Санкт Петербургское государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Колледж строительной индустрии и городского хозяйства

К У Р С  ЛЕКЦИЙ

по дисциплине: Архитектурное материаловедение    и МДК 01.01.03  Строительные материалы   по теме                                                                                                             «Физико-механические свойства строительных материалов»

для  обучающихся по специальностям:

08.02.01 и 07.02.01

Курс лекций  рассмотрен                                              

 и одобрен на заседании

 цикловой комиссии

_____________________________

                                                                        протокол № 1      от            2013г.

Санкт-Петербург

2013год.

Санкт Петербургское государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Колледж строительной индустрии и городского хозяйства

        Преподаватель:  Т. М.  Погодина

                                       Т.А. Куркина

           Предмет:     Строительные материалы

                               Архитектурное материаловедение

Санкт-Петербург                                                                                                    

 2013 г

                              Содержание.                                      Стр.

1. Классификация и требования  к строительным

      Материалам………………………………………………………….. 4

1.1. Классификация строительных материалов……………………......5

1.2. Эксплутационные требования к материалам………………….......7

2. Строение и свойства строительных материалов……………………9

2.1. Общие сведения……………………………………………………..9

2.2. Состав и строение материалов……………………………………..9

2.3. Структурные характеристики строительных материалов…….13

2.3.1. Истинная  плотность  ……………. ……………………………...13  

2.3.2. Средняя  плотность………………………………………………..14

2.3.3. Пористость…………………………………………………………..14                                                    

2.3.4. Важнейшие параметры состояния: влажность …………… …15  

2.4. Физические свойства………………………………………………...16

2.4. Гидрофизические свойства строительных материалов:………16

2.4.1.  Гидрофильность, гидрофобность …………………………......16  

3.2. Гигроскопичность…………………………………………………….17

3.3 Водопоглощение………………………………………………….......17

3.4. Паропроницаемость………………………………………………....17

3.5. Влагоотдача………………………………………………………..…18

3.6. Морозостойкость……………………………………………………..18

4. Теплофизические свойства:

4.1. Теплопроводность…………………………………………………...19

4.2. Теплоемкость…………………………………………………………19

4.3. Температуропроводность…………………………………………..19

4.4. Тепловое расширение………………………………………………19

4.5. Термостойкость………………………………………………………20

4.6. Огнестойкость………………………………………………………..20

4.7. Огнеупорность………………………………………………………..21

5. Акустические свойства материалов:

5.1. Звукопроводность……………………………………………………21

5.2.  Звукопоглощение……………………………………………………21

6. Механические свойства:    

6.1. Прочность……………………………………………………………..22

6.2. Водостойкость………………………………………………………..25

6.3. Упругость и пластичность…………………………………………. 26

6.4. Твердость……………………………………………………………..26

6.5. Износ…………………………………………………………………..26

6.6. Истираемость ………………………………………………………..27

7. Химические и физико-химические свойства:

7.1. Коррозия………………………………………………………………28

7.2. Химическая активность……………………………………………..28

8. Реологические свойства………………………………………………29

8.1. Реология………………………………………………………………29

8.2. Вязкость……………………………………………………………….29

8.3. Предельное напряжение сдвига………………………………….29

 8.4. Тиксотропия…………………………………………………………30

9. Стандартизация материалов……………………………………….33

Раздел 1

Основные понятия строительного материаловедения

ГЛАВА 1

Классификация и требования к строительным материалам

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Жилые, общественные и производственные здания представляют собой сооружения, предназначенные для размещения людей и различного оборудования и защиты их от воздействия окружающей среды. Все здания состоят из одинаковых по назначению частей:

• фундамента, служащего основанием здания и передающего нагрузку от всего здания на землю;
• каркаса — несущей конструкции, на которой устанавливаются ограждающие элементы здания; каркас воспринимает и перераспределяет нагрузки и передает их на фундамент;
• ограждающих конструкций, изолирующих внутренний объем здания от воздействия внешней среды или разделяющих отдельные части внутреннего объема между собой; к ограждающим конструкциям относятся стены, перекрытия и кровли, причем в малоэтажных зданиях стены и перекрытия часто выполняют функцию каркаса.

С глубокой древности жилые и культовые сооружения возводили из природных материалов — камня и дерева, причем из них выполняли все части здания: фундамент, стены, кровлю. Такая вынужденная универсальность материала (других материалов не было) имела существенные недостатки. Строительство каменных зданий было трудоемко; каменные стены для поддержания в здании нормального теплового режима приходилось делать очень толстыми (до 1 м и более) из-за того, что природный камень — хороший проводник теплоты. Для устройства перекрытий и кровель ставили много колонн или делали тяжелые каменные своды, так как прочность камня при изгибе и растяжении недостаточна для перекрытия больших пролетов. У каменных зданий есть важное положительное качество — долговечность. Менее трудоемкие и материалоемкие, но недолговечные деревянные здания часто разрушались при пожарах.

С развитием промышленности появились новые, специализированные по назначению строительные материалы: для кровли — листовое железо, рулонные материалы и асбестоцемент; для несущих конструкций — стальной прокат и высокопрочный бетон; для тепловой изоляции — фибролит, минеральная вата и др.

Появившиеся в XX в. синтетические полимеры дали толчок к внедрению в строительство высокоэффективных полимерных материалов (пластмасс). В современном строительстве широко применяются полимерные отделочные материалы, материалы для полов (линолеум, плитка), герметики, высокоэффективные утеплители, пенопласты и др.

Специализация и промышленное изготовление строительных материалов и изделий коренным образом изменили характер строительства. Материалы, а затем и изделия из них на стройку поступают практически в готовом виде, строительные конструкции стали легче и эффективнее (например, лучше предохраняют от потерь теплоты, от воздействия влаги). В начале XX в. началось заводское изготовление строительных конструкций (металлических ферм, железобетонных колонн), но только с 50-х годов впервые в мире в нашей стране началось массовое строительство жилых зданий из железобетонных элементов заводского изготовления (блочное и крупнопанельное строительство). В последние годы вновь возник интерес к строительству из монолитного бетона.

Современная промышленность строительных материалов и изделий производит большое количество готовых строительных материалов и изделий различного назначения, например: керамические плитки для полов, для внутренней облицовки, фасадные, ковровую мозаику; рулонные и штучные материалы для устройства кровли, специальные материалы для гидроизоляции. Чтобы легче было ориентироваться в этом многообразии строительных материалов и изделий, их принято классифицировать. Наибольшее распространение получили классификации по назначению и технологическому признаку.

По назначению материалы делят на следующие группы:

• конструкционные, которые воспринимают и передают нагрузки;
• теплоизоляционные, назначение которых — свести до минимума перенос теплоты через ограждающие конструкции и тем самым обеспечить необходимый тепловой режим помещения при минимальных ш гратах энергии;
• акустические (звукопоглощающие и звукоизоляционные) — снижающие уровень «шумового загрязнения» помещения;
• кровельные и гидроизоляционные — для создания водонепроницаемых слоев на кровлях, подземных сооружениях и других конструкциях, которые необходимо защищать от воздействия воды или водяных паров;
• герметизирующие — для заделки стыков в сборных конструкциях;
• отделочные — для улучшения декоративных качеств строительных конструкций, а также для защиты конструкционных, теплоизоляционных и других материалов от внешних воздействий;
•  специального назначения(огнеупорные, кислотоупорные и др.), применяемые при возведении специальных сооружений.

Некоторые материалы (например, цемент, известь, древесина) нельзя отнести к какой-либо одной группе, так как их используют и в исходном состоянии, и как сырье для получения других строительных материалов и изделий — это так называемые материалы общего назначения. Трудность классификации строительных материалов по назначению состоит в том, что одни и те же материалы могут быть отнесены к разным группам. Например, бетон в основном применяют как конструкционный материал, но некоторые его виды имеют совсем иное назначение: особо легкие бетоны — теплоизоляционные материалы; особо тяжелые бетоны — материалы специального назначения, используемые для защиты от радиоактивного излучения.

В основу классификации по технологическому признаку положены вид сырья, из которого получают материал, и способ изготовления. Эти два фактора во многом определяют свойства материала и соответственно область его применения. По способу изготовления различают материалы, получаемые:

• спеканием (керамика, цемент);
• плавлением (стекло, металлы);
• омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетоны, растворы);
• механической обработкой природного сырья (природный камень, древесные материалы).
• Так как свойства материалов зависят главным образом от вида сырья и способа его переработки, в строительном материаловедении используют классификацию по технологическому признаку и лишь в отдельных случаях рассматриваются группы материалов по назначению.

1.2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ

Чтобы здание или сооружение было прочным и долговечным, необходимо знать те агрессивные воздействия внешней среды, в которых будет работать каждая конструкция (рис. 1.). Зная эти воздействия и назначение конструкции, можно сформулировать требования к материалу конструкции (табл. 1.)

Рис.1. Воздействие внешней среды на конструкции зданий

Таблица 1. Основные требования к материалам строительных конструкций

.

ГЛАВА 2

Строение и свойства строительных материалов

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Каждый материал, используемый в строительстве, имеет различные свойства, определяющие область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами. Основные свойства строительных материалов (физические, механические, химические и технологические) определяются их химическим составом и  строением.

В зависимости от химического состава строительные материалы  принято делить на;

• органические (древесина, битум, пластмассы);
• минеральные (природный камень, бетон, керамика и т. п.);
• металлические (сталь, чугун, цветные металлы).

У каждой из этих групп материалов есть свои специфические свойства. Так, органические материалы не выдерживают высоких температур и горят; минеральные, напротив, хорошо противостоят действию огня, а металлы очень хорошо проводят электричество и теплоту.

Не меньше, чем химический состав, на свойства материала влияет ею строение. При одном и том же химическом составе материалы различного строения обладают разными свойствами. Например, мел и мрамор — две горные породы, состоящие из карбоната кальция,  но пористый рыхлый мел имеет низкую прочность и легко размокает в воде, а плотный мрамор прочен и стоек к действию воды.

2.2. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Химический состав. В зависимости от химического состава принято выделять органические и неорганические вещества.

Органические вещества представляют собой соединения углерода с другими элементами (преимущественно водородом, кислородом и азотом). Можно считать, что все органические вещества ведут свое начало от продуктов фотосинтеза растений (глюкозы, крахмала и т. д.), т. е. все органические вещества представляют собой не окисленные как минеральные (каменные) вещества, а восстановленные вещества, аккумулировавшие энергию солнца и отдающие ее при окислении (горении, гниении).

Среди строительных материалов из органических веществ чаще всего применяется древесина и битум. В XX в. появились и быстро завоевали прочные позиции полимерные материалы, синтезируемые из продуктов переработки нефти, угля и т. п. С точки зрения строителя органические вещества имеют серьезные недостатки.

При нагреве или под действием ультрафиолетовых лучей они способны окисляться кислородом воздуха, а при температурах выше 200...300 °С большинство органических соединений горит (горение — это тот же процесс окисления, но протекающий очень быстро и сопровождающийся концентрированным выделением теплоты, провоцирующим продолжение горения).

Органические вещества (за исключением большинства синтетических полимеров) могут служить питательной средой для живых организмов. При развитии на органических материалах грибов или микроорганизмов происходит гниение — ферментативное окисление этих материалов.

Принципиально сущность процесса горения и гниения одна и та же — это окисление, но протекающее с разной скоростью и при разных температурах.

Из сказанного можно заключить, что долговечность органических материалов невелика. Однако многие положительные свойства органических материалов (невысокая плотность, относительно высокая прочность, легкость обработки и др.) с давних пор привлекали и привлекают до сих пор к ним внимание строителей.

Неорганические (минеральные) вещества, применяемые в строительстве (керамика, природный камень и др.), представляют собой соединения уже окисленных химических элементов — в основном оксидов кремния и алюминия с оксидами металлов. Например, песок — оксид кремния Si02; глина — водный алюмосиликат — А1203 • nSi02 • m H20; стекло — вещество, состоящее из оксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и некоторых других оксидов. Будучи уже в окисленном состоянии, они не способны окисляться, т. е. гнить и гореть. В этом отношении они устойчивее (долговечнее) органических веществ. Однако их переработка в изделия, как правило, более трудоемка и энергоемка, чем переработка органических материалов.

Кристаллические и аморфные тела. Все вещества состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул. В зависимости от степени упорядоченности расположения атомов (или молекул) твердых веществ различают кристаллические и аморфные (стеклообразные) тела.

Кристаллическими называют тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причем этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непосредственной близости друг от друга (ближний порядок), так и на значительном расстоянии (дальний порядок).

Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в более или менее упорядоченном расположении (ближний порядок); дальний же порядок отсутствует.

Процесс кристаллизации можно представить следующим образом. При переходе вещества из жидкого состояния в твердое (например, при застывании расплава металла) или при выпадании твердого вещества в осадок из насыщенного раствора (например, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались максимально уравновешены. Поэтому их положение относительно друг друга оказывается вполне определенным, фиксированным.

Такой геометрически правильный и повторяющийся в пространстве порядок расположения атомов (молекул) называют кристаллической решеткой (рис. 2.).

Процесс кристаллизации требует определенного времени. В некоторых случаях (например, при быстром охлаждении расплавленного кварца) затвердевание происходит без кристаллизации с сохранением хаотического расположения атомов и некоторого запаса внутренней энергии. Так образуется аморфное вещество — в нашем случае кварцевое стекло.

Различие в строении кристаллических и аморфных веществ определяет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава. Например,

Рис.2. Схема кристаллической решетки

а) алмаза  б) графита

расплав доменного шлака, используемый для получения шлаковых цементов, охлаждают по специальному ускоренному режиму для получения гранулированного шлака стеклообразного строения, обладающего повышенной химической активностью. Аморфное строение имеют также горные породы, применяемые в качестве активных минеральных добавок к цементам (туфы, пемзы, диатомиты, трепелы).

Другое существенное различие между аморфными и кристаллическими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании до определенной температуры (температуры плавления) плавятся, а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние (для них не существует понятия температура плавления).

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже прочности кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию стекол, например, при получении ситаллов и шлакоситаллов — новых стеклокристаллических материалов.

Различные свойства наблюдаются у кристаллических материалов одного и того же состава, если они кристаллизуются в разных кристаллических формах. Это явление называют полиморфизмом. Например, в природе существуют две кристаллические формы углерода: алмаз и графит. Резкое отличие в их свойствах связано с различным строением кристаллов: атомы алмаза имеют плотнейшую тетраэдрическую решетку (рис. 2. а), а атомы графита расположены как бы слоями, причем расстояние между слоями в 2,5 раза больше, чем между соседними атомами в слоях (рис. 2. б). Такое строение графита придает ему мягкость и способность расслаиваться на тончайшие пластинки.

Изменением свойств материала путем изменения его кристаллической структуры пользуются при термической обработке металлов (закалке, отпуске и т. п.).

Микро- и макроструктура материалов. Под структурой материала подразумевают взаимное расположение, форму и размер частиц материала, наличие пор, их размер и характер. Структура материала не в меньшей степени, чем состав, влияет на его свойства.

Различают микроструктуру — строение материала, видимое только под микроскопом, и макроструктуру — строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении.

Поры — один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов — представляют собой воздушные ячейки в материале размером от долей микрона до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во многом определяют свойства материала. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное, легкое (плавает в воде) и может распиливаться обычной пилой.

Крупные поры размером более 5 мм и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.

Форма и размер частиц твердого вещества, из которого' состоит материал, также влияют на свойства материала. Так, из хрупкого стекла можно получить тончайшие гибкие волокна, из которых изготовляют стеклянную ткань.

В зависимости от формы и размера частиц и их строения различают: зернистые, волокнистые и слоистые материалы.

По степени связности частиц материалы могут быть рыхлые, состоящие из отдельных зерен или волокон (песок, гравий, минеральная вата, распушенный асбест), и слитного строения, примером которых может служить бетон, керамика, асбестоцемент. Среди материалов слитного строения выделяют конгломераты и композиты.

Конгломераты — материалы, представляющие собой плотно соединенные (обычно с помощью какого-нибудь цементирующего вещества) отдельные зерна. Типичными конгломератами являются бетоны и строительные растворы. В этих материалах зерна песка и крупного заполнителя (щебня или гравия) соединены в единое целое ири помощи вяжущего, например цемента. Конгломератом можно считать и керамику, где отдельные зерна соединены застывшим расплавом.

Композиты — материалы с организованной структурой. В композитах различают компонент, образующий непрерывную фазу, называемую матрицей, и играющий роль связующего, и компонент, дискретно распределенный в матрице,— упрочняющий компонент. В роли матрицы в строительных композитах используют полимерные и минеральные вяжущие; в роли упрочняющего компонента — волокнистые (стекловолокно, отрезки металлической проволоки, асбестовое волокно и т. п.) или листовые (бумага, древесный шпон, ткани) материалы.

Матрица, с одной стороны, является формообразующей частью композиционного материала, а с другой стороны, матрица — связующее, которое «заставляет» дискретный компонент работать как единое целое, обеспечивая высокую прочность материала. В композиционных материалах достигается совокупность свойств, не являющаяся простой суммой свойств исходных составляющих. Примером искусственных композитов может служить стеклопластик, железобетон, асбестоцемент. Природным композиционным материалом можно считать, например, древесину и костную ткань животных.

Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свойствами в разных направлениях. Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами,— анизотропными. Пример анизотропного материала волокнистого строения — древесина. Она набухает и дает усадку поперек волокон в 10... 15 раз больше, чем вдоль; прочность и теплопроводность древесины в разных направлениях различается более чем в 2 раза.

2.3. СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА

Основные структурные характеристики материала, во многом определяющие его технические свойства,— это плотность и пористость; важнейший параметр состояния — влажность.

Плотность — физическая величина, определяемая массой единицы объема вещества (или материала).

В зависимости от того, берется ли в расчет объем только самого вещества, из которого состоит материал, или весь объем материала с порами и пустотами, различают истинную и среднюю плотность.

Истинная плотность   (кг/м3) — масса единицы объема материала, когда в расчет берется только объем твердого вещества этого материала — абсолютный объем Va (м3):

Таким образом, истинная плотность — характеристика не материала, а вещество, из которого состоит материал,— это физическая константа вещества, и ее можно найти в справочнике.

Значение истинной плотности вещества зависит в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом истинная плотность приблизительно одинаковая.

У каменных материалов как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500...3000 кг/м3.

Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла), составляет 800... 1200 кг/м3. Относительно высокая истинная плотность у древесины — около 1500 кг/м3.

Большие различия в истинной плотности наблюдаются лишь у металлов (кг/м3): алюминий — 2700, сталь — 7850, свинец — 11 300. Плотность воды (истинная и средняя) — 1 г/см3 = 1000 кг/м3.

Средняя плотность материала рт (кг/м3) (далее мы будем называть ее просто плотностью) — физическая величина, определяемая отношением массы т (кг) материала ко всему занимаемому им объему Vест (м3), включая имеющиеся в нем поры и пустоты:

=m/

Следовательно, средняя плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы (бетоны, керамику и т. п.) можно получать с заданной (требуемой) плотностью. Например, меняя пористость бетона, можно получить как тяжелый бетон плотностью до 2500 кг/м3, так и особо легкий — плотностью менее 500 кг/м3.

Пористость — степень заполнения объема материала порами, %

Обычно пористость рассчитывают исходя из истинной и средней плотности материала в сухом состоянии:

П= 100

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 до 90...98 % (табл. 2.).

Таблица 2.. Истинная и средняя плотность и пористость некоторых строительных материалов

* Древесина некоторых пород имеет рm более 1000 кг/м3 т.е. больше плотности воды.

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

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др.

Влажность — содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии. Влажность Wm (%) определяют по формуле

 = [()/100

где твл — масса материала в естественно-влажном состоянии, г;

тсух — масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

В ряде случаев целесообразно рассчитывать влажность по объему.

2.4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Физические свойства материала характеризуют его поведение под воздействием физических факторов, моделирующих воздействие внешней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т. п.).

Гидрофизические свойства. Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения подвергаются действию воды или водяных паров, находящихся в воздухе. При этом их свойства существенно изменяются. Так, при увлажнении материала повышается его теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства. Поэтому при всех расчетах необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению влаги (водопоглощение и гигроскопичность). Во всех случаях при применении и хранении пористые строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Гидрофильность и гидрофобностъ — свойства поверхности материала по отношению к воде. Мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью вещества, из которого состоит материал.

Гидрофильные (от греч. phileo — люблю) материалы имеют высокую степень связи с водой. На гидрофильной поверхности капля воды растекается (рис. 2.2, а), а капиллярные поры гидрофильных веществ способны втягивать воду и поднимать ее на значительную высоту.

Гидрофобные (от греч. phobos — страх) материалы имеют низкую степень связи с водой. На их поверхности капли воды почти не растекаются (рис. 2.2, б), а в капиллярные поры вода проникает на минимальную глубину или вообще не проникает.

 Рис. 2.2. Поведение капли воды на гидрофильной (а)

                                  и гидрофобной (б) поверхностях

Для снижения смачиваемости материала и поглощения им воды можно изменять характер его поверхности. Убедительный пример )того — оперение водоплавающих птиц. Смазанное жиром, оно абсолютно не намокает в воде.

Особенно эффективны в роли гидрофобизаторов кремнийорганические вещества. Так, кирпич или бетон, обработанные гидрофобизирующей кремнийорганической жидкостью (ГКЖ), перестают поглощать воду, и более того, вода скатывается с поверхности таких гидрофобизированных материалов «как с гуся вода».

Гигроскопичность — способность материала изменять свою влажность при изменении влажности воздуха. При увеличении влажности воздуха гигроскопичный материал поглощает и конденсирует водя- пой пар на своей поверхности, в том числе и на поверхности пор. Этот процесс называют сорбцией.

К сильно гигроскопичным материалам относятся древесина.  Характерные для древесины усушка и набухание, сопровождающиеся короблением и возникающие без непосредственного контакта с водой, являются следствием ее гигроскопичности. Снизить гигроскопичность можно, защищая поверхность материала гидрофобными или паронепроницаемыми веществами. Например, древесину покрывают водостойкими лаками и красками.

Капиллярное всасывание (от лат. capillaris — попоенной) — способность материала всасывать  и передавать по своей толще влагу с помощью тонких капиллярных пор. Гидрофильные материалы, имеющие мелкие поры и капиллярные каналы, например кирпич, при соприкосновеиии с водой способны поглощать ее и поднимать по капиллярам на значительную вы-

соту. Для защиты конструкций от увлажнения в результате капиллярного всасывания необходимо тщательно изолировать материал от источника увлажнения с помощью гидроизоляционных материалов.

Водопоглощение — интегральный показатель способности материала поглощать влагу и удерживать ее в своих порах.

Водопоглощение характеризуется максимальным количеством воды, поглощаемым образцом материала при выдерживании его в воде, отнесенным к массе сухого образца (водопоглощение по массе ) или к его объему (объемное водопоглощение )

Водопоглощение        (%) определяют по формулам:

где mнас — масса материала в насыщенном водой состоянии, г;

тсух — масса сухого материала, г; Vecт — объем материала в сухом

состоянии, см3; рт — средняя плотность материала, г/см3;

 — плотность воды, равная 1 г/см3.

Паропроницаемостъ — способность материала пропускать водяные пары при наличии разницы абсолютной влажности воздуха (парциального давления пара в воздухе) по обе стороны материала. Пар стремится пройти через материал в ту сторону, где его парциальное давление ниже (обычно из теплого помещения в холодное). В одних случаях нужна высокая паропроницаемость (например, материал стены должен «дышать»); в других желательно отсутствие паропроницаемости (теплоизоляция не должна отсыревать). Необходимая степень паропроницаемости конструкции достигается правильным выбором материалов и их взаимным расположением в конструкции. Паропроницаемость оценивается коэффициентом паропроницаемости Кп (г/м • с • Па).

Влагоотдача — способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20°С и относительной влажности 60 %. Влагоотдачу учитывают, например, при сушке стен зданий и уходе за твердеющим бетоном. В первом случае желательна быстрая влагоотдача, а во втором, наоборот, замедленная.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения.

Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме почти на 10 %.В результате стенки некоторых пор разрушаются, и при повторном увлажнении вода проникает глубже в материал. Такие циклически повторяющиеся замораживания и оттаивания с увлажнением постепенно разрушают материал.

 Морозостойкость материала зависит от его пористости и во- допоглощения.

Плотные материалы (без пор), а также материалы с замкнутыми порами,

т. е. с небольшим водопоглощением, обладают высокой морозостойкостью. Материалы с открытой пористостью характеризуются, как правило, невысокой морозостойкостью, и требуются обязательные лабораторные испытания для ее оценки.

Морозостойкость материала характеризуется числом циклов замораживания (при температуре не выше — 18 °С) и оттаивания (в воде), которое он выдерживает без снижения прочности, потери массы или появления внешних повреждений, указанных в ГОСТе на соответствующий материал. Так, для бетона допускается потеря прочности не более 5 %, а для растворов не более 25 % от первоначальных значений этих величин; у кирпича сигналом служит шелушение поверхности.

По морозостойкости материалы подразделяют на марки: F15; F25; F35; F50; F100 и т. д. Так, марка по морозостойкости кирпича F15 означает, что образцы, отобранные от партии кирпича, выдерживают не*менее 15 циклов «замораживания — оттаивания» без появления внешних признаков разрушения (отколов, шелушения поверхности и т. п.).

Морозостойкость материала, находящегося в контакте с внешней средой, для условий климата России является важнейшим показателем его долговечности.

Теплофизические свойства.

Теплопроводность — способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверхности к другой в случае, если температура этих поверхностей разная. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м2 поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 К в течение 1 с.

Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения, но во всех случаях она во много раз превышает теплопроводность воздуха — 0,024 Вт/(м • К). Поэтому, чем больше в материале пор (т. е. чем больше в нем воздуха), тем ниже будет его теплопроводность:

Так как средняя плотность материала, так же, как и теплопроводность, обратно пропорциональна пористости, то она может служить косвенной характеристикой теплопроводности материала и использоваться в качестве марки материала по теплопроводности.

Если материал влажный, т. е. воздух в порах частично замещен водой, то теплопроводность материала резко возрастает. Причина этого в том, что теплопроводность воды в 25 раз выше, чем воздуха.

При замерзании воды в порах материала его теплопроводность повышается еще в большей степени, так как теплопроводность льда в 4 раза выше теплопроводности воды.

Теплоемкость — способность материала поглощать при нагревании теплоту. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К. Удельная теплоемкость большинства природных и искусственных каменных материалов находится в пределах (0,7... 1) кДж/(кг•К). Теплоемкость древесины несколько выше — 1,8...2,2 кДж/(кг • К). Аномально велика теплоемкость воды — 4,2 кДж/(кг • К). Количество теплоты, нужное для нагрева той или иной строительной конструкции до одной и той же температуры, зависит не столько от вида материала, сколько от массы конструкции.

Температуропроводность — свойство материала, характеризующее скорость распространения температуры под действием теплового потока в нестационарных температурных условиях, например при пожаре. В этом случае важно, чтобы распространение высокой температуры через ограждающую конструкцию шло с минимальной скоростью. Температуропроводность а(м2/с) прямопропорциональна теплопроводности X и обратно пропорциональна теплоемкости материала с и его плотности рт:

а = ƛ/срт.

Тепловое  расширение — свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении — характеризуется температурными коэффициентами объемного и линейного расширения. В строительстве чаще используют коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР), показывающий, на какую долю первоначальной длины увеличится размер материала в рассматриваемом направлении при повышении температуры на 1 К.

Коэффициенты линейного температурного расширения (КЛТР) у разных материалов значительно отличаются.

Например, КЛТР пластмасс в 5... 10 раз выше, чем бетона. Поэтому в конструкциях, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать тепловое расширение каждого. При жестком соединении материалов с разными КЛТР в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и, как результат, — коробление и растрескивание материала.

Эффект теплового расширения материалов проявляется, например, в изменении размеров шва между железобетонными панелями. Так, при изменении температуры от — 20 до + 30 °С размер железобетонной панели длиной 6 м увеличивается на 3 мм, при этом на столько же уменьшается ширина шва между панелями.

Термостойкость — способность хрупких материалов, например стекла, сопротивляться напряжениям, возникающим в них при резких изменениях температуры. Термостойкость главным образом зависит от коэффициента температурного расширения (КЛТР), теплопроводности и модуля упругости материала, а также от формы и размеров изделия. Термостойкость характеризуется температурным градиентом, при котором в материале возникают напряжения, вызывающие растрескивание. На практике термостойкость оценивают числом теплосмен (нагревание-охлаждение) до появления признаков разрушения.

Огнестойкость — способность материала выдерживать без разрушения воздействие огня и воды в условиях пожара. Разрушение материала в таких условиях может произойти из-за того, что он сгорит, растрескается, потеряет прочность. По степени горючести различают материалы несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не горят и не обугливаются. К таким материалам относятся бетон, кирпич и другие неорганические материалы. Однако некоторые несгораемые материалы (стекло, асбестоцемент, мрамор) при резком нагревании разрушаются, а стальные конструкции при сильном нагревании теряют прочность и деформируются.

Трудносгораемые материалы под действием огня медленно воспламеняются и после удаления огня их горение и тление прекращаются. К этим материалам относятся фибролит, пропитанная антипиренами древесина, асфальтобетон.

Сгораемые материалы под действием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня.

Для повышения огнестойкости горючих материалов используют антипирены — вещества, которыми пропитывают или покрывают материал. Антипирены выделяют газы, не поддерживающие горения, или под действием высокой температуры образуют пористый защитный слой на материале, чем замедляют его нагрев.

Огнеупорность — способность материала длительно работать в условиях высоких температур без деформаций и размягчения.

Примером огнеупорных материалов может служить огнеупорный кирпич, используемый для кладки внутренних объемов доменных и сталеплавильных печей, топок ТЭС и т. п. Деление материалов по степени огнеупорности дано в п. 5.2.

Акустические свойства материалов — это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые волны,— это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. *

Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук — звукопроводность и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук — звукопоглощение.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса; если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо заставить материал колебаться. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный

шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук.

2.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил или иных факторов (например, температурных), вызывающих в нем внутренние напряжения. Основные механические свойства строительных материалов: прочность, твердость, износостойкость, деформативность (упругость, пластичность).

Прочность — свойство материала в определенных условиях и пределах воспринимать нагрузки или другие воздействия, вызывающие в нем внутренние напряжения, без разрушения.

Частицы, из которых состоит твердый материал, удерживаются в равновесии силами взаимного сцепления. Если к какому-либо образцу материала приложить внешнюю силу F, например растягивающую (рис. 2.3), то ее действие равномерно распределится на все частицы материала: материал окажется в напряженном состоянии. Напряжение вызовет изменение расстояний между частицами — материал начнет деформироваться (в нашем случае — растягиваться).

Для определения значения напряжений  (МПа), т. е. внутренних сил, приходящихся на единицу площади поперечного сечения материала и возникающих в материале при приложении к нему внешней силы F(kH), мысленно делают поперечный разрез образца. Чтобы образовавшиеся половинки образца ( I и II) остались в равновесии, внешней силе F должна противодействовать равная ей внутренняя сила , где А (м2) — площадь поперечного сечения образца материала, откуда

Рис. 2.3. Схема определения напряжений  в брусе при его растяжении

 = F/A.

Для твердых и упругих тел с увеличением напряжений  пропорционально возрастают его относительные деформации :

где Е — модуль упругости, МПа, характеризующий жесткость материала.

Чем выше модуль упругости материала, тем меньше он деформируется. Так, модуль упругости каучука 10...20 МПа, а стали — 2 • 105 МПа, это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 104 раз меньше, чем каучука при прочих равных условиях.

При увеличении действующей силы напряжения в материале возрастают и могут превысить силу сцепления частиц — материал разрушится.

На практике разрушение материала начинается значительно раньше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоретического предельного значения. Это объясняется тем, что в реальных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярного и кончая макродефектами, например трещинами).

Прочность материала характеризуется значением предела прочности R — напряжением в испытуемом образце материала в момент его разрушения.

В зависимости от характера приложения силы Fи вида возникающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе) (рис. 2.4).

Предел прочности материала определяют на образцах, форму и размеры которых устанавливают стандарты на этот материал. Так, для оценки прочности бетона приняты образцы-кубы размером 150 х 150 х 150 мм. Марка цемента определяется на образцах- балочках 40 х 40 х 160 мм. Для определения прочности горных пород обычно применяют образцы-цилиндры.

Предел прочности бетона при сжатии Rсж обычно составляет 10...50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150 х 150 х  150 мм с Rсж = 10 МПа, надо приложить усилие F = RСЖА =  10(0,15 х 0,15) = 225 кН (22,5 т). Поэтому для испытания материалов применяют специальные машины, снабженные механизмом для силового воздействия на образец и измерительными устройствами. Так, предел прочности при сжатии определяют с помощью гидравлических прессов, развивающих усилие до 10 кН (100 т) и более

(рис. 2.5).

Рис. 2.4. Схема нагружения образца при определении пределов прочности материала на

сжатие (а), растяжение (б), изгиб (в) и срез (г)

Для испытания на прочность образец 4 устанавливают на нижнюю плиту 3 пресса, зажимают верхней плитой 5 и включают масляный насос 8. За повышением давления масла наблюдают по манометру 7, фиксируя давление, при котором начинается разрушение материала. Разрушающее усилие Fраз равно произведению значений зафиксированного давления и площади поршня пресса. Предел прочности при сжатии

Rсж= Fраз/А

где А — площадь поперечного сечения образца, м2.

Предел прочности при растяжении рассчитывается по той же формуле.

Расчетные формулы при изгибе и скалывании имеют другой вид.

Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и того же материала может сильно различаться.

У природных и искусственных каменных материалов прочность при сжатии в 5...15 раз выше, чем при изгибе и растяжении. У древесины, наоборот, прочность при изгибе выше прочности при сжатии (в 1,5...2 раза).

Прочность древесины при сжатии вдоль волокон близка к прочности бетона, а при изгибе она прочнее бетона более чем в 10 раз.

Рис. 2.5. Схема гидравлического пресса для испытания на сжатие:

/ — станина; 2— поршень; 3, 5 — нижняя и верхняя опорная плиты; 4— испытуемый образец; 5—маховик для ручного подъема верхней плиты; 7 — манометр; 

8 — масляный насос

Водостойкость. Увлажнение многих материалов снижает их прочность. Долю сохранения прочности материала при насыщении его водой называют коэффициентом размягчения

Кр = Rнас/Rсух

где Rнас — предел прочности материала в насыщенном водой состоянии, МПа; Rcyx — то же, в сухом состоянии, МПа.

Значение Kр для разных материалов колеблется от 0 (необожженная глина) до 1 (стекло, сталь, битум).

Упругость и пластичность. Если взять два шарика — резиновый и глиняный — и начать их сжимать, то они оба под действием приложенной силы деформируются. Как только прекращается действие силы, резиновый шарик восстанавливает свою форму, а глиняный останется деформированным.

Материалы, ведущие себя подобно резиновому шарику, т. е. восстанавливающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. Количественной мерой упругости служит модуль упругости Е, рассмотренный ранее.

Чем выше Е у материала, тем большее усилие требуется для деформации материала. Идеально упругих материалов практически нет. При высоких нагрузках, в особенности прилагаемых длительное время, почти все материалы обнаруживают пластические деформации; как принято говорить: материал «течет» (см. рис. 7.2).

Материалы, ведущие себя подобно влажной глине, т. е. сохраняющие деформации после снятия нагрузки, называются пластинными. Соответственно обратимые деформации называют упругими, а необратимые — пластическими.

К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным — битумы (при положительных температурах), некоторые виды пластмасс, свинец, бетонные и растворные смеси до затвердевания.

Твердость — способность материалов сопротивляться проникновению в них других материалов. Твердость — величина относительная, так как твердость одного материала оценивается по отношению к другому. Самый простой метод определения твердости — по шкале твердости (см. табл. 4.1). В эту шкалу входят 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минералами.

Обычно твердость определяют на специальных приборах. Так, для оценки твердости металлов и других твердых материалов применяют методы Бринелля или Роквелла, основанные на вдавливании под определенной нагрузкой в испытуемый образец шарика из закаленной стали или алмазного конуса. По диаметру отпечатка рассчитывают число твердости НВ (по Бринеллю) или HR (по Роквеллу).

Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости. Так, древесина по прочности при сжатии сравнима с бетоном, а при изгибе и растяжении во много раз превосходящая его, значительно уступает бетону в твердости.

Износ — изменение размеров, массы и состояния поверхности материала вследствие истирающих и ударных воздействий. Износ может быть абразивным, кавитационным и др.

Износостойкость у строительных материалов оценивается в основном для заполнителей, используемых в дорожных бетонах. Оценка производится по потере массы пробы материала при его испытании по стандартной методике в полочном барабане.

Истираемость — свойство поверхностного слоя материала сопротивляться абразивному износу. Истираемость зависит от совокупности свойств материала: твердости, пластичности, упругости и др. Истираемость не оценивается расчетным путем, а определяется экспериментально. Для различных материалов используются разные, но строго регламентируемые стандартами методы. Например, истираемость бетона определяют с помощью круга истирания ЛКИ с использованием кварцевого песка в роли абразива (рис. 2.6); истираемость линолеума — с помощью вращающихся барабанов, обтянутых наждачной бумагой (рис. 2.7). Истираемость оценивается по потере массы или толщины образцов материала после цикла стандартных испытаний. Показатель истираемости очень важен для материалов, используемых для покрытий полов, лестниц и т. п.

Рис. 2.6. Машина ЛКИ для определения           Рис. 2.7. Схема машины для

истираемости каменных материалов                  испытания линолеума на истирание

2.6. ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Химические и физико-химические свойства материалов характеризуют их способность к химическим превращениям и изменению структуры под влиянием веществ, с которыми они находятся в соприкосновении, а также под влиянием некоторых физических (например, нагревание, облучение, электрический ток) и биологических (микроорганизмы, грибки и др.) воздействий. Из химических свойств материалов для строителя главные — коррозионная стойкость материалов в строительных конструкциях и их химическая активность. Последнее свойство важно для материалов, используемых как связующее (например, цемент, синтетические смолы).

Коррозия — разрушение твердых тел, которое вызывается химическими и электрохимическими процессами, протекающими в них при взаимодействии с внешней средой. Коррозионному разрушению подвергаются не только металлы, но и каменные материалы, бетоны, керамика и т.п.

Основные агрессивные агенты, вызывающие коррозию строительных материалов, следующие: пресная и соленая вода, минерализованные почвенные воды, растворенные в дождевой воде газы (S02, S03, N02) от предприятий и автомашин. На промышленных предприятиях коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные агенты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горячие газы.

Особый вид коррозии — биокоррозия — разрушение материала под действием живых организмов (например, грибов, микробов). Биокоррозия — это не только гниение органических материалов (древесины, битума и др.), но и разрушение бетона и металла продуктами жизнедеятельности поселившихся на них микроорганизмов.

Изменение структуры и свойств пластмасс под влиянием внешней среды называется старением. Наиболее вредные воздействия на пластмассы оказывают кислород воздуха и повышенные температуры, в особенности солнечное излучение.

Коррозия строительных материалов опасна не столько химическими изменениями в материале, сколько связанными с ними изменениями физико-механических характеристик материалов.

Химическая активность таких строительных материалов, как вяжущие вещества или минеральные добавки, зависит от их состава и строения (т. е. от активности составляющих их молекул), а также от тонкости измельчения. Причина последнего в том, что химические процессы протекают либо при непосредственном контакте этих веществ друг с другом (т. е. на их поверхности), либо при растворении веществ (растворение происходит также с поверхности). Таким образом, чем больше поверхность вещества, тем оно активнее в химическом отношении. Поверхность сильно возрастает при увеличении степени измельчения его частиц.

Степень измельчения вещества можно охарактеризовать величиной, называемой удельной поверхностью. Удельная поверхность — суммарная поверхность всех частиц единицы массы вещества (см2/г). Удельная поверхность тонкомолотых материалов достигает больших значений (см2/г): обычного портландцемента — 2000...2500, а тонкомолотого быстротвердеющего — 3000...4000. Чем больше удельная поверхность, тем быстрее частицы цемента взаимодействуют с водой и соответственно быстрее твердеет цемент.

2.7. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Некоторые строительные материалы — растворные и бетонные смеси, мастики, краски и др.— представляют собой пастообразные массы различной густоты. Чтобы такие материалы плотно укладывались в форму (опалубку) или хорошо сцеплялись с поверхностью конструкции, не сползая (не стекая) с нее, они должны обладать определенными свойствами. Для оценки таких свойств используют реологические методы и приборы.

Реология (от греч. rheo — течь) — наука о деформациях и текучести веществ. Объект реологии — жидкие и пластичные вещества. Жидкостями в реологии считаются вещества, которые под действием приложенной силы неограниченно деформируются, т. е. текут. Твердые тела (идеальные) — напротив, под действием силы деформируются обратимо (упруго) и восстанавливают размеры и форму после окончания действия силы. Реальные материалы, в том числе бетонные и растворимые смеси, мастики, краски, сочетают в себе свойства жидких и твердых тел. В зависимости от преобладания того или иного свойства говорят о вязкотекучих или пластично  вязких смесях.

К основным реологическим характеристикам относятся: вязкость, предельное напряжение сдвига, тиксотропия.

Вязкость  — внутреннее трение жидкости, препятствующее перемещению одного ее слоя относительно другого. Единица вязкости Па • с.

В строительстве большей частью применяют пластично-вязкие смеси. Если провести наблюдение за какой-либо смесью (строительным раствором, краской) под нагрузкой, можно заметить, что при малых нагрузках она ведет себя как твердое тело, проявляя упругие свойства; при увеличении нагрузки у нее появляются необратимые — пластические деформации. При дальнейшем увеличении нагрузки эта смесь начинает течь как вязкая жидкость.

Предельное напряжение сдвига — значение внутренних напряжений в пластично-вязком материале, при котором он начинает необратимо деформироваться (течь), т. е. превращаться в вязкую жидкость. Этот показатель у строительных смесей также называют структурной прочностью.

Реологическое поведение пластично-вязких тел может быть выражено моделью (рис. 2.9), представленной в виде последовательно соединенных пружины 3, груза 2, лежащего на плоскости, и поршня 1, движущегося в цилиндре с маслом. Если начать тянуть за пружину, с возрастающей силой F, сначала растягивается только пружина, а остальные элементы остаются в покое; если силу убрать, система вернется в исходное состояние. Затем, когда сила встанет равной силе трения Fтp, вся система начнет двигаться, проявляя пластичные свойства. Сила F в этот момент характеризует предельное напряжение сдвига в материале. Чтобы увеличить скорость движения, надо преодолевать возрастающее сопротивление масла в поршне, т. е. вступают в действие вязкостные свойства.

Многие пластично-вязкие смеси при повторяющихся (динамических) воздействиях могут обратимо терять структурную прочность, временно превращаясь в вязкую жидкость. Это свойство, называемое тиксотропией, характерно для смесей на основе минеральных вяжущих (бетонных и растворных смесей), красок и мастик. Физическая основа тиксотропии — разрушение структурных связей внутри пластично-вязкого материала. Явление тиксотропии используется при виброуплотнении бетонных смесей и при нанесении мастичных и oкрасочных составов шпателем или кистью.

В строительных лабораториях в качестве реологических прибором используют технические реометры, позволяющие оценить реологические свойства смесей применительно к условиям их использовании в строительстве. В этом случае определяют не конкретные реологические характеристики (вязкость, предельное напряжение сдвига и т. п.), а обобщенные показатели: условную вязкость, консистенцию вяжущего теста, удобоукладываемость растворной или бетонной смеси и т. п. При этом, кроме числового значения характеристики, обязательно указывают тип прибора и метод определения.

Жидкие тиксотропные составы — клеи, краски, мастики — оценивают по условной вязкости с помощью технических вискозиметров типа ВЗ, представляющих собой воронкообразные сосуды определенного объема с калиброванным отверстием (рис. 2.10). В этом случае за условную вязкость принимают время истечения (в секундах) определенного количества жидкости. Чем выше вязкость жидкости, тем больше время ее истечения.

Густые тиксотропные составы испытывают шариковыми вискозиметрами (рис. 2.11). При этом за условную вязкость принимают время (в секундах) прохождения стального шарика между двумя метками вертикально установленной трубки, заполненной испытуемым материалом. При падении шарика материал продавливается в зазор между стенками трубки и шариком. Чем выше вязкость материала, тем большее сопротивление испытывает шарик и тем больше время его опускания.

Составы средней густоты оценивают на вискозиметрах со свободно падающим шариком. Вязкие составы испытывают на вискозиметрах, в которых на шарик с помощью тонкой стальной штанги передается определенное фиксируемое усилие.

Реологические свойства теста на основе вяжущих веществ оценивают в соответствии с методами его укладки. Так, изделия из гипсового теста обычно формуют литьем, поэтому консистенцию гипсового теста оценивают стандартным вискозиметром Суттарда. Для этого

Рис. 2.9. Реологическая модель                      Р и с. 2.10. Технический вискозиметр:

 пластично-вязкого тела:                                 1 — сопло; 2 — резервуар; 3 - желобок

1- поршень, 2- груз, 3- пружина

испытуемое тесто помещают в металлический цилиндр без дна, установленный на стекло. Когда цилиндр поднимают, тесто растекается под действием силы тяжести. Консистенцию теста оценивают по диаметру образовавшейся лепешки (мм).

Материалы на основе цементного теста формуют с применением механических воздействий. Поэтому консистенцию цементного теста оценивают, погружая в тесто тяжелый стержень определенного сечения и массы. Глубина его погружения в тесто служит показателем консистенции последнего.

У пластичных бетонных и растворных смесей определяют обобщенный технологический показатель — удобоукладываемостъ, который оценивается показателем подвижности, т. е. деформацией смеси под заданной нагрузкой или под действием собственной массы.

В растворных смесях деформирование осуществляется погружающимся в смесь конусом определенной формы и массы. В бетонных смесях оценивается деформация самой бетонной смеси, отформованной в виде усеченного конуса в специальной форме, под действием силы тяжести. Этот показатель, называемый осадкой конуса, выражают в сантиметрах.

Жесткие бетонные и растворые смеси, не обнаруживающие деформаций при таких незначительных нагрузках, обычно на строительстве укладывают с помощью виброинструмента, используя их тиксотропные свойства. Поэтому удобоукладываемость таких смесей оценивают по показателю жесткости на приборах, моделирующих виброуплотнение смесей. Так, оценку жесткости бетонной смеси проводят по времени вибрирования в секундах до заполнения бетонной смесью формы и выделения на ее поверхности цементного молока.

Рис. 2.11. Шариковый вискозиметр

1- пробка, 2,5-метки, 3-стеклянная трубка, 4-шарик, 6-штатив

2.8. СТАНДАРТИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ

Основные требования к качеству материалов, изделий и готовых конструкций массового применения устанавливаются Государственными стандартами РФ (ГОСТ), отраслевыми стандартами (ОСТ), техническими условиями (ТУ).

В ГОСТах и ТУ содержатся краткое описание материалов и способы его изготовления, указаны марки материалов и требования к их качеству, форма и размеры и допускаемые отклонения от них, а также правила транспортирования, приемки и хранения, обеспечивающие сохранность материала, а также методы испытаний. ГОСТы и ТУ — документы, устанавливающие, что данный материал или изделие одобрены для производства и применения при определенном его качестве.

Основные положения строительного проектирования и производства строительных работ регламентируются Строительными нормами и правилами (СНиП).

В части II СНиП «Нормы проектирования» содержатся сведения о том, в каких конструкциях и как следует применять строительные материалы с указанием необходимых требований к свойствам этих материалов.

В стандартах и СНиПах требования к свойствам материалов выражены в виде марок на эти материалы. Марка вычисляется как среднее арифметическое результатов испытаний трех или более образцов материала (в ряде случаев метод расчета оговаривается в ГОСТе на материал). В последнее время для характеристики основных качественных показателей материалов, например бетона, используют понятие «класс». Класс — численная характеристика какого-либо свойства материала, принимаемая с гарантированной обеспеченностью, т.е. с учетом разброса значений этого свойства. Марка строительных материалов — условный показатель, устанавливаемый по главнейшим эксплуатационным характеристикам или комплексу главнейших свойств материала. Так, существуют марки по прочности, плотности, морозостойкости, огнеупорности.

Один и тот же материал может иметь несколько марок по различным свойствам. Так, кирпич маркируют по прочности и морозостойкости, но основной из них считается марка по прочности — главнейшему эксплуатационному показателю. По прочности для всех природных и искусственных каменных материалов СНиПом установлены следующие марки: 4; 7; 10; 15; 25; 35; 50; 75; 100; 125; 150; 200; 300 и т. д. до 3000. Цифра показывает минимально допустимый предел прочности на сжатие материала, выраженный в кгс/см2 (например, кирпич марки 100 должен иметь прочность 100... 125 кгс/см2 или 10...12,5 М Па).

Теплоизоляционные материалы делят на марки по плотности. Это объясняется тем, что теплопроводность находится в прямой зависимости от плотности, но контролировать последнюю значительно проще (см. п. 2.4). Например, изделия из минеральной ваты выпускают марок 75; 100; 150 и т. д. (в этом случае размерность марки кг/м3).

Контрольные вопросы

1. Что называется истинной и средней плотностью материалов

2. Раскажите о физических свойствах материалов: пористости, водопоглощении, влажности и т.д.

3. От чего могут разрушаться материалы наружных конструкций зданий и сооружений в зимний период?

4. Как оценивается морозостойкость материала

5. Какой главный фактор определяет теплопроводность материалов

6. Что называется прочностью, пределом прочности материалов

7. Что называется твердостью и как ее определяют?

8. Что называется удельной поверхностью, и на какие свойства материалов она влияет?

9. Что называется звукопроводностью?

10. Что называется звукопоглощением

11. Что называется вязкостью материала?

12. Что называется тиксотропией?

13. Стандартизация материалов

Рекомендуемая литература.

1. Основин В.Н., Шуляков Л.В., Дубяго Д.С. « Справочник по строительным материалам и изделиям» 2013г

2. Барабанщиков Ю. Г.  «Строительные материалы и изделия»

            Москва Издательский центр «Академия» 2008г. Учебник

                3. Невский В.А. «Строительные материаловедение» Учебное пособие

                Ростов-на-Дону, Феникс 2010.

4. Попов К.Н., Каддо М.Б. «Строительные материалы и изделия», Москва, «Высшая школа» 2010г.