Глава 4. Основные строительные материалы

4.1. Классификация строительных материалов

Строительными называют материалы, из которых возводят здания и сооружения, а также изготовляют строительные детали и конструк­ции. Строительство - дело дорогостоящее и материалоемкое. В общем объеме капитальных затрат стоимость материалов и изделий составляет свыше 50 %, поэтому снижение материалоемкости за счет применения эффективных материалов и широкого использования местных сырье­вых ресурсов имеет большое значение.

Строгой классификации строительных материалов на сегодня не существует, да и вряд ли возможно создать стройную классификацион­ную систему. В настоящее время в строительстве применяют более 10 тыс. наименований строительных материалов и совершенно очевидна сложность создания их единой классификации.

Тем не менее, материалы классифицируются по целому ряду призна­ков: по производственному назначению, виду исходного сырья, по основным показателям качества (например, прочности, средней плотности и др.), а также по функциональному назначению, например, конструкционные, теплоизоляционные, акустические, огнеупорные материалы.

Одни материалы являются природными, а другие искусственными.

Природные строительные материалы получают непосредственно из недр земли или путем переработки, например, лесных материалов в «деловой лес» или добытого камня в облицовочные плиты.

Искусственные строительные материалы и изделия производят ча­ще всего из природных сырьевых материалов, но в последние годы зна­чительное количество их получают из попутных продуктов промыш­ленности, сельского хозяйства.

Наиболее широкое применение имеют искусственные строитель­ные материалы.

Природные каменные материалы и изделия классифицируются ли­бо по генетическому признаку (то есть по происхождению горных пород), либо по техническим свойствам - по средней плотности, проч­ности, морозостойкости и другим показателям.

4.2. Основные физико-механические свойства строительных материалов

Для того, чтобы правильно, целесообразно и наиболее эффектив­но применить тот или иной строительный материал, необходимо знать его свойства.

Наиболее важны для строительных материалов физические и ме­ханические свойства, их реакция по отношению к воде, температуре и различным механическим воздействиям.

Физические свойства. К ним относят: плотность, пористость, водопоглощение, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, теплопроводность, огнестойкость, огнеупорность, паро- и газопрони­цаемость, звукопоглощение.

Средняя плотность – физическая величина, определяемая от­ношением массы тела в естественном состоянии ко всему занимаемо­му им объему, включая пустоты и поры (г/см³):

, (1)

где т – масса сухого материала, г, кг, т;

V – объем материала по внешним размерам образца или объем вытесненной жидкости, см³, м³, л.

Истинная плотность – предел отношения массы тела или веще­ства к его объему без учета в нем пустот или пор, г/см³:

, (2)

где т - масса материала, г, кг;

V_a - объем, занимаемый материалом или веществом без пор и пустот, см³.

Для зернистых материалов, которые очень широко применяются в строительстве, определяется насыпная плотность - отношение массы зернистых материалов или материалов в виде порошка ко всему зани­маемому ими объему, включая межпоровое пространство.

Пористость материала – степень заполнения объема материалом; по значению пористость дополняет среднюю плотность до единицы или до 100 %

или , (3)

где ρ - истинная плотность;

ρ_m - средняя плотность.

Водопоглощение - это способность материала впитывать и удер­живать в себе воду; её определяют насыщением водой образца, пред­варительно высушенного до постоянной массы. Количество воды, по­глощенной образцом, отнесенное к его массе в сухом состоянии, назы­вают водопоглощением по массе, а отнесенное к его объему - водопоглощением по объему.

Водопоглощение (%) вычисляют по формулам:

(4)

, (5)

где т₁ и т₂ - масса материала, соответственно, в сухом и насы­щенном водой состоянии, кг.

После деления этих выражений почленно получим зависимость:

. (6)

Водопоглощение зависит от пористости, строения пор (замкнутые, открытые, крупные). Значение водопоглощения по объему всегда меньше 100 %, а по массе может быть более 100 %.

Водостойкость – способность материала сохранять прочность при водонасыщении. Численно водостойкость характеризуется коэф­фициентом размягчения

, (7)

где и - предел прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образцов;

Строительные материалы из-за неодинаковой плотности, струк­туры, состава характеризуются различной водостойкостью. Напри­мер, для таких материалов, как стекло, фарфор, сталь = 1, а гипсовые материалы при насыщении водой могут полностью разру­шиться. К водостойким относятся материалы с .

Гигроскопичность – способность строительных материалов по­глощать водяные пары из окружающего воздуха. Степень гигроскопичности зависит от температуры и влажности воздуха, вида, количест­ва и размера пор, а также от природы вещества.

Гигроскопичность пористых материалов ухудшает их физико-механические свойства. В связи с этим материалы с высокой гигро­скопичностью не рекомендуются для применения в ограждающих конструкциях зданий и сооружений.

Морозостойкость – одно из важнейших свойств строительных материалов. Этот показатель свойств характеризует способность материала выдерживать в насыщенном водой состоянии многократ­ное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и потери прочности. Морозостойкими считают материалы, которые после установленного для них количества циклов замораживания и оттаивания не имеют выкрашивания, трещин, рас­слаивания, разрушения углов и граней и теряют не более 5 % массы и не более 25% прочности.

Показателем морозостойкости является коэффициент К_мрз., который определяется по формуле:

, (8)

где R - прочность образцов при сжатии после заданного числа циклов замораживания и оттаивания, МПа;

R_нас. - прочность водонасыщенных образцов при сжатии до замо­раживания, МПа.

Звукопоглощение. Физический смысл процесса звукопоглощения заключается в превращении звуковой энергии в энергию тепла (процесс взаимодействия звуковых волн с частицами материала и воздухом, за­ключенным в объемах его пор).

Основным показателем поглощающей способности материала яв­ляется коэффициент звукопоглощения ()

(9)

где - энергия, поглощенная поверхностью ограждения;

- энергия звука падающая.

Звукопроницаемость характеризует звукоизолирующие свойства ограждения из любого материала и определяется коэффициентом звукопроницаемости:

, (10)

где и - звуковое давление соответственно в падающей и прошедшей звуковых волнах;

Q - угол падения звуковой волны относительно нормали к по­верхности ограждения.

Механические свойства. К ним относятся: прочность, твердость, истираемость, деформативность.

Прочностью материала называется его способность не разрушаясь сопротивляться воздействию внешних нагрузок. В строительных мате­риалах, подвергаемых воздействию нагрузок, возникают различные напряжения - сжатия, растяжения, изгиба, кручения, среза. В зависимости от условий работы конструкций их испытывают на прочность при сжатии, растяжении, изгибе и т. д. Требования по прочности к строительным материалам изложены в соответствующих норматив­ных документах (СНиП, ГОСТ, ТУ и т. п.).

Строительные материалы обладают разной прочностью и спо­собностью сопротивления действию сил сжатия, растяжения и изгиба

Подробно изучением прочности занимается наука «Сопротивле­ние материалов», в данном курсе приведены лишь самые краткие све­дения о прочности.

Предел прочности (МПа) при сжатии или растяжении R равен разрушающей нагрузке Р_Р, деленной на площадь поперечного сече­ния образца А :

. (11)

Форма стандартных образцов, методика их изготовления и испы­таний указываются в ГОСТах на соответствующие материалы.

.

Твердость – способность материалов сопротивляться проникно­вению в него другого, более твердого материала. Для некоторых ма­териалов (например, природных каменных материалов) твердость определяют методом нанесения черты одним материалом на другом. Твердость каменных материалов определяют по шкале твердости Мооса, в которой 10 специально подобранных минералов расположены так, что на каждом предыдущем все последующие могут оставлять при царапании черту.

Например, тальк и мел, имеющие показатель твердости 1, легко царапаются ногтем, но ни на одном другом минерале не оставляют царапин. Такие минералы, как кварц, топаз, корунд и алмаз с показате­лем твердости соответственно 7, 8, 9 и 10 легко царапают стекло, но на них не оставляет царапин стальной нож.

Числовое значение твердости при испытании образца может ока­заться между показателями двух соседних минералов, взятых по шка­ле твердости. Например, если испытуемый материал царапается топазом (8), но сам не царапает кварц (7), то его твердость принимают - 7,5.

Истираемость – свойство материала уменьшаться в объеме и мас­се под действием истирающих усилий. На истираемость испытывают материалы, применяемые для устройства полов, лестниц, каменных тротуаров и пр.

(12)

где G₁ и G₂ - масса испытуемого образца до и после истирания, г;

S - площадь истирания, см².

Значения истираемости (г/см²) некоторых материалов: гранита –

0,1 ... 0,5; керамических плит для полов – 0,25 ... 0,3; известняка – 0,3 ... 0,8.

Деформативность. В понятие деформативности материала (например, бетона) входят:

- модуль упругости (деформативности);

- полярность;

- усадка;

Перечисленные свойства строительных материалов изучаются в специальных дисциплинах, например, в курсе сопротивления материалов, теории упругости, и в настоящей работе не рассматриваются.

Технологические свойства. Строительные материалы, применяе­мые для устройства ограждающих конструкций, должны быть не толь­ко прочными и долговечными, но и обладать хорошими техноло­гическими свойствами, например, теплопроводностью, теплоемкостью, огнестойкостью, термической стойкостью, огнеупорностью.

Теплопроводность – способность материала передавать теплоту через свою толщу при наличии разности температур по обе стороны материала. Теплопроводность зависит от вида материала, пористости, характера пор, его влажности и плотности, а также от средней темпера­туры, при которой происходит передача теплоты. Значение теплопро­водности характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м°С):

λ, (13)

где Q - количество проходящей теплоты, Дж;

а - толщина слоя материала, м;

А - площадь, через которую проходит тепловой поток, м²;

(t₁ - t₂) - разность температур по обеим сторонам слоя материла, °C;

Z - время прохождения теплового потока, ч.

Теплоемкость – способность материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты. Она характеризуется коэффи­циентом теплоемкости С, Дж/(кг°С):

, (14)

где Q - количество теплоты, затраченной на нагревание мате­риала от t₁ до t₂, Дж;

т - масса материала, кг;

(t₁ – t₂) - разность температур до и после нагревания, °С.

Теплоемкость материалов учитывают при теплотехнических рас­четах ограждающих конструкций, при расчете расхода тепла в раз­личных тепловых установках (пропарочных камерах, автоклавах, об­жиговых печах и т. п.).

Огнестойкость – способность материала выдерживать без раз­рушения одновременное действие высокой температуры и воды (такая ситуация возникает во время тушения пожаров).

Пределом огнестойкости конструкции называется время (в часах) от начала огневого испытания до появления одного из следующих факторов: сквозных трещин, обрушения, повышения температуры на необогреваемой поверхности более чем на 140°С в среднем, или на 180°С в любой точке по сравнению с температурой до испытания. Для примера: предел огнестойкости кирпичной стены в один кирпич (25 см) равен 5,5 ч.; незащищенных стальных колонн - 0,25 ч.

По огнестойкости строительные материалы делятся на три груп­пы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы (бетон, кирпич, асбестовые материалы) под действием высокой температуры или огня не тлеют и не обугли­ваются. Трудносгораемые материалы (например, арболит, фибролит, асфальтобетон) с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но происходит это только при наличии открытого источника огня. Сгораемые ма­териалы (дерево, толь, пластмассы) воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

Огнеупорность – способность материала противостоять длитель­ному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплав­ляясь.

По степени огнеупорности материалы подразделяются на огне­упорные – выдерживающие действие температур от 1580°С (например, шамотные изделия), тугоплавкие – вы­держивающие температуру 1350-1580°С (например, гжельский кирпич), легкоплавкие – выдерживающие температуру ниже 1350°С (обыкновенный керамический кирпич и камни).