Тема 1. Основные свойства строительных материалов

Оглавление

Предисловие                                                                                                                                           3

Тема 1. Основные свойства строительных материалов                                                               4

1.1. Общие положения                                                                                                                     4

1.2. Классификация основных свойств                                                                                       6

1.3. Физические свойства                                                                                                             6

1.4. Теплофизические свойства                                                                                                   9

1.5. Механические свойства материалов                                                                                   11

1.6. Деформативные свойства                                                                                                     15

1.7. Физико – химические свойства материалов                                                                       17

1.8. Технологические свойства                                                                                                   17

1.9.Эксплуатационные свойства                                                                                                 18

Тема 2. Природные каменные материалы                                                                                      20

    2.1. Магматические породы                                                                                                        20

    2.2. Осадочные горные породы                                                                                                  23

    2.3. Метаморфические породы                                                                                                   25

    2.4. Материалы и изделия из природного камня                                                                      26

    2.5. Меры защиты каменных материалов                                                                                  28

Тема 3 Керамические материалы и изделия                                                                                  29

3.1. Сырьевые материалы                                                                                                           29

3.2. Свойства глин как сырья для керамических изделий                                                       30

3.3. Общая схема производства керамических изделий                                                          31

    3.4. Свойства керамических изделий                                                                                         33

    3.5. Стеновые керамические изделия                                                                                         33

    3.6. Облицовочные материалы и изделия                                                                                  35

    3.7. Керамические изделия различного назначения                                                                 36

    3.8. Санитарно-техническая керамика                                                                                       36

    3.9. Теплоизоляционные керамические материалы                                                                  36

    3.10. Огнеупорные изделия                                                                                                         37

Тема 4. Стекло, материалы на его основе. Ситаллы                                                                     39

     4.1. Свойства стекла                                                                                                                        39

4.2. Сырьё для производства стекла и основные оксиды, содержащиеся в нём.                 39

4.3. Общая схема получения стекла                                                                                          39

4.4. Разновидности стекла и стеклянных изделий, применяемых в строительстве             40

4.5. Материалы и изделия из шлаковых расплавов                                                                     41

4.6. Ситаллы и шлакоситаллы                                                                                                    41

4.7. Материалы и изделия из каменного литья                                                                         42

Тема 5. Металлы                                                                                                                                   43

 5.1. Классификация металлов                                                                                                     43

    5.2. Строение металлов                                                                                                                43

    5.3. Свойства металлов                                                                                                                44

    5.4. Чугуны                                                                                                                                   46

    5.5. Сталь                                                                                                                                      47

    5.6. Влияние нормальных примесей на механические свойства стали                                  48

    5.7. Классификация сталей                                                                                                         49

    5.8. Состав и свойства железоуглеродистых сплавов                                                              50

    5.9. Упрочение стали                                                                                                                   51

    5.10. Применение углеродистых сталей                                                                                    52

    5.11. Легированные стали                                                                                                           53

    5.12. Цветные металлы и сплавы                                                                                               54

    5.13. Коррозия металлов                                                                                                             55

    5.14. Производство металлических изделий                                                                            56

 

       5.15. Сварка металлов                                                                                                              57

       5.16. Газовая резка металлов                                                                                                   58

Тема 6. Древесина                                                                                                                                60

 6.1. Строение древесины                                                                                                         60

 6.2. Свойства древесины                                                                                                          61

       6.3. Защита древесины от гниения, поражения насекомыми и возгорания                        64

 6.4. Основные древесные породы                                                                                           66

6.5. Лесоматериалы и изделия из древесины                                                                         67

Тема 7. Полимерные материалы и изделия                                                                                    69

       7.1. Пластмассы. Составляющие пластмасс                                                                           69

       7.2. Общая характеристика полимеров                                                                                   69

       7.З. Способы изготовления полимерных изделий                                                                 70

       7.4. Основные свойства пластмасс                                                                                          71

       7.5. Виды строительных материалов и изделий из пластмасс                                             72

Тема 8. Органические вяжущие                                                                                                       78

       8.1. Битумы                                                                                                                                78

       8.2. Нефтяные битумы                                                                                                              78

       8.3. Дёгти                                                                                                                                     81

       8.4. Смешанные вяжущие на основе битумов и дёгтей                                                        81

       8.5. Асфальтовые и дегтевые бетоны и растворы                                                                  81

       8.6. Герметизирующие материалы                                                                                          83

       8.7. Гидроизоляционные и кровельные материалы                                                               84

Тема 9. Лакокрасочные материалы                                                                                                90

       9.1. Связующие                                                                                                                         90

       9.2. Пигменты                                                                                                                            91

       9.3. Вспомогательные материалы                                                                                           92

       9.4. Красочные составы                                                                                                            92

Литература                                                                                                                                             94

 

Предисловие.

Первая часть краткого курса лекций по дисциплине "Строительные материалы" предназначена для студентов всех строительных специальностей дневного и заочного обучения.

         Издание данного методического пособия связано с изменением учебной программы и сокращением часов лекционного курса, с необходимостью вынесения части лекционного материала на самостоятельное изучение студентам, а так же с необходимостью обеспечения литературой студентов-заочников, проживающих за пределами Тюмени

Методическое пособие включает следующие разделы:

- основные свойства строительных материалов,

- природные каменные материалы,

- керамические материалы и изделия,

- стекло и материалы на его основе,

- металлы,

- древесина,                                        

- полимерные материалы и изделия,

- органические вяжущие и изделия на их основе.

Во всех разделах лекционного курса представлены в основном классические основы материаловедческого характера, классификация материалов, сырье для их производства, приведены основы технологии получения строительных материалов и изделий, виды изделий, их свойства и область применения.

Для облегчения проработки материала к каждой теме составлены контрольные вопросы.

Настоящий курс лекций рекомендуется студентам для самостоятельной работы при подготовке к коллоквиумам, зачётам и экзаменам в качестве методического пособия.

 

 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

           

       Строительство потребляет огромное количество различных материалов и изделий. Затраты на материалы в сметной стоимости строительно-монтажных работ составляют более 50%. Снижение себестоимости, улучшение качества строительных материалов, бережное отношение к ним при перевозках и хранении, а также экономически и технически обоснованное, экономное их расходование служат повышению эффективности строительства.

       Качество, долговечность, стоимость сооружений, а также сроки строительства в большей мере зависят от правильного выбора и применения материалов.

       Строительные материалы насчитывают сотни видов, поэтому для удобства изучения и использования их классифицируют, т.е. делят на отдельные группы

1. По происхождению:

- природные (древесина, глина, песок и т.д.)

       - искусственные (минеральные вяжущие, бетоны, стекло, керамика, полимеры)

2. По виду сырья (химическому составу):

- минеральные (природные каменные, минеральные вяжущие, стекло, металлы, бетоны на минеральных вяжущих, керамика и т.д.)

- органические (полимеры, битумы, древесные материалы, и др)

3. По назначению и условиям работы:

- конструкционные, применяемые для несущих конструкций, для устройства фундаментов, каркасов зданий, стен, перекрытий (бетон, железобетон, керамические материалы, стекло, металлы, древесные материалы и др.)

- специального назначения, используемые для защиты конструкций от вредных воздействий среды или повышения эксплуатационных свойств и создания комфортных условий для жизни и работы человека:

а) теплоизоляционные; б) акустические; в) гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие; г) отделочные; д) антикоррозионные; е) огнеупорные; ж) материалы для защиты от радиационных воздействий.

4.    По физико-механическим свойствам (по показателю основного свойства) делят на марки и классы:

- по пределу прочности при сжатии R (МПа): 0,4; 0,7; 1,0; 1,5; 2,5; 3,5; … 100 (для материалов и изделий, из которых изготовляют несущие конструкции);

- по плотности r₀ (кг/м³): 10; 15; 25;... 600 (для теплоизоляционных материалов);

- по морозостойкости: F10; F25 и т.д. (для ряда материалов) по количеству циклов, которые должен выдержать материал без допустимых признаков разрушения;

- по наличию внешних дефектов или примесей материалы из древесины, отделочные материалы, известь воздушная и др. делят на сорта.

5.    По технологии производства (сырье, технологические приемы, обеспечивающие получение материала с заданными свойствами):

а) естественные каменные; б) вяжущие (минеральные и органические); в) бетоны;

г) металлы; д) стекло, плавленые материалы; е) керамические материалы; ж) древесные материалы; з) битумы и дегти; и) полимерные материалы; к) железобетон и др.

       Строительные материалы обладают комплексом разнообразных свойств, определяющих область их рационального применения.

       Свойства материала зависят от его состава, строения (структуры) и состояния.

       Любой строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом.

       Химический состав неорганических материалов выражается количеством содержащихся в них оксидов, %, например, химический состав извести-кипелки – СаО; известняка СаСО₃ (СаО – 56%, СО₂ – 42,3%, др. оксиды – 1,7%).

       Химический состав органических материалов выражается количеством содержащихся в нем элементов. Химический состав позволяет судить о ряде свойств материала – прочности, огнестойкости, биостойкости.

       Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в данном материале. Основные и кислотные оксиды химически связанные между собой образуют минералы, которые характеризуют многие свойства материала, например, в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (ЗсаО х SiO₂) составляет 45 – 60%, причем при большем содержании этого минерала ускоряется процесс твердения и повышается прочность.

       Фазовый состав и фазовые переходы воды, находящейся в порах оказывают большое влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. При характеристике фазового состава выделяют: твердые вещества, образующие стенки пор, т.е. каркас и поры, заполненные воздухом или водой. Изменение содержания воды и ее состояние (лед, пар) меняют свойства материала.

       Структуру строительного материала изучают на трех уровнях:

Макроструктура – строение материала, видимое невооруженным глазом;

Микроструктура – строение материала, видимое под микроскопом;

Внутренниестроение вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования – электронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный анализ и др.).

       В зависимости от формы и размера частиц и их строения макроструктура твердых строительных материалов может быть зернистой (рыхлозернистой или конгломератной), ячеистой, мелкопористой, волокнистой, слоистой.

       Рыхлозернистые материалы состоят из отдельных не связанных зерен (песок, гравий, порошкообразные материалы для мастичной теплоизоляции и засыпок и др).

       Конгломератное строение, когда зерна прочно соединены между собой, характерно для различных видов бетона, некоторых видов природных материалов, керамики и др.).

       Ячеистая и мелкозернистая структуры характеризуются наличием макро- и микропор. Ячеистая присуща газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам и др. Мелкопористая – некоторым керамическим материалам поризованным введением выгорающих добавок.

       Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различной прочностью и теплопроводностью вдоль и поперек волокон (слоев). Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами – анизотропными. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты, стеклопластикам, а слоистая – рулонным, листовым, плитным материалам со слоистым наполнителем (бумажно-слоистые пластики, текстолит, фанера и др.).

       Внутренняя структура определяется по взаимному расположению атомов и молекул и может быть кристаллической или аморфной. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ сказывается на их свойствах. Все вещества с кристаллической решеткой имеют правильную форму кристаллов, определенную температуру плавления при постоянном давлении и определенную геометрическую форму кристаллов каждой его модификации.

       Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава (например, аморфные формы кремнезема – пемзы, туфы, трепелы, диатомиты и кристаллический кварц).

       Прочность аморфных веществ ниже кристаллических, поэтому для получения высокопрочных материалов специально проводят кристаллизацию, например, стекол при получении ситаллов и шлакоситаллов.

       Различия в свойствах могут наблюдаться у кристаллических материалов одного состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификациями (явление полиморфизма). Полиморфные превращения кварца при его нагревании до высоких температур сопровождаются изменением объема; термическая обработка металла (закалка или отпуск) сопровождается изменением их кристаллической структуры.

       Свойство – характеристика материала (изделия), проявляющееся в процессе его переработки, применения или эксплуатации. Например, пластичность стали позволяет получать из нее изделия путем прокатки, вытяжки, ковки, а хрупкость чугуна определяет возможность его переработки только литьем. При этом сталь хорошо работает на растяжение, а чугун на сжатие.

       Простое свойство – свойство материала, которое нельзя подразделить на другие. Например, «масса материала» или «плотность материала».

       Сложное свойство – такое свойство материала, которое может быть подразделено на два или более простых свойств. Например «износ материала», который объединяет стойкость материала к истиранию и удару.

       Качество материала – сложное свойство, совокупность всех физических, механических и физико-химических свойств материала, определяющих его способность удовлетворять определенным требованиям в соответствии с его назначением и условиями эксплуатации. Например, стальные 24 м фермы, установленные в цехе ткацкой фабрики и в прокатном цехе металлургического завода будут резко отличаться, по марке стали, а значит и по качеству, т.к. в последнем случае необходима жаропрочная сталь, тогда как на ткацкой фабрике это свойство несущей фермы просто не нужно.

 

Физические свойства

       Истинная плотность r₀ (г/см³) – масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (без пор и пустот) определяются по формуле:

                                                                      r = m / Vа                                                               (1.1.)

где: m – масса материала, г;

Vа – объем материала в абсолютно плотном состоянии (без пор и пустот), см³.

                                                                     Va = V – Vn                                                           (1.2.)

       V – объем материала в естественном состоянии, см³

       Vn – объем пор в материале, см³.

 

       Средняя плотность r (г/см³) – масса единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами и пустотами), определяется по формуле:

                                                             r ₀ = m₀/V                                                                         (1.3.)

где: m₀ – масса материала, г;

       V – объем материала в естественном состоянии, см³;

 

       Насыпная плотность r (кг/м³) – масса единицы объема материала, состоящего из зерен различного диаметра, находящихся в рыхлом состоянии (в насыпной объем включены межзерновые пустоты):

                                                             r_н = m_н/V_н                                                                                                         (1.4.)

где: m_н – насыпная масса, кг;

       V_н – насыпной объем, равный объему сосуда, м³;

       r_н – насыпная плотность, кг/м³.

Насыпную плотность определяют как в рыхлонасыпном состоянии, так и в уплотненном.

 

Относительная плотность d – безмерная величина, равная отношению средней плотности материала r₀ к плотности воды r_в при 4⁰С равной – 1 г/см³.

                                                                 d =                                                                              (1.5.)

где: d – относительная плотность;

       r₀ – средняя плотность материала, г/см³;

       r_в – плотность воды при 4⁰С, г/см³.

       Относительная плотность учитывается в некоторых эмпирических формулах (формула В.П. Некрасова для расчета теплопроводности, выражение для вычисления коэффициента конструктивного качества и др.).

       Общая пористость или пористость материала П₀ – степень (доля) заполнения объема материала порами:

                                     П₀ =  , доли                        (1.6.)

  где: П_о – общая пористость;

                                                           = (1- r_о/r) х 100%                                                        (1.7.)

 

V – объем материала в естественном состоянии, см³;

V_a – объем материала в абсолютно плотном состоянии, см³;

V_п – объем пор, заключенных в материале, см³;

r - истинная плотность материала, г/см³;

r_о – средняя плотность, г/см³.

       Пустотность П_у – доля межзерновых пустот в насыпном объеме материала:

 

                                 П_у = , доли                            (1.8.)

где: П_у – пустотность, доли или %;

 

                                                           ;                                                 (1.9.)

V_н – насыпной объем материала, см³;

V – объем материала, см³;

V_пуст – объем пустот в насыпном объеме материала, см³.

       Пустотность используют при определении расхода щебня (гравия) в бетонах.

Морозостойкость – свойство материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. Разрушение материала при таких циклических воздействиях связано с появлением в нем напряжений, вызванных как односторонним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и всесторонним давлением воды, вызванным увеличением объема при образовании льда примерно на 9 % /плотность воды равна 1, а льда – 0,917/. При этом давление на стенки пор может достигать при некоторых условиях сотен МПа. Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров пористого материала вдой разрушение может наступить даже при однократном замораживании.

Материал считают выдержившим испытание, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания

                                                       К_мрз=R_мрз/R_о≥0,85                                                    (1.10.)

где К_мрз – коэффициент морозостойкости,

   R_мрз, R_о – соответственно предел прочности после и до замораживания, МПа.

       Водопоглощение – свойство материала впитывать и удерживать воду. Водопоглощение пористых материалов (кирпича, бетона, древесины и др.) определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде с температурой 20 + 2⁰С и количественно оценивают как отношение массы поглощенной воды к массе сухого материала В_м, % или к объему сухого материала В_V, %

 

                                                      ,                                          (1.11.)

                                                           ,                                      (1.12.)

где В_v – водопоглощение по объему; В_м – водопоглощение по массе, %;

  m_с, m_в – соответственно масса сухого и водонасыщенного материала, г;

  V – объем воздушно-сухого материала, см³;

  r - плотность воды (1 г/см³).

Соотношение между объемным и массовым водопоглощением:

                                       d; B_v = d х В_м                                (1.13.)

           Водопоглощение по объему (объемное водопоглощение) численно равно открытой пористости: |В_v| = |П_от| Вычислив водопоглощение по объему можно определить закрытую пористость:

                                                          П_зак = П_о – П_от = П_о – В _v                                                        (1.14.)

           Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения. Они увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость и коррозионную стойкость. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создается открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии. Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но по объему оно никогда не может превышать пористость.

       Для оценки структуры материала используют коэффициент насыщения пор водой К_н, равный отношению водопоглощения по объему к пористости

                                                                                                                               (1.15.)

       Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнуты) до 1 (все поры открыты). Чем ниже К_н, тем выше доля закрытых (замкнутых) пор, тем выше водостойкость материала.

       Коэффициент размягчения (К_р) – отношение прочности при сжатии материала, насыщенного водой R_в к прочности при сжатии сухого материала R_с

                                                                                                         ,                                                             (1.16.)

где Rв и R_c – предел прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образца, МПа

       Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 до 1. Материалы, у которых R_р › 0,8 относятся к водостойким.

       Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением, она характеризуется коэффициентом фильтрации К_ф.

       К_ф – количество воды в м³, прошедшее в течение 1 часа через 1м² площади испытуемого материала при постоянном заданном давлении 1Н на 1м²

                                                                                                                  (1.17.)

где, К_ф = V_В – количество воды, прошедший через материал, м³;

  F – площадь = 1м²;

  а – толщина = 1м;

  t – время = 1 ч; (р₁-р₂) – разность гидростатического давления на границах = 1м вод. Ст = 1 Н

       Водонепроницаемость – способность материала не пропускать через себя воду. Водонепроницаемость материала определяется на специальных приборах и численно характеризуется количеством воды, прошедшим за единицу времени через единицу площади испытуемого образца определенной толщины при постоянном заданном давлении.

       Влажностные деформации – свойства некоторых материалов (древесина, бетон, глины и др.) изменять свой объем и размеры при изменении влажности.

 

Таблица 1.2.

Образец	Эскиз	Расчетная формула	Материал	Размер стандартного образца, см
Куб     Цилиндр   Призма     Составной образец   Половина образца-призмы, изготовленной из цементно-песчаного раствора, гипса. Проба щебня (гравия) в цилиндре.	а а                    а                             b                           b                     а                  а      h               а      b              а               6,25   а	R = P/a^2   R = P/(πd^2)     Rпр = Р/a^2   R = Р/А   R = Р/А   Др=	Бетон Раствор Природный камень     Бетон Природный камень     Бетон   Древесина   Кирпич Гипс     Цемент Гипс   Крупный заполнитель для бетона	15х15х15х 7,07х0,07х7,07 5х5х5 10х10х10 15х15х15 20х20х20     d=15; h=30 d=h=5 7, 10, 15.     а=10; 15; 20; h=40; 60; 80; а=2; h=3   а=12; b=12,3; h=14     а=10, А=25см^2     d=15 h=15