Физико-химические и акустические свойства
Основные понятия строительного материаловедения. Нормативная база
Материаловедение – это наука, изучающая связь состава, строения и свойств материалов, закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и др. воздействиях.
При подготовке специалистов по направлению 08.03.01 «Строительство» дисциплина «Строительные материалы и системы» занимает особое место. Строительные материалы оказывают решающее влияние на технико-экономическую эффективность, безопасность строительства и эксплуатацию зданий и сооружений. Строительные материалы составляют более 50 % сметной стоимости объектов. Данная дисциплина является первой инженерной дисциплиной, которая закладывает базу для изучения специальных дисциплин – строительных конструкций, технологии строительного производства, экономики, управления и организации строительства, архитектуры и др. Во время ее изучения возникают трудности, связанные с необычностью для бывших школьников изложения курса. Каждый материал имеет название, структуру, показатели качества или свойства, их численные значения, способы производства, условия и особенности применения и т.д. Всё это надо знать, чтобы считать себя настоящим строителем и грамотным специалистом.
В 2003 году в нашей стране был принят Закон «О техническом регулировании». В этом законе на первое место поставлено обеспечение безопасности жизни и здоровья людей, охрана окружающей среды, имущества при всех видах собственности. По этому закону разрабатываются Технические регламенты в виде обязательных требований к продукции, процессам производства, работам и услугам, правилам эксплуатации, перевозки и хранения строительной продукции. Общее количество нормативных документов в области строительства до вступления в силу этого закона составляло более пяти тысяч. С выходом же этого закона, а так же Градостроительного кодекса Российской Федерации чуть позднее количество нормативных документов в значительной степени снизилось. Все нормативные документы в строительстве представляют собой единую систему, элементы которой взаимосвязаны. Основными нормативными документами в области строительства являются строительные нормы и правила, которые определяют все основные требования и принципы строительства. СНИПы разрабатываются органами исполнительной власти и управления строительством и охватывают абсолютно все этапы строительства и виды строительной деятельности. Знакомство с такими нормативными документами, как строительные нормы и правила (СНиПы) является обязательным для всех, чья деятельность так или иначе связана со строительством.
|
|
|
Благодаря системе нормативных документов в области строительства строительная продукция полностью соответствует собственному назначению, а также обладает высокими показателями по таким параметрам, как качество и надежность. Здания и сооружения, построенные в строгом соответствии со СНиПами и прочими нормативными документами, не представляют угрозы для окружающей среды, поскольку для их строительства должны использоваться материалы, соответствующие нормам.
|
|
|
Стоит отметить, что система нормативных документов не является закрытой, поскольку в уже существующие строительные нормы и правила достаточно часто вносятся изменения, а с появлением новых строительных материалов требуется разработка нового СНиПа, который бы регламентировал работу с ними.
Структура системы нормативных документов в области строительства создается с учетом разницы требований к строительным объектам. Иначе говоря, для определенной группы схожих объектов сформировывается целый комплекс самых различных нормативных документов, которые объединяет только единство задачи и конечной цели. И уже эти отдельно взятые комплексы являются составляющими элементами системы нормативных документов.
|
|
|
Несмотря на тот факт, что строительная деятельность регламентируется Федеральным законодательством, нормативные документы могут разрабатываться не только централизовано, но и в отдельно взятых субъектах Российской Федерации, то есть территориально
Все нормативные документы субъектов Российской Федерации не должны идти в разрез со строительными нормами и правилами, и должны разрабатываться соответствующими инстанциями на их базе, но с учетом территориальной специфики. Под соответствующими инстанциями в данном случае подразумеваются органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации.
При прохождении процедуры регистрации строительных норм субъектов Российской Федерации в обязательном порядке производится проверка на предмет соответствия территориальной нормативной документации всем обязательным требованиям федеральных нормативных документов в области строительства. В том случае, если нормативный документ того или иного субъекта Российской федерации не соответствует всем требованиям, его регистрация не производится, и он не включается в перечень действующих нормативных документов в области строительства.
|
|
|
Остальные нормативные документы – национальные и межгосударственные стандарты, стандарты предприятий и общественных организаций, которые разрабатываются в соответствии с этим законом, имеют рекомендательный и добровольный к применению характер.
Производственно-отраслевые стандарты и технические условия – весьма важные документы в области строительства. Отраслевые стандарты в области строительства разрабатываются и принимаются государственными органами управления. При этом применяются отраслевые стандарты строительными организациями на местах и организуют свою работу в полном им соответствии. В обязательном порядке следовать производственно-отраслевому стандарту необходимо в первую очередь в тех случаях, когда имеется ссылка на него в договоре или технической документации изготовителя, используемого в процессе строительства материала. Впрочем, в ряде случаев, строительные организации исполняют требования производственно-отраслевых стандартов совершенно добровольно, стремясь повысить качества собственной работы.
Помимо производственно-отраслевых стандартов нередки случаи, когда строительные организации вынуждены соблюдать определенные технические условия. Несмотря на тот факт, что технические условия ни в коей мере нельзя использовать в качестве нормативного документа, позволяющего повысить качество продукции, данный документ в достаточной степени широко используется в области строительства. Как правило, технические условия необходимы в том случае, если (как и в случае с производственно-отраслевыми стандартами) на них дается ссылка в договоре или в техдокументации, а так же если речь идет о продукции, которая выпускается на основе принципиально новых технологий или с использованием новых материалов, с которыми ранее не сталкивались. То есть технические условия необходимы тогда, когда речь идет о продукции, для которой не существует строительных норм и правил и прочих нормативных документов. Обычно технические условия разрабатываются производителями сразу после выпуска какой-либо новой продукции. Составляются технические условия на основе общих правил их изложения, оформления и согласования. При этом данные правила в обязательном порядке регламентируются Межгосударственным стандартом ГОСТ 2.114-95 («Единая система конструкторской документации. Технические условия»).
Технические условия обязательно согласовываются технической комиссией или направляются на предмет согласования заказчику.
В том случае, если в техническом условии содержатся какие-то требования, которые компетентны рассматривать органы госнадзоры, техническое согласование производится ими.
Концепция безопасности по отношению к строительным материалам обозначает обеспечение функциональных свойств, экологической чистоты, пожаробезопасности и безвредности материалов в течение всего их срока службы. Это относится к конечной строительной продукции – конструкции, здания, сооружения, которые сделаны из строительных материалов. Поэтому для обеспечения безопасности необходимо знать функциональное назначение, условия эксплуатации конечной продукции при изучении, выборе и разработке строительного материала, что обеспечивает стабильность его показателей во время эксплуатации.
Любой строительный объект должен отвечать условиям безопасности, быть функционален и экономически состоятелен. Необходимо также учитывать желание заказчика.
Строительные материалы классифицируют по назначению на 2 группы:
1 группа: конструкционные материалы для несущих конструкций (природные каменные материалы, бетоны, растворы, керамика, стекло, ситаллы, металлы, полимеры, древесина, композиты и др.);
2 группа: строительные материалы специального назначения - теплоизоляционные, акустические, гидроизоляционные, герметики, кровельные, отделочные, антикоррозионные, огнеупорные материалы, материалы для радиационной защиты и т.д.
Свойства материалов имеют названия и оцениваются численными значениями, которые устанавливаются путем стандартных испытаний.
Конструкции, здания и сооружения должны иметь высокую надежность.
Надежность – это комплексное свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров при выполнении требуемых функций в заданных условиях эксплуатации и технического обслуживания. Она складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Безотказность (Reliability, failure-free operation) – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение времени.
Долговечность (Durability, longevity) – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта (срок службы).
Например, для железобетонных и каменных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности: I – соответствует сроку не менее 100 лет; II – 50 лет; III – 20 лет.
Ремонтопригодность (Maintainability) – свойство объекта к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния при техническом обслуживании и ремонте.
Сохраняемость(Storability) – свойство объекта сохранять в заданных пре-делах значения параметров при выполнении требуемых функций (иногда трактуется – после хранения и транспортировки).
Все строительные материалы имеют состав. Они характеризуются химическим, минеральным, фазовым и вещественным составом.
Химический состав– это количество химических элементов или оксидов в материале. Он позволяет судить об огнестойкости, биостойкости, механических свойствах и т.д. материалов.
Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержаться в строительном материале.
Фазовый состав материала – это наличие твердого вещества или каркаса, пор, заполненных воздухом или другим газом, и воды. Причем, если поры материала заполнены водой, то его, например, теплофизические свойства существенно изменяются, так же, как и влажностные деформации. Если вода в порах замерзает, то она изменяет свое фазовое состояние и возникают большие напряжения, которые весьма изменяют механические и деформативные свойства.
Вещественный состав составляют вещества, входящие в материал: например, многокомпонентные цементы и др.).
От состава материала зависит его структура или строение, которые, в свою очередь, влияют на его свойства. В материаловедении принято использовать термин строение материала. Существует научно доказанная взаимосвязь между тремя составляющими выражения: «состав – структура – свойства».
Строение материала изучают на 3-х уровнях:
1. Макроструктура материала – строение, видимое невооруженным глазом.
2. Микроструктура материала – строение, видимое в оптический микроскоп.
3. Внутреннее строение материалов – строение, изучаемое на молекулярно-ионном уровне методами рентгенофазового анализов, рентгеноструктурного и электронной микроскопии.
Макроструктура твердых строительных материалов может быть следующих типов:
конгломератная (бетоны);
ячеистая (газобетоны и пенобетоны, ячеистые пластмассы);
мелкопористая (керамика);
волокнистая (древесина, стеклопластики, минеральная вата);
слоистая (фанера, слоистые пластики: бумопласт, текстолит);
рыхлозернистая (заполнители для бетона, наполнители для цементов, пластмасс и др.);
макроструктура природных каменных материалов.
Микроструктура материала может быть кристаллическая и аморфная.
Кристаллическая форма всегда более устойчивая. Она имеет постоянную температуру плавления и определенную геометрию кристаллов, составляющих материал.
Внутреннее строениематериалов может быть в виде кристаллических решеток из нейтральных атомов одинаковых элементов (алмаз) или разных (кварц или разновидности SiO2); ионов (СaCO3, металлы); молекул (кристаллы льда).
От внутреннего строения зависят все свойства материалов. Оно может изучаться методами рентгеноструктурного анализа, на сканирующем, растровом микроскопах-микроанализаторах и др.
В заключении необходимо отметить тот факт, что система нормативных документов реагирует на многие факторы: экономические условия, появление новых технологий в области строительства и т.д. Появляются новые строительные материалы, изменяются методы проведения тех или иных строительных работ – все это приводит к изменениям в существующих и действующих сегодня СНиПах и к разработке совершенно новых строительных норм и правил.
В строительной отрасли, как ни в какой другой сфере деятельности, имеет значение точность и достоверность и основной направленностью абсолютно любого нормативного документа, будь то строительные нормы и правила, технические условия или производственно-отраслевые стандарты является в первую очередь достижение высокой степени безопасности любой строительной продукции. И все, кто занимается строительной деятельностью, должны владеть всей необходимой информацией, которая необходима для успешной профессиональной деятельности.
Общие сведения
Основные свойства строительных материалов в своей сумме показателей формируют основные показатели качества материалов, их отношение к различного рода нагрузкам, взаимоотношение с другими материалами и в конечном итоге – качество и долговечность строительной конструкции в целом.
К основным свойствам строительных материалов относятся именно те свойства, по которым чаще всего формируется марка, класс или сорт материала. В строительных конструкциях, испытывающих большие нагрузки, основным свойством всегда считался предел прочности строительного материала. Каждый строительный материал имеет десятки показателей по своим свойствам, однако к основным свойствам строительного материала относят, прежде всего, те, которые формируют основное назначение материала.
Так, например, основным свойством облицовочного кирпича может быть морозостойкость и гигроскопичность, а основным свойством рядового кирпича, используемого в основной стеновой кладке обязательно должен быть предел прочности.
Основные свойства строительных материалов начинают формироваться на стадии определения качества материалов производства. Например, хороший, качественный бетон невозможно произвести из песка, щебня и цемента плохого качества, неправильного их дозирования и с нарушениями технологии производства. Максимально грамотный технологический процесс производства – гарантия того, что основные свойства строительного материала будут соответствовать нормативным требованиям. Немаловажную роль в сохранении основных свойств строительных материалов играет процесс транспортировки материалов от производителя на строительную площадку, а так же условия хранения и конструктивная защита стройматериала в изделии от агрессивных природных и физических воздействий.
Каждый строительный материал имеет различные названия, состав, строение (или структуру) и показатели свойств. Свойства определяют область рационального применения и возможность его сочетания с другими материалами.
Основные свойства строительных материалов зависят от их химического состава и структуры (строения).
В зависимости от химического состава строительные материала принято делить на:
органические (древесина, битумные материалы, 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 материалы, напротив, имеют значительно более высокие температуры применения, а металлы хорошо проводят электрический ток и тепло.
Не меньше, чем химический состав, на свойства материала влияет его 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 СаСО3, но пористый рыхлый мел имеет низкую прочность и легко размокает в воде, а плотный мрамор прочен и стоек к действию воды.
Физические свойства
Каждый строительный материал имеет параметры состояния в момент его осмотра или исследования.
К ним относятся: плотность, пористость и влажность.
Плотность (г/см³, кг/м³) – физическая величина, определяемая массой единицы объёма материала.
Любой материал состоит из твердого вещества и пор (за исключением абсолютно плотных материалов: например, металлов). Поэтому объем материала в естественном состоянии (V е) складывается из объема вещества в абсолютно плотном состоянии (V а) и объема пор (V п):
V е = V а + V п .
Истинная плотность – это масса единицы объема материала в абсолютно плотном (т.е. без пор) состоянии:
где: m – масса материала;
Va – объем материала без пор.
Истинная плотность – это физическая константа, которая не может меняться без изменения химического состава или внутреннего строения материала. Для определения истинной плотности строительных материалов используют колбу Ле Шателье, показанную на рисунке 2.1.
Рис. 2.1. Колба Ле Шателье для определения истинной плотности строительных материалов
Средняя плотность – это масса единицы объема материала в естественном (т.е. вместе с порами) состоянии:
где: m – масса образца материала;
Ve – объем образца материала.
Средняя плотность строительных материалов может меняться в широких пределах: от 10…20 кг/м3 для самых легких пенопластов до 7850 кг/м3 для стали. Даже один вид строительных материалов в зависимости от технологии получения, структуры и назначения имеет разную среднюю плотность.
Кирпич полнотелый – 1600…1900 кг/м3, тяжелый бетон – 1800…2500кг/м3, пенопласты 10…200 кг/м3 и т.д. Для определения средней плотности образцов неправильной формы часто прибегают к использованию весов для гидростатического взвешивания, показанных на рисунке 2.2, посредством которых определяют объём данного образца.
Рис. 2.2. Весы для гидростатического взвешивания:
1 - сосуд с водой; 2 - подвес для образца; 3 - образец; 4 - весы; 5 – разновес
Объем образца неправильной геометрической формы можно также определить, используя способ объемомера (рисунок 2.3). В объемомер, представляющий собой металлический цилидрический сосуд, наливают воду до тех пор, пока она не начнет выливаться из носика. Затем в объемомер опускают образец материала, а объем вылившейся воды фиксириуют. Этот объем будет равен объему материала. Если материал пористый, тогда необходидо его предварительно водонасытить, либо покрыть парафином, сделав поправку на объем парафина при вычислении объема материала.
Рис. 2.3. Объемомер:
1 – объемомер; 2 – носик; 3 – образец; 4 – стакан для сбора воды, вытекающей из объемомера
Насыпная плотность – масса единицы объема материала в насыпном состоянии. Определяется для сыпучих материалов (цемента, песка, щебня и т.п.).
где: m – масса материала;
V н – объем материала в рыхлонасыпанном состоянии.
При определении насыпной плотности используют мерные сосуды известного объема – от 1 л до 50 л в зависимости от вида материала и его крупности. Задача сводится к определению массы материала, насыпанного в сосуд известного объема.
Рис. 2.4. Воронка и мерный цилиндр для определения насыпной плотности цемента, песка и других материалов
Часто среднюю плотность материала относят к плотности воды при температуре 4ºС, равной 1 г/см³ или 1000 кг/м3, и тогда получается безразмерная величина, которую называют относительной плотностью d :
Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их диаметрам и удельной поверхностью пор.
Абсолютное большинство материалов имеют в своем объеме поры, поэтому у них истинная плотность всегда больше средней.
Объем материала состоит из каркаса и пор.
Степень заполнения объема материала материалом, называется коэффициентом плотности, который рассчитывается по формуле:
Степень заполнения объема материала порами, называется пористостью. В сумме Кпл и пористость составляет 1 или 100%.
Пористость определяется по формуле:
Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 до 90…98 % (см. табл. 2.1).
Таблица 2.1
Истинная плотность, средняя плотность и пористость некоторых строительных материалов
| Материал | Плотность, кг/м³ | Пористость, % | |
| истинная | средняя | ||
| Сталь | 7800…7900 | 7800…7900 | 0 |
| Гранит | 2700…2800 | 2600…2700 | 0,5…1 |
| Тяжёлый бетон | 2600…2700 | 2200…2500 | 8…12 |
| Кирпич | 2500…2600 | 1400…1800 | 25…45 |
| Древесина | 1500…1550 | 400…800 | 45…70 |
| Пенопласты | 950…1200 | 20…100 | 90…98 |
Открытая пористость По – отношение суммарного объема всех пор, насыщающихся водой к объему материала в сухом состоянии (V сух):
где: m нас – масса материала в водонасыщенном состоянии, г (кг);
m сух – масса сухого материала, г (кг).
Открытые поры сообщаются между собой и с окружающей средой, поэтому при погружении образцов материала в воду они насыщаются водой. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость.
Закрытая пористость Пз характеризует объем замкнутых, не сообщающихся между собой и с окружающей средой пор:
Пз = П–По.
Рис. 2.5. Автоматизированный эталонный поромер Porotech 3.1
Пористость строительного материала можно определить также экспериментально при помощи поромера. Принцип действия поромеров основан на замещении порового в материале эталонной жидкостью.
Увеличение объема закрытых пор в материале способствует снижению его водопоглощения, повышению морозостойкости и долговечности материала.
Таким образом, от пористости зависят: водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др.
Важным параметром состояния вяжущих, тонкодисперсных материалов является их удельная поверхность – суммарная площадь поверхности частиц материала в единице массы:
Рис. 2.6. Прибор Блейна для определения удельной поверхности
Гидрофизические свойства
Это свойства, связанные со статическим или циклическим воздействием воды или водяного пара на материал.
Гигроскопичность H (%) – свойство материала поглощать водяной пар из воздуха:
где: m вл.г – масса гигроскопически увлажненного образца, г (кг);
m сух – масса образца после высушивания, г (кг).
Существует огромное количество строительных материалов, которые способны впитывать в себя значительное количество водяного пара. К таким материалам относятся: дерево, пенобетон, теплоизоляционные материалы и т.д. Строительные материалы с повышенной гигроскопичностью при полном насыщении водой теряют свои свойства, а так же могут изменять геометрические размеры. Для защиты строительных материалов от насыщения водяными парами применяют водоотталкивающие защитные составы.
Влагоотдача строительного материала – это способность материала отдавать влагу, находящуюся в порах. Так, например, штукатурные растворы, отдавая лишнюю влагу, существенно изменяют свои показатели по прочности, стеновые пенобетонные блоки впитывают влагу из растворов, а потом отдают ее в атмосферу. Чем выше влажность воздуха и меньше температура, тем хуже происходит влагоотдача. Измеряется влагоотдача в процентах влаги, отдаваемой стройматериалом при среднестатистической относительной влажности воздуха 60% и температуре +20°С.
Поглощение влаги из воздуха обусловлено адсорбцией водяного пара на внутренних поверхностях пор и капиллярной конденсацией. Этот процесс называется сорбцией. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.
Капиллярное всасывание – способность материала при непосредственном контакте с водой поднимать ее на определенную высоту по капиллярным порам, которые имеют размер от 1000 Å до 10 мкм.
Влажность – это относительное содержание влаги в материале:
где: mc – масса материала высушенного до постоянной массы, г;
m вл – масса влажного материала, г.
Все материалы имеют ту или иную влажность, которая зависит от условий эксплуатации, величины пористости, характера и размера пор материала. Влажность влияет на ряд свойств материалов (плотность, прочность, теплопроводность и др).
Влажностные деформации – увеличение линейных размеров и объема материала при его увлажнении (набухание) или уменьшение размеров и объема при высыхании (усушка). Они зависят от строения материала.
Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина 30…100 мм/м; ячеистый бетон 1…3 мм/м), материалы с маленькой пористостью – незначительной усадкой (гранит 0,02…0,06 мм/м).
Водопоглощение – способность материала поглощать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Количество воды, которое поглотил образец, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе, а отнесенное к его объему – водопоглощением по объему:
где: m нас – масса материала, насыщенного до постоянной массы, г;
m с – масса сухого материала, г;
Ve – объем материала в естественном состоянии, см3;
– плотность воды, г/см3
Для определения водопоглощения прибегают к методу постепенного погружения образца материала в воду с целью максимального заполнения свободных пор водой. Общая схема проведения испытаний показана на рисунке 2.7.
Рис. 2.7. Схема испытания образца на водопоглощение:
а) при погружении в воду на 1/4 от высоты образца; б) то же на 1/2 от высоты образца; в) то же на 3/4 от высоты образца; г) то же на полную высоту образца.
Водопоглощение зависит от величины пористости, характера и размеров пор.
Между водопоглощением по массе и по объему существует взаимосвязь:
откуда:
Последняя формула удобна для определения Wo в случае затруднения определения объема материала, когда он имеет неправильную геометрическую форму.
Коэффициент насыщения – степень заполнения пор материала водой:
Этот коэффициент позволяет оценить структуру материала. Уменьшение Кн при постоянной величине пористости свидетельствует о сокращении открытой пористости.
Водостойкость – способность материала сохранять прочность при увлажнении. Характеризуется коэффициентом размягчения:
где: R нас и Rc ух – пределы прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образцов материала.
Материалы, имеющие Кр > 0,8, считаются водостойкими и их разрешается применять в сырых условиях эксплуатации, материалы с Кр < 0,8 считаются неводостойкими.
Воздухостойкость – это способность материала выдерживать многократные насыщения водой и высыхание без значительных изменений физического состояния стройматериала. Разные строительные материалы по разному «переносят» многократное намокание и высыхание. Чаще всего этот процесс вызывает деформацию, потерю прочности и как итог потерю несущей способности строительной конструкции. Для повышения воздухостойкости строительные материалы покрывают гидрофобными составами или вводят в их состав гидрофобизаторы.
Газостойкость строительных материалов – свойство материала сохранять свои основные характеристики при контакте с газами, находящимися в окружающей среде, такими как, например, углеводород.
Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. В строительстве чаще необходимо противоположные свойство – водонепроницаемость, которая характеризуется или периодом времени, по истечении которого проявляются признаки просачивания воды через материал, или величиной давления воды, при котором она не проходит через материал. Эти свойства зависят от величины пористости, характера и размера пор.
Числовой характеристикой водонепроницаемости является марка по водонепроницаемости W, характеризующая величину одностороннего гидростатического давления (атм), при котором еще на наблюдается фильтрация воды сквозь образец в условиях стандартного испытания. Установлены следующие марки по водонепроницаемости: W 2; 4; 6….20.
Рис. 2.8. Установка для определения марки бетона по водонепроницаемости по методу мокрого пятна
Для характеристики водонепроницаемости также может быть использован коэффициент фильтрации:
где: Q – объем отфильтрованной воды, м3;
а – толщина конструкции (образца), м;
S – площадь поперечного сечения конструкции (образца), м2;
Δ p – перепад давления на противоположных поверхностях конструкции (образца), м в. ст.;
t – промежуток времени, ч.
Для ускоренного определения водонепроницаемости некоторых строительных материалов по показатели воздухопроницаемости, в частности, бетона, применяют различные приборы, например АГАМА (рисунок 2.9).
Рис. 2.9. Общий вид прибора «АГАМА»
Паропропускающая способность материала характеризуется паропроницаемостью и сопротивлением паропроницанию.
Паропроницаемость – величина, численно равная количеству водяного пара (M, мг), проходящего за t=1 ч через слой материала площадью S=1 м2 и толщиной a=1 м при условии, что температура воздуха у противоположных сторон слоя одинаковая, а разность парциальных давлений водяного пара равна Δp=1 Па:
Данная характеристика называется коэффициентом паропроницания.
Сопротивление паропроницанию Rп (м2·ч·Па)/мг – показатель, характеризующий разность парциальных давлений водяного пара (в Па) у противоположных сторон изделия с плоскопараллельными сторонами, при которой через изделие площадью 1 м2 за 1 ч проходит 1 мг водяного пара при равенстве температуры воздуха у противоположных сторон изделия; величина, численно равная отношению толщины слоя испытуемого материала (d, м) к значению коэффициента паропроницания (μ):
Морозостойкость – способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать циклы многократного замораживания и оттаивания без внешних признаков разрушения, снижения массы и прочности более нормативных значений.
В зависимости от числа циклов замораживания-оттаивания, которые выдержал материал, устанавливается его марка по морозостойкости (F15, F25, F35, F50, F100, F125, F150, F175, F200, F300, F400, F500 и более).
Базовый способ определения марки по морозостойкости бетона предполагает насыщение образцов в воде, а замораживание – в воздушной среде. Один цикл испытания включает замораживание насыщенного водой образца в течение 4 часов при температуре (–18±2)°С в морозильной камере с последующим оттаиванием при температуре (18…20)°С в воде.
Разрушение при таких циклических воздействиях знакопеременных температур связано с появлением в нём растягивающих напряжений при образовании льда в порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды. Увеличение объёма при образовании льда составляет около 9 %.
Морозостойкость может быть определена также ускоренными методами.
1-й ускоренный метод предполагает насыщение и оттаивание образцов в 5% растворе NaCl при температуре (18…20)°С, а замораживание в воздушной среде при температуре (–18±2)°С. Этот же метод является базовым для бетонов дорожных и аэродромных покрытий, т.к. в зимний период такие бетоны подвергаются действия антигололёдных реагентов.
2-й ускоренный метод предполагает насыщение и оттаивание образцов в 5% растворе NaCl при температуре (18…20)°С, а замораживание в том же 5% растворе NaCl при температуре (–50…–55)°С.
Морозостойкость зависит, главным образом, от структуры материала: объёма открытых пор, величины общей пористости, равномерности распределения пор по объёму материала и их размеров.
Срок службы строительных материалов и конструкций, подвергающихся действию знакопеременных температур и воды, во многом обусловлена их морозостойкостью.
Испытания образцов на морозостойкость производят при помощи специальных морозильных камер, общий вид которой показан на рисунке 2.10
Рис. 2.10. Общий вид морозильной камеры
Теплофизические свойства
Это группа свойств, которые характеризуют отношение материала к постоянному или периодическому тепловому воздействию.
Теплоемкость – свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Удельная теплоемкость С (кДж/(кг·°С)) характеризуется количеством тепла, кДж, необходимым для нагревания 1 кг материала на 1°С.
Вода имеет высокую теплоемкость (4,2 кДж/(кг·°С)), строительные материалы более низкие величины: лесные материалы 2,39…2,72 кДж/(кг·°С), каменные 0,75…0,92 кДж/(кг·°С), сталь 0,48 кДж/(кг·°С), поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость увеличивается.
Теплопроводность – свойство материала передавать теплоту через свою толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность λ (Вт/(м·°С)) характеризуется количеством теплоты (Q), проходящим через материал площадью S=1 м2, толщиной a=1 м, в течении одной секунды (τ), при разности температур на противоположных поверхностях в Δt=1°С:
Данная характеристика называется коэффициентом теплопроводности.
Рис. 2.11. Прибор ИТП-МГ4 для определения коэффициента теплопроводности
Теплопроводность материала зависит от его химического состава, строения и структуры, степени влажности, характера и размера пор, а также температуры, при которой происходит передача тепла.
Тепловой поток проходит через «каркас» материала и поры. Каркас материала кристаллического строения более теплопроводен, чем каркас материала из того же состава, но аморфного строения.
В сухом состоянии поры материала заполнены воздухом, теплопроводность которого в неподвижном состоянии значительно ниже теплопроводности любого «каркаса» и составляет всего 0,023 Вт/(м·°С). Поэтому малотеплопроводные материалы имеют большую (до 90…95%) пористость. При одинаковой величине пористости, мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос тепла конвекцией, т.е. движущимся воздухом, что повышает суммарную теплопроводность.
С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, т.к. вода, заполняющая поры, имеет теплопроводность 0,58 Вт/(м·°С), что в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Еще в большей степени возрастает теплопроводность при замерзании воды в порах, т.к. теплопроводность льда составляет 2,3 Вт/(м·°С), что в 100 раз больше теплопроводности воздуха.
С повышением температуры теплопроводность большинства строительных материалов возрастает.
Далее приводится теплопроводность некоторых строительных материалов: пенопласт – 0,03…0,05 Вт/(м·°С); минеральная вата – 0,06…0,09 Вт/(м·°С); древесина – 0,18…0,36 Вт/(м·°С); кирпич керамический полнотелый – 0,8…0,9 Вт/(м·°С); кирпич керамический пустотелый – 0,3…0,5 Вт/(м·°С); бетон тяжелый – 1,3…1,5 Вт/(м·°С); ячеистый бетон – 0,1…0,3 Вт/(м·°С); сталь – 58 Вт/(м·°С).
Термическая стойкость – способность материала выдерживать чередование резких тепловых изменений. Зависит от однородности материала и коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР), который характеризует изменение линейных размеров материала при его нагревании на 1°С. Чем меньше КЛТР и выше однородность материала, тем выше его термическая стойкость.
Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, которые выдерживают температуру свыше 1580°С называют огнеупорными, от 1350°С до 1580°С – тугоплавкими, ниже 1350°С – легкоплавкими, до 1000°С – жаропрочными.
Показатели пожарной опасности строительных материалов нормируются в соответствии с Федеральным законом от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (с изменениями на 13.07.2014 г.).
Пожарная опасность строительных материалов характеризуется следующими свойствами:
Горючесть – определяется экспериментально по показателям: температура дымовых газов; продолжительность самостоятельного горения; степень повреждения образца по длине и по массе (таблица 2.2):
НГ – негорючие;
Г1 – слабогорючие;
Г2 – умеренногорючие;
Г3 – нормальногорючие;
Г4 – сильногорючие.
Материал относится к негорючим, если при стандартном испытании прирост температуры в установке не превышает 50°С, образец не воспламеняется в течение 10 с, а потеря массы образца не превышает 5%. Для негорючих строительных материалов другие показатели пожарной опасности не определяются и не нормируются. Если эти условия не выполняются, материал считают горючим и подвергают испытанию для определения группы горючести (таблица 2.2).
Таблица 2.2
Группы горючести строительных материалов
| Группа горючести | Параметры горючести | |||
| Температура дымовых газов, °С | Степень повреждения образца по длине, % | Степень повреждения образца массе, % | Продолжительность самостоятельного горения, с | |
| Г1 | ≤ 135 | ≤ 65 | ≤ 20 | 0 |
| Г2 | ≤ 235 | ≤ 85 | ≤ 50 | ≤ 30 |
| Г3 | ≤ 450 | > 85 | ≤ 50 | ≤ 300 |
| Г4 | > 450 | > 85 | > 50 | > 30 |
Воспламеняемость (определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м2):
В1 – трудновоспламеняемые (>35);
В2 – умеренновоспламеняемые (20…35);
В3 – легковоспламеняемые (<20).
Способность распространения пламени по поверхности (определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м2):
РП1 – нераспространяющие (>11);
РП2 – слабораспространяющие (8…11);
РП3 – умереннораспространяющие (5…8);
РП 4 – сильнораспространяющие (<5).
Дымообразующая способность (определяется экспериментально по значению коэффициента дымообразования, характеризующего оптическую плотность дыма, образующегося при горении или тлении определенного количества материала в условиях специальных испытаний, м2/кг):
Д1 – с малой дымообразующей способностью (<50);
Д2 – с умеренной дымообразующей способностью (50…500);
Д3 – с высокой дымообразующей способностью (>500).
Токсичность продуктов горения (определяется экспериментально по значению показателя токсичности продуктов горения – отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных, г/м3):
Таблица 2.3
Классификация строительных материалов по токсичности продуктов горения
| Класс опасности | Показатель токсичности продуктов горения в зависимости от времени экспозиции | |||
| 5 минут | 15 минут | 30 минут | 60 минут | |
| Малоопасные (Т1) | более 210 | более 150 | более 120 | более 90 |
| Умеренноопасные (Т2) | более 70, но не более 210 | более 50, но не более 150 | более 40, но не более 120 | более 30, но не более 90 |
| Высокоопасные (Т3) | более 25, но не более 70 | более 17, но не более 50 | более 13, но не более 40 | более 10, но не более 30 |
| Чрезвычайно опасные (Т4) | не более 25 | не более 17 | не более 13 | не более 10 |
На основании приведенных показателей пожарной опасности строительных материалов устанавливается интегральный показатель – класс пожарной опасности строительного материала (таблица 2.4).
Таблица 2.4
Классы пожарной опасности строительных материалов
| Свойства пожарной опасности строительных материалов | Классы пожарной опасности строительных материалов в зависимости от групп | |||||
| КМО | КМ1 | КМ2 | КМ3 | КМ4 | КМ5 | |
| Горючесть | НГ | Г1 | Г1 | Г2 | Г3 | Г4 |
| Воспламеняемость | – | В1 | В2 | В2 | В2 | В3 |
| Дымообразующая способность | – | Д2 | Д2 | Д3 | Д3 | Д3 |
| Токсичность | – | Т2 | Т2 | Т2 | Т3 | Т4 |
| Распространение пламени | – | РП1 | РП1 | РП2 | РП2 | РП4 |
Строительные конструкции классифицируются по огнестойкости и пожарной опасности.
Огнестойкость – свойство строительной конструкции сопротивляться действию огня при пожаре до наступления одного или нескольких предельных состояний.
Численной характеристикой огнестойкости является предел огнестойкости (мин, не менее): 15; 30; 45; 60; 90; 120; 150; 180; 240; 360, который характеризует время с момента начала теплового воздействия на конструкцию до наступления одного или нескольких предельных состояний:
R – по потере несущей способности (обрушение несущей конструкции);
E – по потере целостности конструкции (появление в ограждающей конструкции трещин, через которые дымовые газы могут проникнуть на пути эвакуации или в помещение, где находятся люди);
I – по потере теплоизолирующей способности (нагрев поверхности конструкции свыше установленных пределов).
По сути, предел огнестойкости характеризует время, доступное для безопасной эвакуации людей из здания в случае пожара.
Пожарная опасность строительной конструкции характеризует степень участия строительных конструкций в развитии пожара и их способность к образованию опасных факторов пожара (таблица 2.5):
К0 – непожароопасные;
К1 – малопожароопасные;
К2 – умереннопожароопасные;
К3 – пожароопасные.
Таблица 2.5
Классы пожарной опасности строительных конструкций
| Класс пожарной опасности конструкций | Допускаемый размер повреждения конструкций, сантиметры | Наличие | Допускаемые характеристики пожарной опасности поврежденного материала+ | ||||
| вертикальных | горизонтальных | теплового эффекта | горения | Группа | |||
| горючести | воспламеняемости | дымообразующей способности | |||||
| К0 | 0 | 0 | отсутствует | отсутствует | отсутствует | отсутствует | отсутствует |
| К1 | не более 40 | не более 25 | не регламентируется | отсутствует | не выше Г2+ | не выше В2+ | не выше Д2+ |
| К2 | более 40, но не более 80 | более 25, но не более 50 | не регламентируется | отсутствует | не выше Г3+ | не выше В3+ | не выше Д2+ |
| К3 | не регламентируется | ||||||
Механические свойства
Механические свойства отражают способность материала сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям.
При приложении внешних сил материал деформируется. Деформации могут быть обратимыми и необратимыми, в свою очередь обратимые деформации могут быть упругими и эластичными. Характер и величина деформаций зависит от величины нагрузки, скорости нагружения и температуры материала.
Упругость – свойства материала при воздействии нагрузки изменять свои размеры и форму и полностью восстанавливать их после снятия нагрузки.
Пластичность – способность материала деформироваться под действием нагрузки не разрушаясь и сохранять остаточную деформацию после её снятия.
Пластическая деформация необратима. Примерами пластичного материала служат битумы (при положительных температурах), некоторые виды пластмасс, сталь, бетонные и растворные смеси.
Хрупкость – свойство материала разрушаться без заметных пластических деформаций.
К материалам, имеющим хрупкий характер разрушения, относятся стекло, бетон, кирпич.
Под действием окружающей среды, при изменении влажности материала могут возникать деформации усадки. Они могут быть вызваны уменьшением влажности (усушки) материала или контракцией, карбонизацией в цементных системах.
Усадка(мм/м) – уменьшение размеров материала в течение времени, чаще всего, при уменьшении влажности.
Ползучесть(мм/м) – увеличение деформации материала под действием постоянной статической нагрузки в течение времени.
Показателем ползучести служит мера ползучести или удельная относительная деформация ползучести.
Деформации усадки и ползучести присущи растворам, бетонам и др. В течение времени они снижаются и затухают в реальных условиях работы конструкций.
Прочность – свойство материала сопротивляться внутренним напряжениям, которые возникают при действии внешних нагрузок.
Материал в сооружении подвергается тем или иным нагрузкам и воздействиям, которые вызывают напряженное состояние (сжатие, растяжение, изгиб, кручение, сдвиг, скалывание и др).
Для осевого растяжения/сжатия формула для вычисления напряжения имеет вид:
где: σ – напряжение, кН/см2 (1 кН/см2 ≈ 10МПа ≈100 кгс/см2);
Р – нагрузка, кН;
F – площадь поперечного сечения образца до испытания, см2.
Схематичный вид образца до и после проведения испытания на сжатие показан на рисунке 2.12, а внешний вид гидравлического пресса, применяемого для определения прочностных характеристик материала, на рисунке 2.13.
|
| |
| а | б |
Рис. 2.12. Внешний вид образца:
а) до испытания; б) после испытания
Рис. 2.13. Общий вид гидравлического пресса для проведения испытаний по определению прочностных характеристик строительных материалов
Величина напряжения зависит от величины нагрузки. Максимального значения, при котором наступает разрушение материала, напряжения достигают при разрушающей нагрузке. Прочность характеризуется пределом прочности.
Предел прочности одного и того же материала может иметь различную величину в зависимости от размера образца, его формы, скорости нагружения, а также конструкции прибора, на котором проводятся испытания, поэтому, для получения объективных результатов, необходимо строго соблюдать все условия испытаний, которые установлены для данного материала соответствующими нормативными документами.
Предел прочности при сжатии определяется на образцах правильной геометрической формы: кубы, призмы, цилиндры. Разрушающая нагрузка, как правило, определяется на гидравлическом прессе:
Прочность различных материалов на сжатие варьируется в широких пределах от 0,5 МПа до 1000 МПа и выше. У некоторых материалов прочность на сжатие характеризует их марки или классы, т.е. качество.
Предел прочности на растяжение определяется на образцах стержнях, призмах или «восьмерках», которые имеют переменное сечение. Разрушающая нагрузка определяется на разрывных машинах:
Возможно также определение прочности на растяжение методом раскалывания на кубах или цилиндрах.
Предел прочности на изгиб определяется на образцах призмах. При трёхточечном изгибе предел прочности вычисляют по формуле:
где: Рразр – разрушающаяся нагрузка, кН;
l – расстояние между опорами, см;
b – ширина поперечного сечения образца, см;
h – высота поперечного сечения образца, см.
В последнее время широкое распространение получили различные неразрушающие методы испытания строительных материалов на прочность. Для проведения таких испытаний может применяться, например, такой прибор, как молоток Шмидта, общий вид которого показан на рисунке 2.14.
Рис. 2.14. Молоток Шмидта (общий вид)
Ударная вязкость – свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам.
Рис. 2.15. Маятниковый копер для определения ударной вязкости строительных материалов
Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала.
Рис. 2.16. Твердомер для определения твердости по Бринеллю
Твердость строительных материалов может оцениваться по разным шкалам. Так, например, твердость минералов оценивается по шкале Мооса, в которой 10 эталонных минералов расположены в порядке возрастания твердости.
Твердость строительных материалов оценивают, в основном, по Бринеллю. В качестве индентора используется стальной шарик, а твердость по Бринеллю определяют по формуле:
где: P – нагрузка, с которой вдавливается стальной шарик в образец материала, Н;
D – диаметр стального шарика, м;
d – диаметр отпечатка, м.
Твердость металлов может также определяться по Роквеллу (в условных единицах), либо по Виккерсу (в МПа).
Истираемость – свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Общий вид лабораторного круга истирания показан на рисунке 2.17.
Рис. 2.17. Общий вид лабораторного круга истирания (круга Беме)
Истираемость вычисляют по формуле:
где: m 1 – масса образца до испытания, г;
m 2 – масса образца после испытания на истирание, г;
F – площадь истирания, см2.
Физико-химические и акустические свойства
Для строительных материалов важно, чтобы они обладали способностью сохранять свой химический состав и структуру при воздействии окружающей среды.
Химическая стойкость – способность материала сопротивляться воздействию агрессивных сред: кислот (кислотостойкость), щелочей (щелочестойкость), растворенных в воде солей (солестойкость) и газов.
Изменение состава и строения материалов под воздействием внешней агрессивной среды называется коррозией.
Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться коррозии.
Химическая и коррозионная стойкость оценивается по оценке снижения прочностных показателей и других свойств.
Для строительных материалов, которые получаются после смешивания твёрдых компонентов с водой (цементное тесто, штукатурные и кладочные растворы, бетоны и др.), важное значение имеют адгезия, тиксотропия. Эти физико-химические явления происходят в пластично-вязких смесях после смачивания твёрдых частиц водой. Без таких явлений твердение, например, цементных, известковых, гипсовых систем невозможно.
Адгезия (МПа) – прочность прилипания жидкой фазы или пластично-вязких смесей (раствора, мастики, краски и др.) к поверхности твёрдого основания (или подложки).
Адгезия, наносимого на поверхность основания (или подложки) материала, зависит от их природы, формы и состояния поверхности, условий контакта и др. Адгезия характеризуется силой, необходимой для разделения поверхностей.
Прочность сцепления (МПа) – прочность контакта затвердевшего нанесённого слоя раствора или др. твёрдого тела с поверхностью твёрдого основания (подложки).
Тиксотропия – способность пластично-вязких смесей (бетона, раствора) обратимо разжижаться от механического воздействия и восстанавливать прежнее состояние в состоянии покоя.
Физическая основа тиксотропии – восстановление структурных связей внутри пластично-вязкой смеси после прекращения механического воздействия. Это свойство имеет большое значение для проведения кладочных, штукатурных, бетонных работ на строительной площадке, а также на заводах по производству сборных железобетонных изделий.
Звукопоглощение – способность материала поглощать звук или снижать его уровень при прохождении через материал.
Эта способность строительных материалов в первую очередь зависит от толщины, пористости материала и многослойности материала. Чем больше пор в материале, тем выше его способность поглощать звук. Звукопоглощение строительных материалов принято оценивать коэффициентом звукопоглощения т. е. отношением энергии, поглощенной материалом, к общему количеству падающей энергии в единицу времени.
За единицу звукопоглощения условно принимают звукопоглощение 1 м2 открытого окна.
Коэффициент звукопоглощения может изменяться в пределах от 0 до 1. Если звукопоглощение равно 0, то звук полностью отражается от строительного материала.
Если же этот коэффициент приближается к 1 то звук полностью поглощается материалом. Согласно нормативным показателям СНиП, стройматериалы, имеющие коэффициент звукопоглощения не менее 0,4 при частоте 1000 Гц, могут относиться к звукопоглощающим материалам.
Сравнительные показатели коэффициента звукопоглощения строительных материалов показаны в таблице 2.6.
Таблица 2.6
Сравнительные показатели коэффициента звукопоглощения строительных материалов
| Наименование стройматериала | Коэффициент звукопоглощения при 1000 Гц |
| Деревянная стена | 0,06-0,1 |
| Кирпичная стена | 0,032 |
| Бетонная стена | 0,015 |
| Минеральная вата | 0,45-0,95 |
Звукопроницаемость – способность материалов пропускать через свою толщу звуковую волну. Характеризуется звукопроницаемость строительных материалов коэффициентом звукопроницаемости, который показывает относительное уменьшение силы звука при прохождении его через толщу строительного материала.
Звукопроницаемость практически является отрицательным свойством строительных материалов. Например, коэффициент звукопроницаемости деревянной перегородки толщиной 2,5 см равен 0,65, а бетонной стены такой же толщины – 0,11.
Звукопроводность – это способность тех или иных материалов пропускать звуки и шумы через свою толщу. Хорошими проводниками звука считаются строительные материалы большой плотности и прочности. Материалы, имеющие большое количество воздушных пор плохо передают звук и шум. Силу звука измеряют в децибелах (дБ).
Звукоизоляция – это величина и характеризует процесс отражения звука каким-либо материалом. В связи с разной природой возникновения звуковых волн, различают звукоизоляцию от воздушного шума, это когда источник возникновения шума не связан с ограждающей конструкцией физически, и изоляцию от ударного шума, когда между источником, и ограждающей конструкцией имеется контакт, например, стук молотка по стене.
В СНиП нормируемым показателем звукоизоляции является индекс изоляции воздушного шума Iв, дБ. Звукоизоляция строительных материалов и конструкций зависит от пористости материала, его толщины, наличия в материале или конструкциях отверстий и примыканий к другим конструкциям.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 770; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!