Файл: Строительные материалы.pdf

Строительные материалы
Основные свойства строительных материалов
Строительныминазываются материалы, из которых изготовляют строительные детали и конструкции, возводят здания и сооружения различного назначения. Строительные материалы могут быть природные – естественные (лесные, каменные плотные, пористые, рыхлые, горные породы, гравий, песок, глина и т.д.) и искусственные (вяжущие материалы – цемент, известь; искусственные камни – кирпич, блоки; растворы, бетоны, керамические изделия, металлы, тепло- и гидроизоляционные материалы, краски, лаки, а также материалы на полимерной основе).
Природные – (естественные)строительные материалы получают непосредственно из недр Земли или путем переработки лесных массивов. Этим материалам придают определенную форму и рациональные размеры, но не изменяют их внутреннего строения или состава.
Искусственные строительные материалы производят из природных сырьевых материалов или сырья, получаемого искусственным путем, а также из побочных продуктов промышленности и сельского хозяйства.
Вырабатываемые строительные материалы отличаются от исходного природного сырья, как по строению, так и по химическому составу.
Искусственные строительные материалы разделяют по главному признаку их отвердевания:
1) материалы, отвердевание которых происходит при обычных температурах;
2) материалы, отвердевание которых происходит при высоких температурах и давлении, т.е. в условиях автоклавов;
3) материалы, отвердевание которых происходит при остывании огненно-жидких расплавов.
К основным физическим свойствам строительных материалов относят массу, истинную и среднюю плотность, пористость, водопоглощение, водоотдачу, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, морозостойкость, воздухо-, паро- и газопроницаемость, теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, огнеупорность, звукопроницаемость.
Истинная плотность – ρ (кг/м
3
, г/см
3
) – отношение массы материала m к его абсолютному объему (без пор и пустот) V:
ρ = m / V
а
,
Средняя плотность – ρ
m
(кг/м
3
) – физическая величина, определяемая отношением массы образца материала m к его объему, включая поры и пустоты V:
ρ
m
= m / V,

где m – масса материала в естественном состоянии, кг или г; V – объем материала в естественном состоянии, м
3
или см
3
Пористость материалаП– степень заполнения объема материала порами
П = 1 – ρ
m
/ ρ,
Водопоглощение – это способность материала впитывать и удерживать в себе воду. Выражается обычно в процентах и определяется по массе W
m
или объему W
V
:
W
m
= [(m
1
– m) / m]·100%,
W
V
= [(m
1
– m) / V]·100%,
где m
1
, m – масса образца соответственно сухого и насыщенного водой, г; V
- объем образца в естественном состоянии, см
3
Влагоотдача– способность материала отдавать влагу окружающей среде, характеризуется скоростью потери влаги материалом в сутки при относительной влажности воздуха 60 %.
Гигроскопичность – свойство пористых материалов отдавать и поглощать определенное количество воды при повышении влажности окружающего воздуха.
Водостойкость – способность материала сохранять прочность при водонасыщении. Водостойкость численно характеризуется значением коэффициента размягчения:
К
разм
= R
нас
/ R
сух
,
где R
нас
и R
cyx
– предел прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образцов. Материалы относятся к водостойким, если К
разм
>= 0,75.
Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, проходящей в течение 1 ч под постоянным давлением через 1 м
2
испытуемого материала. К водонепроницаемым материалам относятся особо плотные материала – битум, стекло, сталь. Плотные материалы с замкнутыми мелкими порами – бетон специально подобранного состава и др.
Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное и попеременное замораживание и оттаивание без выраженных признаков разрушения и потери прочности.
Морозостойкими считают такие образцы материала, которые после установленных для них циклов замораживания и оттаивания не имеют видимых признаков разрушения, трещин, расслаивания и не теряют по

массе более 5 %. После заданного числа циклов попеременного замо- раживания и оттаивания определяют прочность материала при сжатии и вычисляют коэффициент морозостойкости:
K
мрз
= R
мрз
/ R
нас
,
где R
мрз
– прочность образцов при сжатии после заданного числа циклов замораживания и оттаивания, МПа; R
нас
– прочность водонасыщенных образцов при сжатии до замораживания, МПа. Материал считается морозостойким, если К
мрз
≥ 0,75.
Теплопроводностьλ,Вт/ (м ∙ о
С) или Вт/ (м ∙ К) – количество теплоты, проходящей через испытуемый материал толщиной 1 м, площадью 1 м
2
за 1 ч при разности температур по обе стороны материала в 1 о
С.
Теплоемкость С, (Дж/К, Дж/ о
С) – способность материала поглощать теплоту при нагревании или отдавать ее при охлаждении. Теплоемкость является мерой энергии, необходимой для повышения температуры материала. Теплоемкость материала, отнесенная к единице его массы, называется удельной теплоемкостью с [Дж/(кг · К), Дж/ ( кг · о
С)].
Огнестойкость – способность материалов выдерживать без разрушений одновременное действие высоких температур и огня. Пределом
огнестойкости конструкции называется время (в часах) от начала огневого испытания до появления одного из следующих признаков: сквозных трещин, обрушения, повышения температуры на необогреваемой поверхности более чем на 140 °С в среднем или на 180 °С в любой точке по сравнению с температурой до испытания. Предел огнестойкости кирпичной стены толщиной в один кирпич равен 5,5 ч. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы:

несгораемые материалы – под действием высокой температуры или огня не тлеют и не обугливаются (бетон, кирпич, металл);

трудносгораемые материалы – с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются при наличии источника огня; (арболит, фибролит, асфальтобетон);

сгораемые материалы воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня (дерево, рубероид, пластмассы, краски).
Огнеупорность – способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются:

на огнеупорные (например, шамотный кирпич) –выдерживающие действие температур от 1580 °С и выше;

на тугоплавкие (гжельский кирпич), выдерживающие температуру
1350 до 1580 °С;

на легкоплавкие (керамический кирпич), выдерживающие температуру до 1350 °С.

Термическая стойкость материала характеризуется максимальной величиной длительно действующей температуры, при которой конструкционные свойства материала сохраняются. Например, для древесины термическая стойкость равна 50 °С, обычного бетона – 200...250
°С, полимербетона – 140 °С.
Под механическими свойствами материалов понимается их способность сопротивляться различным силовым воздействиям.
Прочностью материала называют его свойство сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок. Прочность материала характеризуется пределом прочности (при сжатии, изгибе, растяжении). Предел прочности при сжатии
R
сж
или растяжении R
раст
, МПа,
R
сж
= P / F; R
раст
= P / F,
где P – разрушающая нагрузка, Н; F – площадь поперечного сечения, мм
2
Упругость – способность материала изменять свою форму под нагрузкой и принимать после прекращения нагрузки первоначальную форму
(сталь, древесина).
Пластичность– способность материала изменять под действием внешних сил свою форму, размеры и сохранять их после прекращения действия внешних сил (свинец, глиняное тесто, нагретый битум).
Хрупкость – способность материала разрушаться внезапно под действием внешних сил. К хрупким материалам относятся чугун, природные и искусственные каменные материалы, стекло.
Ударная прочность – способность материала сопротивляться в условиях эксплуатации ударным нагрузкам. Обычно конструкции подвергаются нагрузке, прилагаемой к материалу без удара (статической нагрузке). В некоторых случаях материалы в конструкциях подвергаются и ударным воздействиям (динамической нагрузке). Пределом прочности материала при ударе называется количество работы, затраченной на разрушение стандартного образца.
Твердость – способность материалов сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала.
Твердость каменных материалов определяют по шкале твердости, в которой 10 специально подобранных минералов расположены так, что на каждом предыдущем все последующие могут оставлять при царапании черту.
Числовое значение твердости при испытании образца может оказаться между показателями двух соседних минералов, взятых по шкале твердости.
Например, если испытываемый материал чертится топазом, но сам не чертит кварц, то его твердость принимают 7,5.
Твердость древесных плит определяют вдавливанием шарика из закаленной стали диаметром 10 мм в полированную поверхность образца на глубину 2 мм (табл. 1.1).
Истираемость – способность материала изменяться в объеме и массе

при действии истирающих усилий. Истираемость имеет большое значение для полов, лестниц, дорожных покрытий.
Естественные строительные материалы
Природными
каменными
материалами
называют материалы, получаемые из различных горных пород. Минералом называется природное химическое вещество, образовавшееся в результате различных физико- химических процессов, происходящих в земной коре, и имеющее приблизительно однородный состав и физические свойства.
Таблица 1. Характеристика твердости некоторых материалов
По своему происхождению горные породы подразделяются на три группы:
1.
Изверженные
породы
(первичные)
– образованы из расплавленных магматических масс, которые в зависимости от условий образования делятся на:

глубинные
породы (граниты, сиениты), медленно затвердевшие под большим давлением в толще земли;

излившиеся,
затвердевшие на поверхности земли (базальты, андезиты). К разновидностям изверженных излившихся горных пород относятся также вулканические обломочные горные породы, которые образовались при быстром охлаждении выбрасываемой при извержении вулканов лавы. К обломочным породам относятся пемза, вулканические пеплы.
Показатель
твердости
Минерал
Характеристика
твердости
1
Тальк или мел
Легко чертится ногтем
2
Каменная соль или гипс
Чертится ногтем
3
Кальцит или ангидрид
Легко чертится стальным ножом
4
Плавиковый шпат
Чертится стальным ножом под небольшим давлением
5
Апатит
Чертится стальным ножом под большим нажимом, стекло не чертит
6
Ортоклаз
Слегка царапает стекло, стальным ножом не чертится
7
Кварц
Легко чертят стекло, стальным ножом не чертятся
8
Топаз
9
Корунд
10
Алмаз

Основными породообразующими минералами изверженных горных пород являются:

Кварц – наиболее распространенный минерал земной коры представляет собой кристаллический кремнезем. Основой его химического состава является диоксид кремния.

Полевые шпаты – содержатся в горных породах в количестве более 50
%. Они представляют собой алюмосиликаты Na, К, Са с примесью других химических элементов.

Слюды представляют собой группу минералов-алюмосиликатов слоистой структуры. В зависимости от химического состава слюды имеют разный цвет.
2. Осадочные породы (вторичные) – образованы в результате разрушения и отложения горных пород различного происхождения, а также в результате осаждения солей в морских водоемах и скопления остатков растительного и животного происхождения (кальцит, магнезит, доломит, гипс). Основными породообразующими минералами осадочных пород являются:

магнезит (MgCO
3
) – минерал класса карбонатов;

кальцит (СаСО
3
) или кристаллический известковый шпат;

доломит – минерал класса карбонатов, по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль кальция и магния;

гипс – водная сернокислая соль кальция CaSO
4
• 2Н
2
О;

ангидрид – безводный гипс CaSO
4 3. Метаморфические (видоизмененные) породы – образованы в результате изменения изверженных или осадочных горных пород, состав и структура которых изменились под влиянием температуры, давления и химических воздействии.
Как правило, метаморфические породы отличаются сланцевой структурой (мраморы, кварциты, сланцы). Изделия из горных пород в зависимости от способа получения делятся:
1) на дробленые, получаемые дроблением горной породы (щебень);
2) на рваные, получаемые методом взрыва горной породы (бутовый камень и др.);
3) на пиленые, получаемые в карьерах из массивов камнерезными машинами (блоки или крупные камни – заготовки);
4) на молотые, получаемые в результате помола горной породы.
Из каменных пород, применяемых в строительстве, наиболее распространены: бутовый камень и каменные блоки – для кладки и облицовки стен; щебень, гравий, песок – для приготовления бетона, устройства дорожных оснований и т.д. Некоторые горные породы используются как сырье для производства цемента, извести, гипсовых и других вяжущих. Различного рода глины применяют в производстве керамических материалов.

Керамические материалы
Керамическими называются искусственные материалы и изделия, получаемые из глин и их смесей с минеральными добавками путем их формования, сушки и обжига. Сырьем для керамических материалов служат различные глины.
Глины – это осадочные горные породы, состоящие из глинообразующих минералов и примесей.
Свойства глин определяются соотношением, видом и дисперсностью глинистых минералов и примесей. Наиболее важными свойствами глин являются:

Пластичность – пластичными свойствами каждая глина обладает в определенном диапазоне влажности. Пластичность зависит от вида и количества глинообразующих минералов в глине. Повышение дисперсности глин увеличивает их пластичность, а запесоченность снижает ее;

Воздушная усадка – уменьшение объема образца при его сушке.
Величина относительной воздушной усадки может быть 10 % и более;

Спекаемость – способность глин при обжиге уплотняться с образованием камнеподобного материала. В процессе спекания происходит огневая усадка, которая у глин колеблется от 2 до 8 %.
Для регулирования свойств глиняной массы вводят отощающие
добавки, которые уменьшают огневую и воздушную усадки. В качестве отощающих добавок применяют кварцевый песок, молотый шлак, золу (их вводят в количестве 10-25%).
Порообразующие добавки применяют для уменьшения средней плотности стеновой керамики и сокращения расхода полноценного топлива, на этапе сушки они выполняют роль отощающих добавок. В качестве выгорающих добавок применяют древесные опилки (8-25 %), кокс, бурый уголь (2-2,5 %).
Плавни-добавки в смеси с глинистым веществом дают легкоплавкие соединения и снижают температуру обжига изделий. В качестве плавней используют измельченные полевые шпаты, … и др.
Пластифицирующие добавки увеличивают пластичность и связанность глин. К таким добавкам относят высокопластичные глины и поверхностно- активные вещества – отходы целлюлозной промышленности, синтетических жирных кислот и т.д. По назначению строительные керамические материалы и изделия классифицируются:

на стеновые материалы;

на пустотелые изделия для перекрытий;

на облицовочные материалы для наружной и внутренней отделки зданий;

на кровельные материалы (кровельная черепица);

на трубы;

на огнеупорные материалы;


на заполнители для легких бетонов;

на санитарно-технические изделия;

на специальные изделия.
Стеновые керамические материалы
Керамический кирпич – выпускается обыкновенного размера
250x120x65 мм и модульного размером 250x120x88 мм. В качестве сырья для изготовления кирпича применяют легкоплавкие глины. Производство керамического кирпича осуществляется двумя способами – пластическим и полусухим. Кирпич должен быть нормально обожжен. Недожженный кирпич
(алого цвета) имеет недостаточную прочность и долговечность, а пережженный высокую теплопроводность и часто искаженную форму. Кирпич керамический должен соответствовать требованиям повнешнему виду,прочности, плотности, морозостойкости и водопоглощению.
Кирпич керамический применяется для кладки стен, изготовления стеновых блоков и панелей, а также для кладки печей и дымовых труб в тех зонах, где температура не превышает температуры обжига кирпича.
Пустотелые камни имеют следующие размеры: длина – 250 и 288 мм; ширина – 120, 138, 200 и 250 мм; толщина – 138, 120, 80 мм.
Применяют керамические стеновые камни для кладки стен и зданий различного назначения, перегородок и т.д. По сравнению с обыкновенным кирпичом толщина стен из пустотелых камней снижается до
25 %, а масса достигает 50 %.
Крупные стеновые кирпичные блоки и панели выпускаются размером на комнату. Их изготовляют одно- и двухслойными. Двухслойные стеновые блоки и панели выполняют из кирпича, утеплителя (фибролита, арболита, минераловатных плит и др.) и отделочных слоев из цементно-песчаного раствора.
Однослойные наружные стеновые конструкции изготовляют из пустотелых керамических камней. Для обеспечения прочности панели и блоки армируют стальными каркасами по периметру оконных проемов и панелей.
Облицовочные керамические материалы
Керамические лицевые кирпич и камни отличаются точностью геометрических размеров и однородностью цвета. Для изготовления этих изделий применяют высококачественные глины. При подготовке сырьевой смеси к глинам добавляют отощающие добавки, а иногда специальные красители. Лицевой кирпич и камни изготовляют сплошными и пустотелыми, лицевую поверхность выполняют гладкой или рельефной. Для придания необходимого цвета их лицевые поверхности иногда покрывают