Основные свойства строительных материалов

По числу  выдерживаемых циклов замораживания  и оттаивания различают материалы следующих марок: Мрз 10, Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35, Мрз 50, Мрз 100, Мрз 150 и Мрз 200.

Если нужно  провести ускоренное испытание морозостойкости  материала, то вместо замораживания  образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия Na2SO4 • 10Н2О и высушивают после полного насыщения при 105° С. О полном насыщении образца можно судить по прекращению роста веса образца. Кристаллы сернокислого натрия, образующиеся в порах испытуемого материала, давят на стенки пор сильнее замерзающей воды, т. е. это испытание является более жестким, чем описанное выше. Если материал не выдерживает его, надо обязательно провести испытание на морозостойкость в холодильных камерах при насыщении материала водой.

ХИМИЧЕСКАЯ  СТОЙКОСТЬ

Под химической, или коррозионной стойкостью понимают способность материалов сопротивляться действию кислот, щелочей, растворенных в воде газов и солей.

В условиях работы в конструкциях строительные материалы  очень часто подвергаются действию агрессивных жидкостей и газов. Так, проходящие по канализационным системам сточные жидкости могут содержать свободные кислоты и щелочи, которые разрушают поверхности металлических и железобетонных труб. Растворенные соли, находящиеся в морской воде в большом количестве, могут разрушающе действовать на бетонные сооружения.

Большинство строительных материалов не обладает стойкостью к  действию кислот и щелочей. Весьма нестойко в этом отношении, например, дерево, вследствие чего оно мало применяется  на химических заводах. Битумы относительно быстро разрушаются под действием концентрированных растворов щелочей, а многие природные каменные материалы— под действием кислот (например, известняки, мраморы, доломиты и др.). Почти все цементы, за исключением специальных кислотостойких, также плохо противостоят действию кислот. Высокой стойкостью к действию щелочей и кислот обладают керамические материалы с очень плотным черепком — облицовочные плитки, плитки для полов, канализационные трубы, специальный кирпич для устройства канализационных коллекторов, стекло и др. Некоторые природные каменные материалы (например, бештаунит, базальт) также высококислотостойки.

Свойства  по отношению к действию тепла

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Теплопроводностью называют способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал.

Очень важно  знание теплопроводности материалов, используемых при устройстве так  называемых ограждающих конструкций зданий (т. е. наружных стен, верхних перекрытий, полов в нижнем этаже), и в особенности теплоизоляционных материалов, предназначенных для сохранения тепла в помещениях и тепловых установках.

Теплопроводность  материала зависит от характера пор и вида материала, его пористости, влажности, объемного веса и средней температуры, при которой происходит передача тепла. Величина ее характеризуется коэффициентом теплопроводности К.

Как было отмечено выше, коэффициент теплопроводности зависит \ от пористости материала. У пористых материалов тепловой поток проходит через их массу и через поры, наполненные воздухом. Теплопроводность воздуха очень низка (Я=0,02), вследствие чего он оказывает большое термическое сопротивление прохождению теплового потока. Коэффициент теплопроводности сухих пористых материалов является промежуточной величиной между коэффициентами теплопроводности { их вещества и воздуха: чем больше пористость (т. е. чем меньше объем- I ный вес материала), тем ниже коэффициент теплопроводности, и наоборот. Таким образом, наиболее эффективными для ограждающих конструкций являются легкие материалы. Вместе с тем общей зависимости между объемным весом и теплопроводностью для всех строительных материалов установить нельзя. Для воздушно-сухих материалов (т. е. имеющих характерную для стен зданий естественную влажность 1—7% по объему) величину коэффициента теплопроводности можно ориентировочно определять по объемному весу, пользуясь эмпирической формулой, предложенной проф. В. П. Некрасовым

Очень сильно повышает теплопроводность материала его влажность, так как у воды ^, = 0,51, т. е. в 25 раз больше, чем у воздуха. Поэтому поры, заполненные водой, гораздо лучше проводят тепловой поток, чем поры, заполненные воздухом.

Некоторое влияние  на величину теплопроводности оказывает температура, при которой происходит передача тепла: коэффициент теплопроводности металлов с повышением температуры уменьшается, у большинства же прочих материалов возрастает. Это особенно необходимо учитывать при выборе материалов для тепловой изоляции паропроводов, котельных установок и т. п.

Структура материала  также оказывает влияние на коэффициент  теплопроводности. Так, при слоистом или волокнистом строении с определенным направлением волокон коэффициент  теплопроводности зависит от направления потока тепла по отношению к волокнам.

Величина пор  материала также оказывает влияние  на коэффициент его теплопроводности: мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые, материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Это объясняется тем, что при крупных и сообщающихся порах в них возникает движение воздуха, сопровождающееся переносом тепла (явление конвекции) и повышением суммарного коэффициента теплопроводности.

Ж. ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Теплоемкостью называют свойство материала поглощать  при нагревании определенное количество тепла.

Теплоемкостью материалов пользуются для определения  теплоустойчивости стен в перекрытий т расчета степени подогрева  материалов для зимних бетонных и каменных работ, а также при расчете печей. Под теплоустойчивостью стен и перекрытий понимают их способность сохранять на внутренней поверхности более или менее постоянную температуру, несмотря на колебания теплового потока вследствие неравномерной работы отопления. Суточные колебания температуры в жилых зданиях не должны превышать 6°.

В отапливаемых помещениях в частях стен или перекрытий, обращенных внутрь здания, аккумулируется запас тепла, благодаря чему в  помещениях температура значительно  не повышается. По окончании топки запас тепла, накопленный в стенах и перекрытиях, расходуется на подогрев воздуха, чем и выравниваются в помещениях колебания температуры воздуха. Для стен и перекрытий жилых и отапливаемых зданий желательно применять материалы с возможно более высоким коэффициентом теплоемкости. Такими являются лесные материалы, широко используемые для устройства стен и перекрытий небольших отапливаемых зданий.

ОГНЕСТОЙКОСТЬ

Под Огнестойкостью понимают способность материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы  при воздействии огня или высокой  температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Некоторые несгораемые материалы (например, кирпич, черепица, бетоны, асбестовые материалы) при воздействии высоких температур деформируются незначительно, другие же могут деформироваться сильно (сталь) или разрушаться (некоторые природные каменные материалы, например гранит, мрамор, известняк, гипс). Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются. Горение (тление) таких материалов (фибролит, войлок, пропитанный глиняным раствором, и др.) происходит только при наличии источника огня, а после его удаления горение прекращается. Сгораемые материалы (дерево, рубероид, толь, пластмассы и др.) под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

ОГНЕУПОРНОСТЬ

Огнеупорностью  называют свойство материала противостоять, не деформируясь, длительному воздействию  высоких температур.

Для различных  отопительных устройств (печей, труб, обмуровки  котлов и др.) используют строительные материалы,; которые могут не только выдерживать действие высоких температур, но и нести определённую нагрузку при постоянной высокой температуре. Такие материалы делят на три группы: огнеупорные, выдерживающие действие температур от 1580° С и выше (шамот, динас и др.); тугоплавкие, выдерживающие действие температур выше 1350 до 1580° С (гжельский кирпич);легкоплавкие — с огнеупорностью ниже 1350° С (обыкновенный глиняный кирпич).

Механические  свойства

1. ПРОЧНОСТЬ

Свойство материала  сопротивляться разрушениям под действием напряжений, возникающих от нагрузок, влияния температуры, атмосферных осадков и других факторов. Изучением прочности материалов — этого важнейшего свойства занимается особая наука — сопротивление материалов. Поэтому здесь приведены краткие сведения о прочности, необходимые для освоения курса строительных материалов.

В конструкциях строительные материалы, подвергаясь  различным нагрузкам, испытывают напряжение сжатия, растяжения, изгиба, среза и  удара. Чаще всего они работают на сжатие или на растяжение. Природные камни, а также бетоны и кирпич хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже — срезу, а еще слабее — растяжению. На растяжение они выдерживают нагрузку в 10— 15 раз меньшую, чем на сжатие. Поэтому указанные материалы следует применять главным образом в строительных конструкциях, работающих на сжатие. Другие строительные материалы (например, древесина, сталь) хорошо работают в конструкциях, подвергающихся как сжатию, так и растяжению (в балках, например).

Предел прочности  определяют нагружением испытуемых образцов материала до их разрушения (на прессах или разрывных машинах). Признаками разрушения являются появление трещин на образце, отслаивание и деформации. Образцы для испытания на сжатие обычно имеют форму кубиков со сторонами от 2 до 30 см. Чем неоднороднее строение материала, тем больше должны быть размеры образца. При испытании строительных растворов на растяжение образцы изготовляют в виде восьмерок стандартных размеров и формы (2). Иногда испытывают на сжатие образцы в виде цилиндра, так как цилиндры легче высверлить при помощи специальных коронок даже из твердых каменных пород, чем приготовить из них вручную образцы кубической формы.

Результаты  испытания на прочность в известной  мере зависят от формы и размеров образцов. При испытании удлиненных по оси цилиндров и призм получаются более низкие значения предела прочности при сжатии, чем при испытании кубиков. Это объясняется тем, что сжатие сопровождается поперечным расширением, а силы трения, возникающие между плоскостями образца и плитами пресса, удерживают нижние и верхние части образца от поперечного расширения. Чем больше высота образцов, тем меньше влияют опорные плоскости на их прочность. При испытании малых кубиков показатели прочности более высоки, т. е. менее точны, чем при испытании больших. При испытании необходимо точно соблюдать указания ГОСТов и ТУ в отношении формы и размеров образцов, характера обработки их поверхностей, скорости нарастания нагрузок и др.

 Предел прочности  при сжатии определяют на гидравлических  или механических прессах (3). Образец помещают на площадку /, соединенную с поршнем 2. В цилиндр 3 по трубопроводу 4 нагнетается насосом машинное масло определенной вязкости. Под давлением масла поршень поднимается и образец материала сжимается между поднимающейся площадкой 1 и площадкой 5, которая устанавливается на определенной высоте винтом 6. Давление масла в цилиндре определяют по манометру 7.

Предел прочности  при сжатии строительных материалов колеблется в широких пределах —от 5 (торфяные плиты) до 10 000 кГ/см2 и выше (высокосортные стали).

Строительные  материалы часто испытывают также  на изгиб. Для этого требуется  сравнительно небольшая разрушающая  нагрузка, поэтому испытание можно  проводить как в лабораторных условиях, так и на строительной площадке.

Предел прочности  при изгибе аПч.изг приближенно  вычисляют по приведенным формулам, заменяя в них изгибающую нагрузку разрушающей. При испытании на изгиб  разрушение материалов обычно начинается в нижней растянутой зоне, потому что  у большинства из них (за исключением стали и древесины) предел прочности при растяжении меньше предела прочности при сжатии.

В строительных материалах, работающих в сооружениях, допускается напряжение, составляющее лишь часть предела прочности  аПч.из- Следовательно, допускаемое  напряжение [а] равно [or] = ЗЗЫЙ: кГ/см*,- гдё z — запас прочности; эта величина больше единицы обычно в §—3 раза и выше.

Уменьшение  величин допускаемого напряжения объясняется  следующими факторами.

1. Полученные  при испытаниях показатели дают  представление только о среднем значении прочности материалов. Наиболее слабые части их разрушаются раньше, чем напряжение достигнет средней величины предела прочности. Многие материалы, нагруженные до напряжения, составляющего только часть предела прочности (50—70%),сильно деформируются. Следовательно, запас прочности надо принимать тем больше, чем менее однороден материал.

2. В каменных  и других хрупких материалах  образуются трещины раньше достижения  напряжения, равного пределу прочности.

3. При многократной  переменной нагрузке под влиянием так называемой усталости материала он может разрушаться при напряжении, равном только половине предела прочности.

4. Под действием  атмосферы изменяются первоначальные  свойства материала, со временем  происходит его «старение», сопровождаемое понижением прочности.

Для обеспечения  сооружениям достаточной прочности  при действии перечисленных факторов, а также нагрузок, не учтенных в  расчетах (или учтенных недостаточно точно вследствие несовершенства методов  расчета), в нормах на строительное проектирование установлены определенные запасы прочности для различных материалов и конструкций.