Главная → Статьи

Основные свойства строительных материалов

Строительные материалы, как и все окружающие нас предметы и явления, обладают рядом признаков и характеристик, которые проявляются в большей или меньшей степени. По совокупности этих признаков и характеристик, отражающих свойства материалов, судят о качестве продукции.

Диалектическую природу качества подчеркивал Ф. Энгельс: «Во-первых, всякое качество имеет бесконечно много количественных градаций, например оттенки цветов, жесткость и мягкость, долговечность и т. д., и, хотя они качественно различны, они доступны измерению и познанию.

Во-вторых, существуют не качества, а только вещи, обладающие качествами, и притом бесконечно многими качествами.

Из всего разнообразия присущих каждому предмету или материалу свойств для оценки выбирают только те, которые определяют пригодность продукции при использовании по прямому назначению. Например, для бетона важны такие свойства, как прочность, плотность, долговечность, водопроницаемость, теплопроводность. Некоторые другие характеристики, в частности цвет, для конструкционных бетонов не имеют никакого значения. Наоборот, цвет для отделочных материалов — это одно из главных свойств, а теплопроводность — второстепенное.

Все свойства строительных материалов подразделяют на следующие группы.

Физические свойства. Данную группу составляют параметры физического состояния материалов и свойства, определяющие отношение материалов к различным физическим процессам. К первым относят плотность и пористость материала, его химический, фазовый и минеральный состав, степень измельчения порошков, ко вторым — гидрофизические свойства (во-допоглощение, влажность, водопроницаемость), тепло-физические (теплопроводность, теплоемкость, температурное расширение), стойкость против физической коррозии (водостойкость, морозостойкость) и некоторые другие.

Механические свойства. В группу входят характеристики, отражающие отношение материала к действию механических нагрузок: прочность, твердость, деформативность, упругость, пластичность, хрупкость, истираемость.

Химические свойства. Настоящая группа включает в себя свойства, характеризующие стойкость материала к разрушающим химическим воздействиям окружающей среды (коррозионная стойкость), а также способность материала к химическим превращениям (например, способность цемента после затворения водой самопроизвольно затвердевать в прочное камневидное тело).

Для численного определения свойств используют результаты испытания стандартных образцов строительных материалов. Методы испытаний регламентируют Государственные стандарты СССР (ГОСТы), требования которых необходимо неукоснительно выполнять на всех стройках. Стандарты в области строительства и строительных материалов утверждает Государственный строительный комитет СССР (Госстрой СССР).

Стандарты содержат всесторонние требования к качеству продукции: технические условия, типы и основные параметры продукции, методы испытаний, правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения. Соответствие свойств материалов указанным в стандартах параметрам — залог высокого качества продукции.

Свойства материалов зависят от их состава и строения. Различают химический, минеральный и фазовый состав.

Химический состав, выражаемый процентным содержанием различных оксидов, влияет на химическую стойкость, огнестойкость, механические свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие именно минералы и в каких соотношениях находятся в материале. Так, состав гранита определяется содержанием породообразующих минералов — полевого шпата, кварца, слюды и роговой обманки. Точно так же используют характеристики минерального состава клинкера для оценки свойств цемента. Если материал обладает полиминеральным составом, его свойства зависят от количественного соотношения между минералами, поскольку индивидуальные характеристики минералов неодинаковы. Следовательно, при создании искусственных строительных материалов можно сознательно управлять их свойствами, изменяя химический и минеральный состав.

Фазовый состав материала также оказывает большое влияние на его свойства. В твердой фазе выделяют кристаллическую и аморфную составляющие. Кристаллическое состояние характеризуется тем, что атомы или молекулы вещества ориентированы в строгом геометрическом порядке, в то время как в аморфном состоянии они расположены беспорядочно. Кристаллическая форма состояния вещества более .устойчива. Аморфная форма по сравнению с кристаллической характеризуется большим запасом потенциальной энергии, поэтому аморфные вещества в химическом отношении активнее. Например, кварц (кристаллическая форма диоксида кремния) способен вступать во взаимодействие с известью лишь при температуре выше 170 °С, опал (аморфная форма диоксида кремния), который входит в состав диатомита, трепела, реагирует с известью уже при нормальной температуре. Высокую химическую активность аморфной формы используют при изготовлении клинкера портландцемента, формируя в его составе некоторое количество (6…15%) стекловидной фазы. Это позволяет повышать прочность цемента.

В структуре пористого материала, например бетона, выделяют твердую фазу, образующую его каркас, и поры, которые могут быть заполнены воздухом и водой. При замерзании насыщенного водой материала вода превращается в лед, увеличиваясь в объеме. В каркасе, т. е. в стенках пор, возникают большие растягивающие напряжения, разрушающие материал.

—

Общие сведения. Строительными материалами называют материалы и изделия, применяемые при возведении зданий и сооружений и отличающиеся структурой, физико-механическими свойствами, технологией изготовления, исходным сырьем и т. п. Строительные материалы разделяют на природные (естественные) и искусственные. К первым относят различные плотные горные породы (каменные материалы) и рыхлые горные породы или грунтовые материалы (глина, песок), древесина и др., ко вторым — вяжущие вещества (цемент, известь), искусственные каменные материалы (кирпич, блоки), бетоны, растворы, тепло- и гидроизоляционные, металлические строительные материалы, краски, облицовочные плитки и т. п.

В настоящее время строительная промышленность располагает большим, с каждым годом увеличивающимся количеством материалов. Каждый вид материалов имеет свои преимущества и недостатки, а следовательно, и свои рациональные области применения. В связи с этим одной из важнейших задач экономистов является установление целесообразности применения каждого вида материалов в конкретном случае. Для этого необходимо знать номенклатуру, основные свойства и требования, предъявляемые к строительным материалам.

Строительные изделия жилых и общественных зданий и сооружений в процессе эксплуатации испытывают воздействие различных разрушающих факторов. Так, кровля подвергается снеговой и ветровой нагрузкам, а также увлажнению и высыханию, попеременному -замораживанию и оттаиванию, воздействию солнечной радиации и т. п.; чердачные перекрытия — статическим нагрузкам и воздействию перепадов температур воздуха; стеновые панели — статическим нагрузкам, атмосферным воздействиям и перепадам температур в отапливаемых зданиях; междуэтажные перекрытия — воздействию статических нагрузок; полы — увлажнению, статическим нагрузкам и истиранию. Таким образом, применяя различные материалы и изделия для строительства зданий и сооружений, следует учитывать не только условия, в которых изделие или материал будет эксплуатироваться, но и их основные качества, определяющиеся прежде всего физико-механическими свойствами.

Физические свойства строительных материалов. Физические свойства характеризуют какую-либо особенность физического состояния материала (например, плотность, объемную массу и т. п.) или определяют отношение материала к различным физическим процессам (например, физическому воздействию воды, прохождению-тепла и т. п.).

Плотность представляет собой массу единицы -объема вещества, т. е. отношение покоящейся массы к ее объему. Измеряется плотность в г/см3. Этот показатель используют для определения пористости и пустотности материала. Объемная масса — вес единицы объема материала в естественном состоянии (с порами и пустотами). Объемную массу рыхлых материалов называют насыпной объемной массой. Эта величина характеризуется не только пористостью самого материала, но и наличием пустот между его частицами.

Плотность большинства строительных материалов превышает их объемную массу, однако для жидкостей, металлов и других плотных веществ эти физические показатели мало отличаются друг от друга. Величина объемной массы в значительной мере влияет на физические и механические свойства строительных материалов. Например, при увеличении объемной массы повышаются прочность и теплопроводность материалов, снижаются влагоемкость, усадка, набухание и т. п. Объемная масса определяет массу здания или сооружения; при его снижении, т. е. при применении легких строительных изделий, сокращается расход материалов, уменьшаются трудовые затраты на возведение здания или сооружения, снижается стоимость механизации (в результате применения кранов меньшей грузоподъемности) и транспортные расходы, а также стоимость фундаментов вследствие уменьшения их размеров. Таким образом, объемная масса является важнейшей экономической характеристикой; особенно в условиях широкого капитального строительства в нашей стране. При применении рациональных строительных материалов и изделий и снижении в результате ‘ этого веса возводимых в СССР зданий и сооружений только на 1% можно получить экономию в расходе строительных материалов в десятки миллионов тонн. А если учесть, что стоимость материалов составляет 50—70% общей стоимости зданий и сооружений, очевидно, какой огромный экономический эффект можно получить в этом случае.

Многие физические свойства материалов зависят от их объемной массы и плотности. Пористость — отношение объема пор к общему объему материала в % (характеризуется объемом пустот в данном материале). Различают поры закрытые й открытые. Открытые поры сообщаются с внешней средой, а закрытые нет. Водопоглощением называется степень заполнения объема материала водой. Водопоглощение определяется по разности массы образца материала в насыщенном водой и в абсолютно сухом состоянии и выражается в процентах массы сухого материала или объема образца. Влагоотдача — свойство материала отдавать воду при изменении условий в окружающей среде; определяется количеством воды (в процентах массы или объема стандартного образца материала), теряемым в сутки при относительной влажности воздуха 60%, и температуре 20 °С.

Теплопроводность — способность материала пропускать через себя тепло при наличии разности температур между внутренней и внешней его поверхностями. Теплопроводность (коэффициент теплопроводности) измеряется в ккал/(ч-м-°С). Теплопроводность зависит от пористости и вида пор, от разности температур внутренней и внешней поверхностей, от структуры материала и других факторов. Теплопроводность вещества уменьшается при увеличении пористости (особенно при закрытых порах), так как в теле вещества образуются замкнутые полости воздуха, являющиеся хорошим теплоизолятором. Открытые поры улучшают теплотехнические свойства материала только в том* случае, когда в нем отсутствует вода (вода обладает в 25 раз большей теплопроводностью, чем воздух). Теплопроводность увеличивается при росте разности температур. Технико-экономическая целесообразность использования материала определяется его теплопроводностью. Например, чем больше теплопроводность, тем большей толщины приходится проектировать ограждающие конструкции отапливаемых зданий, а это приводит к повышению стоимости их строительства. Морозостойкость — способность строительных материалов сопротивляться разрушающему воздействию попеременного замораживания и оттаивания — зависит от объема открытых пор материала или его влагоемко-сти, а также от теплопроводности. При увеличении перечисленных показателей соответственно уменьшается морозостойкость материала, а следовательно, сокращается область его применения в строительной промышленности.

Важнейшим физическим свойством материала является его теплоемкость — способность поглощать определенное количество тепла при нагревании. Теплоемкость (коэффициент теплоемкости) измеряется в ккал/кг-°С. Теплоемкостью определяется теплоустойчивость строительных изделий, применяемых для стен и перекрытий зданий и сооружений. По теплоемкости рассчитывается подогрев материалов при производстве строительных работ в зимнее время. Под теплоустойчивостью материала понимают его способность сохранять на внутренней поверхности постоянную температуру, несмотря на изменение теплового потока вследствие неравномерного отопления. При проектировании стеновых панелей и перекрытий отапливаемых зданий следует применять материалы с низкой теплопроводностью и высокой теплоемкостью.

Огнестойкость строительных материалов и конструкций— это отношение их к воздействию высоких положительных температур окружающей среды. По огнестойкости материалы делят на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Материалы первой группы под воздействием огня не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются, второй — с трудом воспламеняются, тлеют, обугливаются и продолжают гореть или тлеть только при наличии источника огня; после его удаления горение и тление прекращаются. Материалы третьей группы воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня. Огнестойкость — свойство строительных конструкций сопротивляться действию высоких температур, сохраняя свои основные качества. Предел огнестойкости, выражаемый в часах, устанавливают стандартными испытаниями конструкций. Огнеупорность — способность материала не разрушаться при длительном воздействии на него высоких температур. Огнеупорные материалы применяют при устройстве различных отопительных установок (печей, труб, при обмуровке котлов и пр.).

Механические свойства строительных материалов определяют способность материалов сопротивляться разрушающему воздействию различных механических сил (сжатию, растяжению, истиранию). Прочность определяет способность материалов сопротивляться разрушающему воздействию внутренних напряжений (сжатия, растяжения, изгибов), возникающих в результате воздействия внешних сил. Напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца материала, называется пределом прочности. Предел прочности определяют по максимальному напряжению в материале, которое вызывает в нем разрушающая внешняя нагрузка. Этот показатель (в кгс/см2) является условной величиной, так как зависит от многих факторов, главными из которых являются форма, размер образцов и влажность, скорость приложения нагрузки. Поэтому для каждого вида строительных материалов этот показатель определяется ГОСТом. Строительные изделия рассчитываются по нормативным нагрузкам, которые являются частью предела прочности. Это обусловлено тем, что структура большинства материалов неоднородна, а поэтому разрушение происходит по наиболее слабым местам раньше, чем напряжение в материале достигнет средней величины предела прочности. Кроме того, значительное количество материалов под действием атмосферных разрушающих факторов и нагрузок подвергается старению, т. е. их качества резко снижаются.

Предел прочности является важнейшим показателем механических свойств материалов, так как он позволяет определить коэффициент конструктивного качества, т. е. отношение расчетного напряжения к объемной массе. Ограждающие конструкции с высоким коэффициентом конструктивного качества отличаются повышенной прочностью и малой объемной массой, что дает возможность проектировать стены небольшой толщины, сохраняя при этом необходимый тепловой режим внутри зданий.

Истираемость характеризует способность материалов под действием истирающих усилий уменьшать объемную массу (этот показатель особенно важен для полов, дорожных покрытий). Критерием служит степень истираемости материалов — уменьшение объемной массы в%, отнесенное к 1 м2 поверхности покрытия (при испытании на специальном приборе). Измеряется истираемость в г/см2. Сопротивление ударным нагрузкам — свойство материалов сопротивляться разрушающему воздействию динамических усилий (показатель, важный для материалов, из которых изготовляют конструкции, работающие на ударную нагрузку). Критерием является суммарная работа, потребная на разрушение образца, отнесенная к объемной массе материала.

Упругость — способность материала под действием внешних нагрузок принимать новую форму и восстанавливать старую после удаления нагрузок. При малых нагрузках может произойти полное восстановление, при больших — частичное. В последнем случае говорят об остаточных деформациях, т. е. о частичной потере старой формы. Пределом упругости называют такое напряжение, при котором остаточные деформации достигают заданной величины, установленной техническими условиями на данный материал под воздействием внешних нагрузок Пластичностью называют свойство материала изменять форму без появления трещин и сохранять ее после удаления груза. Хрупкость — способность материала быстро разрушаться под воздействием динамических сил (явление, обратное упругости). К пластичным материалам относят битумы, резиноподобные вещества, к хрупким — стекло, природные каменные материалы, бетон и др. Хрупкие строительные материалы хорошо сопротивляются только сжимающим усилиям и плохо — растягивающим, изгибающим и ударным нагрузкам.

Химическая стойкость — свойство материала сопротивляться разрушающему воздействию кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов.

Ваш отзыв