические свойства.

Химическиесвойства характеризуют способностьматериала к химическим взаимодействиямс другими веществами. Возможностьхимических и физико-химических процессовопределяется наличием у строительныхматериалов таких свойств, как химическаяактивность, растворимость, способностьк кристаллизации и адгезии.

Химическаяактивность можетбыть положительной, если процессвзаимодействия приводит к упрочнениюструктуры (образование цементного,гипсового камня), и отрицательной, еслипротекающие реакции вызывают разрушениематериала (коррозионное действие кислот,щелочей, солей).

Химическаяили коррозионная стойкость –это свойство материалов противостоятьразрушающему действию жидких игазообразных агрессивных сред.

5. Механические свойства.

Механическиесвойства характеризуют поведениематериалов при действии нагрузокразличного вида (растягивающей, сжимающей,изгибающей и т.д.).

Прочность¾свойство материала сопротивлятьсявнутренним напряжениям, возникающим вматериале под действием внешних факторов.

Твердость–способность материала сопротивлятьсяпроникновению в его поверхностные слоидругого, более твердого тела определеннойформы.

Истираемость¾свойство материала постепенно разрушатьсятонкими слоями под действием истирающихусилий; оценивается потерей первоначальноймассы образца, отнесённой к единице егоплощади или уменьшением толщиныматериала.

Износ–разрушение материала при совместномдействии истирающей и ударной нагрузок.

Свойство –характеристика материала (изделия),проявляющаяся в процессе его переработки,применения или эксплуатации.

Качество материала– совокупностьсвойств материала, обуславливающих егоспособность удовлетворять определённымтребованиям в соответствии с егоназначением.

Вданном курсе свойства материалов будемделить на четыре основные группы:

структурные характеристики и физические свойства характеризуют особенности физического состояния, обусловленного структурой материала, или определяют отношение материала к различным физическим процессам;механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушению и деформированию под действием внешних сил (нагрузок);химические и физико-химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое или физико-химическое взаимодействие с окружающей средой в процессе эксплуатации (растворимость, адгезия, стойкость к действию кислот и щелочей и др.);технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным видам технологической обработки при изготовлении из него изделий, изменяющим состояние материала, структуру его поверхности, придающим нужную форму, размеры и свойства (формуемость, удобоукладываемость, свариваемость, ковкость, гвоздимость, спекаемость и др.).

Приведенное делениесвойств на группы – не единственныйподход к классификации свойств. Влитературе часто выделяютстроительно-технические свойства,которые определяют возможностьиспользования материалов в зданиях,сооружениях.

Они, в свою очередь,подразделяются на конструкционные,изоляционные, декоративные и др. Очевидно,что эти группы свойств можно отнести ик приведенной выше классификации.Например,конструкционные свойства относятся кмеханическим, изоляционные и декоративные– к физическим и т. п.

Здесь мы рассмотримтолько некоторые структурныехарактеристики, физические и механическиесвойства. Химические и технологическиесвойства изучаются для разных группматериалов в соответствующих разделах.Кроме того, более подробное рассмотрениесвойств будет в последующих курсах (длястудентов профилей ПГС и АД)

5.1.Структурные характеристики и физические свойства материалов

Плотностькак физическая величина выражаетсяотношением массы к объему. Для большейчасти строительных материалов и изделийих объем включает в себя поры, внутренниепустоты или полости. Поэтому плотностьможет быть определена двумя величинами.

Истиннаяплотность- отношение массы сухогоматериала к его объему без пор и пустот,т.е. к объему собственно твердоговещества, из которого состоит материал.Этот объем называют абсолютным.

Средняяплотность- отношение массы сухогоматериала к его объему вместе с порамии технологическими пустотами. Этотобъем называют естественным объемомматериала. Если материал сыпучий(зернистый, кусковой), для него можновыразить плотность еще одним способом.

Насыпнаяплотность- отношение массы сухогоматериала к его объему в свободнонасыпанном состоянии. Этот объем называютнасыпным. Он включает в себя куски(зерна, гранулы, частицы) материала ипромежутки между ними – межзерновыепустоты.

Конечно,для одного куска материала можно говоритьлишь об истинной и средней плотности.Если из контекста ясно, о какой плотностиидет речь, то пишут просто “плотность”.Чаще всего под просто плотностьюподразумевают среднюю плотность

Введемследующие обозначения:Мс- массасухого материала;V- абсолютныйобъем материала;Vo- естественныйобъем материала;Vн- насыпнойобъем материала.

Тогдаопределяющие выражения для плотностиимеют вид:

истиннаяплотность:

_;(1)

средняяплотность:

_;(2)

насыпнаяплотность:

_{. (3)}

Взависимости от единиц массы и объемалюбая плотность может быть выражена вкг/м3,кг/л, г/см3и других единицах. Насыпную плотностьчаще всего выражают в кг/м3,истинную в г/см3.Если в одной и той же формуле встречаютсядва вида плотности (см., например, формулу5),то они должны быть выражены в одних итех же единицах.

Пористость-доля (илипроцент) пор в естественном объемематериала, или, более точно, отношениеобъема пор к естественному объемуматериала:

₍₄₎

формулавыражает пористость в долях от 1 (еслиобъем принять за 1).

Для выражения впроцентах долю, т. е. предыдущее выражение,надо умножить на 100.

Выражение(4) является определяющим для пористости,но делать расчеты по этой формуле вслучае рассеянных по всему объемуматериала пор затруднительно из-занеопределенности величины абсолютногообъема. Поэтому для расчетов выражаютV и V0из формул (1) и (2) через массу и плотностьи, подставляя их в (4), получают общуюпористость П0в виде

₍₅₎

илив процентах

_(5.1)

Открытаяпористость- доля или процент пор вестественном объеме материала, доступныхдля проникновения воды или другойжидкости.

Вслучае открытой пористости объем порVпорв формуле (4) должен быть заменен объемомводы, заполняющей поры – Vв.Обычно Vв< Vпориз-за наличия пор, недоступных дляпроникновения воды (закрытых илизамкнутых пор).

Закрытаяпористостьравна разности между общейи открытой пористостью

Пористостьявляется основной структурнойхарактеристикой, определяющей такиесвойства материала, как водопоглощение,теплопроводность, морозостойкость,прочность и др.

Пустотность(или межзерноваяпустотность)- доля или процент пустот в свободнонасыпанном объеме материала, илиотношение объема пустот (т.е. пространства,незанятого кусками или зернами материала)к насыпному объему материала:

₍₆₎

Прирасчетах величины V0и Vн,выраженные из формул (2) и (3) через массыи плотности, подставляют в (6) и получают:

₍₇₎

Ппустможет быть также выражена в долях, какв формуле (7), или в процентах

илив процентах

Влажность- процентное содержание влаги в массематериала, т.е.выраженноев процентах отношение массы водывнутриматериала к массе сухого материала:

₍₈₎

гдеМвл– Мc= Мв- масса воды, равная разности массвлажного и сухого материала.

Всематериалы в естественном состоянииимеют какую-то влажность, так как способныадсорбировать влагу из воздуха. В томслучае, когда материал полностью насыщенводой, говорят о водопоглощении материала.

Водопоглощениепо массе- максимальная влажность,которую приобретает материал послевыдерживания в воде в течение определенноговремени:

₍₉₎

гдеМнас- масса материала, насыщенного водой(Мнас> Мвл).

Водопоглощениепо объему- отношение объема воды,насыщающей материал, к объему материала(выражается в процентах):

₍₁₀₎

ЗаменяяVвотношением массы поглощенной воды к ееплотности, получим для W0формулу:

₍₁₁₎

Поделиввыражение (11) на (10) и учитывая формулу(2), получим, что отношение W0/Wmравно отношению средней плотностиматериала к плотности воды. Эта величинаназывается относительнойплотностью материала(по отношениюк воде):

₍₁₂₎

Относительнаяплотность материала D показывает, восколько раз материал в естественномсостоянии тяжелее воды (если относительнаяплотность меньше единицы, то это значит,что материал легче воды). Эта величинабезразмерна, но численно она равнасредней плотности в г/см3.

Коэффициентразмягчения(коэффициентводостойкости)- отношение прочности насыщенного водойматериала к прочности сухого материала:

₍₁₃₎

ВеличинаКразмдля разных материалов принимает значенияот 0 (материал полностью размокает вводе) до 1 (материал не изменяет своейпрочности при насыщении водой). Дляконструкционных материалов, эксплуатируемыхво влажных условиях, например, вфундаментах, Кразмдолжен быть не менее 0.8.

Морозостойкость.

Посколькуобъем льда на 9 % больше объема жидкойводы при одной и той же массе, призамерзании воды в порах материалапроисходят деформации (распираниестенок пор), приводящие при многократномзамораживании и оттаивании к трещинам,потере прочности и, в конечном счете, кразрушению материала. Морозостойкостьколичественно характеризуется числомциклов попеременного замораживания иоттаивания, которое выдерживает материал,теряя при этом не более 15% прочности илине более 5% массы.

Числоциклов, отвечающее этому условию,округленное до определенных значений,называется маркой материала поморозостойкости. Для разных материаловстандартами приняты следующие марки:10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500 и т. д.

Передчислом, обозначающим марку поморозостойкости, ставится латинскаябуква F: F10, F15, F25 и т. д. Например, еслиматериал после 25 циклов попеременногозамораживания и оттаивания потерял 10%прочности, а после 35 циклов – уже 16%, томарка по морозостойкости будет F25.

Теплопроводность.

Количественнойхарактеристикой теплопроводностиявляется коэффициент теплопроводностиλ:

_(14),

гдеQ– количество теплоты, проходящей черезматериал; b– толщина материала; τ– продолжительность (время) прохождениятеплоты; S– площадь, через которую проходит тепло;t1и t2– температура на противоположных потолщине сторонах материала.

Длякраткости коэффициент теплопроводностиназывают теплопроводностью.

Такимобразом,теплопроводностьчисленно равна количеству тепла,проходящему через материал единичнойтолщины в единицу времени через единицуплощади при разности температур междунаружной и внутренней поверхностямиматериала в один градус. Нетрудноубедиться, что размерность теплопроводностив системе СИ – Вт/м.°С.

Источники:

• studfiles.net
• tehlib.com
• studfiles.net
• studfiles.net