ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»
В. Н. ЧУБУКОВ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Учебник
Гомель 2005
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
Предисловие
Настоящая книга является частью учебно-методического комплекса, включающего данный учебник и практикум «Дорожно-строительные материалы» для проведения практических и лабораторных занятий.
Учебник написан в соответствии со стандартом специальности 1-37 02 05 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» и программой дисциплины «Дорожно-строительные материалы».
Дисциплина «Дорожно-строительные материалы» является специальной. Знания, полученные при ее изучении, необходимы при проектировании, строительстве и эксплуатации железнодорожных путей и инженерных сооружений на железной дороге. Они востребованы при изучении дисциплин: «Основы строительного производства», «Транспортные сооружения на дороге», «Изыскания и проектирование железных дорог», «Содержание и ремонт транспортных сооружений».
Автор приносит благодарность рецензентам учебника: кафедре «Технология бетона и строительные материалы» УО «Брестский государственный технический университет», доктору техн. наук, профессору В.В. Тур, доценту Т.П. Шалобыта; кафедре «Обустройство сельских населенных мест» УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» доктору техн. наук, профессору В.И. Кумачеву, канд. техн. наук, доценту В.И. Основину, доценту Л.В. Шулякову, замечания которых учтены при подготовке рукописи к печати.
В В Е Д Е Н И Е
Задачей курса является изучение технических свойств материалов и изделий и грамотное применение их в строительстве железных дорог и транспортных объектов, промышленных, жилых и гражданских зданий и сооружений и только для части наиболее распространенных из них рассматривается технология изготовления.
В основу классификации строительных материалов положены технологические принципы, по которым они подразделяются на следующие группы: природные каменные, минеральные вяжущие вещества, бетоны, сборный железобетон, строительные растворы, силикатные автоклавного твердения, гипсовые и гипсобетонные, магнезиальные, асбестоцементные, керамические, из силикатных расплавов, лесные, битумные и дегтевые вяжущие и материалы на их основе, теплоизоляционные и акустические, полимеры и материалы из пластмасс, лакокрасочные и обои, металлические.
Природные каменные материалы получают из горных пород. Это песок, щебень, гравий, камни и блоки, плиты для устройства стен и их облицовки и др.
Минеральные вяжущие вещества получают обжигом минеральных материалов с последующим их измельчением. Это воздушные вяжущие- (гипсовые и ангидритовые, воздушная известь, магнезиальные, растворимые силикаты натрия и калия); гидравлические вяжущие – гидравлическая известь, романцемент , известесодержащие и шлакощелочные , цементы на основе портландцементного, глиноземистого, сульфоалюминатного и сульфоферритного клинкеров ; гипсоцементно–пуццолановые и гипсошлакоцементные.
Бетоны изготавливают из минеральных вяжущих веществ (в основном портландцемента), воды и заполнителей. Они подразделяются по средней плотности, назначению, виду вяжущего, заполнителей. Применяют их в основном для конструкций, воспринимающих сжимающие усилия, для изготовления железобетона.
Сборный железобетон – изделия заводского изготовления из бетона и стальной арматуры, где растягивающие усилия воспринимает арматура. В строительстве его применяют для изготовления шпал, конструкций для мостов, фундаментов, стен, перекрытий и др.
Строительные растворы приготавливаются из минеральных вяжущих веществ, песка и воды. Они представляют собой мелкозернистые бетоны. По назначению подразделяются на кладочные, штукатурные облицовочные, для стяжек и специальные.
Силикатные материалы автоклавного твердения получают из сырьевой смеси, в состав которой входит известь, кварцевый песок и вода, затвердевших в среде насыщенного пара при высокой температуре и давлении. К ним относят силикатные бетоны и изделия из них, кирпич и камни силикатные.
Гипсовые и гипсобетонные изделия изготавливают на основе гипсовых и гипсоцементно-пуццолановых вяжущих. Это плиты и панели для перегородок, гипсокартонные и гипсоволокнистые листы и прочие.
Материалы и изделия на основе магнезиальных вяжущих получают из каустических магнезита или доломита и органических заполнителей. К ним относят фибролит и ксилолит. Фибролит служит утеплителем, ксилолит – для устройства полов.
Асбестоцементные изделия изготавливают из портландцемента, асбеста и воды. В строительстве применяются плоские и волнистые листы, трубы и др.
Керамические материалы и изделия изготавливают в основном из обожженной глины. Это кирпич, плитки, трубы и др.
К материалам из силикатных расплавов относят стеклянные, каменное литье, литье из шлаковых расплавов, ситаллы и шлакоситаллы.
Стеклянные материалы получают из кварцевого песка, соды, известняка. К ним относят оконное стекло, стеклопрофилит, пустотелые блоки, трубы и др.
Каменное литье изготавливают в основном из диабаза и базальта. В строительстве используют как футеровочный материал, для изготовления труб.
Из шлаковых расплавов изготавливают камни, плиты для дорог и тротуаров, трубы.
Ситаллы и шлакоситаллы получают введением в стекломассу специальных кристаллизаторов. В строительстве применяют плиты и блоки для полов и мощения улиц, трубы для транспортирования агрессивных жидкостей и др.
Лесные материалы получают после обработки древесины. В строительстве применяют бревна, шпалы, доски, паркет, фанеру, оконные и дверные блоки и др.
Теплоизоляционные материалы и изделия применяют для тепловой защиты помещений, котлов, трубопроводов, холодильных установок. Они подразделяются на минеральные и органические. Это минеральная вата, ячеистый бетон, фибролит, древесноволокнистые плиты, пенополистирол и т. д.
Акустические материалы и изделия предназначены для защиты от шумов. В качестве акустических материалов используются теплоизоляционные и специально изготавливаемые плиты «Акмигран», «Акминит», «Силакпор» и др.
Битумы и дегти получают в основном из нефти и твердых видов топлива. На их основе изготавливают асфальто- и дегтебетоны, кровельные и гидроизоляционные материалы.
Полимеры являются высокомолекулярными соединениями. Они применяются в качестве связующего для изготовления пластмасс. В строительстве применяются линолеум, санитарные изделия, трубы, теплоизоляционные материалы и др.
Лакокрасочные материалы и обои применяются для отделочных работ. Это грунтовки, шпаклевки, краски, эмали, лаки, обои.
Металлические материалы и изделия изготавливают из стали, чугуна и сплавов черных и цветных металлов. В строительстве применяют рельсы, тюбинги, фермы, трубы, арматуру для железобетона и др.
Перечисленные материалы и изделия находят применение в дорожном строительстве, возведении транспортных объектов, различных зданий и сооружений. В качестве примера рассмотрим железнодорожный путь, автомобильную дорогу, мост, тоннель, жилой дом и перечислим основные материалы, применяемые для различных конструктивных элементов.
Железнодорожный путь состоит из верхнего строения, земляного полотна и искусственных сооружений. Верхнее строение состоит из рельсов, шпал, рельсовых скреплений и балластного слоя. Оно размещается на земляном полотне. Земляное полотно сооружается из грунтов и является фундаментом верхнего строения, то есть грунты являются строительным материалом.
Рельсы изготавливают из стали определенного химического состава, могут подвергаться термическому упрочнению закалкой.
Шпалы изготавливаются из дерева и железобетона. На дорогах с высокой грузонапряженностью для тяжелого типа верхнего строения пути, укладываются деревянные шпалы из сосны, ели, пихты, лиственницы, кедра, бука, березы. Для борьбы с гниением шпалы пропитывают маслянистыми антисептиками. Железобетонные шпалы изготавливаются из портландцемента, щебня, песка, арматурной стали. Современные шпалы изготавливают из предварительно напряженного железобетона.
Рельсовые скрепления подразделяются на промежуточные и стыковые. Их выполняют из стали.
На границах рельсовых цепей устраивают изолирующие стыки с изоляцией стеклотканью, пропитанной эпоксидной смолой.
Для устройства балластного слоя применяется щебень, гравий, гравийно-песчаная смесь.
Дорожная одежда автомобильных дорог состоит из покрытия и основания.
Покрытие устраивают из цементного бетона, асфальтобетона, щебня, гравия, булыжного камня; щебеночно-песчаных, гравийно-песчаных, щебеночно-гравийно-песчаных смесей, укрепленных органическими или минеральными вяжущими.
Основание устраивают из щебня, гравия; щебня или гравия, укрепленных органическими и минеральными вяжущими, цементобетона и других материалов.
В железнодорожных и автодорожных мостах пролетные строения выполняются чаще всего из железобетона и стали. Наибольшее распространение получили железобетонные мосты. В настоящее время широко используются сборные конструкции из предварительно напряженного железобетона, применение которого увеличивает надежность и долговечность мостов.
Металлические мосты строятся преимущественно под железную дорогу с большими и средними пролетами. На автомобильных дорогах и в городах металлические мосты получили распространение из-за легкости конструктивных форм и архитектурным достоинствам. Для их строительства применяют углеродистую и низколегированную стали, реже алюминиевые сплавы.
Промежуточные (быки) и концевые (устои) опоры мостов устраивают из сборного и монолитного бетона и железобетона.
На реках с тяжелым ледоходом опоры могут облицовываться природным или литым камнем.
Для гидроизоляции балластного корыта и бортиков применяется битумная мастика, стеклоткань, гидроизол, стеклоизол, битумный лак и др.
Деревянные мосты строят из древесины сосны и лиственницы. Элементы моста изготавливают из бревен и пиломатериалов. Для защиты от гниения древесину обрабатывают антисептиками.
В транспортных железнодорожных и автомобильных тоннелях для внутренних обделок применяют монолитный бетон, сборный железобетон, реже устраивают чугунные обделки.
Сталь в обделках применяется в сочетании с монолитным бетоном, защищающим ее от коррозии.
Водонепроницаемость достигается нагнетанием за обделку цементного раствора (цемент + песок ), цементного теста, разогретого битума, битумных эмульсий, торкретированием внутренней поверхности обделки двумя-тремя слоями цементного раствора, армированием торкрет-бетона стальной сеткой, применением безусадочных и расширяющихся цементов.
При строительстве в обводненных породах устраивают наклеечную гидроизоляцию из гидроизола, стеклорубероида, применяют стальные листы.
Жилой дом состоит из фундамента, стен, перегородок, перекрытий, крыши, лестниц, окон, дверей, полов и других конструкций.
Фундамент дома выполняется из бетона, железобетона, бутобетона, бутового камня.
Стены возводятся из керамического и силикатного кирпичей, ячеистого бетона, керамзитобетона, тяжелого бетона и железобетона, теплоизоляционных материалов.
Перекрытия устраиваются из железобетона.
Перегородки выполняются из гипсокартонных листов, гипсобетона, фибролита, ячеистого бетона, кирпича, стеклоблоков, стеклопрофилита.
В чердачных крышах стропила изготавливаются из досок, брусьев и бревен, обрешетка – из брусков, досок, кровля устраивается из асбестоцементных волнистых листов, черепицы, стали, в совмещенных покрытиях чаще всего из мягких кровельных материалов.
Лестницы устраиваются в основном железобетонные.
Оконные блоки изготавливаются из дерева, пластмассы. Остекление выполняется оконным стеклом.
Дверные блоки изготавливаются из дерева, древесноволокнистой плиты, пластмассы.
Полы бывают линолеумные, дощатые, паркетные, из керамической плитки.
Отмостка выполняется из асфальтобетона. И это далеко не полный перечень применяемых материалов и изделий.
При строительстве особое внимание следует обращать на качество применяемых материалов и в первую очередь – для несущих конструкций. Имеется много случаев разрушения зданий и сооружений и их конструктивных элементов. Наглядным примером низкого качества проектирования, строительства, в том числе и качества применяемых материалов, служат разрушения после землетрясения в Армении.
В этой связи освоение методик по контролю за качеством материалов в подготовке инженера путей сообщения-строителя имеет определяющее значение. Этому обучают на лабораторных занятиях.
Республика Беларусь в настоящее время полностью обеспечивает строительные организации качественными строительными материалами собственного производства.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В строительстве применяются разнообразные природные и искусственные материалы. В процессе эксплуатации они подвергаются воздействию внешней среды – физических, механических, химических факторов, которые могут изменять их технические свойства. Запроектировать и построить долговечное сооружение и здание возможно лишь при условии знания свойств применяемых материалов и грамотного их использования.
Проектные и строительные организации Беларуси в своей работе руководствуются нормативными документами СССР, стран СНГ и Беларуси: межгосударственными нормативными документами: строительными нормами и правилами (СНиП), строительными нормами (СН), межгосударственными стандартами (ГОСТ), отраслевыми стандартами; нормативными документами Республики Беларусь: строительными нормами Республики Беларусь (СНБ), государственными стандартами Республики Беларусь (СТБ), руководящими документами Минстройархитектуры и Республики Беларусь (РДС, РД РБ); отраслевыми документами: техническими условиями (ТУ), ведомственными строительными нормами (ВСН); руководящими документами (РД), технологическими нормами (ТН); рекомендациями, положениями и другими документами.
Важнейшими свойствами, характерными для всех материалов, являются физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные, экологические.
В настоящем разделе приведены свойства, характерные для большинства материалов. Отдельные свойства, характерные для определенных групп материалов, приведены в соответствующих разделах.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Физические свойства определяют физическое состояние материала. К ним относят характеристику структур и массы, отношение материала к воздействию воды, тепла, огня, радиационную стойкость.
Истинная плотность ρи – масса единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без пор. Вычисляется она в кг/м3, кг/дм3 или г/см3 по формуле
ρи = m/Va ,
где m – масса материала кг, г; Va – объем материала в плотном состоянии,
м3, дм3, см3..
Истинная плотность большинства минеральных, природных и искусственных строительных материалов составляет 2,4–3,1 г/см3, органических (древесины, битумов, пластмасс) – 1,0–1,6 г/см3.
Средняя плотность ρс – масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами. Она может быть сухого материала, в состоянии естественной или другой влажности, указываемой в стандарте. Среднюю плотность в кг/м3, кг/дм3, г/см3 вычисляют по формуле
ρс = m/V,
где m – масса материала, кг, г; V – объем материала, м3, дм3,см3.
Средняя плотность материалов изменяется в большом диапазоне. Так, пористая пластмасса может иметь среднюю плотность 10 кг/м3, а сталь – 7850 кг/м3.
Насыпная плотность ρн – масса единицы объема сыпучего материала. Ее определяют для щебня, гравия, песка, цемента и др. Насыпную плотность, кг/м3, кг/дм3, г/см3, вычисляют по формуле
ρн = m/V,
где m – масса сыпучего материала, кг, г; V – объем сыпучего материала, м3, дм3, см3. В объем входят поры непосредственно в материале и пустоты между зернами.
Средняя и насыпная плотности большинства материалов обычно меньше истинной их плотности. Отдельные материалы, такие как сталь, стекло, битум, а также жидкие, имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности.
Среднюю и насыпную плотности материалов необходимо знать для определения массы конструктивных элементов сооружений и зданий при расчете их на прочность, при загрузке транспортных средств, расчете складов и подъемного оборудования.
Относительная плотность d – отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4 °С, имеющая плотность 1000 кг/м3. Относительная плотность (безразмерная величина) определяется по формуле
d = ρс/ρст.
Пористость П– степень заполнения объема материала порами. Вычисляется в процентах по формуле
П = ( 1 – ρс/ρи)·100,
где ρс , ρи – средняя и истинная плотности материала.
Для строительных материалов пористость колеблется от 0 до 90 %.
Для сыпучих материалов определяется пустотность (межзерновая пористость).
Истинная, средняя плотности и пористость материалов – взаимосвязанные величины. От них зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость, водонепроницаемость и другие свойства материалов. Примерные значения их для наиболее распространенных материалов приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Физические свойства материалов
| Наименование | Плотность, г/см3 | Пористость, % | Теплопро- водность, Вт/(м °С) | |
| истинная | средняя | |||
| Гранит | 2,70 | 2,50 | 7,4 | 2,80 |
| Вулканический туф | 2,70 | 1,40 | 52,0 | 0,50 |
| Керамический кирпич: полнотелый пустотелый | 2,65 2,65 | 1,80 1,30 | 32,0 51,0 | 0,80 0,55 |
| Бетон: тяжелый легкий ячеистый | 2,60 2,60 2,60 | 2,40 1,00 0,50 | 10,0 61,5 81,0 | 1,16 0,35 0,20 |
| Древесина сосны | 1,53 | 0,50 | 67,0 | 0,17 |
| Минераловатные плиты | 2,70 | 0,05 | 98,0 | 0,047 |
| Пенополистирол | 1,05 | 0,04 | 96,0 | 0,03 |
Влажность W – содержание воды в материале в данный момент. Она определяется отношением массы воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала. Вычисляется в процентах по формуле
W = ( mв – mс ) / mс · 100,
где mв, mс – масса влажного и сухого материалов, г.
Водостойкость – способность материалов сохранять свою прочность при насыщении водой. Она оценивается коэффициентом размягчения Кразм, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии Rв, МПа, к пределу прочности сухого материала Rс, МПа:
Кразм = Rв /Rс.
Для разных материалов Кразм = 0…1. Так, глина при увлажнении не имеет прочности, ее Кразм = 0. Металлы, стекло полностью сохраняют прочность в воде, для них Кразм = 1. Строительные материалы с коэффициентом размягчения меньше 0,8 не применяют во влажной среде.
Гигроскопичность – способность материалов поглощать водяной пар из окружающего воздуха и конденсировать в капиллярах. Она выражается в процентах как отношение массы поглощенной материалом воды (сорбции) к массе сухого материала при относительной влажности воздуха 100 % и температуре 20 °С.
Если поглощенная вода химически взаимодействует с материалом, то такой процесс называют хемосорбцией.
Гигроскопичность зависит от природы материалов. Одни из них, например древесина, активно притягивают молекулы воды. Их называют гидрофильными. Другие же, например битум, не смачиваются водой. Их называют гидрофобными. Придание материалу гидрофобных свойств улучшает его свойства.
Влагоотдача – способность материалов отдавать воду в окружающий воздух. Она характеризуется скоростью высыхания, которая определяется количеством воды, отдаваемой материалом в сутки, при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С. Вода испаряется до состояния материала пока не установится равновесие между его влажностью и влажностью окружающего воздуха, т. е. достижения материалом воздушно-сухого состояния.
Скорость высыхания имеет практическое значение для стеновых блоков, панелей. мокрой штукатурки и др. Конструкции с повышенной влажностью задерживают отделочные работы.
Водопоглощение – способность материалов впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно подразделяется на водопоглощение по массе и объему.
Водопоглощение по массе Wм, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к массе сухого образца.
Водопоглощение по объему Wо, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к объему образца.
Их определяют по следующим формулам:
Wм = (mв – mс) / mс · 100 и Wо = (mв – mс) / V · 100,
где mв – масса образца, насыщенного водой, г; mс – масса образца, высушенного до постоянной массы, г; V – объем образца, см3.
Между водопоглощением по массе и объему существует следующая зависимость:
Wо = Wм dс,
где dс – относительная плотность материала.
Водопоглощение всегда меньше пористости, так как поры не полностью заполняются водой.
Материалы во влажном состоянии изменяют свои свойства. Увеличивается средняя плотность, уменьшается прочность, повышается теплопроводность.
Воздухостойкость – способность материала не изменять длительное время свои свойства при периодическом гигроскопическом увлажнении и высыхании. Изменение влажности приводит к разбуханию и усадке материала и со временем – к его разрушению. Воздухостойкость гигроскопических материалов повышают гидрофобизацией их поверхности, введением гидрофобных добавок при изготовлении.
Капиллярное увлажнение и диффузия. Капиллярное увлажнение возникает в результате способности воды подниматься по капиллярам на высоту. Высота подъема зависит от тонкости капилляров и степени смачиваемости их стенок. Для кирпичной кладки она может быть более метра.
В материалах возможна диффузия воды, которая передвигается от мест с большей влажностью к местам с меньшей влажностью и равномерно распределяется по всему объему.
Для защиты от капиллярного увлажнения и диффузии воды конструкции защищают гидроизоляционными материалами. Например, между фундаментом здания и стеной устраивают гидроизоляцию.
Водопроницаемость – способность материалов пропускать воду под давлением. Она характеризуется коэффициентом фильтрации кф, м/ч, который равен количеству воды Vв, м3, проходящей через материал площадью S = 1 м2, толщиной α = 1 м за время τ = 1 ч при разности гидростатического давления ρ1 – ρ 2 = 1 м водного столба:
Кф = Vвα / [S τ (р1 – р2)].
.
Обратной характеристикой водопроницаемости является водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду под давлением.
Водопроницаемость материала зависит от его пористости и характера пор. С водопроницаемостью сталкиваются при возведении гидротехнических сооружений, тоннелей, резервуаров для воды.
Паропроницаемость – способность материалов пропускать водяной пар через свою толщину. Она характеризуется коэффициентом паропроницаемости μ, г/(м · ч · Па), который равен количеству водяного пара в граммах Vρ (V – объем пара в см3; ρ – средняя плотность пара в г/см3), проходящего через материал толщиною α = 1 м, площадью S =1 м2 за время τ = 1 ч при разности парциальных давлений р1 – р2 = 133,3 Па,
μ= Vρα / [S τ (р1 – р2)].
При увлажнении стен и покрытий ухудшаются их теплозащитные свойства, происходит разрушение при замораживании.
Ограждения в помещениях с повышенной влажностью следует защищать от проникновения водяного пара паронепроницаемыми материалами. В чердачных перекрытиях пароизоляция по плитам перекрытия часто устраивается из рубероида, обладающего низким коэффициентом паропроницаемости.
Воздухопроницаемость – способность материала ограждения зданий про-пускать через свою толщину воздух. Она характеризуется коэффициентом воздухопроницаемости i, г/(м·ч·Па), который равен количеству воздуха, в граммах Vρ (V – объем воздуха в см3; ρ – средняя плотность воздуха, г/см3, проходящего через материал ограждения толщиною δ = 1 м, площадью S = 1 м2, за время τ = 1 ч при разности парциальных давлений р1 – р2 = 133,3 Па .
i = Vρδ / [Sτ · (р1 – р2)].
Воздух проникает в направлении от большего давления к меньшему. Это явление называется фильтрацией. Фильтрация, происходящая от наружного воздуха ограждения в помещение, называется инфильтрацией, из помещения наружу – эксфильтрацией.
Воздухопроницаемость обеспечивает естественную вентиляцию помещений. Это положительное явление. В зимнее время инфильтрация приводит к потере тепла. В этом проявляется ее отрицательное свойство.
Атмосферостойкость– способность материалов в процессе эксплуатации сохранять свои первоначальные свойства после длительного воздействия атмосферных факторов (колебаний температуры, солнечной радиации, воздуха, увлажнения).
Морозостойкость – способность материалов в водонасыщенном состоянии не разрушаться при многократном попеременном замораживании и оттаивании.
Разрушение происходит из-за того, что объем воды при переходе в лед увеличивается на 9 %. Давление льда на стенки пор вызывают растягивающие усилия в материале.
Морозостойкость материалов зависит от их плотности и степени заполнения пор водой.
Часто наблюдаются случаи разрушения от недостаточной морозостойкости бетонных бортовых камней, цементобетонных покрытий автомобильных дорог, бетона зоны переменного уровня воды мостовых опор и гидротехнических сооружений.
Теплопроводность – способность материалов проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность λ, Вт/(м∙°С), равна количеству тепла Q, Дж, проходящего через материал толщиной δ = 1 м, площадью S = 1 м2 за время τ = 1 ч при разности температур между поверхностями T1 – T2 = 1 °C;
λ = Qδ / [Sτ (t1 – t2)].
Теплопроводность материалов зависит от их средней плотности, химического состава, структуры, характера пор, влажности, температуры.
Наиболее существенное влияние на теплопроводность оказывает средняя плотность материалов. При известной средней плотности, пользуясь нижеприведенной формулой, можно ориентировочно вычислить теплопроводность, λ, Вт/ (м·°С), материала в воздушно-сухом состоянии
____________________
λ = 1,163· ( √ 0,0196 + 0,22ρ2с – 0,16).
Эта формула дает удовлетворительные результаты при средней плотности материалов от 2500 до 2700 кг/м3.
Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением. Это объясняется тем, что теплопроводность воды составляет 0,58 Вт/(м · °С), а воздуха 0,023 Вт/(м · °С), т. е. превышает его в 25 раз. Еще больше теплопроводность льда. Она составляет 2,3 Вт/(м · °С).
С повышением температуры теплопроводность большинства материалов увеличивается и лишь у некоторых (металлов, магнезитовых огнеупорных материалов) уменьшается.
Теплопроводность материала оказывает влияние на термическое сопротивление ограждения, например наружной стены здания, чердачного перекрытия. Термическое сопротивление ограждения R, м2 · °С/ Вт, определяется по формуле
R = δ / λ,
где δ – толщина ограждения, м; λ – теплопроводность, Вт/(м · °С).
Термическое сопротивление слоя ограждения прямо пропорционально его толщине и обратно пропорционально теплопроводности его материала.
Теплоемкость – способность материалов поглощать тепло при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с, Дж/(кг · °С), которая равна количеству тепла Q, Дж, затраченному на нагревание материала массой m = 1 кг, чтобы повысить его температуру на t2 – t1 = 1 °C:
с = Q/ [m(t2 – t1 )].
Удельная теплоемкость каменных материалов составляет 755–925, лесных 2420–2750 Дж/(кг °С). Наибольшую теплоемкость имеет вода – 4200 Дж/(кг °С), поэтому теплоемкость материалов при их увлажнении возрастает.
Теплоемкость учитывается при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева материалов в зимний период.
Огнестойкость - способность материалов не разрушаться от действия высоких температур и воды в условиях пожара.
По огнестойкости материалы подразделяются на негорючие (несгораемые), трудно-горючие (трудно-сгораемые) и горючие (сгораемые).
Негорючие материалы не горят, не тлеют и не обугливаются. Это каменные материалы, металлы.
Трудно-горючие материалы обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются. При удалении источника огня или высокой температуры эти процессы прекращаются. Это древесина, пропитанная антипиренами.
Горючие материалы горят и тлеют. При удалении источника огня или высокой температуры горение и тление продолжается. К ним относят все незащищенные органические материалы.
Строительные материалы по-разному ведут себя под воздействием огня. Так, прочность гранита при нагревании до 200 °С возрастает и составляет 160 % от первоначальной. Затем при повышении температуры до 600 °С она становится равной первоначальной и при 800 °С прочность уменьшается и составляет всего 35 % от первоначальной.
Битумные мастики обладают высокой дымообразующей способностью. Температура их воспламенения составляет 340–350 °С, а самовоспламенение – происходит при 400–450 °С.
Огнеупорность – способность материалов выдерживать длительное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на следующие группы: огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огнеупорные выдерживают температуру 1580 °С и выше, тугоплавкие – 1350–1580 °С, легкоплавкие – менее 1350 °С.
К огнеупорным изделиям относят шамотные изделия изготовленные из огнеупорных глин с добавкой шамота, которые применяют для кладки доменных и мартеновских печей, печей для обжига цементного клинкера и др.
К тугоплавким изделиям относят тугоплавкий кирпич из тугоплавких глин, применяемый для футеровки тепловых установок.
К легкоплавким относят кирпич керамический, изготовленный из кирпичных глин и применяемый для кладки стен.
Радиационная стойкость и защитные свойства материалов. Радиационная стойкость – способность материала сохранять свою структуру и свойства при воздействии ионизирующих излучений. Под влиянием излучений в материале могут произойти глубокие изменения – переход от кристаллического состояния в аморфное.
Защитные свойства материалов определяются их способностью задерживать нейтронное и гамма-излучение. Они оцениваются по толщине слоя материала, который ослабляет величину ионизирующего излучения в два раза. Толщина слоя половинного ослабления излучения Т1/2 составляет для бетона 1 м, для свинца 0,18 м.
Для защиты от гамма-излучения применяются материалы повышенной плотности (особо тяжелые бетоны, свинец, грунт); от нейтронного излучения – вода и материалы, содержащие связанную воду (лимонитовая руда, бетоны с добавками бора, кадмия, лития).
Механические свойства
К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др. Их подробно изучают в курсе сопротивления материалов. Ниже излагаются общие понятия.
Прочность – способность материалов сопротивляться разрушению и деформации от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т.п. Оценивается она пределом прочности. Им называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.
Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр. Они определяются испытанием стандартных образцов на испытательных машинах.
Предел прочности при сжатии и растяжении Rсж (р), МПа, вычисляется как отношение усилия Рсж(р), Н, разрушающего материал, к площади поперечного сечения F, мм2:
Rcж(р) = Рсж(р) / F.
Предел прочности при изгибе Rи, МПа, вычисляют как отношение изгибающего момента М, Н· мм, к моменту сопротивления образца W, мм3:
Rи = М / W.
Каменные материалы хорошо работают на сжатие и значительно хуже (в 5–50 раз) на растяжение и изгиб. Другие материалы (металл, древесина, многие пластмассы) хорошо работают как на сжатие, так и на растяжение и изгиб.
Важной характеристикой материалов является коэффициент конструктивного качества. Это условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R, МПа, к его относительной плотности:
К.к.к. = R / d.
Коэффициент конструктивного качества для тяжелого бетона класса В25 равен 125; стали марки Ст5 – 46, древесины дуба при растяжении – 197. Материалы с более высоким коэффициентом конструктивного качества являются и более эффективными.
Упругость – способность материалов под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок. Упругость оценивается пределом упругости σуп, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, Pуп, Н, к площади первоначального поперечного сечения Fо, мм2:
σуп = Pуп / Fо.
К упругим материалам следует отнести некоторые стали, древесину, линолеум.
Пластичность – способность материалов изменять свои форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением. Пластичными материалами являются нагретый битум, глина/
Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.
Релаксация – способность материалов к самопроизвольному снижению напряжений при постоянном воздействии внешних сил. Это происходит в результате межмолекулярных перемещений в материале. Релаксация оценивается периодом релаксации – временем, за которое напряжение в материале снижается в е = 2,718 раза, где е – основание натурального логарифма. Период релаксации составляет от 1· 10-10 секунд для материалов жидкой консистенции и до 1· 1010 секунд (десятки лет) у твердых.
При нагружении конструкций происходит выравнивание напряжений в материале. В этом проявляется положительное действие релаксации. В предварительно напряженном железобетоне происходит снижение напряжения в арматуре. В этом проявляется отрицательное влияние релаксации.
Твердость – способность материалов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого материала.
Для разных материалов она определяется по разным методикам. Так, при испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из 10 минералов, расположенных в ряд, с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый минерал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий. Минералы расположены в следующем порядке: тальк или мел, гипс или каменная соль, кальцит или ангидрит, плавиковый шпат, апатит, полевой шпат, кварцит, топаз, корунд, алмаз.
Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, алмазного конуса или пирамиды. Твердость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твердость. Более твердые материалы меньше подвергаются истиранию в дорожных покрытиях, полах, трудоемкость же обработки повышается.
Истираемость – способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И, в г/см2, вычисляется как отношение потери массы образцом (m 1 – m 2), г, от воздействия истирающих усилий к площади истирания F, см2:
И = (m 1 – m 2) / F.
Определяется истираемость путем испытания образцов на круге истирания или в полочном барабане. Эта характеристика учитывается при назначении материалов для пола, лестничных ступеней и площадок, дорог. Материалы с малой истираемостью имеют высокую износостойкость.
Химические свойства
К химическим свойствам относят способность материалов к химическим превращениям при воздействии окружающей среды. Это коррозионная стойкость, адгезия, старение.
Коррозионная стойкость – способность материалов не разрушаться под воздействием агрессивных сред: кислот, щелочей, солей или газов. Кислото и щелочестойкостьминеральных материалов оценивается модулем основности Мо:
Mo = 
При малом модуле основности, когда в материале содержится повышенное количество кремнезема и глинозема, он более стоек в кислых средах.
При высоком модуле основности с преобладанием основных оксидов они более щелочестойки.
Высокую кислотостойкость имеют керамические материалы: плитки, трубы, кирпич. Цементные бетоны, материалы из карбонатных горных пород активно разрушаются кислотами.
Органические материалы битумы, пластмассы, древесина стойки при воздействии слабых кислот и щелочей.
Адгезия – свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Она характеризуется прочностью сцепления между материалами. Зависит от их природы, состояния поверхностей. Это свойство имеет важное значение при изготовлении композиционных материалов, бетонов, клееных конструкций.
Старение – свойство материала переходить из одного состояния в другое, изменяя свои свойства – уменьшать прочность, способность сопротивляться внешней агрессивной среде. Так, в результате старения битума асфальтобетон в дорожном покрытии становится более хрупким, образуются трещины.
Технологические свойства
К технологическим свойствам относится способность материалов подвергаться обработке. Для каменных материалов это пилимость, шлифуемость и др.; для бетонов – способность уплотняться; для древесины – способность обрабатываться пилящими и режущими инструментами, гвоздимость и т. п.
Эксплуатационные свойства
Эксплуатационные свойства характеризуют работу материала в сооружениях за расчетный срок эксплуатации. Большинство из них рассмотрены в предыдущих параграфах. Это атмосферостойкость, морозостойкость, огнестойкость, огнеупорность, радиационная стойкость, истираемость, коррозионная стойкость, старение и другие. Долговечность и износ рассмотрены ниже.
Долговечность – способность материала или изделия сохранять свои свойства в конструкции в течение запроектированного срока эксплуатации в определенных условиях.
Долговечность материалов и конструкций из них зависит от многих факторов. В качестве примера можно привести железобетонные конструкции, на долговечность которых оказывают влияние нарушение правил эксплуатации, истирание и износ, замораживание и оттаивание, влияние газо-воздушной среды, выщелачивание, химическое воздействие веществ, коррозия арматуры и др.
Нормативный срок службы металлических железнодорожных мостов составляет 100 лет.
Для первой группы жилых зданий (нормативный срок эксплуатации 150 лет) срок службы для железобетонных и бетонных фундаментов, кирпичных стен толщиной в 2,5–3,5 кирпича, железобетонных перекрытий устанавливается 150 лет, для паркетных полов – 50 лет, полов из линолеума – 20 лет, кровли из керамической черепицы 80 лет, кровли из рулонных материалов – 12 лет.
Физический износ зданий и сооружений характеризуется частичной или полной потерей элементами здания и сооружения своих первоначальных технических и эксплуатационных свойств. Под воздействием физико-механических и химических факторов конструктивные элементы здания и сооружения изнашиваются, снижаются их эксплуатационные свойства. При физическом износе здания на 70 % они подлежат сносу по ветхости.
На физический износ оказывают влияние многие факторы, важнейшим из которых является качество применяемых материалов и соответствие их условиям эксплуатации.
Экологические свойства
В общем объеме загрязнения окружающей среды большой процент приходится на строительную индустрию. Добыча сырья, его переработка, эксплуатация зданий и сооружений сопровождается засорением природы.
Необходимо учитывать экологические свойства материалов, которые могут отрицательно влиять на жизнедеятельность человека. Например нельзя применять внутри жилых зданий древесину, пропитанную маслянистыми антисептиками – каменноугольным и сланцевым пропитанными маслами из-за их высокой токсичности Асбестоцементные изделия нельзя применять без защитных покрытий. Пигменты, содержащие соединения свинца, меди, мышьяка могут вызывать отравление. Лакокрасочные материалы с этими пигментами для внутренней окраски жилых зданий не применяют. Радиоактивное воздействие может вызвать лучевую болезнь.
Радиоактивность –способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра, сопровождающиеся испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.
Существуют следующие основные виды излучения у неустойчивых изотопов α-, β-, γ-излучения. Большой проникающей способностью обладают γ-лучи. Они проходят через слой свинца в 5 см. Эти излучения воздействуют на человека. Разработаны предельно допустимые нормы доз облучения, не приносящие ощутимого вреда здоровью.
Основными естественными радионуклидами природного происхождения, содержащихся в строительных материалах (щебне, гравии, песке, цементе, гипсе и др.); строительных изделиях; материалах из природного камня; кирпиче; побочных продуктах основного производства, используемых в качестве строительных материалов или сырья для их производства, является радий (226 Rа), торий (232 Тh), калий (40 К). Радиоактивность этих нуклидов оценивается удельной активностью А, равной активности радионуклида в образце к массе образца, Бк/кг.
Активность нуклида в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в 1с.
Единица активности в СИ – беккерель (Бк) – это активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада.
Радиоактивность материала оценивается по удельной эффективной активности естественных радионуклидов Аэфф, Бк/кг, с учетом их биологического воздействия на организм человека:
Аэфф = АRа + 1,31 АТh + 0,085 АК,
где АRа, АТh, АК – удельные активности радия, тория, калия, Бк/кг.
Область применения материалов регламентируется стандартом и принимается по таблице 1.2
Таблица 1.2 – Критерии для принятия решения об использовании строитель-
Ных материалов
| Удельная эффективная активность Аэфф, Бк/кг | Класс материала | Область применения |
| До 370 | I | Все виды строительства |
| От 370 до 740 | II | Дорожное строительство в пределах населен-ных пунктов и зон перспективной застройки, строительство производственных сооружений |
| От 740 до 1500 | III | Дорожное строительство вне населенных пунктов |
| Св. 1500 до 4000 | IV | Вопрос об использовании материала решается по согласованию с Госкомсанэпиднадзором |