Файл: БМ Конспект лекцій.docx

Пластичність – властивості матеріалу змінювати форму чи розміри під дією зовнішніх сил, не руйнуючи, причому після припинення дії сили матеріал не може мимовільно відновити розміри і форму.

Крихкість – здатність матеріалу руйнуватися без утворення помітних залишкових деформацій.

Основними характеристиками деформаційних властивостей будівельного матеріалу є: модуль пружності, коефіцієнт Пуассона, модуль зрушення, об'ємний модуль пружності, граничні деформації, повзучість.

Модуль пружності Е являє собою міру твердості матеріалу і зв'язує пружну деформацію і одноосьове напруження відповідно до закону Гука:

ε = σ⁄Е,

де σ – відносна деформація матеріалу, рівна відношенню абсолютної деформації Е до первісного лінійного розміру L.

σ – напруження при одноосьовому розтяганні стиску, встановлюване за формулою

σ = Р/F,

де Р –діюча сила;

F- площа поперечного перерізу матеріалу;

Модуль пружності Е за допомогою коефіцієнта Пуассона зв'язаний з іншими характеристиками матеріалу. Так, об'ємний модуль пружності (всебічного стиску) зв'язаний з модулем пружності наступною залежністю:

К = Е/[3(1-2μ)] ,

де μ – коефіцієнт Пуассона (поперечного стиску), встановлюваний за формулою

μ = - ε_x / ε_y ;

Одноосьове розтягання ε_z викличе подовження по цій осі +ε_z і відповідно стиск по бічних напрямках – ε_x ε_{y ,} які у випадку ізотропності матеріалу рівні.

Міцність – здатність матеріалу опиратися, не руйнуючи, внутрішнім напруженням, що виникають під дією зовнішнього навантаження.

Міцність є основною властивістю більшості будівельних матеріалів, одним з найважливіших показників якості конструкційних матеріалів. Від значення міцності залежить величина навантаження, що може сприймати даний матеріал при заданому перетині, працюючи в конструкції. Міцність матеріалу оцінюють межею міцності R, напругою відповідно навантаженню, яке викликало напругу. Значення межі міцності деяких матеріалів наведені в табл. 1.2.

Залежно від міцності будівельні матеріали розділяються на марки. Єдина шкала марок охоплює все будівництво. Найчастіше під маркою розуміють межу міцності при стиску, тому що саме цей вид напруження випробує більшість конструкційних матеріалів, які працюють у споруді.

Таблиця 1.2 – Межа міцності деяких будівельних матеріалів

Для оцінки ефективності матеріалу в будівництві використовується коефіцієнт конструктивної якості (питома міцність),що розраховується як показник міцності, віднесений до відносної щільності матеріалу:

R_у = R/d,

де d – відносна щільність матеріалу (див. 1.4.1), що є безрозмірною величиною.

Найбільш конструктивними й ефективними в будівництві вважаються матеріали, які мають високу міцність при малій власній щільності. Далі наведені значення R_у для деяких матеріалів:

склопластик – 450/2 = 225 МПа;

сталь – 390/7,85 = 51 МПа,

важкий бетон – 40/2,4 = 16,6 МПа;

легкий бетон – 10/0,8 = 12,5 МПа;

цегла – 10/1, 8 = 5,56 МПа.

Твердість – властивість матеріалу пручатися проникненню в нього іншого більш твердого матеріалу.

Твердість кам'яних матеріалів природного походження оцінюється за шкалою Маоса, складеною з 10 мінералів з умовним показником твердості від 1 до 10 (самий м'який тальк – 1, самий твердий алмаз – 10). Твердість металів, бетону, пластмас визначають вдавленням у випробуваний зразок сталевої кульки. У результаті випробу обчислюють число твердості

НВ = Р/F,

де F – площа поверхні відбитка.

Стиранність – властивість матеріалу пручатися стираннім впливам.

Стиранність оцінюють втратою первісної маси зразка матеріалу, віднесеної до площі поверхні стирання:

І = (m₁ - m₂)/F,

де m₁ і m₂ - маса зразка до і після стирання;

Зазначена властивість є одним з основних показників якості матеріалів, застосовуваних для дорожнього будівництва, влаштування підлог, сходів.

Ударна в'язкість – властивість матеріалу пручатися ударним навантаженням. Даний вид навантаження на відміну від розглянутих вище має короткочасний, миттєвий характер. Характеристикою цієї властивості є робота, витрачена на руйнування стандартного зразка, віднесена до одиниці його об'єму: А_уд = m (1 + 2 + 3 + ….... + n)/V·10,

де m – маса вантажу копра, кг;

V – об'єм зразка, см³;

(1+2+3+…....n) – шлях, пройдений вантажем копра для руйнування зразка.

Знос – властивість матеріалу пручатися одночасному впливу зношуючих і ударних навантажень. Показником зносу служить утрата маси зразка матеріалу в % від початкової.

1.4.3. Хімічні й технологічні властивості матеріалів

Хімічні властивості матеріалу визначають його здатність вступати в хімічну взаємодію з речовинами навколишнього середовища ,при якому утворюються нові речовини. До хімічних властивостей відносять: корозійну стійкість, розчинення, адгезію, горючість, токсичність, дисперсність.

Технологічні властивості матеріалу характеризують відношення матеріалу до різних технологічних процесів, що змінюють стан матеріалу, структуру його поверхні, що додає потрібну форму і розміри. Такі технологічні властивості, як подрібнюваність, розпилюваність, шліфованість, гвоздимість мають важливе практичне значення, тому що від них залежать якість і вартість готових виробів і конструкцій.

Контрольні запитання

1. Якими документами регламентовані вимоги до якості будівельних матеріалів?

2. На яких рівнях вивчається будова матеріалу?

3. Які фізико-хімічні методи аналізу використовують для оцінки складу й структури матеріалу?

4. Що ви знаєте про істинну і середню щільність матеріалу?

5. Розкажіть про фізичні властивості матеріалів (пористість, водопоглинення, вологість, гігроскопічність, вологовіддача).

6. Від чого можуть руйнуватися матеріали зовнішніх конструкцій будинків і споруд?

7. Як оцінюється морозостійкість матеріалу?

8. Який головний фактор визначає теплопровідність матеріалів?

9. Розкажіть про міцність, твердість, пружність та пластичність?

10. Розкажіть про технологічні й хімічні властивості матеріалів?

Тема 2. ПРИРОДНІ КАМ’ЯНІ МАТЕРІАЛИ

2.1. Гірські породи й мінерали

Мінерали – це природні фізично й хімічно однорідні тіла, що виникають у земній корі в результаті фізико-хімічних процесів. Гірські породи складаються з мінералів. У складі земної кори більше 2000 мінералів, але тільки 50 з них є породотвірними. Усі мінерали відрізняються один від одного своїми властивостями, тому перевага в породі тих чи інших мінералів визначає властивості гірської породи. Породотвірні мінерали поділяються на такі групи:

Група кварцу – кристалічний кремнезем (оксид кремнію SiО₂).

Міцність при стиску - до 2000 МПа, міцність при розтяганні - близько 100МПА, висока твердість, хімічна стійкість, Т_пл - 1700^о С. Найбільш розповсюджені мінерали цієї групи - обпа, халцедон, осадовий кварц.

Група польових шпатів – ортоклаз К₂О· Аl₂О₃· 6 SiО₂, плагіоклаз Nа₂О · Аl₂О₃· 6 SiО₂ і анортит СаО· Аl₂О₃· 2SiО₂. У порівнянні з кварцем польові шпати мають значно меншу міцність 120-170 МПа. Твердість – 6 - 6,5, щільність - 2,57 г\см³, Т_пл - 1170 ^оС.

Група алюмосилікатів - найбільш поширені звичайні (мусковіт, біотит), слюди і гідрослюди (гідромусковіт, гідробіотит) Твердість слюд–2-3.До цієї ж групи відносяться глинисті мінерали, що складають глини і можуть знаходитися як домішки в пісчаниках, вапняках і т.д.

Каолініт - Аl₂О₃· 2 SiО₂· 2Н₂О, білий, іноді з бурим відтінком, щільність-2,6 г/см³, твердість-1.

Група залізисто-магнезіальних силікатів. До цієй групи входять мінерали , що надають темне фарбування магматичним породам. Найбільш поширені олівіни, піроксени, амфіболи, хризотил, азбест. Вони відрізняються високою істинною щільністю – 3,2-3,6 г/см³, твердістю – 5,0 – 7,0 за шкалою Мооса.

Група карбонатів і сульфатів. Кальцит (СаСО₃) – безбарвний чи білий, щільність – 2.7 г/см³, твердість – 3.

Доломіт – СаСО₃ · МgСО₃ – безбарвний, іноді з буруватим і жовтуватим відтінком, щільність – 2,8 г/см³, твердість – 3 - 4.;

Магнезит – безбарвний, білий, сірий, щільність – 3,0 г/см³, твердість – 3,5 - 4,5; Гіпс СаSО₄ · 2Н₂О – білі чи безбарвні кристали, щільність – 2,3 г/см³, твердість – 2;

Ангідрит СаSО₄ – білий, сірий, склорозовий, блиск – скляний, щільність – 3,0 г/см³,твердість – 3-3,5.

Г

21

Залежно від умов формування гірські породи поділяються на три генетичні групи: магматичні (вивержені), що утворилися у процесі кристалізації складного силікатного розплаву (магми); осадові, виникли з продуктів руйнування будь-яких інших порід; метаморфічні, що є продуктом перекристалізації і пристосування порід, що змінилися в межах земної кори за фізико - хімічними умовами.

2.1.1. Магматичні гірські породи

Утворення магматичних гірських порід тісно пов'язано зі складними проблемами походження магми і Землі. Залежно від умов утворення виділяють дві основних групи магматичних порід – глибинні й що вилилися.

Глибинні – це породи, що утворилися при застиганні магми на різній глибині в земній корі. Породи, що вилилися, утворилися при вулканічній діяльності, виливі магми з глибин і затвердінні на поверхні. Магматичні породи, що утворилися в різній геологічній обстановці, мають наступні середні показники найважливіших будівельних властивостей: міцність при стиску – 100-300 МПа; щільність – 2600-3000 кг/м3; водопоглинання – менше 1%; теплопровідність – близько 3 Вт/(м^ос).

Граніти володіють сприятливим для будівельного каменю мінеральним складом, що відзначається високим вмістом кварцу (20-30 %), натрієво-калієвих шпатів (35-40%) і плагіоклазу (20-25%), невеликою кількістю слюди (5-10%). Міцність при стиску – 120-250МПа, пористість - до 1,5 %, щільність – 2700кг/м³. Граніти різноманітні за кольором, що залежить від фарбування польових шпатів. У зв'язку з високою міцністю на стиск і морозостійкістю граніти застосовують для захисного облицювання набережних, підвалин мостів, цоколів будинків, а також як щебінь для високоміцних і морозостійких бетонів.

Сієніти складаються з калієвих (50-70%) і натрієвих польових шпатів (10-30%), кольорових мінералів (10-20%). За фізико-механічними властивостями близькі до гранітів, трохи уступаючи їм у міцності через відсутність кварцу. Щільність – 2600-2800 кг/м³, міцність – 120 – 150 МПа.

Діорити – породи сірого кольору; складаються з плагіоклазу (65-70%) і рогової обманки (25-30%). Щільність – 2900 кг/м³, міцність при стиску 180-240МПа.

Габро – порода темного, майже чорного кольору, що відзначається великим вмістом кольорових мінералів і фарбуванням плагіоклазу. Для породи характерна щільність – 2900-3000 кг/м³, міцність при стисненні – 200-300 МПа.

Лабродоріти – різновид габро, що складаються переважно з польових шпатів і мінералу лабрадору. Ці породи завдяки ірізіруючій властивості (ірізація – яскравий кольоровий відлив) застосовують у будівництві як облицювальний камінь.

Кварцові порфіри – за мінеральним складом близькі до гранітів. Міцність, пористість, водопоглинення подібні з аналогічними показниками граніту, але порфіри більш тендітні.

Трахіти – є аналогами сієнітів, але більш пористі. Міцність при стисненні – 60-70 МПа, застосовуються як кислототривкий матеріал.

Андезити – аналоги діоритів, що вилилися, за мінералогічним складом. Фізико-механічні властивості подібні до властивостей базальтів. Щільність – 2700-3100 кг/м³, міцність при стиску – 140-250 МПа. Застосовуються як кислотостійкий матеріал, у вигляді щебеню для кислототривкого бетону.

Базальти аналоги, що вилилися, габро, породи чорного кольору, дуже щільні. Щільність базальтів – 2700 - 3300 кг/м³, міцність при стиску – 110 - 500 МПа. Базальти через велику твердість і крихкість важко обробляються, але добре поліруються. Базальти головним чином застосовують як бутовий камінь і щебінь для бетонів, у дорожному будівництві для мощення вулиць, у гідротехнічному будівництві.

Діабази – мають чорний колір, обумовлений присутністю плагіоклазу і кольорових мінералів, відрізняються високою твердістю, міцність – 300-400 МПа, мало зношуються і застосовуються у вигляді брущатки для мощення доріг і вулиць

Пемза – пористе вулканічне скло, що утворилося в результаті виділення газів при швидкому застиганні лав.Пористість - 60%, твердість-6, щільність – 0,3-0,9 г/см³. Висока пористість обумовлює гарні теплоізоляційні властивості. Застосовують у вигляді гідравлічної добавки до в'язкого матеріалам, служить як абразивний матеріал при шліфуванні металів і дерева.

Вулканічний попіл – найбільш дрібні частки лави, уламки окремих мінералів, є активною мінеральною добавкою.

Вулканічний туф – утворився з твердих продуктів вулканічних вивержень: пемзи, попелу, згодом ущільнених і зцементованих. Застосовують у вигляді пиляного каменю для кладки стін житлових будинків, влаштування перегородок і вогнестійких перекриттів, як декоративний камінь.

2.1.2. Осадові гірські породи

Осадові породи залежно від умов утворення поділяють на три групи: механічні, хімічні й органогенні опади.

Механічні породи утворилися в результаті вивітрювання магматичних і метаморфічних гірських порід. Можуть бути пухкі (гравій, глина, піски) і зцементовані (піщаник, конгломерат, брекчія).

Пісок – пухка зерниста порода крупністю зерен 0,14-5 мм, істинна щільність – 2650 кг/м³. Застосовується для виготовлення будівельних розчинів і бетонів, як дрібний заповнювач, служить компонентом сировинної суміші у виробництві скла, силікатних виробів і кераміки.

Глинисті – гірські породи, складаються в основному з дрібних лускатоподібних часток глинистих мінералів. Істинна щільність – 2500-2600 кг/м³, твердість – 1. Застосовуються для виготовлення керамічних виробів, а також само як компонент сировинної суміші у виробництві цементу.

Каолініт - коштовна сировина для виробництва вогнетривких матеріалів.

Піщаник – щільна гірська порода, що складається з зерен кварцу, зцементованих різними природними розчинами. Щільність – 2500-2600 кг/м³, міцність при стиску – 150-250 МПа, висока твердість і стійкість до стирання. З піщаників виготовляють бутові камені, плити для тротуарів і підлог промислових будинків, щебінь для бетонів.

Конгломерати – породи, що складаються з гальки і гравію, зцементованих природним цементом. Щільність – 1600 - 2800 кг/м³, міцність при стиску – 100 - 160 МПа. Практичне значення цих порід невелике, в основному конгломерати застосовують як оздоблювальний камінь.

Брекчії – породи, що складаються з кутастих уламків щебеню, зцементованих природним цементом. Мають обмежене поширення, використовують як оздоблювальний камінь.

Хімічні породи утворилися при випаданні з перенасичених розчинів хімічних опадів. Найбільш розповсюдженими є вапняки, доломіти, магнезити, вапняні туфи, гіпс, ангідрит.