Основы строительного материаловедения

УХТА 2011

УДК 691 (075.8)

П16

 

Пантилеенко, В. Н.

Строительные материалы [Текст]: учеб. пособие / В. Н. Пантилеенко, Л. А. Ерохина. – Ухта: УГТУ, 2011. – 108 с.

 

ISBN

 

В учебном пособии изложен лекционный курс в объёме рабочей программы для бакалавров. Изучение его даёт представление студентам о возможности использования и создания строительных материалов из имеющегося сырья. Изучая главы, студенты постепенно, в соответствии с компетенциями будут знать взаимосвязь состава, строения и свойств материалов, иметь представление о способах контроля качества материалов и их функциональное назначение. Научатся критически оценивать достоинства и недостатки каждого материала, методы защиты их от агрессивных воздействий, владеть методикой расчёта состава композиционных материалов, сделать стандартные испытания.

Освоив теоретический курс и лабораторные испытания материалов, придёт осознание социальной значимости выбранной профессии, мотивация профессиональной деятельности.

 

Учебное пособие рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Ухтинского государственного технического университета.

 

Рецензенты: С. В. Курилин директор ООО «Компания Гражданское строительство»; А. Т. Мяндин директор ООО «Высотное строительство» к.т.н., доцент.

 

© Ухтинский государственный технический университет, 2011

© Пантилеенко В. Н., Ерохина Л. А., 2011

 

ISBN

Оглавление

Вводная часть…………………………………………………………..….5

1. Основы строительного материаловедения………………………………..….6

1.1Физические свойства……………………………………..……………8

1.1 Механические свойства………………………………..…………....13

2. Происхождение сырья и его классификация…………………………….….15

2.1 Отходы промышленной продукции……………………………..…18

3. Строительные материалы, полученные термической обработкой………...19

3.1 Керамические материалы…………………………………………...19

3.2 Стекло…………………………………………………………….......22

3.3 Металлы……………………………………………………………...26

4. Неорганические вяжущие материалы………………………………..............31

4.1 Воздушные вяжущие вещества…………………………………….32

4.2 Гидравлические вяжущие вещества…………………………….....40

4.3 Цементные растворы……………………………………………….40

4.4 Цементные бетоны……………………………………………...…...42

5. Строительные материалы на основе органического сырья………….……..52

5.1 Древесные материалы……………………………………………….52

5.2 Битумы……………………………………………………………….58

5.3 Дёготь………………………………………………………….….....61

5.4 Полимеры……………………………………………………..….….62

5.5 Пластмассы………………………………………………….….…....65

6. Строительные материалы специального функционального назначения.....69

6.1 Гидроизоляционные материалы…………………………………....69

6.2 Теплоизоляционные материалы……………………………….…...74

6.3 Акустические материалы…………………………………………...82

6.4 Кислотостойкие материалы……………………………………..….84

6.5 Жароупорные материалы………………………………………..….84

6.6 Радиационностойкие материалы………………………………..….85

6.7 Отделочные материалы…………………………………………..…85

7. Строительные материалы в конструкциях зданий и сооружений…………89

7.1 Алюминиевые изделия……………………………………………....89

7.2 Стальные конструкции…………………………………………..….90

7.3 Железобетонные конструкции…………………………………...…93

7.4 Деревянные конструкции……………………………………..….…96

7.5 Полимерные конструкции……………………………………...…...98

Библиографический список………………………………………………..101

Вводная часть

Строительные материалы – основа строительства. Без строительных материалов невозможно ничего построить. На сооружение одного пятиэтажного жилого дома на каждый квадратный метр площади затрачивают около 3 тонн строительных материалов: кирпича, цемента, извести, древесины, стекла, труб, гвоздей, красок и других материалов.

Расходы на строительные материалы составляют около 50% от стоимости всего строительства (без стоимости оборудования). Вот почему строительные материалы являются главнейшей отраслью строительной индустрии.

Чтобы повсеместно делать строительные материалы, нужно много доступного сырья на месте, возить их по стране будет ещё дороже. Что надо для их изготовления?

В первую очередь – это минеральные ресурсы, расположенные в верхних слоях Земли. Их классифицируют по группам:

1 – глины и глинистые породы;

2 – карбонатные породы (известняки, доломиты, мел, мергели и их смеси);

3 – изверженные породы (граниты, базальты, диориты и др. минералы);

4 – пески (кварцевые и полиминеральные);

5 – гипс (гипсовый камень, селениты, алебастр, фосфогипс, и др.);

6 – кремнистые породы органогенного происхождения (трепелы, опоки, диатомиты);

7 – вулканические пористые породы (туфы, пемзы, пеплы и др.);

8 – вулканические стекла, перлиты;

9 – глиноземсодержащие породы (полевой шпат, бокситы, нефелины);

10 – асбест;

11 – тальк;

12 – прочие породы (шунгиты, вермикулиты, флюориты и др.);

13 – оксиды металлов (сырьё для выплавки чугуна, стали, меди, алюминия и др.).

Кроме этого для производства строительных материалов используют отходы промышленности и сельского хозяйства: шлаки, золы, древесные отходы, а также органические материалы: древесину и углеводороды – продукты переработки нефти, газа и каменного угля.

Все строительные материалы: кирпич, цемент, гипс, железобетонные, металлические, кровельные, гидроизоляционные, теплоизоляционные и декоративные материалы производят из этого сырья с помощью специальных технологических приёмов, в основе которых обязательное измельчение, сепарация, термообработка, тонкий помол для придания дополнительной энергии. Технология получения и характеристика строительных материалов и являются целью изучения этого предмета.

По способу использования в строительстве все материалы разделяют на две группы:

1) материалы для несущих конструкций (выдерживающие силовые нагрузки) – это природный камень, искусственный камень (кирпич, бетон, ситаллы), конструкционные пластики, древесина, металлы;

2) материалы специального назначения – это теплоизоляционные, гидроизоляционные, отделочные, антикоррозионные, герметизирующие, кровельные и др.

Материалы можно не только выбирать для строительства, но и заказывать, создавать новые композиции с заданными свойствами – композиционные материалы. Композиционными называют материалы, созданные из двух или более компонентов, с целью получения заданных свойств. Один компонент объединяет все составляющие, распределяет напряжения – матрица, другой – обеспечивает сопротивление напряжению, наполняет объём – наполнитель или армирующий компонент (например, бетон или пластмасса составлены из матрицы – растворной части в бетоне или полимера в пластмассе и наполняющего материала или армирующего их – щебня или волокна и др.).

Чтобы материалы монолитно работали и обеспечивали заданные свойства, надо знать требования к ним, уметь определять их свойства в соответствии с принятыми стандартами. Требования, предъявляемые к качеству материалов, определяются их назначением, областью применения, режимом эксплуатации. Материалы, используемые для строительства, должны быть совместимыми, безвредными и надёжными. Важнейшими свойствами для них являются физические, механические и стойкость к воздействиям внешней среды. Эти свойства определяют для каждого материала прежде, чем выбрать его при планировании состава материала или проектировании здания.

 

 

УХТА 2011

УДК 691 (075.8)

П16

 

Пантилеенко, В. Н.

Строительные материалы [Текст]: учеб. пособие / В. Н. Пантилеенко, Л. А. Ерохина. – Ухта: УГТУ, 2011. – 108 с.

 

ISBN

 

В учебном пособии изложен лекционный курс в объёме рабочей программы для бакалавров. Изучение его даёт представление студентам о возможности использования и создания строительных материалов из имеющегося сырья. Изучая главы, студенты постепенно, в соответствии с компетенциями будут знать взаимосвязь состава, строения и свойств материалов, иметь представление о способах контроля качества материалов и их функциональное назначение. Научатся критически оценивать достоинства и недостатки каждого материала, методы защиты их от агрессивных воздействий, владеть методикой расчёта состава композиционных материалов, сделать стандартные испытания.

Освоив теоретический курс и лабораторные испытания материалов, придёт осознание социальной значимости выбранной профессии, мотивация профессиональной деятельности.

 

Учебное пособие рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Ухтинского государственного технического университета.

 

Рецензенты: С. В. Курилин директор ООО «Компания Гражданское строительство»; А. Т. Мяндин директор ООО «Высотное строительство» к.т.н., доцент.

 

© Ухтинский государственный технический университет, 2011

© Пантилеенко В. Н., Ерохина Л. А., 2011

 

ISBN

Оглавление

Вводная часть…………………………………………………………..….5

1. Основы строительного материаловедения………………………………..….6

1.1Физические свойства……………………………………..……………8

1.1 Механические свойства………………………………..…………....13

2. Происхождение сырья и его классификация…………………………….….15

2.1 Отходы промышленной продукции……………………………..…18

3. Строительные материалы, полученные термической обработкой………...19

3.1 Керамические материалы…………………………………………...19

3.2 Стекло…………………………………………………………….......22

3.3 Металлы……………………………………………………………...26

4. Неорганические вяжущие материалы………………………………..............31

4.1 Воздушные вяжущие вещества…………………………………….32

4.2 Гидравлические вяжущие вещества…………………………….....40

4.3 Цементные растворы……………………………………………….40

4.4 Цементные бетоны……………………………………………...…...42

5. Строительные материалы на основе органического сырья………….……..52

5.1 Древесные материалы……………………………………………….52

5.2 Битумы……………………………………………………………….58

5.3 Дёготь………………………………………………………….….....61

5.4 Полимеры……………………………………………………..….….62

5.5 Пластмассы………………………………………………….….…....65

6. Строительные материалы специального функционального назначения.....69

6.1 Гидроизоляционные материалы…………………………………....69

6.2 Теплоизоляционные материалы……………………………….…...74

6.3 Акустические материалы…………………………………………...82

6.4 Кислотостойкие материалы……………………………………..….84

6.5 Жароупорные материалы………………………………………..….84

6.6 Радиационностойкие материалы………………………………..….85

6.7 Отделочные материалы…………………………………………..…85

7. Строительные материалы в конструкциях зданий и сооружений…………89

7.1 Алюминиевые изделия……………………………………………....89

7.2 Стальные конструкции…………………………………………..….90

7.3 Железобетонные конструкции…………………………………...…93

7.4 Деревянные конструкции……………………………………..….…96

7.5 Полимерные конструкции……………………………………...…...98

Библиографический список………………………………………………..101

Вводная часть

Строительные материалы – основа строительства. Без строительных материалов невозможно ничего построить. На сооружение одного пятиэтажного жилого дома на каждый квадратный метр площади затрачивают около 3 тонн строительных материалов: кирпича, цемента, извести, древесины, стекла, труб, гвоздей, красок и других материалов.

Расходы на строительные материалы составляют около 50% от стоимости всего строительства (без стоимости оборудования). Вот почему строительные материалы являются главнейшей отраслью строительной индустрии.

Чтобы повсеместно делать строительные материалы, нужно много доступного сырья на месте, возить их по стране будет ещё дороже. Что надо для их изготовления?

В первую очередь – это минеральные ресурсы, расположенные в верхних слоях Земли. Их классифицируют по группам:

1 – глины и глинистые породы;

2 – карбонатные породы (известняки, доломиты, мел, мергели и их смеси);

3 – изверженные породы (граниты, базальты, диориты и др. минералы);

4 – пески (кварцевые и полиминеральные);

5 – гипс (гипсовый камень, селениты, алебастр, фосфогипс, и др.);

6 – кремнистые породы органогенного происхождения (трепелы, опоки, диатомиты);

7 – вулканические пористые породы (туфы, пемзы, пеплы и др.);

8 – вулканические стекла, перлиты;

9 – глиноземсодержащие породы (полевой шпат, бокситы, нефелины);

10 – асбест;

11 – тальк;

12 – прочие породы (шунгиты, вермикулиты, флюориты и др.);

13 – оксиды металлов (сырьё для выплавки чугуна, стали, меди, алюминия и др.).

Кроме этого для производства строительных материалов используют отходы промышленности и сельского хозяйства: шлаки, золы, древесные отходы, а также органические материалы: древесину и углеводороды – продукты переработки нефти, газа и каменного угля.

Все строительные материалы: кирпич, цемент, гипс, железобетонные, металлические, кровельные, гидроизоляционные, теплоизоляционные и декоративные материалы производят из этого сырья с помощью специальных технологических приёмов, в основе которых обязательное измельчение, сепарация, термообработка, тонкий помол для придания дополнительной энергии. Технология получения и характеристика строительных материалов и являются целью изучения этого предмета.

По способу использования в строительстве все материалы разделяют на две группы:

1) материалы для несущих конструкций (выдерживающие силовые нагрузки) – это природный камень, искусственный камень (кирпич, бетон, ситаллы), конструкционные пластики, древесина, металлы;

2) материалы специального назначения – это теплоизоляционные, гидроизоляционные, отделочные, антикоррозионные, герметизирующие, кровельные и др.

Материалы можно не только выбирать для строительства, но и заказывать, создавать новые композиции с заданными свойствами – композиционные материалы. Композиционными называют материалы, созданные из двух или более компонентов, с целью получения заданных свойств. Один компонент объединяет все составляющие, распределяет напряжения – матрица, другой – обеспечивает сопротивление напряжению, наполняет объём – наполнитель или армирующий компонент (например, бетон или пластмасса составлены из матрицы – растворной части в бетоне или полимера в пластмассе и наполняющего материала или армирующего их – щебня или волокна и др.).

Чтобы материалы монолитно работали и обеспечивали заданные свойства, надо знать требования к ним, уметь определять их свойства в соответствии с принятыми стандартами. Требования, предъявляемые к качеству материалов, определяются их назначением, областью применения, режимом эксплуатации. Материалы, используемые для строительства, должны быть совместимыми, безвредными и надёжными. Важнейшими свойствами для них являются физические, механические и стойкость к воздействиям внешней среды. Эти свойства определяют для каждого материала прежде, чем выбрать его при планировании состава материала или проектировании здания.

 

 

Основы строительного материаловедения

Чтобы правильно использовать материал, а тем более создавать новый, изучают строение или структуру материала. Сначала изучают макроструктуру – то, что видно невооружённым глазом; затем, после изобретения микроскопа, стали изучать микроструктуру материалов; с помощью рентгеноструктурного анализа изучают внутреннее строение материала на молекулярно-ионном уровне; в последние годы разрабатываются нанотехнологии создания композиционных материалов на молекулярно-атомном уровне.

При изучении макроструктуры мы видим типы структур: конгломератная, ячеистая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая, плотная.

С помощью оптического увеличения уже можно изучать микроструктуру, различить кристаллическую и аморфную структуру. Кристаллическая структура более устойчива, более прочная, имеет определённую форму и температуру плавления. Кристаллы могут располагаться в одном направлении, и тогда этот материал называют анизотропным, т. е. его свойства в разных направлениях не одинаковы. Если кристаллы или волокна в структуре расположены хаотично, т. е. в разных направлениях, такой материал называют изотропным, его механические свойства одинаковы в разных направлениях.

Внутреннее строение вещества, его плотность, отсутствие дефектов в структуре определяют прочность, твёрдость, тугоплавкость материала. А это в свою очередь зависит от формы связи между элементарными частицами: ковалентная связь осуществляется электронной парой в кристаллах и является самой прочной; ионная связь – самая слабая. Вещества с ионной связью имеют невысокую прочность и твёрдость, они даже не водостойки.

При нагревании связи между молекулами могут разрушаться, вещество теряет свою структуру и, в зависимости от скорости охлаждения, приобретает опять кристаллическую или аморфную структуру. Так с помощью режима охлаждения расплава научились управлять структурой материала и его свойствами.

Кроме этого строительные материалы имеют определённый химический, минеральный и фазовый составы.

Химический состав выражают процентным содержанием окислов или отдельных элементов, минеральный состав показывает, в каких соединениях находятся химические элементы, как они связаны, какими свойствами обладают. Фазовый состав материала характеризуется одним из состояний, в котором может находиться вещество: газ, жидкость или твёрдое тело. В зависимости от меняющихся условий вещество может переходить из одного состояния в другое. Так, при повышении температуры жидкость переходит в пар или газообразное состояние, при охлаждении, наоборот, образуется конденсат или жидкость. При плавлении твёрдое вещество переходит в жидкость, при медленном остывании под большим давлением формируется плотная кристаллическая структура, при быстром охлаждении – аморфная или даже пористая структура.

Все твёрдые материалы, которые идут на изготовление строительных материалов, анализируют, перерабатывают по определённой технологии, изготавливают изделия и испытывают по стандартным методикам, с целью определения их физических, механических и деформационных свойств, а также определяют их долговечность и стойкость в окружающей среде.

 

1.1 Физические свойства: плотность, пористость, водопоглощение,

морозостойкость

 

Для строительных материалов это самые важные свойства, характеризующие материал. Зная плотность, можно предполагать, какая будет прочность, теплофизические свойства, морозостойкость.

Определяют плотность как массу единицы объёма, как правило, это масса 1 см³ или 1 м³.

Если взвесить единицу объёма пористого и абсолютно плотного этого же материала, то получим разные массы, и разница будет тем больше, чем больше пор в материале. Поэтому в строительной практике различают плотность истинную, когда материал уложен в абсолютно плотном объёме, поры отсутствуют, между частичками твёрдого тела нет промежутков (г/см³):

 

 

Плотность материала в единице объёма с порами и неплотностями характеризует среднюю плотность или, как её раньше называли, объёмной массой (г/см³):

 

 

Если материал без пор и неплотностей, его средняя плотность равна истинной. Так, у металлов, стекла, плотных пластиков, глубинных каменных пород истинная плотность равна средней. У пористых материалов часть объёма занимают поры, поэтому масса меньше. Объём в естественном состоянии равен объёму твёрдого тела и объёму пор (см³):

 

 

Для сыпучих материалов определяют насыпную плотность, когда единица объёма заполнена зернистыми или порошковыми материалами, в зёрнах которых могут быть поры, а могут и не быть, но всегда есть воздушные прослойки между зёрнами, например, ёмкость с цементом, песком или щебнем. В этом случае между сыпучими зёрнами или частичками остаются неплотности – пустоты и поэтому насыпная плотность всегда меньше средней и тем более истинной плотности.

Она обозначается в тех же единицах – г/см³ или кг/м³:

 

 

Относительная плотность d выражает плотность материала по отношению к плотности воды. Как правило, она соответствует средней плотности:

 

 

Пористость общая материала определяется как отношение объёма пор к объёму материала в естественном состоянии, обозначается в долях единицы или в %:

 

 

Если объём пор не известен, общую пористость определяют по плотности. Для этого необходимо знать истинную и среднюю плотности:

 

 

где отношение плотности истинной к средней есть коэффициент плотности:

Пористость вместе с коэффициентом плотности составляют одно целое, единицу:

 

 

В материале поры могут быть открытые и закрытые, обособленные, куда вода при погружении в неё материала проникнуть не может. Как узнать, есть такие поры или нет?

Легко определить открытую пористость, погрузив материал в воду. И, зная общую пористость, определяют закрытую по разности:

 

.

Открытую пористость определяют по водопоглощению. Она равна водопоглощению по объёму, которое вычисляют по разнице масс влажного и сухого материала:

 

 

Чем больше в материале закрытых пор, тем меньше влаги может удерживать материал при намокании, тем будет выше его морозостойкость и теплоизоляционные свойства.

По открытым сообщающимся капиллярам вода заполняет поровое пространство, снижая теплоизоляцию, морозостойкость и даже прочность.

Водопоглощение обозначают буквой W и определяют как по объёму ( равно ), так и по массе . По массе определяют и влажность материалов в %:

 

Отношение .Водопоглощение по массе может быть и больше пористости, но по объёму не может превышать пористость.

По количеству поглощенной воды вычисляют коэффициент насыщения, равный отношению водопоглощения по объёму к общей пористости материала:

 

 

Открытая пористость специально создаётся, если нужен звукогасящий материал, когда звуковая волна ослабевает в лабиринте капилляров. Для этой цели материалы специально перфорируют, создают открытую пористость. Для теплоизоляции, наоборот, нужны закрытые поры с неподвижным воздухом, так как у воздуха самая низкая теплопроводность.

Чем больше в материале пор или чем тоньше помол материала, тем больше становится его поверхность контакта с воздухом – удельная поверхность (поверхность в см², приходящаяся на 1 г вещества), оказывающая значительное влияние на свойства материала. Чем выше удельная поверхность, тем выше сорбционные свойства материала – способность поглощать влагу из воздуха и при охлаждении образовывать конденсат. Это свойство называют гигроскопичностью, а такие материалы – гигроскопичными.

Сорбция или адсорбция возникает у любого материала в силу ненасыщенности энергией крайних молекул твёрдого тела, но у плотных материалов или крупнопористых с незначительной удельной поверхностью сорбционные способности незначительны. У гигроскопичных материалов, например, у древесины во влажном воздухе влажность может возрасти до 30%, у ячеистых бетонов – до 7-8%, что отразится на теплопроводности (если материалы не будут высыхать).

Чем тоньше капилляры, тем выше по ним может подняться влага и увлажнить конструкцию. Такое явление называют капиллярным всасыванием. Оно опасно для стен, поэтому между фундаментом и стеной всегда кладут гидроизоляционный материал.

Влага в материал может попасть 3 способами: с помощью капиллярного всасывания; с помощью капиллярной фильтрации или водопроницаемости, когда вода давит сверху; с помощью капиллярной конденсации, когда адсорбированная влага в виде пара внутри стены при понижении температуры превращается в воду и может там замёрзнуть.

Насыщаясь влагой и при изменении её в воздухе, высыхая, материал испытывает влажностные деформации, происходит усадка, при насыщении влагой – набухание. Чередование высыхания и увлажнения пористых материалов сопровождается попеременными деформациями, ускоряющими растрескивание и разрушение материала.

Чем больше может материал поглотить влаги, тем больше он имеет усадку, тем больше пострадает его структура при высыхании и при замерзании в насыщенном водой состоянии.

Усадка для некоторых строительных материалов (мм/м):

древесина (поперёк волокон)	30-100;
ячеистый бетон	1-3;
строительный раствор	0,5-1;
кирпич	0,03-0,1;
тяжёлый бетон	0,3-0,7;
гранитный камень	0,02-0,06.

Морозостойкость – способность материала выдерживать попеременное замораживание в насыщенном водой состоянии и оттаивание в воде. Вода при замерзании увеличивается в объёме более чем на 9%, образующиеся кристаллы льда ломают тонкие стенки капилляров, и материал разрушается, отслаивая более насыщенные водой поверхности. Морозостойкость количественно оценивается циклами и обозначается марками: F25, F50, F100, F200, F300 или более, т.е. по тому, сколько циклов замораживания образцы выдержали без потери прочности не более 5% или потери массы не более 3%. Один цикл – это замораживание до полного промерзания образцов и оттаивание их в воде.

Кирпич и пористый бетон имеют небольшую морозостойкость, так как в их структуре мало закрытых пор, много сообщающихся капилляров (большое водонасыщение). А материал, насыщенный водой, имеет низкую морозостойкость.

Насыщенный влагой материал снижает свои теплозащитные свойства. Лучший теплоизолятор в нормальных условиях – это сухой неподвижный воздух, который может находиться в закрытых порах или изолированных ячейках. Все утеплители содержат мелкие закрытые поры. Коэффициент теплопроводности воздуха равен λ = 0,023 Вт/(м°С), тогда как воды – 0,58 Вт/(м°С), льда – 2,3 Вт/(м°С). Поэтому все теплоизоляционные материалы насыщают воздухом, делают ячеистыми или волокнистыми, и их надо защищать от увлажнения.

Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня в течение определённого времени. Это свойство зависит от способности материала воспламеняться и гореть. Строительные материалы по огнестойкости разделены на: несгораемые (кирпич, бетон, сталь, камень), трудносгораемые (асфальтобетон, фибролит, пропитанная антипиренами древесина), сгораемые (древесина, пластики, рубероид). Для некоторых материалов определяют температуростойкость, т. е. температуру, при которой сохраняется работоспособность материала без его деформации. Так, для металлов есть температура текучести, когда начинается размягчение и значительные деформации, – у стали это 600ºС. Конструкция при такой температуре не способна выполнять свои функции. У сплавов алюминия – это 150-200°С.

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) имеет значение при колебаниях температуры для материалов, работающих совместно под нагрузкой. При сезонном или суточном изменении температуры у разных материалов возникают разные деформации. Так, в железобетоне стальная арматура имеет КЛТР 10 · 10^-6 град^-1, такой же коэффициент и у бетона, поэтому они работают синхронно, не отслаиваясь. Если вместо стальной арматуры забетонировать древесину, у которой КЛТР в два раза выше, произойдёт отделение одного материала от другого, конструкция будет слабее, по бетону пойдут трещины. Температурные деформации при суточных колебаниях температуры достигают 0,5-1 мм/м, что особенно нежелательно на линейных многометровых конструкциях, поэтому длинномерные конструкции разрезают температурными или деформационными швами.

При создании новых композиционных материалов этот фактор является одним из условий, обязательных для выполнения. Другим условием является химическая совместимость компонентов: материалы не должны реагировать друг с другом. Так, при армировании цементного бетона стекловолокном, стекло должно быть щелочестойким, тогда стекловолокно будет работать как арматура, а не вступать в химическое взаимодействие с цементным камнем.

 

1.2 Механическиесвойства:пластичность, упругость, прочность,

деформации, твёрдость

 

Свойства материала сопротивляться механическим воздействиям необходимы всем конструкционным материалам. Сопротивление может вызывать деформации (вмятины, изгибы), которые называют пластическими и, если эти деформации после снятия нагрузки не исчезают, их называют необратимыми или остаточными.

Основной характеристикой деформативных свойств строительного материала является модуль упругости, предельные деформации и ползучесть.

Модуль упругости характеризует меру жёсткости материала и определяется с помощью деформации материала при постепенном нагружении его. Чем выше прочность материала, тем выше модуль упругости и меньше относительные деформации. Деформации происходят вследствие сближения под нагрузкой атомов, что ведёт к изменению размера образца.

Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации ℓ к первоначальному линейному размеру ℓ тела:

 

 

Модуль упругости Е (МПа) связывает упругую деформацию и одноосное напряжение (нагрузку) отношением:

 

 

Упругость твёрдого тела – это способность восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Такую деформацию называют обратимой. Предельные деформации, допускаемые при работе конструкции, у каждого материала свои. Для тяжёлого бетона они составляют при сжатии 0,0015-0,003 м/м, при растяжении – в десять раз меньше. Если допускается их развитие больше этой величины, то появляются микротрещины, что в дальнейшем приводит к разрушению.

Прочность – важное свойство для конструкционных материалов. Оно характеризует способность сопротивляться действиям внутренних напряжений, вызванных внешними силами (нагрузкой, ударом, давлением). Чаще всего конструкции работают на сжатие или на растяжение. Все каменные материалы (естественные или искусственные) хорошо сопротивляются сжатию, хуже – растяжению (в соответствии с предельно допустимыми деформациями), поэтому из них делают конструкции, работающие при сжатии. Из материалов более пластичных, таких как: древесина, сталь, пластики делают конструкции, подвергающиеся и сжатию и растяжению.

Напряжение сжатия или растяжения по величине равно силе, действующей на 1 см² площади сечения (F) материала (σ или R_сж) в кг/см² или МПа:

Для определения прочности каменных строительных материалов изготавливают в соответствии со стандартом опытные образцы определённых размеров: кубики (для определения прочности при сжатии бетонов) с длиной ребра 10, 15, и 20 см; естественный камень испытывают на кернах, выбуренных из плотных пород; прочность при изгибе определяют на призмах, изготавливаемых специально для бетона с размером сечения кубиков длиной 40, 60 или 80 см соответственно.

Кирпич является стандартным образцом, поэтому его испытывают сначала на изгиб, затем половинки, сложенные как кубик, испытывают при сжатии. Сжатие сопровождается поперечным расширением материала, в большей степени ближе к середине образца, т. е. дальше от плит пресса. Между плитами пресса и образцом действуют силы трения, препятствующие расширению материала от сжимающих сил. Поэтому испытывают при сжатии кубики, а не призмы, когда область расширения будет больше, значит, прочность при сжатии будет занижена.

Кубики разных размеров при испытании одного материала тоже дают разный результат. Чтобы можно было объективно оценивать прочность на кубиках разных размеров, существуют масштабные коэффициенты, принятые для размера кубика 15×15×15 см равными единице; для кубика 10×10×10 см – 0,95; для кубика 20×20×20 см – 1,05.

Прочность снижается при намокании материалов, у материалов с меньшей плотностью это особенно заметно, поэтому из них не делают конструкций, работающих во влажной среде. Снижение прочности материала после намокания определяют по коэффициенту размягчения, равному отношению прочности влажного к прочности сухого материала:

 

Удельная прочность или коэффициент конструктивного качества оценивается для конструктивных материалов по отношению прочности к плотности материала.

Наиболее эффективными считают материалы с высокой прочностью и низкой плотностью:

 

 

Так, у бетона М 400 удельная прочность:

 

 

у стали:

 

 

Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих слоёв атомов. Чем ближе и плотнее расположены атомы в материале, тем труднее их разделить, тем больше энергии надо потратить для разрушения материала. В условиях производства строительных материалов из разнородных компонентов при разных режимах и технологиях, с имеющимися дефектами в материале на молекулярном уровне, получить материалы теоретической прочности не представляется возможным. С развитием нанотехнологии, когда становится возможным влиять на плотность упаковки мельчайших частиц, коэффициент конструктивного качества материалов возрастёт.