Строительное дело

Химическая активность - это свойство материалов подвергаться химическим превращениям под влиянием воды, температуры, солнечной радиации или при взаимодействии с другими веществами.

Химические превращения  наблюдаются при хранении и технологическом  использовании материалов, а также  в период эксплуатации строительных конструкций. Например, длительное хранение во влажной атмосфере вызывает гидратацию и снижение активности цемента. В  итоге получается так называемый лежалый цемент, сильно уступающий по качеству свежеизготовленному.

Химическая активность таких  материалов, как вяжущие вещества или минеральные добавки, зависит  не только от их состава и строения, но и от тонкости измельчения.

К физико-химическим свойствам относят: удельную поверхность порошкообразных материалов, размер и количество пор, степень гидрофобности неорганических порошков и др. Степень измельчения вещества характеризуют удельной поверхностью. Удельная поверхность - суммарная поверхность всех частиц единицы массы вещества (см2/г). Удельная поверхность тонкомолотых материалов достигает больших значений (для портландцемента - 2500...3000 см2/г). Чем больше удельная поверхность, тем быстрее частицы цемента взаимодействуют с водой и соответственно быстрее твердеет цемент.

Механические  свойства отражают способность тел (материалов) сопротивляться силовым (от механических нагрузок), тепловым, усадочным или другим напряжениям без нарушения установившейся структуры. В свою очередь, под напряжением понимается мера интенсивности внутренних сил, возникающих под действием нагрузок, изменений температуры и других факторов или причин. Практически напряжение определяют как внутреннюю силу, отнесенную к единице площади, причем под внутренней силой подразумевают силу действия частиц, находящихся по одну сторону от площадки, на частицы, находящиеся по другую сторону от этой площадки. Обычно определяют расчетом нормальные (перпендикулярные к площадке) и касательные напряжения, выражаемые в СИ в МПа.

Механические свойства разделяются  на деформационные и прочностные.

Деформационные  свойства характеризуют способность материала к изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы. Деформация — изменение объема или формы твердого или пластичного тела без изменения массы. Главнейшие виды деформаций — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Все они могут быть обратимыми и необратимыми, или остаточными. Обратимые полностью исчезают при прекращении действия на материал факторов, их вызвавших. Необратимые деформации, называемые, кроме того, пластическими, накапливаются в период действия этих факторов; после их снятия деформации сохраняются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно и полностью, называются упругими, а если в течение некоторого времени, то — эластическими.

Деформации могут быть также сложными — упругопластическими  или упруговязкопластическими, если достаточно четко выражены соответственно упругая и пластическая или упругая, эластическая и пластическая части.

На характер и величину деформации влияет не только величина нагружения, но и скорость приложения нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости деформирования и понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластическим, уменьшаясь по абсолютной величине. Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличения напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного времени под влиянием силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования — ползучестью или крипом.

Деформационные свойства строительных материалов, как и других тел, обусловливаются периодом, или  временем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения  внутренних напряжений в материале, связанных с молекулярным перемещением при условии, что начальная величина деформации остается неизменной, например зафиксированной жесткими связями. Характер начальной деформации в  период релаксации напряжений может  измениться, например из упругой постепенно перейти в необратимую (пластическую), что связано с переориентацией  внутримолекулярной структуры. Время, или период релаксации, определяет продолжительность релаксационных процессов.

Период релаксации — важная характеристика строительных материалов: чем она меньше, тем более деформативным является материал.

К другому важному механическому  свойству относится прочность, т. е. способность материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям  и деформациям, возникающим под  влиянием механических, тепловых и  других напряжений. Типичными прочностными характеристиками являются предел упругости, предел текучести и предел прочности  при воздействии сжимающих, растягивающих  или других видов усилий. Пределу  упругости соответствует напряжение материала при максимальной величине упругой деформации; пределу текучести - постоянное напряжение при нарастании пластической деформации; пределу прочности - максимальное напряжение в момент разрушения материала. Эти характеристики прочности относятся к кратковременному действию приложенной нагрузки. При  длительном воздействии нагрузки возрастает опасность для структуры материала  и даже сравнительно малые напряжения могут вызвать ползучесть и заметное ухудшение структуры с потерей  прочности. Поэтому нередко принято  измерять длительную прочность материала, причем не только при статической, но и динамической нагрузках. Материал может резко терять свою прочность  после приложения к нему вибрационной нагрузки, что обусловлено усталостью — накоплением неотрелаксированных напряжений и необратимых микродефектов в структуре. Соответствующая прочность называется усталостной, определяется испытанием образцов материала.

В целом, три упомянутые характеристики прочности — условные по двум причинам. Во-первых, они не учитывают фактора  времени, что с некоторым приближением можно допустить только в отношении  хрупких материалов. Во-вторых, приборы, образцы, скорость приложения нагрузки на прессах и другие исходные данные методов испытания материала  на прочность условны. Один и тот  же материал может иметь различную  величину показателя прочности в  зависимости от размера образца, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывались образцы. Например, чем меньше размеры «кубика», больше скорость приложения нагрузки, тем выше величина предела прочности при сжатии.

Дополнительными характеристиками механических свойств при оценке качества материалов могут служить твердость, истираемость и ударная вязкость.

Твердость выражает способность материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел, например при сдавливании стального шарика или конуса, царапании резцом, сверлении, ударах молотка, пулевом выстреле и др. Эти условные испытания дают значения твердости либо только качественные, например по следу царапания, либо также и количественные — по глубине или площади отпечатка с учетом приложенной нагрузки. Нередко от полученного значения твердости стремятся перейти к величине прочности, хотя устанавливаемые соотношения между твердостью и прочностью тем менее точные, чем пластичнее материал. Только у хрупких тел царапание можно более или менее надежно сравнивать с прочностью, так как то и другое свойство обусловлено сцеплением между микрочастицами материала.

О твердости нередко также  судят по потере массы образцов при  истирании на металлических кругах в присутствии абразивных порошков. О более сложном свойстве, включающем и твердость, а именно об износе, износостойкости материала судят  по испытанию пробы определенной массы путем вращения ее в барабане совместно с металлическими шарами или без шаров. Чем больше измельчается проба, тем и больше износ в  процентах.

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам и определяется количеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксированном с помощью насечки месте. Работа, отнесенная к площади поперечника образца, характеризует единичную ударную работу на излом, называемую удельной ударной вязкостью. Она имеет практическое значение при оценке качества металлов, асбестоцементных изделий, например кровельных листов и плит.

 

1.2 Природные каменные материалы

Природные каменные материалы  получают без обработки или путем  механической обработки (дробление, раскалывание, распиловка, теска, шлифовка) горных пород, состоящих из одного или нескольких породообразующих минералов с незначительными  включениями. При этом свойство горной породы, из которой они получены, сохраняется почти полностью. Строительные свойства горных пород, в свою очередь, определяются их химическим составом, физическими и механическими  свойствами. В зависимости от условий  образования горные породы делятся  на изверженные (магматические), осадочные и метаморфические.

Магматические (первичные) - образовались при охлаждении и отвердении магмы (глубинные магматические породы - граниты, сиениты, диориты, габбро; излившиеся - порфиры, андезиты, трахиты, диабазы, базальты; рыхлые - вулканические пеплы, пемза; цементированные - вулканические туфы, трассы, туфовая лава).

Осадочные (вторичные) - горные породы, образовавшиеся в результате естественного процесса разрушения первичных и других пород (рыхлые - пески, гравий, глина, природный щебень; цементированные - песчаники, конгломераты; химические осадки-некоторые виды известняков, известковые туфы, магнезиты, доломиты, гипс, ангидрид; органогенные отложения - мел, большинство известняков, трепелы, опоки, диатомиты).

Метаморфические (видоизмененные) - породы, которые образовались при изменении первичных и вторичных пород (измененные изверженные породы - гранитные гнейсы; измененные осадочные породы - глинистые сланцы, известняковые мраморы, кварциты).

Природные каменные материалы  применяют для возведения фундаментов и стен зданий, защитных и декоративных облицовок строительных конструкций, для изготовления бетонов, а также оснований при строительстве железных и автомобильных дорог.

Известняки

Известняки состоят в  основном из кальцита. Качество известняков  зависит от содержания в них примесей (кремнезема, глины, доломитов, оксидов  железа и т. д.). При содержании глины  не более 6% породу называют известняком; при наличии 6-20% глинистых примесей - мергелистым известняком; более 20% - мергелем (мергель неводостоек и поэтому как строительный камень не применяется, его используют как сырье для производства цемента). Известняки, в которых присутствует доломит, называют доломитизированными.

Плотные известняки (плотность  более 1800 кг/м3) наиболее часто применяются  в строительстве в виде строительного  камня.

Известняки - ракушечники - пористые горные породы, характеризуются небольшой  плотностью, низкой прочностью и малой  теплопроводностью.

Известковые туфы - пористые известняки химического происхождения. Они характеризуются хорошей  морозостойкостью и относительно низким водопоглощением. Разновидность известкового туфа - траверин - имеет прочность при сжатии до 80 МПа.

Применяют плотные известняки в виде бутового камня для фундаментов, стен не отапливаемых зданий, плит и фасонных изделий, для облицовки стен, цоколей и карнизов, а также в качестве щебня для бетонов, основания для дорог и сырья для получения цемента и извести.

Известняк-ракушечник применяют  для кладки стен, а также в качестве щебня для легких бетонов.

Известковые туфы чаще всего  используют для облицовки зданий. Если в известняке более 3,5% глины, то он считается непригодным для  использования в качестве строительного  камня.

 

Песчаники

Песчаники - горная порода, образованная из зерен кварца, сцементированных природными цементами (известковыми, кремнистыми, глинистыми, железистыми). Наиболее ценными считаются кремнистый песчаник на водном кремнеземе, обладающий очень высокой прочностью и стойкостью (в том числе кислотостойкостью), а также известковый песчаник на кальците и доломите.

Глинистый песчаник размокает  в воде и как строительный камень не применяется.

Применяют для кладки фундаментов, стен не отапливаемых зданий, ступеней, тротуаров, облицовки зданий, а также в виде щебня для бетонов.

Доломит

Доломит (порода химического  происхождения) по свойствам близок к плотным известнякам, но обладает большей стойкостью.

Применяют для тех же целей, что и известняки, а также для производства теплоизоляционных материалов и огнеупоров.

Гнейсы

По составу и свойствам  близки к граниту. Из-за сланцеватого строения менее долговечны. Глинистые сланцы имеют большую плотность и четкую слоистость. ПРИМЕНЯЮТ в виде бутовых плит для кладки фундаментов, устройства тротуаров, для облицовки каналов и набережных.

Мрамор

Мрамор, образовавшийся из известняков  и доломитов, имеет плотное кристаллическое  строение, высокую плотность - до 2900 кг/м3, малое водопоглощение - до 0,7%, большую прочность при сжатии - до 300 МПа, хорошо шлифуется и полируется.

Применяют мраморные плиты для внутренней облицовки помещений, изготовления подоконных досок, ступеней, устройства полов. Мраморную крошку и отходы мраморной обработки используют в качестве заполнителей для отделочных растворов и бетонов. Нельзя использовать мрамор для наружной облицовки в больших городах, где в атмосфере много сернистого газа. При наличии влаги кальцит наружного слоя мрамора превращается в гипс - поверхность тускнеет и быстро разрушается. То же самое наблюдается при переменном замораживании и оттаивании.

Кварц

Целиком состоит из кварца. Окраска - белая, красная, темно-вишневая. Кварциты обладают высокой плотностью (до 2700 кг/м3), водопоглощением 0,2% и прочностью при сжатии 400 МПа.

Применяют для наружной облицовки, когда требуется повышенная стойкость, а также в качестве щебня и как сырье для изготовления динасовых огнеупоров.

Бутовый камень

Бутовый камень - куски камня  размером 150-500 мм. Рваный бут добывается чаще всего взрывным способом, плитняковый (постелистый) получают из пород пластового залегания раскалыванием специальным инструментом.

Применяют для устройства фундаментов и стен не отапливаемых зданий, а также для переработки в щебень.

Щебень

Щебень - куски камня размером 5-70 мм. Получают дроблением прочных  горных пород. ПРИМЕНЯЮТ чаще всего  в качестве заполнителей для бетона.