Свойства строительных материалов

Свойства строительных материалов

Каждый материал, используемый в строительстве, имеет различные свойства, определяющие область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами. Под свойствами строительных материалов понимают их способность определенным образом реагировать на отдельные или совокупные внешние или внутренние воздействия – силовые, тепловые, усадочные, водной или иной среды и т.д.

Свойства разделяют на четыре группы: механические, физические, химические, технологические, иного выделяют еще физико-химические. В совокупности все свойства именуют как технические свойства строительных материалов. Числовые значения свойств получают при лабораторных или полевых испытаниях материалов с помощью соответствующих приборов и аппаратов. Испытания проводят с разрушением специально подготовленных образцов или отдельных элементов конструкции или без их разрушения, т.е. адеструктивными методами.

Механические свойства

- характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий связанных с приложением силы.

По совокупности признаков различают прочность материала: при сжатии, изгибе, ударе, кручении и т.д.

Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению, под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Прочность характеризуется пределом прочности.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела.
Истираемость – характеризуется величиной потери первоначальной массы, отнесенной к 1м² площади истирания. Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий и др.
Износ – разрушение материала при совместном действии истирания и удара.
Деформация – изменение размеров и формы материала под нагрузкой.
Упругость – свойство материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры.
Пластичность – свойство материала изменять свою форму под нагрузкой, без появления трещин (без нарушения сплошности) и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным относятся: сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и т.п. Хрупкие материалы разрушаются внезапно без значительной деформации, к ним относят каменные материалы. Хрупкие материалы хорошо сопротивляются только сжатию и плохо растяжению, изгибу и удару.

Химические свойства

Химические свойства выражают способности и степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды и, кроме того. Способность сохранять постоянным состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Большинство строительных материалов проявляют активность при взаимодействии с кислотами, щелочами, агрессивными газами и другими средами.

Химические свойства материала характеризуют его способность к химическим превращениям и изменению структуры 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 материалов для строителя главные — коррозионная стойкость материалов в строительных конструкциях и их химическая активность. 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 (S0₂, S0₃, N0₂) от предприятий и автомашин. На промышленных предприятиях коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные агенты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горячие газы.

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 изменениями в материале, сколько связанными с ними изменениями физико-механических характеристик материалов.

Физические свойства

Физические свойства материала характеризуют его поведение под воздействием физических факторов, моделирующих воздействие внешней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т.п.).

Истинная плотность – масса единицы объема абсолютно плотного материала (без учета пор). , кг/м³

V₀ – объем материала в плотном состоянии.

Средняя плотность - масса единицы объема материала или изделия в естественном состоянии (с учетом пустот и пор). , кг/м³

Средняя плотность одного и того же материала может быть разной, зависит от пустотности и пористости.

Пористость – выражается в %, показывает степень заполнения объема материала порами. Поры – это мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой. , где: р₀- объемная плотность материала, кг/м³; р – плотность абсолютно плотного материала, кг/м³.

Поры могут быть закрыты (без сообщения с окружающим пространством) и открытые (с сообщением), мелкие и крупные.

Водопоглощение, способность материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется оно количеством воды, поглощаемой сухим материалом, погруженным полностью в воду и выражается в (%) от массы (водопоглощение по массе). Водопоглощение (%) по массе:

или объемное водопоглощение:

где: m₂- масса материала в насыщенном водой состоянии (кг);

m₁ – масса материала в сухом состоянии (кг);

V- объем материала в естественном состоянии (м³).

Гигроскопичность – способность материала поглощать влагу из влажного воздуха или парогазовой смеси.

Влагоотдача - способность материала отдавать влагу в окружающую среду.

Водопроницаемость – способность материала пропускать через себя воду под давлением.

Водостойкость – способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении. Числовой характеристикой водостойкости служит отношение предела прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии (R_в) к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии (R_сух). Это отношение принято называть коэффициентом размягчения

К водостойким относятся строительные материалы, коэффициент размягчения которых больше 0, 8 – например гранит, бетон, асбестоцемент и др. эти материалы можно применять в сырых местах без специальных мер по защите их от увлажнения.

Морозостойкость – с пособность материала насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное (циклическое) замораживание и оттаивание без значительных технических повреждений и ухудшения свойств.

Теплопроводность – способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающей под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал.

Теплоемкость – характеризует способность материала аккумулировать теплоту при нагревании, т.е. при нагревании поглощать тепло, а при остывании – его отдавать.

Температуропроводность – способность материала изменять температуру при нагревании (охлаждении). Характеризуется коэффициентом температуропроводности, т.е. скоростью изменения температуры материала.

Температуростойкость или термостойкость – способность выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений нередко с переходом от высоких положительных к низким отрицательным температурам.

Огнестойкость – характеризует способность строительных материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материала разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению и 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. К таким материалам относятся фибролит, гидроизол, асфальтобетон и др.

Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается после удаления источника огня. Среди них древесина, войлок, битумы, соломы и др.

К физическим свойствам относятся также звукопоглощаемость, поглощаемость ядерных излучений и рентгеновских лучей, электропроводность, светопроницаемость и др. с помощью испытания соответствующих образцов определяют числовые характеристики этих свойств и сравнивают их с допустимыми по нормам.

Технологические свойства

Технологические свойства выражают способность материала к восприятию технологических операций, выполняемых с целью изменения его формы, размеров, характера поверхности, плотности и др. эти свойства определяются числовыми значениями или визуальным осмотром с оценкой способности материала к формуемости (жесткие, пластичные и литые смеси), раскалываемости, шлифуемости, полируемости, дробимости, гвоздимости (удерживанию гвоздя при силовых воздействиях) и другим показателям технологических качеств.

Оценка качества материалов

Качество материалов оценивают совокупностью числовых показателей технических свойств, которые были получены при испытаниях соответствующих образцов. Существуют стандарты, устанавливающие для большинства материалов и изделий обязательные методы испытаний.

На продукцию, имеющую межотраслевое значение разрабатываются Государственные стандарты (ГОСТы) РФ. Они содержат требования к безопасности этой продукции для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества, а также пожарной безопасности. Кроме того в них приводятся основные показатели и методы контроля качественных характеристик материала. Нередко в ГОСТе сообщается классификация материала по одному или нескольким признакам. Указываются конкретные числовые значения свойств с маркировкой выпускаемой продукции, правила приемки и хранения материала, допуски и посадки изделий.

Кроме государственных имеются стандарты отраслевые разрабатываемые министерствами на свою продукцию – материалы или сырье сравнительно ограниченного ассортимента и применения. Существуют стандарты на строительные материала, выпускаемые отдельными предприятиями, которые обязательны для предприятия при доставке продукции по договору. Стандарты (ГОСТы) периодически обновляются на основе последних достижений науки, техники технологии. Они имеют силу закона, т.е. их категорически запрещено нарушать. Они не являются объектом авторского права.

Пороки древесины

Пороками называют недостатки древесины, появляющиеся вовремя роста дерева и хранения пиломатериалов на складе. Степень влияния пороков на пригодность древесины в строительстве зависит от их вида, места расположения, размеров, а также от назначения древесной продукции.

Пороки древесины можно разделить на несколько групп:

Пороки формы ствола: сбежистость, закомелистость, кривизна ствола

Пороки строения древесины представляют собой отклонения от нормального расположения волокон в стволе дерева: наклон волокон, свилеватость, крень, двойная сердцевина и др.

Сучки — самый распространенный и неизбежный порок древесины, представляющий собой основание ветвей, заключенные в древесине.

Трещины могут появляться как на растущем дереве, так и при высыхании срубленного дерева и пиломатериалов.

Грибные поражения вызываются простейшими живыми организмами — грибами, развивающимися из спор и использующими древесину в качестве питательной среды, или микроорганизмами.

Повреждения насекомыми (червоточины) представляют собой ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми.

Покоробленности — нарушение формы пиломатериалов при изменении ее влажности при сушке и хранении или под действием внутренних напряжений при продольной распиловке крупных элементов на более мелкие. Покоробленность бывает поперечная, продольная (простая и сложная) и винтообразная (крыловатость).

Защита от возгорания

Для предупреждения возгорания древесины применяют 1) конструктивные меры – удаление от источников нагревания, сводящие к минимуму вероятность нагрева древесины и ее контакта с огнем; 2) снижение возгораемости древесины покрытием огнезащитными составами и пропиткой древесины антипиренами.

Огнезащитные покрытия могут быть в виде обмазок, красок и лаков.

Огнезащитные пропитки – растворы солей и некоторых других веществ – антипиренов, которыми пропитывают древесину. Пропитка древесины может быть поверхностная или глубокая, проводится она до окраски деревянных конструкций или столярных изделий.

Керамические материалы и изделия.

Керамическими называются искусственные каменные материалы и изделия, получаемые из глин и их смесей с минеральными добавками путем их формования, сушки и обжига. Глины обеспечивают получение удобоформуемой связной массы, а после обжига — прочного и водостойкого черепка. Непластичные добавки улучшают технологические свойства сырьевой массы (облегчают сушку, уменьшают усадку и снижают температуру обжига) и придают материалу желаемые свойства (высокую пористость, пониженную теплоплопроводность и т. п.).

В зависимости от структуры керамических стройматериалов они подразделяются на две группы:

§ Пористые – поглощают 8-20% воды по массе или 14-36% по объему. Пористую структуру имеют стеновые, кровельные и облицовочные материалы, а также стенки дренажных труб.

§ Плотные – поглощают 1-4% по массе или по объему 2-8%. Плотную структуру имеют плитки для пола, дорожный кирпич, стенки канализационных труб.

По назначению делятся на:

- Стеновые изделия – кирпич, пустотелые камни и панели из них;

- Кровельные изделия (черепица);

- Элементы перекрытий;

- Изделия для облицовки фасадов – лицевой кирпич, малогабаритные и другие плитки, наборные панно;

- Изделия для внутренней облицовки стен – глазурованные плитки и фасонные детали к ним – карнизы, уголки, пояски;

- Заполнители для легких бетонов – керамзит, аглопорит;

- Теплоизоляционные изделия – перлитокерамика, ячеистая керамика..;

- Санитарно-технические изделия – умывальные столы, ванны, унитазы;

- Плитка для пола;

- Дорожный кирпич;

- Кислотоупорные изделия – кирпич, плитки, трубы и фасонные части к ним;

- Огнеупоры;

- Изделия для подземных коммуникаций – канализационные и дренажные трубы.

Вяжущие вещества.

Вяжущими веществами называют материалы, способные в определенных условиях образовывать пластично-вязкое тесто, которое самопроизвольно или под действием определенных факторов со временем затвердевает.

Современные вяжущие вещества в зависимости от состава делят на:

- неорганические (известь, цемент, гипсовые вяжущие и др.), которые для перевода в рабочее состояние затворяют водой (реже водными растворами солей)

- органические (битумы, дегти, синтетические полимеры и олигомеры), которые переводят в рабочее состояние нагревом, с помощью органических растворителей или сами они представляют собой вязко-пластичные жидкости.

В строительстве в основном используют неорганические (минеральные) вяжущие вещества.

Минеральные вяжущие вещества подразделяются на 3 группы:

1) Воздушные вяжущие вещества – вещества, которые твердеют, сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе. К воздушным вяжущим веществам относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, воздушная известь и жидкое стекло.

2) Гидравлические вяжущие вещества – вещества, которые способны твердеть и длительно сохранять свою прочность не только на воздухе, но и в воде. В группу гидравлических вяжущих входят портландцемент и его разновидности, романцемент, гидравлическая известь и глиноземистый цемент. Их используют в надземных, в подземных и подводных конструкциях.

3) Вяжущие автоклавного твердения – вещества, эффективно твердеющие только при автоклавной обработке – давлении насыщенного пара 0, 8-1, 2 МПа и температуре 170-200⁰С. К ним относятся: известково – зольные вяжущие и известково - нефелиновые вяжущие, а также смеси тонкомолотого песка с портландцементом, которые хотя и могут твердеть в других условиях, но дают значительно более высокий прирост прочности при автоклавном режиме твердения.

Бетоны

Бетон – искусственный каменный материал, который получается в результате затвердевания рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества (10-15%), воды, мелкого (песок) и крупного заполнителя (щебень, гравий) (85-90%), взятых в определенных пропорциях. Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью.

Требования к свойствам бетонной смеси

1) Удобоукладываемость – способность заполнять форму и уплотняться в процессе укладки;

2) Однородность (связность бетонной смеси) - способность не расслаиваться, определяется визуально.

3) Водоудерживающая способность - т.е при приготовлении смеси необходимо правильно выбрать водоцементное отношение.

Бетоны бывают:

1) по плотности:

а) особо тяжелые: плотность более 2500 кг/м³;

б) тяжелые бетоны: плотность ρ =2200-2500 кг/м³;

в) облегченный: ρ =1800-2200 кг/м³;

г) легкие бетоны: ρ =500-1800 кг/м³;

д) особо легкие: ρ (плотность) менее 500 кг/м³.

2) по назначению:

а) обычный – для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (колонны, балки, плиты);

б) гидротехнический – для плотин, шлюзов, облицовки каналов и др; для стен зданий и легких перекрытий; для полов и дорожных покрытий и оснований;

в) специальный – кислотоупорный, жароупорный, особо тяжелый для биологической защиты.

Основные требования к бетону

Минимальный расход цемента.
Бетонная смесь (до затвердевания) должна легко трансформироваться, легко перемешиваться и легко укладываться.
Бетон должен иметь определенную скорость твердения.

Железобетон

Железобетон – это строительный материал, в котором соединены в единое целое бетон и стальная арматура.

Для армирования железобетонных конструкций применяется арматура следующих видов: стержневая, термически упрочненная, проволочная, арматурные канаты.

Железобетонные изделия применяются в тех случаях, когда на конструкцию действуют растягивающие усилия.

Монолитным называют железобетон, изготовляемый непосредственно на строительной площадке. На месте возведения конструкции устанавливают опалубку. Назначение опалубки придать бетонной смеси при ее укладке форму будущей конструкции. В опалубку укладывают арматуру, а затем бетонную смесь. Бетонную смесь уплотняют глубинными или поверхностными вибраторами, навешиваемыми на опалубку.

Сборные железобетонные изделия и конструкции (сборный железобетон) представляют собой крупноразмерные железобетонные элементы, изготовляемые на заводе или полигоне домостроительного комбината. Основное преимущество таких конструкций — высоко механизированные и автоматизированные методы изготовления; на строительной площадке эти элементы только монтируют, что резко сокращает сроки строительства, повышает производительность труда и позволяет широко применять новые эффективные материалы (легкие и ячеистые бетоны, отделочную керамику, пластмассы и т. п.).

Основные операции при производстве железобетонных изделий: приготовление бетонной смеси, изготовление арматуры, армирование и формование изделий и их ускоренное твердение.

Применение железобетонных изделий: применяются в областях строительства, где необходимо восприятие конструкциями растягивающих усилий. Например, в элементах зданий это: плиты ленточных фундаментов, фундаменты-башмаки, фундаментные балки, стеновые панели, плиты покрытий и перекрытий.

Строительные растворы

Строительный раствор – искусственный каменный материал, который получается в результате затвердевания рационально подобранной растворной смеси, которая состоит из вяжущего вещества, воды и мелкого заполнителя (песок).

МЕТАЛЛЫ

Металлы — кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способность хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решетке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться.

В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы, что связано с трудностью получения чистых веществ, а также с необходимостью придания металлам требуемых свойств.

Сплавы — это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерным свойствами металлов. В строительстве применяют сплавы железа углеродом (сталь, чугун), меди и олова (бронза) и меди и цинка (латунь) и др. На практике термин «металлы» распространяют и на сплавы, поэтому далее он относится и к металлическим сплавам.

Металлы, применяемые в строительстве, подразделяются на две группы: черные и цветные.

1. Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода черные металлы делятся на чугуны и стали. Все нежелезные металлы и сплавы на их основе называются цветными. В строительстве наибольшее применение находят чугуны и стали.

а) Чугун – сплав железа и углерода 2…5 %, в состав которых входят также кремний, марганец, сера и фосфор. Чугун хрупок, обладает высокой жаростойкостью, износостойкостью, повышенной сопротивляемостью к коррозии.

б) Сталь – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2 %. Сталь пластична, упруга и обладает высокими технологическими свойствами (способностью обрабатываться). По химическому составу стали делят на углеродистые (сюда входят также кремний, марганец, фосфор, сера) и легированные (добавляют никель, хром, вольфрам, ванадий).

2. Цветные металлы и сплавы подразделяются по плотности на легкие (сплавы на основе алюминия, магния) и тяжелые (на основе меди, никеля, олова, свинца). Цинк применяется для изготовления листового материала, используемого при устройстве кровель, вентиляционных коробов, водосточных труб, подоконных сливов, для особых видов гидроизоляции. Медь и алюминий применяют в электротехнических работах. В основном в строительстве применяют сплавы цветных металлов, отличающиеся легкостью и большой коррозионной стойкостью.

Защита от коррозии

Коррозия металлов – процесс их разрушения вследствие химического и электрохимического взаимодействия с внешней средой.

К основным методам антикоррозионной защиты относятся легирование металлов, термообработка, ингибирование окружающей среды (замедление процесса коррозии), деаэрация среды, водоподготовка, защитные покрытия, создание микроклимата и защитной атмосферы.

Простейшим и эффективным способом защиты метал. конструкций от коррозии является покрытие их поверхностей различными красками, лаками, эмалями, пленками (металлические, оксидные, фосфатные…).

Стекло

Стекло – аморфный прозрачный материал, получаемый переохлаждением расплавленной стекломассы, состоящей из силикатных материалов, т.е. сырье (кварцевого песка, известняка, соды, сульфат натрия, доломита, полевого шпата).

§ Стекло получают путем варки строительного силикатного стекла в стекловаренных печах.

Структура и свойства стекла

Для стекла характерно наличие небольших участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространственной решетки, изотропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления. Свойства стекла:

Светопропускание – измеряется коэффициентом пропускания, для оконного стекла – 90-92%, профильного – 84-86%, стеклоблоков – 82-85%.

§ Теплопроводность обычного стекла 0, 4 – 0, 82 Вт/(м°С).

§ Теплоемкость стекол определяется их химическим составом, и составляет 0, 63-1, 05 кДж/(кг°С) при комнатной температуре.

§ Термическое расширение – наиболее низкий температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла.

§ Термостойкость – зависит от температурного коэффициента линейного расширения.

Виды стекла и их применение

1. Листовое стекло. В зависимости от области применения строительное листовое стекло имеет следующие разновидности:

§ Оконное – бесцветное неполированное стекло.

§ Армированное – получают методом непрерывного проката с одновременной запрессовкой внутри листа металлической сетки из никелированной проволоки диаметром 0, 45…0, 5 мм. Применяют для остекления фонарей, для ограждающих и кровельных конструкций.

§ Увеолевое – способно пропускать ультрафиолетовые лучи до 25%. Применяют для остекления оконных проемов в лечебных и детских учреждениях, оранжерей, теплиц с пропуском ультрафиолета.

§ Закаленное – производят термическую обработку листового стекла с целью придания ему повышенной прочности и термостойкости. Используют для остекления дверей, перегородок, лифтовых шахт.

§ 2. Конструктивно-строительные изделия:

§ Стеклоблоки – применяют для внутренних и наружных ограждений в гражданских и промышленных зданиях.

§ Профильное строительное стекло – применяют для устройства светопрозрачных ограждающих конструкций (стен, перегородок).

§ Стеклопакеты – два или несколько листов стекла применяетсядля остекления окон.

§ Стеклянные трубы - используют в вакуумных, безнапорных и напорных сетях, а также для транспортирования агрессивных жидкостей.

3. Облицовочное стекло:

§ Облицовочное стекло «марблит» – листы из цветного глушенного стекла с полированной лицевой поверхностью и рифленой тыльной, для облицовки фасадов, внутренней отделки зданий, устройства подоконников, крышек столов.

Коврово-мозаичные плитки - изготавливают из цветной стекломассы методом проката (для наружной и внутренней отделки стен и других конструкций).

Основные свойства пластмасс

Плотность пластмасс составляет 10-2200 кг/м³, обладают высокими механическими показателями, не подвергаются коррозии, стойки против действия растворов слабых кислот и щелочей, являются плохими проводниками тепла, хорошо окрашиваются в любые цвета и долго сохраняют цвет, обладают низким водопоглощением, легкие при обработке, возможность придания им любой формы.

Недостатки пластмасс: невысокая теплостойкость, высокий коэффициент термического расширения, повышенная ползучесть, со временем происходит постепенное их разрушение (деструкция), снижаются прочность и твердость, появляются хрупкость, потемнение, при горении многие пластмассы выделяют токсические вещества.