Строительные материалы и конструкции 1 страница

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И

КОНСТРУКЦИИ

Методические указания к практическим занятиям

Саратов 2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ

Методические указания к практическим занятиям

по курсу «Строительные материалы и конструкции»

для студентов направления «Экономика» по профилю «Экономика

предприятий и организаций (в строительстве)»

Саратов – 2015

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта

запрещено.

Составители: Зинченко Сергей Михайлович

Под редакцией: А. В. Страхова

Рецензент Д. К. Тимохин

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Научно-техническая библиотека СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Регистрационный

номер -

© Саратовский государственный

технический университет имени Гагарина Ю.А., 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ……………………………………………………………….
Введение ……………………………………………………………………
1. Общие технические свойства строительных материалов ……………
2. Минеральные вяжущие вещества ……………………………………..
3. Бетоны …………………………………………………………………...
4. Железобетонные изделия и конструкции ……………………………..
5. Керамические изделия ………………………………………………….
6. Силикатные изделия автоклавного твердения ………………………..
7. Строительные материалы и изделия из стекла ………………………..
8. Теплоизоляционные материалы и изделия ……………………………
9. Древесные строительные материалы и изделия ………………………
Контрольные задания ……………………………………………………...
Список основной и дополнительной литературы ……………………….

ПРЕДИСЛОВИЕ

Программа предмета «Строительные материалы и конструкции» предусматривает изучение свойств строительных материалов, изделий и конструкций, применяемых в гражданском и промышленном строительстве, определение их качества, основ технологии различных строительных материалов и области их применения.

Строительные материалы служат основой строительства. Затраты на материалы составляют более половины общей стоимости строительно-монтажных работ. Глубокое знание свойств строительных материалов позволяет правильно выбрать необходимый материал с учётом его качественных показателей, конкретных условий применения и стоимости.

Программа предусматривает изучение студентами теоретической части курса и выполнения практических заданий, а также самостоятельную работу. При изучении предмета студенты должны пользоваться как дополнительной литературой (указана ниже), так и специальной технической, в том числе периодической печатью и нормативной документацией.

ВВЕДЕНИЕ

Во введении студент знакомится с назначением строительных материалов. Кроме того, студент должен усвоить краткие исторические сведения о развитии теории и практики производства и применения строительных материалов, а также ознакомиться с новейшими достижениями науки и техники в этой области.

Строительные материалы – это природные и искусственные мате­риалы и изделия, используемые при строительстве и ремонте зданий и сооружений. Различают строительные материалы общего (цемент, бетон, древесина) и специального назначения (акустические, теплоизоляционные, огнеупорные материалы). На каждый строительный материал имеется ГОСТ или ТУ, в которых даются определение материала, важнейшие требования, предъявляемые к нему, методы испытаний, правила транспортирования, приёмки и хранения. Стандарт имеет силу закона и соблюдение его обязательно.

В строительстве используют большое количество разнооб­разных материалов.

По назначению строительные материалы подразделяются на следующие группы:

– вяжущие строительные материалы: воздушные и гидравлические вяжущие (цементы, известь, гипс);

– стеновые материалы – ограждающие конструкции (естественные каменные материалы, керамиче­ский и силикатный кирпич, бетонные, гипсовые и асбестоце­ментные панели и блоки, ограждающие конструкции из стекла и силикатного ячеистого и плотного бетона, панели и блоки из железобетона);

– отделочные материалы и изделия (керамические изделия, изделия из архитектурно-строительного стекла, гипса, цемента, изделия на основе полимеров, естественные отделоч­ные камни);

– тепло- и звукоизоляционные материалы и изделия (мате­риалы и изделия на основе минеральных волокон, стекла, гипса, силикатного вяжущего и полимеров);

– гидроизоляционные и кровельные материалы (материалы и изделия на основе полимерных, битумных и других связую­щих, асбестоцементный шифер и черепица);

– герметизирующие (мастики, жгуты и прокладки для уплотнения стыков в сборных конструкциях);

– заполнители для бетона (естественные, из осадочных и изверженных горных пород в виде песка и щебня (гравия), и ис­кусственные пористые);

– штучные санитарно-технические изделия и трубы.

Классификация строительных материалов по назначению по­зволяет выявить наиболее эффективные материалы, определить их взаимозаменяемость и после этого правильно составить ба­ланс производства и потребления материалов.

По виду исходного сырья строительные материалы делят на

– природные (минеральные и органические), получают непосредственно из недр земли или путём переработки, не изменяя их внутреннего строения, хи­мического и вещественного состава;

– искусственные (минеральные и органические), разделяются по главному признаку их отвердевания (формирования структур­ных связей) на:

– безобжиговые – материалы, отвердевание которых проис­ходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов, а также мате­риалы, отвердевание которых происходит в условиях автоклавов при повышенных температуре и давлении;

– обжиговые – материалы, формирование структуры кото­рых происходит в процессе их термообработки в основном за счёт твёрдофазовых превращений и взаимодействий.

Указанное деление является отчасти условным, ибо не всегда возможно определить чёткую границу между материалами.

Для сравнения различных видов материалов друг с другом основ­ным критерием служат их технические свойства. Анализируя показатели технических свойств, можно сравнивать металл и древесину, бетон и кирпич, цемент и известь и др.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите данные о достижениях науки в области развития производства строительных материалов.

2. Какова особенность индустриального строительства?

3. Общие требования к строительным материалам.

4. Классификация строительных материалов.

1. ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

От специалиста требуется умение правильно оценить и выбрать материал, наиболее технически целесообразный и экономически рен­табельный в данных условиях его эксплуатации. Для этого необходимо знать технические свойства строительных материалов.

Оценка технических свойств и сравнение материалов между собой возможны по показателям и параметрам, которые получаются при испытаниях материалов. Каждый строительный материал должен удовлетворять определённым техническим требованиям ГОСТа или ТУ. При изучении свойств строительных материалов необходимо обратить внимание на взаимосвязь между показателями технических свойств строительных материалов.

Плотностью называется масса единицы объёма материала. Чтобы вычислить плотность ρ (г/см³; кг/м³), надо знать массу материала т (г; кг) и его объем V (см³; м³):

ρ = m / V,

(1)

Истинной плотность ρ_и называют плотность того вещества, из которого состоит материал. При расчёте ρ_и объем материала вычисляют без пор и пустот. Истинная плотность – физическая константа вещества.

Средней плотность ρ_ср называют плотность материала, когда при её расчёте берётся его полный объем в естественном состоянии, включая поры и пустоты.

Насыпная плотность ρ_нас характеризует отношение массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объёму, включая и пространства между частицами.

Пористость – степень заполнения объёма материала пора­ми. Исходя из определения, пористость П (%) можно рассчи­тать по следующей формуле:

П = [(Vест – Vтв) / Vест]× 100,

(2)

где V_ест – объем материала в естественном состоянии, см³; V_тв – объем материала в абсолютно плотном состоянии (объём твёрдого вещества в материале).

На практике пользуются другими формулами. Если естествен­ный объем материала V_ест и объем твёрдого вещества в нем V_тв выразить через массу материала m и среднюю ρ_ср и истинную ρ_и плотности V_ест = m/ρ_ср; V_тв = m/ρ_и, то формула для расчёта порис­тости (%) примет вид:

П = [(m/ρср – m/ρи / (m/ρср)]× 100 = [(ρи – ρср) / ρи]× 100,	(3)
П = (1 – ρнас / ρи) × 100, П = (1 – ρср / ρи) × 100,	(4)

При расчётах значения ρ_и и ρ_ср необходимо выражать в одних единицах – г/см³ или кг/м³.

Влажность – содержание влаги в материале в данный кон­кретный момент, отнесённое к единице массы материала в су­хом состоянии. Влажность В_л (%) определяют по формуле:

Вл = [(m1 – m2) / m2]× 100,

(5)

где m₁ – масса материала в естественно-влажном состоянии, г; m₂ – масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Водопоглощение – способность материала поглощать неко­торое количество влаги и удерживать его в своих порах. Водопоглощение характеризуется максимальным количеством воды, по­глощаемым образцом материала при выдерживании его в воде в течение заданного времени, отнесённого к массе сухого образца (водопоглощение по массе W_m) или к его объёму (объёмное водопоглощение W_v). Водопоглощение W_m и W_v (%) определяют по следующим формулам:

Wm = [(m1 – m2) / m2]× 100,	(6)
Wv = VH2O / Vест,= [(m1 – m2) / ρH2O ] × (ρср / m2) = Wm (ρср / ρH2O),	(7)

где m₁ – масса материала в насыщенном водой состоянии, г; m₂ – масса сухого материала, г; V_ест – объем материала в сухом состоянии, см³; ρ_H2O – плотность воды, равная 1 г/см³.

Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения. Испытание строительных материалов на морозостойкость заключается в цикличном попеременном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии и определении потери материалом массы и прочности.

Морозостойкость материала количественно оценивается маркой, за которую принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцом.

Материал считают выдержавшим испытание, если в результате опыта потери массы и прочности образцов не превышают величин, установленных стандартами на эти материалы.

Коэффициент морозостойкост и – это отношение прочности образца материала или горной породы в водонасыщенном состоянии после испытания на многократное замораживание и оттаивание (на морозостойкость) к прочности образца до испытания. Материалы, имеющие коэффициент морозостойкости более 0,75 относят к морозостойким.

Теплопроводность – способность строительного материала передавать сквозь свою толщу тепловой поток, образующийся вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих этот материал. Теплопроводность численно характеризуется величиной коэффициента теплопроводности, Вт/(м × ºС), который равен количеству тепла в Дж, проходящему через стенку материала толщиной в 1 м и площадью в 1 м² за 1 ч (3600 с) при разности температур на противоположных поверхностях стенки в 1 ºС:

,

(8)

где Q – количество тепла, прошедшее через стенку, выполненную из испытываемого материала, Дж; L – толщина стены из испытываемого материала (толщина образца), м; S – площадь сечения, через которое передаётся тепло, м²; z – время прохождения теплового потока, с; Δt – разность температур на противоположных сторонах проводника тепла, ºС.

Теплопроводность можно определить расчётным методом. Так, теплопроводность стекла может быть достаточно точно рассчитана по обычной аддитивной формуле:

λ = ∑λi∙Pi = λ1∙P1 + λ2∙P2 + … + λn∙Pn,

(9)

где P₁, P₂ … P_n – содержание в стекле каждого из оксидов (% по массе),

λ₁, λ₂ … λ_n – удельные коэффициенты теплопроводности соответствующих оксидов в стекле.

От величины теплопроводности материала зависит термосопротивление, (м² × ºС)/Вт, тепловому потоку стенки из этого материала:

,

(10)

где δ – толщина стенки, через которую проходит тепло, м; λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м × ºС).

Низкое значение теплопроводности является положительной характеристикой для стеновых и теплоизоляционных строительных материалов, так как позволяет повысить величину термосопротивления конструкций без увеличения их толщины.

Огнестойкость – способность материала выдерживать без разрушений одновременное действие высоких температур. Пределом огнестойкости конструкции называется время в часах от начала огневого испытания до появления одного из следующих признаков: сквозных трещин, обрушения, повышения температуры на необогреваемой поверхности. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые, сгораемые.

Огнеупорность – способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на огнеупорные, которые выдерживают действие температур от 1580 ºС и выше; тугоплавкие, которые выдерживают температуру 1360…1580 ºC; легкоплавкие, выдерживающие температуру ниже 1350 ºС.

Прочностью называют способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами.

Прочность оценивают пределом прочности, который условно равен максимальному напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала. Предел прочности определяют при данном виде деформации (сжатии, растяжении, изгибе).

Предел прочности при сжатии и растяжении R_сж (МПа; кг∙с/см²), вычисляется как отношение нагрузки, разрушающей материал Р (Н, кг), к площади поперечного сечения F (см²):

,

(11)

Предел прочности при изгибе R_изг отдельного образца вычисляют по формуле:

– при одной сосредоточенной нагрузке, приложенной посередине пролёта:

,

(12)

– при двух сосредоточенных нагрузках, расположенных симметрично оси пролёта:

,

(13)

где Р – наибольшая нагрузка, установленная при испытании образца, Н (кг∙с); l – расстояние между осями опор, м (см); b – ширина образца, м (см); h – высота образца посередине пролёта, м (см).

В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. В нормативных документах марка указывается в кг∙с/см², например, марки портландцемента М300, М400, М500, М550, М600. Единая шкала марок охватывает все строительные материалы.

Важной характеристикой материалов является коэффициент конструктивного качества (к.к.к.). Это условная величина, которая равна отношению предела прочности R материала к его объёмному весу γ₀ (средней плотности) и характеризует прочностную эффективность:

,

(14)

Твёрдость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твёрдого материала.

Истираемость – способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И (г/см²) можно рассчи­тать по формуле:

,

(15)

где m₁ – масса образца до истирания, г; m₂ – масса образца после истирания, г; F – площадь истирания, см².

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, то есть его способность сохранять прочность при увлажнении. Этот коэффициент может изменяться от нуля (полностью размокающие материалы, например, необожжённые глиняные материалы) до величины, близкой к единице (сталь, стекло, гранит). Водостойкими считаются материалы, коэффициент размягчения которых ≥0,8. Такие материалы применяют в местах с повышенной влажностью, без специальных мер по защите их от увлажнения.

Коэффициент размягчения К_р вычисляют по формуле:

Кр = Rнас / Rсух,,

(16)

где R_нас – предел прочности при сжатии водонасыщенного материала, Н/м²; R_сух – предел прочности при сжатии сухого материала, Н/м².

Вопросы для проверки

1. В чем различие между истинной и средней плотностью?

2. От каких факторов зависит истинная плотность?

3. Что такое пористость материала?

4. Что такое влажность и водопоглощение?

5. Как изменяются свойства материалов от влажности? Что такое коэффициент размягчения?

6. Что такое морозостойкость и каковы методы её определения?

7. Чем оценивается морозостойкость?

8. Что называется теплопроводностью?

9. Что такое огнестойкость и огнеупорность?

10. Что такое твёрдость и истираемость?

11. Что такое прочность? От каких факторов зависит прочность материала?

12. Что такое предел прочности?

13. Какие материалы имеют высокие прочностные показатели на сжатие и изгиб? Марки по прочности.

14. Какое свойство материала характеризует коэффициент размягчения?

Номер варианта задачи выбирается в соответствии с порядковым номером в журнале.

Задача 1.1

Образец имеет размеры a × b × c, масса его составляет m. Определить его среднюю плотность.

Вариант
a, мм
b, см					25,7
c, м	0,05	0,15	0,2	0,1	0,36
m, кг	0,05	0,11	1,875	2,53	8,54

Задача 1.2

Образец имеет размеры a × b × c, масса его m₁. После насыщения водой его масса увеличилась до m₂. Вычислить водопоглощение по объёму и массе.

Вариант
a, мм
b, см		10,6	8,1
c, м	0,02	0,09	0,12	0,15	0,03
m1, г
m2, кг	0,25	0,701	1,13	3,943	0,532

Задача 1.3

Определить предел прочности при сжатии образца размером a × b × c, если разрушающая нагрузка составила P.

Вариант
a, мм
b, см
c, м	0,07	0,1	0,15	0,15	0,2
P, кг

Задача 1.4

Определить истираемость образца размером a × b × c, если масса его до испытания m₁, после испытания m₂.

Вариант
a, мм
b, см		10,6	17,3
c, м	0,02	0,02	0,02	0,03	0,03
m1, г	220,5		874,2
m2, кг	0,211	0,34	0,868	0,983	1,442

2. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Минеральные вяжущие веще­ства – это порошки, полученные в результате тонкого помола обожжённых природных каменных материалов. При затворении вяжущего водой образуется клейкая пластичная масса (тесто), способная затвердевать в воздушных условиях, а после затвердения набирать прочность во времени в результате физико-химических процессов.

Минеральные вяжущие вещества в зависимости от их основного свойства затвердевать и длительно противостоять воздействию различных факторов окружающей среды делят на две основные группы: воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что, будучи смешаны с водой, затвердевают и длительно сохраняют прочность лишь в воздушно-сухих условиях. При систематическом увлажнении бетоны, изделия и конструкции на воздушных вяжущих сравнительно быстро теряют прочность и разрушаются. К числу воздушных вяжущих веществ относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, воздушная известь и растворимое (жидкое) стекло.

Гидравлические вяжущие вещества отличаются тем, что после затворения водой и предварительного твердения на воздухе способны в последующем набирать прочность, как в воздушной, так и в водной среде. К ним относятся гидравлическая известь и многие разновидности цементов.

Изучение каждого вяжущего вещества следует проводить по сле­дующей схеме.

1. Исходное сырье и технология производства.

2. Состав вяжущего и процесс твердения после затворения.

3. Свойства вяжущего.

4. Правила хранения и транспортирования.

5. Применение вяжущего в строительстве с учётом экономической эффективности.

Для правильного выбора тех или иных вяжущих в конкретных целях необходимо изучить их состав и свойства, уметь определять их качество и делать заключение об их соответствии техническим требованиям.

Строительным гипсом называется воздушное вяжущее вещест­во, полученное путём термическое обработки при 120…180 ºС природного гипсового камня, измельчённого до или после этой обработки.

Гипсовые вяжущие вещества условно разделяют на строительный, формовочный, высокообжиговый (эстрихгипс) и высокопрочный гипсы.

Гипс строительный является продуктом обжига тонкоизмельчённого двуводного гипса.

Гипс формовочный состоит также из полугидрата сульфата кальция, отличаясь от гипса строительного большей тонкостью помола.

Гипс высокопрочный является продуктом тонкого помола α-полугидрата, получаемого в результате тепловой обработки в условиях, в которых вода из гипса выделяется в капельно-жидком состоянии. Такие условия возможны в автоклаве в среде насыщенного пара при давлении 0,15…0,3 МПа.

Гипс высокообжиговый (эстрихгипс). При температурах обжига (800… 950 ºС) помимо обезвоживания гипсового сырья происходит и частичная термическая диссоциация с образованием СаО, активизирующим химическое взаимодействие вяжущего с водой и ускоряющим процессы твердения. Предел прочности при сжатии таких вяжущих составляет 10…20 МПа, а водостойкость несколько выше, чем строительного гипса.

В соответствии с ГОСТ 125-79**(СТ СЭВ 826-77) в зависимости от предела прочности на сжатие различают следующие марки гипсовых вя­жущих: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25.

Минимальный предел прочности каждой марки вяжущего должен соответствовать значениям, приведённым в табл. 1.

Таблица 1

Марка вяжущего	Прочность образцов-балочек размерами 40×40×160 мм в возрасте 2ч., не менее
При сжатии, МПа (кг/см^2)	При изгибе, МПа (кг/см^2)
Г-2	2 (20)	1,2 (12)
Г-3	3 (30)	1,8 (18)
Г-4	4 (40)	2,0 (20)
Г-5	5 (50)	2,5 (25)
Г-6	6 (60)	3,0 (30)
Г-7	7 (70)	3,5 (35)
Г-10	10 (100)	4,5 (45)
Г-13	13 (130)	5,5 (55)
Г-16	16 (160)	6,0 (60)
Г-19	19 (190)	6,5 (65)
Г-22	22 (220)	7,0 (70)
Г-25	25 (250)	8,0 (80)

В зависимости от сроков схватывания различают гипсовые вяжущие, приведённые в табл. 2.

Таблица 2

Вид вяжущего	Индекс сроков твердения	Сроки схватывания мин.
Начало, не ранее	Конец, не позднее
Быстротвердеющий	А
Нормальнотвердеющий	Б
Медленнотвердеющий	В		не нормируется

Дата добавления: 2015-12-07