Министерство путей сообщения Российской Федерации

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Строительные материалы и технологии»

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра "Строительные материалы и технологии"

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Санкт-Петербург

УДК 691.02 ББК НЗ

Изложены положения по углубленному изучению курса "Строительные материалы и технологии" и выполнению лабораторных работ по определению основных физических и механических свойств строительных материалов в соответствии с указаниями государственных стандартов.

Предназначены для студентов строительных специальностей всех форм обучения.

Методические указания разработала Т.М.ПЕТРОВА.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В современном строительстве применяются материалы, характери­зуемые разнообразными свойствами, составом и структурой. Каждый вид материала или изделия должен соответствовать определенным требовани­ям, предъявляемым условиями эксплуатации, технологией производства работ, эстетикой и т.п. По сходным признакам все строительные материа­лы делят на группы. В качестве классификационных признаков выбирают: производственное назначение строительных материалов, вид исходного сырья, основной показатель качества. В настоящее время в классификации учитывают также и функциональное назначение, например, теплоизоляци­онные материалы, акустические и др. Одни материалы по происхождению относятся к природным, другие - к искусственным.

Исходя из условий работы материала в сооружении строительные материалы можно разделить по назначению на две группы.

Первую группу составляют материалы универсального типа, при­годные для несущих конструкций: природные каменные материалы; ис­кусственные каменные материалы, получаемые на основе вяжущих ве­ществ без обжига (бетоны, строительные растворы); получаемые обжигом минерального сырья (керамика, стекло, ситаллы); металлы (сталь, чугун, алюминий, сплавы); конструкционные пластмассы (стеклопластики и др.); лесные материалы и др.

Вторая группа объединяет строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредного влияния среды, а также для повышения эксплуатационных свойств материалов и ч конструкций: теплоизоляционные; акустические; гидроизоляционные;

кровельные и герметизирующие; отделочные; антикоррозионные; огне­упорные; материалы для защиты ог радиационных воздействий и др.

Каждый материал обладает разнообразными свойствами, опреде­ляющими область его рационального применения и возможность сочета­ния с другими материалами.

2. СВЯЗЬ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Свойства материалов в значительной мере связаны с особенностями их строения и со свойствами тех веществ, из которых состоит данный ма-

тсрнал. В свою очередь строение, например природных материалов, зави­сит от их происхождения и условий образования, искусственных материа­лов - от технологии производства и их обработки

Строение материала изучают на трех уровнях:

- на уровне макроструктуры (строение, видимое невооруженным гла­зом);

- микроструктуры (строение, видимое в оптический микроскоп);

- внутреннего строения веществ, составляющих материал, на моле­кулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-структурного ана­лиза, электронной микроскопии и др.

Макроструктура твердых строительных материалов может быть не­скольких типов, конгломератная (бетоны, керамические материалы и др.), ячеистая (газо- и пенобетоны, ячеистые пластмассы), мелкопористая (керамические материалы, поризованные способами высокого водозатворения и введением выгорающих добавок), волокнистая (древесина, стек­лопластики, изделия из минеральной ваты и др.), слоистая (рулонные, лис­товые, плитные материалы), рыхлозериистая (заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные материалы для мастичной теплоизоляции, засыпок и др.).

Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллической и аморфной. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ определяет и различие их свойств. Кристапическая форма вещества является более устойчивой, обладающей, как правило, большей прочностью, имеющей определенную температуру плавления и др. Неодинаковые свойства могут наблюдаться у кристаллических мате­риалов одного и того же состава, если они формируются в разных кристал­лических формах, называемых модификациями (явление полиморфизма) Например, полиморфные превращения кварца сопровождаются измене­ниями объема. Изменением свойств материала путем изменения кристал­лической решетки пользуются при термической обработке металлов (закалке, отпуске).

Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же строения, при нагревании они размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние. Для повышения их прочности можно проводить специ­альную кристаллизацию (получение, например, ситаллов, шлакоситаллов).

Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определя­ет механическую прочность, твердость, тугоплавкость и другие свойства материалов.

Кристаллические вещества различают по характеру связи между час­тицами, образующими пространственную кристаллическую решетку’. Она 4

может быть образована нейтральными атомами (одного и того же элемента - как в алмазе, различными элементами - как в 81О2); ионами (разноименно заряженными - как в СаСОз, одноименными - как в метал­лах), целыми молекулами (кристаллы льда).

Ковалентная связь обычно осуществляется электронной парой, об­разуется в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) и в кристаллах со­единений (кварц, нитриды и др.). Ионные связи образуются в кристаллах материалов, в которых связь имеет преобладающий ионный характер (гипс, ангидрид и др.). В сложных кристаллах, встречающихся в строительных материалах, присутствуют и ковалентная, и ионная связи (кальцит, полевые шпаты и др.).

Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им мо­лекулярные связи образуются преимущественно в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг около друга сла­быми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (например, кристаллы льда).

Строительные материалы характеризуются химическим, минераль­ным и фазовым составами.

Химический состав позволяет судить о ряде свойств материала: ог­нестойкости, биостойкости, прочности. В зависимости от химического со­става все материалы делят: на органические (древесные, битум, пластмассы и т.п.), минеральные (бетон, цемент, кирпич, природный камень и т.п.), метаны (сталь, чугун, алюминий и т.п.). Химический состав материалов часто выражают количеством содержащихся в них оксидов (в процентах). Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, характе­ризующие минеральный состав материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количе­стве содержатся в вяжущем веществе или каменном материале. Зная мине­ралы и их количество в материале, можно судить о его свойствах.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящейся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации.

В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т е. "каркас" материала, и поры, заполненные воздухом или водой.

Свойства материалов оцениваются количественно, т.е. по числовым показателям, устанавливаемым путем испытания по специальным методи­кам. предусмотренным государственными стандартами (ГОСТами) или техническими условиями (ТУ) на данный материал.

Физические свойства определяются особенностями физического со­стояния данного материала или отношением материала к различным физи-

ческим процессам. К основным физическим свойствам относятся: плот­ность, пористость, водопоглощение, влажность, гигроскопичность, водо­стойкость, водонепроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, те­плоемкость, огнестойкость, огнеупорность, паро- и газопроницаемость, звукопроницаемость.

Физико-химические свойства характеризуют влияние физического состояния материапа на протекание определенных процессов.

Химические свойства определяют особенности данного материала к химическим реакциям или его способность противостоять химическому воздействию веществ, с которыми он вступает во взаимодействие.

Механические свойства характеризуют способность материалов со­противляться разрушению и деформированию под действием внешних сил.

Технологические свойства характеризую! способность материала к восприятию некоторых технологических операций, изменяющих состояние материала, структуру его поверхности, придающих нужную форму и раз­меры (дробимость, распиливаемость, гвоздимость, шлифуемостьит.п.).

3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Свойства, характеризующие особенности физического состояния материалов

Физическое состояние строительных материалов достаточно полно характеризуется истинной и средней плотностью и пористостью.

Истинная плотность материала, г/см³, кг/м' - масса единицы объ­ема материала в абсолютно плотном состоянии (без пор)

где т - масса материала г, кг;

У_Л - объем материала в абсолютно плотном состоянии, см\ м³

V - V - V

а II >

где V- объем материала в естественном состоянии;

У_П~ объем заключающихся в нем пор.

Для определения истинной плотности пористого материала необхо­димо его измельчить до частиц, размер которых был бы меньше размера

пор, присущих данному веществу. Суммарный объем таких частиц равен
объему материала в "абсолютно" плотном состоянии.

Методика определения истинной плотности материала Измельчен-
ный материал просеивают через сито № 02, размер отверстий которого ра-
вен 200 мкм, высушивают при / ~ 110+5 °С до постоянной массы и охлаж-
дают до комнатной температуры в эксикаторе над серной кислотой или над
безводным хлористым кальцием. От подготовленного порошка берут на-
веску 60-70 г, которую взвешивают с точностью до 0,01 г.

Для определения суммарного объема частиц порошка применяют
мерную колбу Ле-Шателье-Кандло, представляющую собой стеклянный
сосуд емкостью 120-150 см³ с узким длинным горлышком, расширяющим-
ся в средней части. Выше верхней черты нанесены деления, одно деление
соответствует 0,1 см' объема. Прибор наполняют до нижней черты жидко-
стью, инертной по отношению к испытуемым материалам (чаще всего ке-
росином). Затем колбу помешают в стеклянный сосуд с водой, имеющей
температуру 20 °С (температура, при которой градуировалась его шкала)
(рис. 3.1). Отвешенную порцию порошка постепенно всыпают в колбу.

Разность между конечным и начальным
уровнями жидкости в приборе показы-
вает объем порошка, всыпанного в при-
бор. Остаток порошка взвешивают.

Масса порошка, всыпанного в прибор,
будет равна разности между результата-
ми первого и второго взвешивания.

Истинную плотность материала р
определяют по формуле

(3.2)

где т - навеска материала до опыта, г;

т1 - остаток от навески, г; Рис. 3.1 Прибор для определения истенной

V - объем жидкости, вытесненной плотности материалов

/ - колба Ле-Шателье-Кандло; 2 - со-

навескои материала, см.

суд с водой, 3 - штатив,4 - термометр

Истинную плотность материала вычисляют с точностью до 0,01 г/см ' как среднее арифметическое двух определений, расхождение между кото­рыми не должно превышать 0,02 г/см '.

Результаты определения истинной плотности материала записывают в журнал для лабораторных работ и сравнивают с данными, приведенными в 11риложении.

Средняя плотность, г/см³, кг/м³ - масса единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами)

где т - масса образца материала в естественном состоянии, г;

V_с - объем образца в естественном состоянии, см\

Значения средней плотности данного материала в сухом и влажном состоянии связаны соотношением:

где - количество воды в материале, доли от его массы.

Большая часть строительных материалов имеет поры. Чем их больше в единице объема материала, тем меньше его средняя плотность. Для жид­костей и материалов, получаемых из расплавленных масс (стекло, металл), средняя плотность по значению практически равна истинной плотности (см. Прил). От средней плотности материала в значительной мере зави­сят его физико-механические свойства, например прочность и теплопро­водность. Значение средней плотности материала используют при опреде­лении его пористости, массы и размера строительных конструкций и т.д.

При нахождении средней плотности материала можно использовать образцы как правильной, так и неправильной геометрической формы. От формы образца зависит метод определения плотности. Для образца непра­вильной геометрической формы сложно найти его объем При его опреде­лении применяют метод, основанный на вытеснении образцом из сосуда жидкости, в которую его погружают, для чего используют гидростатиче­ские весы (так называемые весы Архимеда) (рис. 3.2).

Определение средней плотности материала образца методом гидро­статического взвешивания. Сухой образец взвешивают на технических ве­сах, затем помешают его в воду до полного насыщения. Насыщенный во­дой образец взвешивают на воздухе и в воде на гидростатических весах. Для этого его подвешивают на тонкой нити к крючку приспособления, за­крепленного на левом конце коромысла гидростатических весов. Массу образца уравновешивают гирями, устанавливая их на правую чашу. После

(3.3)

(3.4)

этого образец погружают в емкость с водой так, чтобы он не касался сте­нок и дна (при этом равновесие весов нарушается). Весы снова уравнове­шиваю! и определяют массу образца в воде

Среднюю плотность образца вычисляют по формуле

т

Р„ =. (3-5)

-

где т - масса сухого образна, г;

- масса образца после насыщения водой, г;

- масса образца после насыщения водой на гидростатических весах, г.

Разность - соответствует объему испытуемого образца

Среднюю плотность материала находят как среднее арифметическое определения ее значений по трем-пяти образцам. Результаты испытаний сравнивают с данными, приведенными в прил. 1.

Насыпная плотность г/ кг/м³ - отношение массы материала в насыпном состоянии к его объему. Насыпную плотность определяют для зернистных или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированного шлака и т.п.). В ее величине отражается влияние не только пор в каждом зерне, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпном объеме материала.

Сухой материал насыпают с высоты 10 см в предварительно взве­шенный мерный сосуд известного объема Затем, не сдвигая сосуда, ли­нейкой срезают конус, сосуд с материалом взвешивают.

Насыпная плотность определяется по формуле

где т - масса мерного сосуда, г;

- масса мерного сосуда с материалом., г;

V - объем мерного сосуда, см³.

При транспортировке и хранении сыпучие материалы уплотняются, при этом значение их насыпной плотности оказывается на 15-30% выше, чем в рыхлонасыпном состоянии.

Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их размерам.

Пористость П - степень заполнения объема материала порами.

Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за единицу, или в процентах от объема.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости осно­ван на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или другой средой.

Экспериментально-расчетный метод определения пористости. Здесь используются найденные опытным путем значения истинной и средней плотности высушенного материала, входящие в формулу для вычисления пористости:

где П - пористость материала, %;

- средняя плотность, г/см³, кг/м³;

- истинная плотность, г/см³, кг/м³.

Пористость строительных материалов колеблется в широких преде­лах - от 0 до 98%.

Отношение называют коэффициентом плотности , или сте­пенью

заполнения объема материала твердым веществом.

Открытая пористость П₀ равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала V:

(3.7)

(3.8)

где - масса обрата соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии.

Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение ма­териала и ухудшают его морозостойкость.

Закрытая пористости равна:

= П-П₀. (3.10)

Увеличение закрытой пористости материала за счет открытой повы­шает его долговечность и уменьшает его теплопроводность. Однако, на­пример, в звукопоглощающих материалах открытая пористость необходи­ма для поглощения звуковой энергии.

Распределение пор по размерам характеризуется интегральной кри­вой распределения пор по их радиусам в единице объема материала и дифференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам.

От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, рав­номерности распределения пор по объему материала, их структуры - со­общающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материа­лов: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др.

3.2. Свойства, определяющие отношение материалов к различ­ным физическим процессам

Среди физических процессов наибольшее значение имеют воздейст­вия водной среды, тепловые воздействия, распространения звуковых волн, электротока, ядерных излучений и т.д.

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого ма­териала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Поглоще­ние влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым.

Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые мате­риалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высо­кой сорбционной способностью.

(3.9)

С повышением давления водяного пара (т е. с увеличением относи­тельной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорб­ционная влажность данного материала.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания. Высоту И поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюре- на:

h = (3.11)

где - поверхностное натяжение;

- краевой угол смачивания,

- радиус капилляра;

- плотность жидкости;

- ускорение свободного падения

Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому формула 3.11 годна лишь для качественного рассмотрения явления.

Объем воды, поглощенной материалом путем капиллярного всасы­вания за время t, в начальной стадии подчиняется параболическому закону

² = К·t (3.12)

где К - константа всасывания.

Уменьшение интенсивности всасывания, т.е. значения К, отражает улучшение структуры материала и повышение его морозостойкости.

Водопоглощением называется свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном соприкосновении с ней.

Водопоглощение строительных материалов определяют следующим образом: образцы высушивают до постоянной массы (т_с) при температуре 110±5 °С и охлаждают до комнатной температуры, после чего погружают в воду с (= 20±2 °С и выдерживают там до постоянной массы ()

Водопоглощение, определяемое погружением образцов материала в воду, характеризует в основном открытую пористость. При извлечении об­разца из воды она частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение обычно меньше пористости.

Водопоглощение определяют по объему и по массе. Водопоглоще­ние по объему W₀, %, (степень заполнения объема материала водой) вы­числяется по формуле:

(3 13)

Водопоглощение по массе %, определяют по отношению к массе сухого материала:

где и - масса материала соответственно в сухом и насыщенном во­дой состоянии.

Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может пре­вышать пористость

Водопоглощение используют для оценки структуры материала, при­влекая для этого коэффициент насыщения пор водой К„, равный отноше­нию водопоглощения по объему к пористости:

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в мате­риале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда = П.

Уменьшение (при тон же пористости) свидетельствует о сокра­щении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении моро­зостойкости.

При насыщении материала водой существенно изменяются его свой­ства, например, увеличивается плотность и теплопроводность, понижается прочность и морозостойкость.

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пре­делах: гранита - 0,02... 0,7%, тяжелого бетона - 2... 4%, кирпича - 8... 15% пористых теплоизоляционных материалов - 100% и больше.

Коэффициент размягчения К_р характеризует водостойкость материа­ла. Он определяется как отношение прочности материала, насыщенного водой МПа, к прочности сухого материала /?_с, МПа:

Его величина может изменяться от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы, фарфор, стекло и др.).

Природные и искусственные каменные материалы не применяют для изготовления строительных конструкций, находящихся в воде, если их ко­эффициент размягчения меньше 0,8.

(3.14)

С

(3.16)

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее п течение 1 с через 1 м" поверхности материала при заданном давлении воды. Методика определения водопроницаемости зависит от раз­новидности материала и его назначения. Водопроницаемость зависит от плотности и строения материала Чем больше в материале пор и чем они крупнее, тем больше его водопроницаемость.

Водопроницаемость можно характеризовать коэффициентом фильт­рации Кф, м/ч:

^Кф = /[S( t] (^31?)

численно равен количеству воды, прошедшей через стенку площадью S= 1 м^:, толщиной а = 1 м за время t = 1 ч при разности гидро­статического давления на границах стенки = 1мм вод.ст Коэффи­циент фильтрации имеет размерность скорости.

Водонепроницаемость материала (например, бетона) характеризу­ется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепрони­цаемости имеется определенное соотношение: чем ниже Кф, тем выше марка по водонепроницаемости.

Влагоотдача - свойство, характеризующее скорость высыхания ма­териала при наличии соответствующих условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха).

Влагоотдача обычно характеризуется количеством воды, которое ма­териал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60% и темпе­ратуре 20 °С.

Влажностные деформации - изменение размеров и объема мате­риала при изменении его влажности. Уменьшение размеров и объема мате­риала при его высыхании называют усадкой (усушкой). Она вызывается уменьшением толщины слоя воды, окружающего частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных изменений. Различают линейную и объемную усадку.

Высокопористые материалы, способные поглощать много воды, ха­рактеризуются большой усадкой (табл. 3.1).

Набухание происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их

Таблица 3.1

Линейные усадочные деформации некоторых строительных материалов

Вид материала	Усадка, мм/м
Древесина (поперек волокон)	30-100
Ячеистый бетон	1-3
Строительный раствор	0,5-1,0
Кирпич керамический	0,03-0,1
Тяжелый бетон	0,3-0,7
Гранит	0,02-0,06

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто
встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформа-
циями усадки и набухания Такие многократные циклические воздействия
нередко вызывают появление трещин, ускоряющих разрушение. В подоб-
ных условиях находятся, например, бетон в дорожных покрытиях, наруж-
ных частях гидротехнических сооружений, деревянные конструкции и т.д.

Деформации усадки или набухания можно измерять рядом различ-
ных по конструкции приборов.

Чаще всего ведут определение усадки и набухания с помощью инди-
катора часового типа на образцах в виде призм (рис. 3.3).

Обычно индикаторы такого типа
имеют две шкалы. На одной из них
(малой) нанесены деления, соответст-
вующие целым миллиметрам, на боль-
шой - деления ценой 0,01 или 0,001 мм.

Полный оборот стрелки на большой
шкале соответствует одному делению
малой шкалы. Для обеспечения точно-
сти показаний индикатора в торцевые
грани образцов заделывают реперы
(чаще всего металлические пластины
или стержни с отверстием). Образцы ус-
танавливают вертикально так, чтобы
один из реперов вошел в фиксатор пли-

ты прибора, центрируют, приводят дру- Рис. 3.3. Схема установки для определения
гой репер в соприкосновение с ножкой деформаций образцов: 1-стойка,

индикатора, затем образец поворачивают 2- кронштейн, 3 - фикса­тор, 4 – нижняя опо-

несколько раз вокруг оси и снимают ра, 5-индекатор

6 - образец, 7 - репер

начальный отсчет по индикатору в мил­лиметрах. После этого прибор вместе с

образцом помешают в среду с определенными параметрами: чаще всего, как это предусмотрено стандартами ряда стран, при определении усадки

образцы хранят при относительной влажности воздуха 50±5%, а при опре­делении деформации набухания - при влажности 99% или в воде.

Относительные линейные деформации, мм/м, образцов за определен­ный период времени подсчитывают по формуле

(3 1*)

где - деформации образца;

- первоначальный отсчет, мм, сделанный в начале испытания образ­ца;

- - отсчет, мм. осуществленный при последующих измерениях образ­ца;

l - первоначальная длина образца, м.

По результатам определения строят графические зависимости.

Паропроницаемость и газопроницаемость - способность материа­ла пропускать через свою толщину водяной пар или газы (воздух). Паро- проницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, чис­ленно равным количеству водяного пара, проникающего через слой тол­щиной 1 м, площадью 1 м² в течение 1 с с разностью парциальных давле­ний пара в 133,3 Па Аналогичным коэффициентом оценивается и газопро­ницаемость. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазеля и Кнудсена. Ис­пользование закона Дарси-Пуазеля при небольших перепадах давления приводит к упрощенной формуле для определения массы газа

(плотностью р), прошедшего через стенку площадью 5, толщиной а, за время t при разности давлений на гранях стенки

V_р = Р/а (3.19)

Отсюда коэффициент газопроницаемости, г/м·ч·Па.

= аУ_р/St . (3.20)

Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от струкгуры материала (табл. 3.2)

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала вы­держивать попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. Морозостойкость численно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости (Р). За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попере­менного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы ма-

ла величину, например, для бетона соответственно на 5 и 3%.териала без снижения прочности и массы на регламентированную для дан­ного материа

Таблица 3.2

Относительные значения паро- и газопроницаемости

Вид материала	Средняя плотность., кг/м'	Порис­тость, %	Относительные значения
паронроницае- мости	газопроницае­ мости
Кирпич керамический				I
Легкий бетон			0,8	0,9
Кирпич трепельный			2,2	4,2
Известняк			0,7	1,2
Бетон на гравии			0,25

Испытания на морозостойкость материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кирпич и т.п.). Перед испытанием образцы насыщают водой, после этого их заморажива­ют в камере при температуре -15.-20 °С, чтобы замерзла вода в тонких порах. Извлеченные из морозильной камеры образцы оттаивают в воде с температурой 15 20 °С Легкие бетоны, кирпич, керамические камни имеют морозостойкость 15.. 35, бетоны 50... 1000 циклов.

Ускоренные испытания на морозостойкость, например бетона, про­водят замораживанием образцов при температуре -50 °С или заморажива­нием в 5%-ном растворе хлорида натрия при аналогичной температуре.

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является главным как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов, применяемых при устройстве наружных стен и покрытий зданий. Тепло­проводность воздуха = 0,023 Вт / (м • °С) значительно меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит "каркас" строительного материала, поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности (рис. 3.4).

Показателем теплопроводности материала служит коэффициент теп­лопроводности λ Вт / (м • °С), который зависит от его пористости

λ = 1,16 - 0,14 (3.21)

где d - относительная плотность материала.

Влага, попадающая и поры материала, увеличивает его теплопро­водность ( = 0,58 Вт / (м ), = 2,3 Вт / (м ).

Рис. 3.4. Влияние плотности материала на теплопроводность:

/ - сухие материалы: 2 и 3 - воздушно-сухие с разной влажностью: 4 - волонасыщснныс материалы

Тсплоемкость - свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Она характеризуется коэффициентом теплоемкости. С, кДж/(кг°С):

С = Q [m( ], (3.22)

где Q- количество теплоты, затраченной на нагревание материала от

m- масса материала.

Теплоемкость материала необходимо учитывать при теплотехниче­ских расчетах ограждающих конструкций, при проведении зимних бетон­ных и каменных работ, проектировании печей.

Теплоемкость древесины, неорганических строительных материалов и воды соответственно составляет 0,7; 0,75...0,92; 1 кДж/(кт °С).

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воз­действие высокой температуры (1580 и выше), не размягчаясь и не де­формируясь.

Огнестойкость - свойство материала сопротивляться действию ог­ня при пожаре в течение определенного времени. Несгораемые материалы - бетон, кирпич керамический, сталь и др. Трудносгораемые материалы (пропитанная антисептиками древесина, асфальтобетон, фибролит и т.п.) под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но после прекра­щения действия огня их горение и тление прекращаются.

Радиационная стойкость - свойство материала сохранять свою структуру и физико-механические свойства после воздействия ионизи­рующего излучения.

Многие строительные материалы являются многокомпонентными композитами сложного кристаллического, фазового, агрегатного и химиче­ского состава. Радиационное воздействие может способствовать глубокому изменению структуры материала, например аморфизации структуры кри­сталлических минералов, сопровождаемой объемными изменениями и воз­никновением внутренних напряжений.

Для сравнительной оценки защитных свойств материала используют толщину слоя половинного ослабления, равную толщине слоя защитного материала, необходимой для ослабления интенсивности излучения в 2 раза.

4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Деформативные свойства

Упругость - свойство материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Упругая деформация полностью исче­зает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято назы­вать обратимой.

Пластичность - свойство материала необратимо изменять форму или размеры под действием внешних силоне разрушаясь. Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезающую после снятия нагрузки, на­зывают необратимой

Хрупкость - свойство материала разрушаться при небольшой де­формации.

Основными характеристиками деформативных свойств строительных материалов являются модуль упругости, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (модуль всестороннего сжатия), пре­дельные деформации (например, растяжения, сжатия) и др.

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатом­ных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого

тела на величину в направлении действия силы (при сжатии - укороче­ние, при растяжении - удлинение).

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

(4.1)

Деформация происходит вследствие удаления или сближения ато­мов, при этом смешения атомов пропорциональны деформации тела.

Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию и одноосное напряжение линейным соотношением, выражающим закон Гука:

= (4.2)

При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле Р/E, где Р - действующая сила; E- площадь первоначаль­ного поперечного сечения.

Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при вы­сокой температуре) характеризуются большим модулем упругости. Так, например для железа, имеющего температуру плавления 1539 °С, модуль упругости составляет Е = 211 х 10³ МПа, а для полистирола с температурой плавления 300 °С Е = Зх10³МПа

Механические свойства материала характеризуются диаграммой де­формаций, которая строится на основании результатов испытаний в коор­динатах "напряжение-относительная деформация".

Модуль упругости определяет тангенс угла наклона производной к оси деформаций. На рис. 4.1 представлены кривые для строительных материалов упругих, пластичных, хрупких и эластомеров.

Модуль упругости Е связан с другими характеристиками материала посредством коэффициента Пуассона. Коэффициент Пуассона, или коэф­фициент поперечного сжатия, равен отношению

= (4.3)

Если бы объем материала при одноосном упругом нагружении оста­вался постоянным, то наибольшее теоретическое значение = 0,5. Силы притяжения и отталкивания в материале различным образом зависят от из­менения межатомного расстояния, поэтому значения коэффициента Пуас­сона реальных материалов значительно отличаются от теоретического и различаются между собой, например, для бетона = 0,27... 0,2, полиэти­лена - 0,4. Объемный модуль упругости, или модуль всестороннего сжа­тия, связан с модулем упругости следующим соотношением:

К = E[3(1-2 )]. (4 4)

Модуль сдвига связан с модулем упругости посредством коэффици­ента Пуассона:

G = Е/[2(1+ )]. (4.5)

г)

о)

&

б)

деформация

Рис. 4 1. Схемы диаграмм деформаций:

а - стекла; б - стали;«- бетона; г - эластомера

4.2. Прочность

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или дру­гими факторами (стесненная усадка_: неравномерное нагревание и т.п.).

Основной характеристикой прочности пластичных материалов явля­ется предел прочности при растяжении, хрупких - предел прочности при сжатии. Поскольку строительные материалы неоднородны, то предел прочности определяют как средний результат испытаний серии образцов. Формы и размеры образцов, состояние их опорных поверхностей сущест­венно влияют на результаты испытаний. Например, у кубиков малых раз­меров предел прочности при сжатии выше, чем у кубиков больших разме­ров из того же материала. Призмы показывают меньшее сопротивление сжатию, чем кубы одинакового с ними поперечного сечения. Это объясня­ется тем, что при сжатии образна возникает его поперечное расширение. Силы трения, возникающие между опорными гранями образца и плитами пресса, удерживают части образца, прилегающие к плитам, от поперечного расширения и, следовательно, от разрушения. Средние части образца, ис­пытывая поперечное расширение, разрушаются в первую очередь, поэтому при испытании кубов из хрупких материалов (бетона, раствора и др.) полу­чается характерная форма разрушения: образуются две усеченные пира­мидки, сложенные вершинами. Если опорные грани куба смазаны и тем самым уменьшены силы трения, то под нагрузкой куб вследствие свобод­ного поперечного расширения распадается на ряд слоев, разделенных вер-

тикальнымн трещинами, при этом прочность может снизиться до 50% по сравнению с прочностью образца с несмазанными поверхностями.

На результаты испытания влияет и скорость нагружения образцов. Если нагрузка возрастает быстрее, чем установлено стандартом, то резуль­тат получается завышенным вследствие того, что не успевают развиться пластические деформации.

В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. В нормативных документах марка обычно указывается в кгс/см², например, марки портландцемента М400. М500, М550, М600.

Предел прочности материала при осевом сжатии , МПа. кгc/ см², определяется путем испытания образцов на гидравлических прес­сах и рассчитывается по формуле

(4.6)

^где - разрушающая нагрузка;

F - площадь поперечного сечения образца.

В табл. 4.1 систематизированы характерные образцы, применяемые для определения предела прочности строительных материалов при сжатии.

Перед испытанием образец очищают мягкой теткой, взвешивают и обмеряют с точностью до 1 мм После этого образец устанавливают на нижнюю опорную плиту пресса точно по ее центру, а верхнюю опорную плиту опускают на образец так, что он оказывается плотно закрепленным между двумя опорными плитами. Скорость нарастания нагрузки на обра­зец должна быть 0,5... 1 МПа (5... 10 кгс/см²) в 1 с. В момент разрушения образца, т.е. в момент наибольшей нагрузки на него, стрелка силы измери­теля остановится и пойдет обратно. Этот момент необходимо зафиксиро­вать. Каждый материал испытывают не менее чем на трех образцах

Физическое состояние материала оказывает большое влияние на зна­чение прочности образцов. Прочность материалов в сухом состоянии почти всегда выше прочности того же материала в насыщенном водой состоянии. Это учитывается коэффициентом размягчения (К_р), который определяют как частное от деления значения предела прочности при сжатии образца, испытанного в насыщенном водой состоянии на предел прочности образца в сухом состоянии

. (4.7)

Предел прочности при осевом растяжении используется в качест­ве основной прочностной характеристики пластичных материалов: стали,

Таблица 4 1

Схема стандартных методов определения прочности при сжатии

Форма

образца

Куб

Цилиндр

Призма

Эскиз

Расчетная

формула

Материал

Бетон

Раствор

Природный

камень

Бетон

Природный

камень

Бетон

Древесина

Размер стан­дартного об- разца, См

15x15x15 7,07х7,07 х 7,07 5x5x5 и др

d= 15, h =

= 30

d=h= 5; 7; 10: 15

а = 10, 15,

20,

h= 40, 60, 80 а = 2; h = 3

Составной

образец

Кирпич

а = 12; b= 12,3; h = 14

Половина об­разца призмы, изготовленной ] из цементно- песчаного рас­твора

Проба щебня (гравия) в ци­линдре

Цемент

а - 4,

F=25

Крупный заполнитель для бетона

d= 15, h= 15

древесины, пластмасс, рулонных кровельных материалов, а также хрупких материалов: бетонов, растворов и др. для получения одной из характери­стик их трещиностойкости. В зависимости от соотношения все

материалы можно разделить на три группы:

1. Материалы, у которых (волокнистые - древесина и др.);

2. (сталь);

3. (хрупкие материалы - природные камни, бетон, кирпич).

В табл. 4.2 представлены образцы, применяемые дая определения предела прочности при растяжении строительных материалов.

Таблица 4 2 Схема стандартных метолов определения прочности при осевом растяжении

Перед испытанием на растяжение измеряют ширину и толщину об-
разца с точностью до 0,1 мм, после чего образец закрепляют в зажимы раз-
рывной машин.

В общем виде формула лля определения предела прочности при рас-
тяжении материала выглядит так:

(4.8)

е F₀ - первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Предел прочности при изгибе определяют путем испытания обоазца материала в виде балочек на двух опорах.

Предел гдпрочности условно вычисляют по той же формуле сопротив­ления материалов, что и напряжение при изгибе:

где М - изгибающий момент;

W- момент сопротивления В табл. 4.3 приведены схемы испытаний образцов на изгиб и соот­ветствующие им расчетные формулы.

Таблица 4.3

Схема стандартных методов определения предела прочности при изгибе

Ударной (динамической) прочностью называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема или площади поперечного сечения. Проч­ность на удар определяют в тех случаях, когда в процессе эксплуатации материалы в конструкциях подвергаются динамическим воздействиям: на­пример, в дорожных и аэродромных покрытиях, фундаментах машин, по­лах промышленных зданий, шпалах.

Испытание на удар производят на копрах. Наиболее распространен-
ным является копер Педжа (рис. 4.2). На нем испытывают образцы в виде

цилиндров с диаметром и высотой 25 мм. Копер со-
стоит из массивной металлической опоры 1 массой
около 50 кг, служащей также наковальней, и двух на-
правляющих стержней. На наковальне устанавливают
испытываемый образец 2. По направляющим стерж-
ням передвигается стальной молот 3 массой 2 кт. Удар
молота по образцу производится через подбабок 4 со
сферической поверхностью, чтобы удар передавапся
строго в цетр верхней грани образца. Первый удар
наносится молотом, падающим с высоты 1 см, второй
- с высоты 2 см, третий - с высоты 3 см и т.д. до раз-
рушения образца, т.е. до появления первой трещины.

Показателем сопротивляемости образца удару
служит порядковый номер удара, при котором образец
разрушается Прочность при ударе вычисляется как
среднее арифметическое результатов' испытаний трех
образцов по формуле

Рис. 4.2 Копер Пед­жа для испытания образцов на удар

---

Дата добавления: 2015-08-28