материала, т.е. отношение прочности (временного сопротивления) материала к его плотности.

Для крепления горных выработок применяют следующие виды материалов: дерево, металл, бетон, железобетон, естественные и искусственные камни, а в последнее время - стеклопластики, различные синтетические смолы и другие полимерные материалы.

Крепежные материалы выбираются в зависимости от конструкции крепи, назначения и срока службы выработки, величины горного давления и условий работы крепи, а также с учетом экономической целесообразности.

Свойства строительных материалов общие сведения

Каждый материал, применяемый в строительстве, имеет различные свойства, определяющие область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами. Основные свойства строительных материалов (физические, механические, химические и технологические) определяются их химическим составом и строением.

В зависимости от химического состава строительные материалы принято делить на:

•органические (древесина, битум, пластмассы);

•минеральные (природный камень, бетон, керамика и т. п.);

•металлические (сталь, чугун, цветные металлы).

У каждой из этих групп материалов есть свои специфические свойства. Так, органические материалы не выдерживают высоких температур и горят; минеральные, напротив, хорошо противостоят действию огня, а металлы очень хорошо проводят электричество и теплоту.

Не меньше, чем химический состав, на свойства материала влияет его строение. При одном и том же химическом составе материалы различного строения обладают разными свойствами. Например, мел и мрамор — две горные породы, состоящие из карбоната кальция СаСОз, но пористый рыхлый мел имеет низкую прочность и легко размокает в воде, а плотный мрамор прочен и стоек к действию воды.

Состав и строение материалов

Химический состав. В зависимости от химического состава принято выделять органические и неорганические вещества.

Органические вещества представляют собой соединения углерода с другими элементами (преимущественно водородом, кислородом и азотом). Среди строительных материалов из органических веществ чаще всего применяется древесина и битум. В XX в. появились и быстро завоевали прочные позиции полимерные материалы, синтезируемые из продуктов переработки нефти, угля и т.п. С точки зрения строителя органические вещества имеют серьезные недостатки.

При нагреве или под действием ультрафиолетовых лучей они способны окисляться кислородом воздуха, а при температурах выше 200...300° С большинство органических соединений горит (горение — это тот же процесс окисления, но протекающий очень быстро и сопровождающийся концентрированным выделением теплоты, провоцирующим продолжение горения).

Большинство органических веществ (за исключением некоторых синтетических полимеров) могут служить питательной средой для живых организмов. При развитии на органических материалах грибов или микроорганизмов происходит гниение этих материалов.

Таким образом, можно заключить, что стойкость и долговечность органических материалов невелика. Однако многие положительные свойства органических материалов (невысокая плотность, относительно высокая прочность, легкость обработки и др.) привлекали и привлекают до сих пор к ним внимание строителей.

Неорганические вещества, применяемые в строительстве (керамика, природный камень и др.), представляют собой соединения уже окисленных химических элементов — в основном оксидов кремния и алюминия с оксидами металлов. Например, песок — оксид кремния SiCb; глина — водный алюмосиликат

• АЬОз • nSiCb • П1Н2О; стекло — вещество, состоящее из оксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и некоторых других оксидов. Будучи уже в окисленном состоянии, они не способны окисляться и тем более гореть. Такие материалы практически не разрушаются живыми организмами (не гниют). Однако их переработка в изделия, как правило, более трудоемка и энергоемка, чем переработка органических материалов.

Кристаллические и аморфные тела. Все вещества состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул. В зависимости от степени упорядоченности расположения атомов (или молекул) различают кристаллические и аморфные (стеклообразные) твердые тела.

Кристаллическими называют тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причем этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непосредственной близости друг от друга, так и на значительном расстоянии (дальний порядок).

Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.

СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛА

Основные структурные характеристики материала, во многом определяющие его технические свойства,— это плотность и пористость. Плотность — физическая величина, определяемая массой вещества (или материала) в единице объема.

В зависимости от того, берется ли в расчет объем только самого вещества, из которого состоит материал, или весь объем материала с порами и пустотами, различают истинную и среднюю плотность.

Истинная плотность р (кг/м ) — масса единицы объема материала, когда в расчет берется только объем твердого вещества V_a(м ):

р = т/ У_а.

Таким образом, истинная плотность характеризует не материал, а вещество, из которого состоит материал,— это физическая константа вещества.

Значения истинной плотности вещества зависят в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом они различаются незначительно.

У каменных материалов как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500...3000 кг/м .

физических факторов, моделирующих воздействие внешней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т. п.).

Гидрофизические свойства. Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения могут поглощать влагу. При этом их свойства существенно изменяются. Так, при увлажнении материала повышается его теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства.

Влажность — содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии. Влажность W_m (%) определяют по формуле

^Wm = [(^т1 - ^т2 )/ ^т₂ ]• 100 %

где т 1 — масса материала в естественно влажном состоянии, г;

m2 —масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Водопоглощение — способность материала поглощать влагу и удерживать ее в своих порах. Водопоглощение характеризуется максимальным количеством воды, поглощаемым образом материала при выдерживании его в воде, отнесенным к массе сухого образца (водопоглощение по массе W\_n) или к его объему (объемное водопоглощение W"₀.

Водопоглощение W¹¹,,, и W"₀ (%) определяют по формулам:

С = [Ц-/77₂ )/т₂]-100%

.-уп _ Ун₂0 _ (^ — Ш^) ' Р_т _ Р_т

о jt т

ест Рн₂0 ^т2 Рн_гО

где mi — масса материала в насыщенном водой состоянии, г; m2 — масса сухого материала, г; V_ecm — объем материала в сухом состоянии, см ; p,_h()—

плотность воды, равная 1 г/см³.

Гигроскопичность — способность материалов поглощать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность зависит от химического состава материала и характера его пористости. К гигроскопичным материалам относятся древесина и гипс. Характерные для древесины усушка и набухание, сопровождающиеся короблением и возникающие даже без непосредственного контакта с водой, являются следствием ее гигроскопичности. Снизить гигроскопичность можно, покрывая поверхность материала гидрофобными (водоотгалкивающими) веществами. Например, древесину покрывают водостойкими лаками и красками.

При увлажнении материала изменяются его свойства — возрастает плотность, теплопроводность и обычно снижается прочность. Поэтому при всех расчетах необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению влаги (водопоглощение и гигроскопичность). Во всех случаях при применении и хранении пористые строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Влагоотдача — способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20° С и относительной влажности 60 %. Влагоотдачу учитывают, например, при сушке стен зданий и уходе за твердеющим бетоном. В первом случае желательна быстрая влагоотдача, а во втором, наоборот, замедленная.

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

Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К. Удельная теплоемкость большинства природных и искусственных каменных материалов

3 Л г

находится в пределах (0,7... 1)10 Дж/(кг К). Поэтому количество теплоты, нужное для нагрева той или иной строительной конструкции до одной и той же температуры, зависит в основном не от вида материала, а от массы конструкции.

Тепловое расширение — свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении — характеризуется температурными коэффициентами объемного и линейного расширения. В строительстве чаще используют коэффициент линейного температурного расширения, показывающий, на какую долю первоначальной длины увеличится размер материала в рассматриваемом направлении при повышении температуры на 1° С.

Коэффициенты линейного температурного расширения (KJ1TP) у разных материалов значительно отличаются. Например, KJITP пластмасс в 5... 10 раз выше, чем бетона. Поэтому в конструкциях, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать тепловое расширение каждого. При жестком соединении материалов с разными KJITP в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и как результат — коробление и растрескивание материала.

Эффект теплового расширения материалов можно наблюдать, например, в изменении размеров шва между железобетонными панелями. Так, при изменении температуры от — 20 до + 30° С размер железобетонной панели длиной 6 м увеличивается на 3 мм, при этом на столько же уменьшается ширина шва между панелями.

Огнестойкость — способность материала выдерживать без разрушения воздействие огня и воды в условиях пожара. Разрушение материала в таких условиях может произойти из-за того, что он сгорит, растрескается, полностью потеряет прочность. По степени огнестойкости различают несгораемые, трудносгораемые и сгораемые материалы.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не горят и не обугливаются. К таким материалам относятся бетон, кирпич и др. Однако некоторые несгораемые материалы (стекло, асбестоцемент, мрамор) при резком нагревании разрушаются, а остальные конструкции при сильном нагревании теряют прочность и деформируются.

Трудносгораемые материалы под действием огня медленно воспламеняются и после удаления огня их горение и тление прекращаются. К этим материалам относятся фибролит, пропитанная антипиренами древесина, асфальтобетон.

Сгораемые материалы под действием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня.

Для повышения огнестойкости горючих материалов используют антипирены

• вещества, которыми пропитывают или покрывают материал. Антипирены выделяют газы, не поддерживающие горения, или под действием высокой температуры образуют пористый защитный слой на материале, чем замедляют его нагрев.

Огнеупорность — способность материала длительно работать в условиях высоких температур без деформаций и размягчения.

Примером огнеупорных материалов может служить огнеупорный кирпич, используемый для кладки внутренних объемов доменных и сталеплавильных печей, топок ТЭС и т. п. Деление материалов по степени огнеупорности дано.

Для твердых и упругих тел с увеличением напряжений о пропорционально возрастают его относительные деформации £

а = Ее,

где Е— модуль упругости, МПа, характеризующий жесткость материала.

Чем выше модуль упругости, тем меньше материал деформируется. Так, модуль упругости каучука 10...20 МПа, а стали — 200 ООО МПа, это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 10 000 раз меньше, чем

каучука при прочих равных условиях.

При увеличении действующей силы

напряжения в материале

Рис. 2.3. Схема нагружения образца при определении пределов прочности материала на сжатие (а), растяжение (б), изгиб (в) и срез (г)

О)

в)

*777777

*)

возрастают и могут превысить силу сцепления частиц — материал разрушится.

На практике разрушение материала начинается значительно раньше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоретического предельного значения. Это объясняется тем, что в реальных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярного и кончая макродефектами, например трещинами).

Прочность материала характеризуется значением предела прочности R — напряжением в испытуемом образце материала в момент его разрушения.

В зависимости от характера приложения нагрузки и вида возникающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе) (рис. 2.3).

Предел прочности материала определяют на образцах, форму и размеры которых устанавливают стандарты на этот материал. Так, для оценки прочности бетона приняты образцы-кубы размером 150 х 150 х 150 мм.

Предел прочности бетона при сжатии Я_сж обычно 10...50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150 х 150 х 150 мм с R_C3K =10 МПа, надо приложить усилие F= Я_Сж’А = 10-(0,15 х 0,15) = 225 кН (22,5 т). Поэтому для испытания материалов применяют специальные машины, снабженные механизмом для силового воздействия на образец и измерительными устройствами. Так, предел прочности при сжатии определяют с помощью гидравлических прессов,

■j

развивающих усилие до 10 кН (100 т) и более (рис. 2.4).

Для испытания на прочность образец 4 устанавливают на нижнюю плиту 3 пресса, зажимают верхней плитой 5 и включают масляный насос 8. За повышением давления масла наблюдают по манометру 7, фиксируя давление, при котором начинается разрушение материала. Разрушающее усилие равно произведению значений зафиксированного давления и площади поршня пресса. Предел прочности при сжатии

Кж ⁼ Рразр / Л

где А — площадь поперечного сечения образца, м².

Аналогично определяют пределы прочности

при растяжении, изгибе, скалывании. Однако ^

расчетные формулы при изгибе и скалывании

имеют другой вид.

Прочность при сжатии, растяжении и изгибе

у одного и того же материала может сильно

различаться.

У природных и искусственных каменных

материалов прочность при сжатии в 5... 15 раз

выше, чем при изгибе и растяжении. У

древесины, наоборот, прочность при изгибе выше

прочности при сжатии (в 1,5...2 раза). 1

Прочность древесины при сжатии вдоль

волокон близка к прочности бетона, а при изгибе

она прочнее бетона более чем в 10 раз.

Водостойкость. Увлажнение многих Рис. 2.4. Схема гидравлического пресса

материалов снижает их прочность. Степень для испытания на сжатие:

понижения прочности материала, насыщенного¹—станина; 2—поршень; 3,5 —

¹ * ’ нижняя и верхняя опорная плиты; 4 —

водой, характеризуется коэффициентом испытуемый^образец; 3 — маховик для

размягчения

ручного подъема верхней плиты; 7—

манометр; 8— масляный насос

^КР = ^Rя

/R

сух

где R_Hac — прочность материала в насыщенном водой состоянии, МПа;

R_cyx — то же, в сухом состоянии, МПа.

Значение К_р для разных материалов колеблется от 0 (необожженная глина) до 1 (стекло, сталь, битум).

Упругость и пластичность. Если взять два шарика — резиновый и глиняный

• и начать их сжимать, то они оба под действием приложенной силы деформируются. Как только прекращается действие силы, резиновый шарик восстанавливает свою форму, а глиняный останется деформированным.

Материалы, ведущие себя подобно резиновому шарику, т. е. восстанавли­вающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. Количественной мерой упругости служит модуль упругости Е, рассмотренный ранее.

Материалы, ведущие себя подобно глине, т. е. сохраняющие деформации после снятия нагрузки, называются пластичными. Соответственно обратимые деформации называются упругими деформациями, а необратимые — пластическими.

К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным — битумы (при положительных температурах), некоторые виды пластмасс, свинец, бетонные и растворимые смеси до затвердевания.

Твердость — способность материалов сопротивляться проникновению в них других материалов. Твердость — величина относительная, так как твердость одного материала оценивается по отношению к другому. Самый простой метод определения твердости — по шкале твердости. В эту шкалу входят 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минералами.

Обычно твердость определяют на специальных приборах. Так, для оценки твердости металлов и других твердых материалов применяют методы Бринелля или Роквелла, основанные на вдавливании под определенной нагрузкой в испытуемый образец шарика из закаленной стали или алмазного конуса. По диаметру отпечатка рассчитывают число твердости НВ (по Бринеллю) или HR (по Роквеллу).

Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости. Так, древесина по прочности при сжатии равна бетону, а при изгибе и растяжении во много раз превосходит его, но значительно уступает бетону в твердости.

Износостойкость — способность материала противостоять воздействию на него сил трения и ударных воздействий от движущихся предметов. Определяют ее на специальных приборах, снабженных абразивными насадками и моделирующих реальный процесс изнашивания. Износостойкость — важное свойство материалов, используемых для покрытий полов, дорог и т. п.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Химические свойства материала характеризуют его способность к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми он находится в соприкосновении, а также некоторых физических (например, нагревание, облучение, электрический ток) и биологических (микроорганизмы, грибки и

др.) воздействий. Из химических свойств У б)

материалов для нас главные — коррозионная

стойкость материалов в строительных Рис. 2.5. Образование новых повер­хностей при дроблении частицы материала: конструкциях и их химическая активность. _{ч г гл}

^{, J} а) - частица до дробления; б) - после

Последнее свойство важно для материалов,

используемых как связующее (например, цемент, синтетические смолы).

Коррозия — разрушение твердых тел, которое вызывается химическими и электрохимическими процессами, протекающими в них при взаимодействии с внешней средой. Коррозионному разрушению подвергаются не только металлы, но и каменные материалы, бетон, пластмассы, древесина.

Основные агрессивные агенты, вызывающие коррозию строительных материалов, следующие: пресная и соленая вода, минерализованные почвенные воды, растворенные в дождевой воде газы (SO2, SO3, NO2) от предприятий и автомашин. В подземных условиях, а также на промплошадке горного предприятия коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные агенты: растворы кислот и щелочей и т.п.

Особый вид коррозии — биокоррозия — разрушение материала под действием живых организмов (например, грибов, микробов). Биокоррозия — это не только гниение органических материалов (древесины, битума и др.), но и разрушение бетона и металла продуктами жизнедеятельности поселившихся на них микроорганизмов.

Изменение структуры и химического состава пластмасс под влиянием внешней среды называется старением. Наиболее вредные воздействия на пластмассы оказывают солнечное облучение, кислород воздуха и повышенные температуры.

Коррозия строительных материалов опасна не столько химическими