Спонсоры

Основные физико-механические свойства строительных материалов.

Строительные и отделочные материалы и изделия - Основные свойства строительных материалов

   Удельное значение в народном хозяйстве нашей страны строительных материалов и изделий по объему производства и стоимости велико; потребление их с каждым годом возрастает во всех областях строительства; они составляют  значительную часть стоимости зданий  и сооружений. Экономное расходование и технически правильное применение материалов и изделий при проектировании и возведении зданий и сооружений является одним из основных средств снижения стоимости строительства. Наша промышленность строительных материалов и изделий достигла больших успехов в области производства цементов, керамических изделий, ячеистых бетонов и, особенно, сборных железобетонных изделий. По производству сборного железобетона Россия занимает ведущее место в мире. Этому способствовали достижения науки как в изучении свойств природных материалов, так и в создании новых искусственных высокоэффективных материалов.

   Среди новых искусственных материалов наиболее перспективными являются строительные материалы и детали, изготовляемые на основе пластических масс.

   Для правильного применения и лучшего использования материалов в строительстве  необходимо знание их физико-механических свойств.

   Основными физико-механическими свойствами строительных материалов являются:
   - удельный, объемный и насыпной вес;
   - плотность и пористость;
   - водопоглощение, водопроницаемость и морозостойкость;
   - теплопроводность и теплоемкость;
   - огнестойкость и огнеупорность;
   - химическая стойкость против коррозии;
   - прочность, упругость, пластичность и хрупкость;
   - твердость, истираемость  и износ.

   Удельный вес материала Yy — это вес материала в единице объема в плотном состоянии (без пор). Удельный вес Yу материала определяется по формуле:

Формула удельного веса материала 

   где   G — вес материала, высушенного до постоянного веса, в кг; Va — объем, занимаемый материалом (без пор и пустот — абсолютный объем), в м.куб.

   Порами называются мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой и незаметные для невооруженного глаза.
Пустотами называются более крупные ячейки, а также полости между частицами или кусками насыпного материала.

   Объемный вес материала vo — вес единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами)

Формула расчёта объёмного веса материала

   Насыпной объемный вес материала  Yн — это объемный вес рыхлых (насыпных) материалов (песка, гравия, щебня), определяемый без вычета пустот по формуле:

Формула расчёта насыпного удельного веса материала

    где G1 — вес мерного сосуда в кг; G2 — вес мерного сосуда с материалом в кг; V — объем   мерного   сосуда   в   м.куб.

   Плотность материала П — степень заполнения объема материала твердым веществом, из которого состоит данный материал. Плотность выражается отношением объема материала в плотном состоянии (без пор) Va к его внешнему объему V1 или отношением объемного веса уо к удельному весу Yy:

Формула расчёта плотности материала

   Плотность материала может быть выражена в процентах

Формула расчёта плотности в процентах

   Пористость материала По — это степень заполнения объема материала порами. Пористость и плотность дополняют друг друга до полного объема материала

Формула расчёта пористости материала

   Пустотность рыхлых материалов вычисляется по такой же формуле, что и пористость.

   Водопоглощение материала В — свойство материалов впитывать и удерживать в себе воду. Водопоглощение характеризуется степенью заполнения объема материала водой, т. е. отношением в процентах веса воды, поглощенной в установленный срок полностью погруженным в воду образцом при атмосферном давлении, к весу образца, высушенного до постоянного веса (при температуре 110°С).

   Водопоглощение определяется по разности между весом G1 материала, насыщенного водой (полностью или частично), и весом G сухого образца и выражается формулой

Формула расёта водопоглощения материалов

   Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основные свойства — прочность, теплопроводность, объемный вес, плотность.

   Влажность материала — это весовое содержание воды в материале в процентах. Влажность по содержанию воды меньше, чем полное водопоглощение.

   Водопроницаемость материала  — способность материалов пропускать воду под давлением. Величина водопроницаемости измеряется количеством воды, прошедшим через 1 см.кв. образца материала в течение 1ч. при постоянном давлении. Особо плотные материалы (битум, стекло, сталь) или материалы с замкнутыми мелкими порами (толстый слой бетона специального состава)  практически   водонепроницаемы.

   Морозостойкость материала  — способность насыщенного водой материала или изделия выдерживать многократное (по ГОСТу) попеременное эамораживание в воздушной среде и оттаивание в воде без заметных признаков разрушения и значительного снижения прочности (не более 20—25%). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов и  сооружений  из  них.

   Теплопроводность материала  — свойство материала передавать через свою толщу от одной поверхности к другой тепловой поток при наличии разности температур  на ограничивающих его поверхностях.

   Показателем теплопроводности материала является коэффициент теплопроводности К — величина, равная количеству тепла в ккал, которое цроходит в течение 1ч. через слой материала толщиной 1м. и площадью 1 м.кв., ограниченного параллельными плоскостями, при разности температур противоположных  плоскостей 1°С.

   Если на поверхностях плоской стенки толщиной а(м) и площадью F(м.кв.) будут различные, но постоянные температуры tв и tн, причем tв > tн то через стенку будет проходить постоянный поток тепла. Количество тепла Q, измеряемое в (ккал), проходящее через стенку за z(ч), выражается формулой

Формула расчёта теплопроводности материала

   откуда коэффициенты теплопроводности

Формула расчёта коэффициента теплопроводности

   Принимая F = 1 м.кв., а — 1 м, tв — tн = 1°С, г = 1ч, получим значение коэффициента теплопроводности равным Q ккал/м*град*ч.

   Коэффициент теплопроводности данного материала зависит от его физических свойств — пористости, влажности, удельного веса и др.

   При замерзании влажных материалов коэффициент их теплопроводности повышается, потому что коэффициент теплопроводности льда в 4 раза больше, чем воды.

   Теплоемкость материала — свойство материала поглощать тепло при нагревании и отдавать его при охлаждении. Материал выделяет тепла при охлаждении тем больше, чем выше его теплоемкость.

   Коэффициент теплоемкости С представляет собой количество тепла в ккал, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1Ф С.
Наибольший коэффициент теплоемкости имеет вода: С = 1 ккал/кг-град. Теплоемкость   металлов   С = 0,115;   дерева   С = 0,6.

   Огнестойкость материала — способность материала выдерживать без раз¬рушения действие высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости строительные материалы делятся на три категории:

   а) несгораемые материалы   (гранит, бетон, кирпич, сталь) — под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и необугливаются, однако некоторые несгораемые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (стальные конструкции);

   б) трудносгораемые материалы — под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются с трудом, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их  горение и тление прекращаются (фибролит, асфальтовый бетон);

   в) сгораемые материалы — органические материалы, которые под действием огня воспламеняются, горят открытым пламенем и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

   Огнеупорность материала — способность материалов противостоять длительному воздействию высоких температур (от 1580° С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. К таким материалам относятся специальные огнеупорные материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) доменных, сталеплавильных, цементообжигательных, стекловаренных печей и т. п.

   Материалы, размягчающиеся при температуре 1350—1580° С, называются тугоплавкими (печной кирпич). Материалы, размягчающиеся при температуре 1350° С,  называются легкоплавкими.

   Химическая стойкость материала против коррозии — сопротивление материалов воздействию кислот, щелочей, растворенных в воде газов и солей. Большинство строительных материалов не обладают стойкостью к действию кислот и щелочей. Высокой химической стойкостью против коррозии обладают керамические материалы.

   Прочность материала — сопротивление материала механическим разрушениям под действием внутренних напряжений, возникающих в нем от воздействия нагрузки или других факторов. Материалы в сооружениях под воздействием нагрузок испытывают различные внутренние напряжения: сжатие, растяжение, изгиб, срез, кручение. Вопросы прочности рассмат¬риваются в  курсе  «Сопротивление материалов».

   Строительные материалы, такие, как чугун, кирпич, бетон, камни и т.п., хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже — срезу и плохо — растяжению; древесина, сталь хорошо выдерживают и сжимающие и растягивающие  напряжения.

   Прочность материалов характеризуется пределом прочности (временным сопротивлением) при сжатии, растяжении, изгибе, срезе.

   Пределом прочности материала называют напряжение в кгс/см.кв., соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала.

   Прочность материала при сжатии или растяжении оценивают величиной предела прочности а, определяемой по формуле:

Формула расчёта предела прочности материала


   где Рр — разрушающая нагрузка в кгс; F — площадь сечения образца  в см.кв.

   Многие строительные материалы характеризуются марками, совпадающими по величине с пределами прочности (обычно при сжатии).

   Прочность материала зависит от его плотности: с повышением плотности  прочность материала  значительно  увеличивается.

   Упругость материала — свойство материала деформироваться (изменять свою форму и размеры) под нагрузкой и принимать после разгрузки первоначальную форму и  размеры.

   Пластичность материала — свойство материала в значительных пределах изменять под нагрузкой размеры и форму, без образования трещин, и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Пластичными материалами являются мягкая сталь, свинец, глина, нагретый битум.

   Хрупкость материала — свойство материалов разрушаться сразу (без предварительной деформации) под действием разрушающих нагрузок. Хрупкими являются каменные материалы, кирпич, бетон, черепица и др. Хрупкие материалы легко разрушаются при ударах и не выдерживают высоких местных напряжений, давая трещины.

   Твердость материала — способность материала сопротивляться прониканию в него другого, более твердого материала. Твердость материалов не всегда соответствует их прочности. Так, древесина многих пород имеет высокую прочность при растяжении и сжатии, но твердость ее очень мала (мягкий материал). Твердость металлов, древесины и бетона определяется вдавливанием в них под постоянной нагрузкой стального шарика; диаметр отпечатка шарика и служит показателем твердости.

   От твердости материала зависит и его истираемость, что важно для материалов, которые применяются для устройства полов, ступеней, тротуаров, дорог.

   Истираемость материала выражается величиной потери первоначального веса, отнесенной к 1 см.кв. площади истирания.

   Сопротивление материала удару — способность материала сопротивляться ударным воздействиям. Строительные материалы в полах, дорожных покрытиях подвергаются не только истиранию, но и ударным воздействиям.

   Строительные материалы и изделия выпускаются промышленностью по государственным стандартам или техническим условиям, в которых устанавливаются основные характеристики, технические требования к ним, а также правила приемки, методы испытаний, порядок маркировки, упаковки, транспортирования и хранения. Область применения строительных материалов и изделий излагается в I части «Строительных норм и правил»(СНиП).