СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Каждый строительный материал обладает комплексом разнообразных свойств1, определяющих область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами. Для того чтобы правильно применять тот или другой материал в строительстве, нужно знать его физико-механические свойства и учитывать условия, в которых он будет работать в строительной конструкции. Ни один материал в сооружении не работает изолированно от окружающей среды. Если материал соприкасается с водой, то подвергается действию воды и содержащихся в ней веществ, если он находится на воздухе — действию воздуха и содержащихся в нем водяных паров и газов, а на открытом воздухе также и действию мороза, дождя, солнца, ветра, резких перемен температуры, влажности и т.п.

Под воздействием окружающей среды материалы в сооружении подвергаются деформациям и находятся в напряженном состоянии.

Свойство — способность материала определенным образом реагировать на отдельный или чаще всего действующий в совокупности с другими внешний или внутренний фактор.

Колебания температуры[1] также приводят к изменению объема материала. Если имеет место неравномерное изменение размеров и объема, то в материале появляются внутренние напряжения, которые могут привести к его разрушению.

Все свойства строительных материалов по совокупности признаков условно подразделяют на:

  • • физические — к ним относятся весовые характеристики материала, его плотность, проницаемость для жидкостей, газов, тепла, радиоактивных излучений, а также способность материала сопротивляться агрессивному действию внешней эксплуатационной среды. Последнее характеризует стойкость материала, обусловливающую в конечном итоге сохранность строительных конструкций;
  • • химические — оцениваются показателями стойкости материала при действии кислот, щелочей, растворов солей, вызывающих обменные реакции в материале и его разрушение;
  • • механические — характеризуются способностью материала сопротивляться сжатию, растяжению, удару, вдавливанию в него постороннего тела и другим видам воздействий на материал с приложением силы;
  • • технологические — определяют способность материала подвергаться обработке при изготовлении из него изделий.

Свойства строительного материала определяются его структурой.

Для получения материала заданных свойств искусственно создается его внутренняя структура, обеспечивающая необходимые технические характеристики. В конечном итоге знание свойств материалов необходимо для наиболее эффективного его использования в конкретных условиях эксплуатации.

Структуру строительного материала изучают на трех уровнях:

  • • макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом;
  • • микроструктура — строение, видимое через микроскоп;
  • • внутреннее строение вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования — электронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный анализ и др.).

Макроструктуру твердых строительных материалов (исключая

горные породы, имеющие свою геологическую классификацию) делят на следующие группы:

  • • конгломератная (рис. 2.5, а) — различного вида бетоны, керамические и другие материалы;
  • • ячеистая (рис. 2.5, б) — ячеистая структура материала отличается наличием макропор, она свойственна газо- и пенобетонам, газо- силикатам и др.;
  • • мелкопористая — характерна, например, для керамических материалов, получаемых в результате выгорания введенных органических веществ;
  • • волокнистая (рис. 2.5, в) — присуща древесине, изделиям из минеральной ваты и другим теплоизоляционным материалам;
  • • слоистая — характерна для листовых, плитных и рулонных материалов;
  • • рыхлозернистая (порошкообразная) —заполнители для бетонов, растворов, различного вида засыпка для тепло- звукоизоляции и т.д.
Макроструктура строительных материалов

Рис. 2.5. Макроструктура строительных материалов: а) конгломератная; б) ячеистая; е) волокнистая

Микроструктура строительных материалов может быть кристаллической и аморфной. Эти формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества (рис. 2.6), например кварц и различные формы кремнезема.

Фотографии среза образцов пеностекла с аморфной (а) и частично окристаллизованной структурой (б)

Рис. 2.6. Фотографии среза образцов пеностекла с аморфной (а) и частично окристаллизованной структурой (б)

Современная индустрия строительных материалов пристальное внимание уделяет композиционным материалам (рис. 2.7). История возникновения искусственных композиционных материалов (КМ) восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно конструировать новые материалы. Уже на ранних стадиях развития цивилизации он использовал для строительства кирпич из глины, в которую замешивалась солома, придававшая повышенную прочность. Использование природных битумов позволило повысить водостойкость природных материалов и изготавливать суда из камыша, пропитанного битумом. Прослеживается аналогия между изготовлением боевых луков у кочевников с использованием нескольких слоев из дерева, рога, шелка, скрепляемых с помощью клея, и современными металло-дерево-тканевыми слоистыми конструкциями, соединяемыми отверждающимися смолами. Одним из наиболее ярких примеров такого рода является материал фиберглас из стеклянных волокон (прочный и гибкий материал, способный выдерживать большие механические нагрузки, из которого делают, например, шесты для прыгунов) [15].

Приведенные примеры позволяют выделить то общее, что объединяет КМ, а именно — эти материалы являются результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых пластичен (связующее, матрица), а другой обладает высокой прочностью и жесткостью (наполнитель, арматура), и при этом композиции имеют свойства, которых не имеют отдельные составляющие. Известны КМ на базе металлов, керамики, стекол, углерода, пластмасс и других материалов. Практически любой современный материал представляет собой композицию, поскольку все материалы редко применяются в чистом виде [16].

Микроструктура различных КМ (сечение поперек армирующих элементов)

Рис. 2.7. Микроструктура различных КМ (сечение поперек армирующих элементов):

а — бамбук; 6 — стеклопластик; в — КМ из меди, армированной вольфрамовой проволокой.

Наука о композиционных материалах зародилась недавно. Первый патент на полимерный КМ был выдан в 1909 году. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными волокнами. Первые полимерные КМ армировали рубленым природным волокном, целлюлозной бумагой, хлопчатобумажными и льняными тканями.

Настоящий бум в материаловедении возник в конце первой половины XX века, когда появились прочные и легкие стеклопластики и из них начали делать планеры, а затем и многое другое. Стеклопластики запатентованы в 1935 году. Это были первые полимерные материалы, в которых как упрочнитель использовались неорганические волокна.

В конце 50-х годов XX века были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон — углеродные, борные. Возникла идея использовать все эти сверхпрочные волокнистые материалы для армирования различных матриц, в первую очередь металлических.

История металлических КМ насчитывает не более 60 лет, но успехи в этой области достигнуты значительные, хотя первые металлические КМ разрабатывались главным образом для решения проблемы улучшения механических характеристик и жаростойкости изделий. Современная авиация, ракетно-космическая техника, судостроение, машиностроение немыслимы без композитов. Чем больше развиваются эти отрасли техники, тем больше в них используют композиты. Многие из них легче и прочнее лучших металлических (алюминиевых и титановых) сплавов, а их применение позволяет снизить вес изделия (самолета, ракеты, космического корабля) и сократить расход топлива. Ярким примером эффективного применения КМ является решение задач тепловой защиты при аэродинамическом нагреве и снижения массы орбитального комплекса (ОК) «Буран» (рис. 2.8) [17].

Элементы тепловой защиты ОК «Буран» [17]

Рис. 2.8. Элементы тепловой защиты ОК «Буран» [17]

К числу наиболее ответственных компонентов теплозащиты О К «Буран» относятся такие термостойкие элементы конструкции (рабочие температуры до 1650 °С), как носовой обтекатель и секции передних кромок крыла из «углерод-углеродного» материала «Гравимол» (плотность 1,85 т/м3). Нижняя поверхность и большая часть боковой поверхности планера «Бурана» в зонах с максимальными температурами аэродинамического нагрева 700—1250 °С защищена многоразовой тепловой защитой в виде керамических плиток из волокон двуокиси кремния. Для создания этого материала, удовлетворяющего условиям эксплуатации ОК «Буран», потребовалось впервые разработать технологию получения мелкодисперсного штапелированного кварцевого волокна диаметром 1—2 мкм. Иллюминаторы кабины экипажа, работающие при нагреве 750 °С, выполнены трехслойными: два наружных слоя выполняют функции тепловой и противометеор- ной защиты, внутренний — собственно герметичный иллюминатор.

Безусловно, применение таких материалов в разы увеличивает прочность изделий с одновременным снижением их веса, но не менее очевидно и то, что все эти материалы являются горючими.

Итак, любой строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала — механических, огнестойкости, биостойкости, а также других технических характеристиках. Химический состав неорганических вяжущих материалов (извести, цемента и др.) и естественных каменных материалов удобно выражать содержанием в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны и образуют минералы, которые характеризуют многие свойства материала [14].

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в данном материале, например в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (3Ca0-Si02) составляет 45—60%, причем при большем содержании этого минерала ускоряется процесс твердения и повышается прочность.

Фазовый состав и фазовые переходы воды, находящейся в его порах, оказывают большое влияние на свойства материала. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т.е. каркас, и поры, наполненные воздухом или водой.

Физические свойства характеризуют вещество и структуру материала, а также его способность реагировать на внешние воздействия, не вызывающие изменения химического состава и структуры материала [14]. Основными из них являются:

  • • общефизические свойства: плотность (истинная, средняя, насыпная), пористость (общая, открытая, замкнутая);
  • • гидрофизические свойства: водопоглощение, морозостойкость, влажность, водонепроницаемость, водостойкость, фильтрационная способность (водопроницаемость);
  • • теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, термостойкость, жаростойкость, огнеупорность;
  • • акустические свойства: звукопоглощение, звукоизоляция, виброизоляция, вибропоглощение;
  • • механические свойства: сопротивление материала сжатию, растяжению, изгибу, упругость, пластичность, хрупкость, истираемость;
  • • химические свойства: коррозионная стойкость, химическая активность, растворимость, кристаллизация;
  • • технологические свойства: вязкость, пластичность, ковкость, свариваемость, гвоздимость, набухание и усадка, хрупкость и др. Велико разнообразие свойств строительных материалов, однако

некоторые из них, например плотность, пористость и прочность, одинаково важны почти для всех материалов, другие — только для некоторых и в определенных условиях службы. Рассмотрим основные свойства строительных материалов, влияющие на их сопротивление воздействиям высоких температур (табл. 2.1).

Основные свойства строительных материалов, влияющие на их сопротивление воздействиям высоких температур

Свойство

Определение

Формула

Информация

Плотность

Отношение массы материала к занимаемому этим материалом объему

Плотность

р = m/V[ кг/м3],

где т — масса материала, кг; V — объем материала, м3

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность ведет себя иначе, например вода, бронза и чугун.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растет при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, германий и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, так как их плотность при переходе в твердую фазу уменьшается.

Истинная плотность характеризует не материал, а вещество, из которого состоит материал, — это физическая константа вещества

Истинная

плотность

Определяется без учета пустот (пор) — плотность абсолютно твердого тела

Истинная плотность

Ри = m/Va [кг/м3], где т — масса материала, кг; Уа объем материала без учета пустот (пор), м3

Средняя

плотность

Отношение массы материала к его объему в естественном состоянии (с учетом пор и влажности). Плотность насыпных материалов (песок, гравий, грунт) определяется без учета пустот между частицами и называется насыпной плотностью

Средняя плотность

Pep = т/У 1КГ/м3Ь где т — масса материала, кг; И, — объем материала в естественном состоянии, м3

Свойство

Определение

Формула

Информация

Пористость

Степень заполнения объема материала порами

Пористость

п = fl 100%,

1 Ри )

где р0 — средняя плотность материала, кг/м3; ри — истинная плотность материала, кг/м3

Пористость материала характеризуют по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2-5 мм). Характер пор важен, например, при оценке способности материала поглощать воду. Так, по- листирольный пенопласт, с пористостью до 98%, имеет замкнутые поры и практи- чески не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (около 30%), из-за открытого характера пор (большинство пор представляет собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду.

Материалы во влажном состоянии изменяют свои свойства — увеличивается средняя плотность, уменьшается прочность, повышается теплопроводность.

Пористость является основной структурной характеристикой материала

Влажность

Содержание воды в порах материала. Определяется отношением воды в материале к массе сухого материала при проведении испытаний. Нормативные документы устанавливают для каждого материала нормированную влажность, при которой определяют плотность материала

Влажность

П1 — /77

(0 = вл с -100%, тс

где т , т — масса влажного

вл’ с

и сухого материала, г. Плотность влажного материала

1 + (Он . / 2i

Р = Рср , [кг/м-],

1 ~ь (оест

где озн, юест — нормируемая и естественная влажность материала, %; рср — плотность материала в естественном состоянии, кг/м3

Теплопро

водность

Способность материала проводить тепловой поток через свою толщину при наличии разности температур на противоположных поверхностях — характеризуется коэффициентом теплопроводности

Коэффициент теплопроводности

Х= [Вт/м "С],

S ? АТt

где q — плотность теплового потока, Вт/м2;

8 — толщина материала, м;

S — площадь поверхности, м2; АТ — разница температур на противоположных поверхностях материала (слоя), °С;

/ — единица времени, ч. Коэффициент

теплопроводности — количество тепла, проходящее через материал толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 час при разности температур на противоположных сторонах материала 1 градус

Эта характеристика зависит от ряда факторов: природы и строения материала, пористости, влажности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Кристаллические и крупнопористые материалы, как правило, более теплопроводны, чем материалы аморфного и мелкопористого строения. Материалы, имеющие замкнутые поры, обладают меньшей теплопроводностью, чем материалы с сообщающимися порами. Теплопроводность однородного материала зависит от средней плотности — чем меньше плотность, тем меньше теплопроводность, и наоборот. Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды превышает коэффициент теплопроводности воздуха в 25 раз

Свойство

Определение

Формула

Информация

Теплоемкость

Способность материала поглощать определенное количество тепла при нагревании — мера энергии, необходимой для повышения температуры материала — характеризуется удельной теплоемкостью

Удельная теплоемкость

с = —^ [ДжДкг -СЦ, т ? АТ

где Q — тепловой поток, Дж; т — масса материала, кг;

АТ — разница температур на противоположных поверхностях материала (слоя), °С.

Удельной теплоемкостью называется количество теплоты, затраченной на нагревание материала массой 1 кг на 1 градус

Наибольшую теплоемкость имеет вода.

Теплоемкость, как и теплопроводность, не является физической константой материала, она изменяется в зависимости от температуры. Наряду с теплопроводностью теплоемкость используется при расчетах огнестойкости строительных конструкций

Тепловое

расширение

Способность материала изменять размеры при повышении температуры — характеризуется коэффициентом теплового расширения

Коэффициент объемного расширения а определяется как относительное изменение объема Vпри нагревании тела (твердого, жидкого или газообразного) на 1 К

а = 1М VdT)P

Тепловым расширением называется эффект изменения размеров тела с изменением температуры при постоянном давлении. Это явление для твердых тел обусловлено несимметричностью потенциала взаимодействия атомов вещества в решетке. Для газов это обусловлено увеличением кинетической энергии молекул и атомов.

где Т — абсолютная температура тела. Практическое значение а вычисляется по формуле

У2 - Vl V, (Т2ХУ

где Vj, V2 — объемы тела при температурах Г, и Т2, соответственно (Г, < Т2).

Для характеристики теплового расширения наряду с а используется коэффициент линейного расширения а^:

а, . .

L tdT jp

где / — размер тела в данном направлении

Количественно тепловое расширение при постоянном давлении Р характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объемного или линейного).

Зависимость (Т) наиболее заметна у газов (для идеального газа = 1/Т); у жидкостей она проявляется слабее. У ряда веществ в твердом состоянии (кварца, инвара и т.д.) коэффициент мал и практически постоянен в широком интервале температур

Свойство

Определение

Формула

Информация

Электропроводность

Способность вещества (тела) проводить электрический ток. Количественную меру электропроводности называют удельной электропроводностью

Основные соотношения: ток в проводнике / [А] связан с напряженностью поля Е [В/м] выражением

I = у Е

где у [См/м] — удельная электропроводность.

Удельное сопротивление

1 R ? S 7 Р = = , [Омм], у п

где R — сопротивление образца, Ом;

S площадь электрода, м2; h толщина образца, м; у — удельная электропроводность, 1/(0м-м). Температурный коэффициент сопротивления

ар Л.А-!*-1]. р р dT

Электропроводность присуща всем материалам без исключения. Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения.

В зависимости от величины электропроводности все вещества делятся на проводники с у > 106 (0м-м)~1, диэлектрики с у < 10“8 (Ом-м)~1 и полупроводники с промежуточными значениями у. Это деление в значительной мере условно, так как электропроводность меняется в широких пределах при изменении состояния вещества. Электропроводность зависит от температуры, структуры вещества (агрегатного состояния, дефектов и пр.) и от внешних воздействий (магнитного поля, облучения, сильного электрического поля

И Т.П.).

С ростом температуры увеличивается удельное сопротивление, так как уменьшается проводимость.

Изменение сопротивления с ростом температуры /? = /г0[1 +а(Г, - г0)] [Ом]. Связь электрической проводимости с теплопроводностью

— - L Т

У

п2к2

где Lq = —5--число Лоренца;

Ъе2

к — постоянная Больцмана 1,38-10-23, Дж/К; е — заряд электрона 1,6-10-19, Кл

Электропроводность стекла и керамических материалов в значительной степени зависит от содержания щелочей. Поверхностная электропроводность особенно заметна в условиях влажной среды

Прочность

Свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т.п.). Прочность материала характеризуется пределом прочности (при сжатии, изгибе, растяжении, срезе).

Предел прочности:

  • • при сжатии
  • *сж=^сж/Л[МПа],

где F — разрушающее усилие, Н;

Л — площадь поперечного сечения образца, м2;

• при растяжении

Яр= Fp/A [МПа],

где F — разрушающее усилие, Н;

А — площадь поперечного сечения образца, м2;

Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации.

Предел прочности при сжатии (растяжении) равен разрушающей силе, приходящейся на 1 м2 первоначального сечения материала в момент разрушения образца.

Для хрупких материалов (природные камни, кирпич, бетон и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии (7?сж) и предел прочности при изгибе (/?изг), а для эластичных материалов (полимеры, древесина, металл) — предел прочности при растяжении (Rp).

Свойство

Определение

Формула

Информация

Прочность

(окончание)

Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца материала

• при изгибе

Rmr= Л//ИЧМПа],

где М — максимальный изгибающий момент, Н;

W — момент сопротивления сечения образца, м2:

  • а) при одной сосредоточенной нагрузке
  • 3 F ? 1

Лнзг =---7 [МПа],

изг 2 Ь-И1

где F— разрушающая нагрузка, Н;

bvih — ширина и высота поперечного сечения балки, м; / — расстояние между опорами, м;

Хрупкость — свойство твердых тел разрушаться при механических воздействиях без значительной пластической деформации. Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам, условно характеризуется «мерой хрупкости» X, которая выражается отношением упругой деформации еу к предельной епр:

На хрупкое состояние материала влияют в основном два внешних фактора: температурный и механический. Многие материалы при понижении температуры резко снижают свои пластические свойства, например битумные материалы (нефтяные битумы при температуре ниже 20 °С теряют пластичность и разрушаются хрупко), полимеры, металлы и др.

б) при двух равных нагрузках, рассредоточенных относительно оси балки

Я„,г = f .(,"2а) [МПа], о ? h

где F— разрушающая нагрузка, Н;

bwh ширина и высота поперечного сечения балки, м; /— расстояние между опорами, м; а — расстояние между грузами, м

Вышеперечисленные свойства позволили создать классификацию строительных материалов по пожарной опасности, основным признаком которой стала способность к образованию опасных факторов пожара[2]. Классификация строительных материалов по пожарной опасности позволяет установить требования пожарной безопасности к конструкциям зданий, сооружений и системам противопожарной защиты.

  • [1] Температура — физическая величина, определяющая количество теплоты втеле или материи. Температуру также можно определить как количество кинетической энергии в частицах, составляющих тело или материю. Энергияпередается от тел с более высокой температурой к телам более с низкой температурой, пока не будет достигнуто термодинамическое равновесие, т.е.пока температура обоих тел не сравняется. Этот процесс называется теплопередачей.
  • [2] Пожар — неконтролируемый процесс горения (превращение компонентовгорючей смеси в продукты сгорания с выделением тепла и света), сопровождающийся уничтожением материальных ценностей и создающий опасностьдля жизни людей. К основным явлениям, характерным для каждого пожара,относятся: химическое взаимодействие горящего (горючего) вещества с кислородом воздуха, выделение большого количества тепла и интенсивный газовый обмен продуктов сгорания.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >