Связь состава, строения и свойств строительных материалов

Дисциплина: Строительные материалы

Автор: доцент, к.т.н. Иванов А.В.

 

Введение

 

Строительное материаловедение является фундаментальной наукой прикладного характера, которая представляет собой непрерывно развивающуюся систему знаний о строительных материалах и изделиях.

Материаловедение – наука, изучающая состав, строение и свойства материалов (в том числе строительных) и определяющая область их применения. Технология конструкционных материалов подробно рассматривает вопросы, связанные с процессами изготовления материалов, используемых для создания несущих конструкций зданий и сооружений.

Строительными называются природные и искусственные материалы, из которых изготовляют различные строительные детали и конструкции, возводят и ремонтируют здания и сооружения.

Для структурирования обширной информации по разнообразным строительным материалам их по сходным признакам делят на группы. В качестве классификационных признаков могут выступать функциональное назначение материала, вид исходного сырья, основной показатель качества (например, плотность, прочность) и др.

Для осуществления рационального выбора и использования строительных материалов, необходимо знать их основные свойства, способы изготовления, правила хранения и транспортирования, а также условия их работы в конструкциях и сооружениях.

 

Строительные материалы и изделия принято классифицировать по степени готовности, происхождению, назначению и технологическому признаку.

По степени готовности:

· строительные материалы – перед применением подвергаются дополнительной обработке - смешивают с водой, уплотняют, распиливают и т.д. (это цемент, бетон, кирпич, древесина и др.);

· строительные изделия – готовые изделия и элементы, монтируемые и закрепляемые на месте работы (сборные железобетонные панели, оконные и дверные блоки и др.).

По происхождению:

· природные материалы – получают из природного сырья путем несложной обработки, как правило, без изменения их строения и состава (это древесина, горные породы, природные битумы и др.);

· искусственные материалы – получают из природного и искусственного сырья, побочных продуктов промыш­ленности и сельского хозяйства с применением специальных техно­логий; искусственные материалы отличаются от исходного сырья, как по строению, так и по химическому составу (кирпич, цемент, железобетон, стекло и др.).

По назначению:

· конструкционные, которые воспринимают и передают на­грузки в строительных конструкциях;

· специальные, необходимые для защиты конструкций от вредных воздействий среды, а также для повышения эксплуатационных свойств и создания комфорта (теплоизоляционные, акустические, отделочные, гидроизоляционные, антикоррозийные, огнеупорные, материалы для защиты от радиации и др.).

По технологическому признаку материалы подразделяют, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и вид его изготовления:

· природные каменные материалы (стеновые блоки и камни, облицовочные плиты, бутовый камень, щебень, гравий, песок и др.);

· древесные материалы и изделия (пиломатериалы, паркет, фанера, клееные конструкции и др.);

· неорганические вяжущие (цементы, известь, гипс и др.);

· органические вяжущие и материалы на их основе (битумы, дегти, рубероид, гидроизол, мастики, асфальтобетоны и растворы и др.);

· искусственные каменные материалы:

- получаемые на основе вяжущих веществ (бетон, железобетон, строительные растворы);

- получаемые термической обработкой минерального сырья (керамические материалы, стекло, ситаллы и др.);

· металлические материалы (сталь, чугун, алюминий, сплавы и т. д.);

· полимерные материалы и изделия (пенопласт, линолеум и др.).

 

СВЯЗЬ СОСТАВА, СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Каждый материал, применяемый в строительстве, имеет различные свойства, определяющие область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами. Основные свойства строительных материалов (физические, механические, химические и технологические) определяются их составом и строением.

Состав материала. Строительные материалы характеризуются химическим, мине­ральным и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет су­дить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках.

Взависимости от химического состава принято выделять органические и неорганические вещества.

Органические вещества представляют собой соединения углерода с другими элементами (преимущественно водородом, кислородом и азотом). Среди строительных материалов из органических веществ чаще всего применяется древесина и битум. В XX в. появились и быстро завоевали прочные позиции полимерные материалы, синтезируемые из продуктов переработки нефти, угля и т. п.

Как правило, стойкость и долговечность органических материалов невелика. Многие из них могут окисляться кислородом воздуха, гореть, гнить и т. д. Однако ряд положительных свойств (невысокая плотность, относитель­но высокая прочность, легкость обработки, декоративность, водонепроницаемость и др.) способствуют широкому использованию органических материалов в строительстве.

Неорганические вещества, применяемые в строительстве (керамика, природный камень и др.), представляют собой соединения уже окис­ленных химических элементов - в основном оксидов кремния и алю­миния с оксидами металлов. Например, песок - оксид кремния (SiO₂), глина - водный алюмосиликат (А1₂О₃×nSiO₂×mH₂О). Будучи уже в окисленном состоянии, они не способны окисляться и тем более гореть. Такие материалы практи­чески не разрушаются живыми организмами (не гниют). Однако их переработка в изделия, как правило, более трудоемка и энергоемка, чем переработка органических материалов.

Химиче­ский состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов удобно выражать количеством содержа­щихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химиче­ски связаны между собой и образуют минералы, которые и опре­деляют многие свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном мате­риале. Например, в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (3CaO×SiO₂) составляет 45-60%, причем с увеличением его количества ускоряется твердение, повышается прочность це­ментного камня.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, нахо­дящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и пове­дение материала при эксплуатации. В материале выделяют твер­дые вещества, образующие стенки пор, т.е. "каркас" материала, и поры, заполненные воздухом и водой. Если вода, являющаяся компонентом этой системы, замерзает, то образовавшийся в по­рах лед изменяет механические и тепломеханические свойства материала. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить матери­ал при повторных циклах замораживания и оттаивания.

Строение материала изучают на трех уровнях: 1) макрострук­тура материала - строение, видимое невооруженным глазом; 2) микроструктура материала - строение видимое в оптический микроскоп; 3) внутреннее строение веществ, составляющих мате­риал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии и т.п.

Макроструктура твердых строительных материалов может быть следующих типов: конгломератная (бетоны и др.), ячеистая (газо- и пенобетоны, ячеистые пластмассы и др.), мелкопорис­тая (поризованная керамика и др.), волокнистая (древесина, стеклопластик, минеральная вата и др.), слоистая (текстолит и др.), рыхлозернистая (песок, щебень и др.).

Поры - один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов - представляют собой воздушные ячейки в материале размером от долей микрона до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во многом определяют свойства материала. Например, пористое стекло (пеностек­ло) в отличие от обычного непрозрачное, легкое и может распиливаться обычной пилой.

Крупные поры размером более 1 см и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.

По степени связности частиц материалы могут быть рыхлые, состо­ящие из отдельных зерен или волокон (песок, гравий, минеральная вата, распушенный асбест), и слитного строения, примером которых может служить бетон, керамика, асбестоцемент. Среди материалов слитного строения выделяют конгломераты и композиты.

Конгломераты - материалы, представляющие собой плотно соеди­ненные (обычно с помощью какого-нибудь цементирующего вещества) отдельные зерна. Типичным конгломератом является бетон и строи­тельный раствор. В этих материалах зерна песка и крупного заполни­теля прочно соединены в единое целое при помощи вяжущего, нап­ример, цемента.

Композиты - материалы с организованной структурой. В компо­зитах различают компонент, образующий непрерывную фазу, называ­емую матрицей и играющую роль связующего, и второй компонент, дискретно распределенный в матрице, - упрочняющий компонент. В роли матрицы в строительных композитах используют полимерные и минеральные вяжущие; в роли упрочняющего компонента - волокни­стые (стекловолокно, отрезки металлической проволоки, асбестовое волокно и т. п.) или листовые (бумага, древесный шпон, ткани) материалы.

Матрица, с одной стороны, является формообразующей частью композиционного материала, а с другой стороны, матрица - связую­щее, которое «заставляет» дискретный компонент работать как единое целое, обеспечивая высокую прочность материала. В композиционных материалах достигается совокупность свойств, не являющаяся простой суммой свойств исходных составляющих. Примером искусственных композитов может служить стеклопластик, железобетон, асбестоце­мент. Природным композиционным материалом можно считать, на­пример, древесину и костную ткань животных.

Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свой­ствами в разных направлениях. Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами, - анизотропными. При­мер анизотропного материала волокнистого строения - древесина. Древесина набухает и дает усадку поперек волокон в 10...15 раз больше, чем вдоль, а прочность и теплопроводность древесины в разных направлениях различна.

Микроструктура веществ, составляющих материал, в зависимости от степени упоря­доченности расположения атомов (или молекул), может быть кристаллическая и аморфная (стеклообразная).

Кристаллическими называют тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причем этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непос­редственной близости друг от друга, так и на значительном расстоянии (дальний порядок).

Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.

Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества. Примером служит кристаллический кварц и различные аморфные формы кремнезема. Кристаллическая фор­ма всегда более устойчива. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.

Процесс кристаллизации можно представить следующим образом. При переходе вещества из жидкого состояния в твердое (например, при застывании расплава металла) или при выпадении твердого веще­ства в осадок из насыщенного раствора (например, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались максимально уравновешены. Поэтому их положение относительно друг друга оказывается вполне определенным, фиксированным.

Такой геометрически правильный и повторяющийся в простран­стве порядок расположения атомов (молекул) называют кристалличе­ской решеткой.

Процесс кристаллизации требует определенного времени. В неко­торых случаях (например, при быстром охлаждении расплавленного кварца) затвердевание происходит без кристаллизации с сохранением хаотического расположения атомов. Так образуется аморфное вещест­во, например, кварцевое стекло.

Различие в строении кристаллических и аморфных веществ опре­деляет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически бо­лее активны, чем кристаллические такого же состава. Например, расплав доменного шлака, используемый для получения шлаковых цементов, охлаждают по специальному ускоренному режиму для по­лучения гранулированного шлака стеклообразного строения, облада­ющего повышенной химической активностью. Аморфное строение имеют также горные породы, применяемые в качестве активных ми­неральных добавок к цементам (туфы, пемзы, диатомиты, трепелы).

Другое существенное различие между аморфными и кристалличе­скими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании до определенной температуры (температуры плавления) плавятся, а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние (у них отсутствует температура плавления).

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже прочности кри­сталлических, поэтому для получения материалов повышенной проч­ности специально проводят кристаллизацию стекол, например, при получении ситаллов и шлакоситаллов - новых стеклокристаллических материалов.

Различные свойства наблюдаются у кристаллических материалов одного и того же состава, если они кристаллизуются в разных кристал­лических формах. Это явление называют полиморфизмом. Например, существуют две кристаллические формы углерода: алмаз и графит. Резкое отличие в их свойствах связано с различным строением кри­сталлов: атомы алмаза имеют плотную тетраэдрическую решетку, а атомы графита расположены как бы слоями, причем расстояние между слоями больше, чем между соседними атомами в слоях. Такое строение графита придает ему мягкость и способность расслаиваться на тончайшие пластинки.

Изменением свойств материала путем изменения его кристалличе­ской структуры пользуются при термической обработке металлов (закалке или отпуске).

Внутреннее строение веществ, составляющих материал, опре­деляет механическую прочность, твердость, тугоплавкость и дру­гие важные свойства материала.

Кристаллические вещества,входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, об­разующими пространственную кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами, ионами и целыми молекулами.

Ковалентная связь осуществляется обычно электронной па­рой, образуется в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) и в кристаллах некоторых соединений из двух элементов (кварц, кар­борунд, другие карбиды, нитриды). Такие материалы выделяются очень высокой механической прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в ко­торых связь имеет преобладающе ионный характер и обусловлена электростатическими взаимодействиями между ионами. Такие материалы могут иметь невысокую прочность и твердость, малую водостойкость (например, гипс и ангидрид).

В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах (кальцит, полевые шпаты), осуществляются и ковалентная и ионная связи. Свойства подобных материалов разнообразны.

Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи образуются преимущественно в кристал­лах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, кото­рые удерживаются друг около друга сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (как в кристаллах льда). Такие материалы имеют малую механическую прочность и твердость, низкую температуру плавления.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Свойства строительных материалов характеризуются показателями, имеющими числовые значения. Для оценки свойств необходимо подвергнуть образцы материалов испытаниям по методикам, предписываемыми Государственными стандартами (ГОСТ), техническими условиями (ТУ) или другими нормативными документами на данный материал.

В ГОСТах и ТУ содержатся краткое описание материала и способы его изготовления, указаны марки материалов, методы испытаний, требования к качеству материалов, форма и размеры и допускаемые отклонения от них, а также правила транспортирования, приёмки и хранения, обеспечивающие сохранность материала.

Основные положения строительного проектирования и производства строительных работ регламентируются Строительными нормами и правилами (СНиП). В части II СНиП «Нормы проектирования» содержатся сведения о том, в каких конструкциях и как следует применять строительные материалы с указанием необходимых требований к свойствам этих материалов.

Из всего разнообразия присущих материалу свойств для оценки его качества выбираются только те свойства, которые определяют пригодность материала при использовании по прямому назначению. Например, для теплоизоляционных материалов наиболее важны такие свойства, как средняя плотность, теплопроводность, предельные температуры применения, жесткость (сжимаемость под нагрузкой), паропроницаемость и горючесть. Для конструкционных материалов (металлы, бетон и др.) определяющими являются характеристики прочности, деформативность, плотность и долговечность (морозостойкость, коррозионная стойкость).

 

Физические свойства

Параметры состояния

 

Истинная плотность r (г/см³, кг/м³) - отношение массы материала m к объёму материала в абсолютно плотном состоянии V_а, т. е. без учёта пор и пустот:

r = m / V_а.

Средняя плотность (плотность) r_m (г/см³, кг/м³) - отношение массы материала m ко всему его объёму V, включая поры и пустоты:

r_m = m / V.

Средняя плотность может определяться для сухого материала, а также в состоянии естественной или другой влажности, указываемой в ГОСТ.

Плотность строительных материалов колеблется в очень ши­роких пределах: от 15 (мипора) до 7850 кг/м³ (сталь).

Насыпная плотность r_нас (г/см³, кг/м³) – средняя плотность сыпучих материалов - отношение массы зернистых и волокнистых материалов (щебень, гравий, песок и др.) ко всему занимаемому ими объёму, включая пространство между зёрнами или волокнами.

Средняя плотность большинства материалов обычно меньше их истинной плотности. Пример: истинная плотность известняка - 2700 кг/м³, его плот­ность 2500 кг/м³, а насыпная плотность известнякового щебня -1300 кг/м³. Сталь, стекло, битум, а также жидкие материалы имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности.

Относительная плотность d выражает отношение плотности материала к плотности стандартного вещества, например воды, которая при температуре 4°С имеет плотность 1 г/см³. Относительная плотность является безразмерной величиной и входит в ряд расчетных формул.

Поверхностная масса r_пов (г/м²) – масса 1 м² площади тонких рулонных материалов(тканый и нетканый геотекстиль, рубероид и др.).

 

Структурные характеристики

Пористость П (%) – степень заполнения объёма материала порами:

П = (1 – r_m / r)×100.

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0% (оконное стекло) до 98% (теплоизоляционный материал мипора).

Открытая пористость П_о равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к общему объему материала. Открытые поры материала сообщаются с окружающей сре­дой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения. Открытые поры уве­личивают проницаемость и водопоглощение материала и ухуд­шают его морозостойкость, однако в некоторых случаях, например, в звукопоглощающих мате­риалах умышленно создается открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии.

Закрытая пористость П_з, равна П_з = П – П_о. Увеличение закрытой пористости за счет открытой по­вышает долговечность материала.

Коэффициент плотности К_пл – степень заполнения объема мате­риала твердым веществом (в сумме П+К_пл = 1 или 100 %).

От истинной, средней плотности и пористости зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость и другие важные свойства материалов.

 

Гидрофизические свойства

Влажность W (%) – содержание влаги в материале в данный момент времени, отнесённое к единице массы материала в сухом состоянии:

W = (m_в / m_сух.м) ×100 = [(m_вл.м – m_сух.м) / m_сух.м] ×100,

где m_в, m_вл.м, m_сух.м - соответственно масса воды в материале, масса влажного и масса сухого материала.

При повышении влажности материалы, как правило, ухудшают свои свойства: уменьшается прочность и морозостойкость, повышается теплопроводность и др.

Водопоглощение (по массе W_m или по объёму W_о, % ) – способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду:

W_m = [(m_нас.м – m_сух.м) / m_сух.м] ×100,

W_о = [(m_нас.м – m_сух.м) / V] ×100,

где m_нас.м - масса образца, насыщенного водой; V - объем образца.

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах (% по массе): гранит 0,02-0,7%; кирпич 8-15%; пористые теплоизоляционные материалы 100% и более. Материалы с большим водопоглощением обычно защищают от увлажнения гидроизоляционными материалами.

Водостойкость – способность материала сохранять прочность при насыщении водой. Водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения К_разм,который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии R_{в ,} к пределу прочности сухого материала R_сух:

К_разм = R_в / R_сух.

Для разных материалов К_разм меняется от 0 (глина) до 1 (стекло, металлы). Строительные материалы с К_разм меньше 0,8 не применяют во влажной среде.

Гигроскопичность – свойство капиллярно-порис­того материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Она выражается в процентах как от­ношение массы поглощенной материалом воды из воздуха к мас­се сухого материала при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20°С. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и ка­пиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым.

Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теп­лоизоляции, поэтому для защиты от увлажнения плиты утеплителя обычно по­крывают гидроизоляционным материалом.

Воздухостойкость – способность материала не изменять дли­тельное время свои свойства при периодическом гигроскопиче­ском увлажнении и высыхании. Изменение влажности приводит к разбуханию и усадке материала и со временем к его разру­шению. Воздухостойкость гигроскопичных материалов повы­шают гидрофобизацией их поверхности, введением гидрофоб­ных добавок при изготовлении.

Капиллярное увлажнение и диффузия. Капиллярное увлаж­нение возникает в результате способности воды подниматься по капиллярам на высоту. Высота подъема зависит от тонкости капилляров и степени смачиваемости их стенок. Например, для кирпичной кладки она может составлять несколько метров, вызывая появление плесени на стенах нижних этажей зданий.

В материалах возможна диффузия воды, которая передвига­ется от мест с большей влажностью к местам с меньшей влажно­стью и равномерно распределяется по всему объему.

Для защиты от капиллярного увлажнения и диффузии воды кон­струкции защищают гидроизоляционными материалами. Например, между фундаментом здания и стеной устраивают гидроизоляцию.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Она характеризуется коэффициентом филь­трации К_ф (м/ч) который равен количеству воды V_B в м³, прохо­дящей через материал площадью S = 1 м², толщиной а = 1 м за время t = 1 ч, при разности гидростатического давления Р₁ – Р₂= 1 м водного столба:

К_ф= V_в а / [ S (Р₁ – Р₂)t].

Обратной характеристикой водопроницаемости является водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду под давлением.

Методика определения водонепроницаемости зависит от вида материала. Например, водонепроницаемость бетонов характеризуется маркой (от W2 до W12), обозначающей одностороннее гидростатическое давление в кгс/см², при котором бетонный образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает через себя воду в условиях стандартного испытания.

Большая пористость материала в сочетании с наличием открытых пор сообщающихся с окружающей сре­дой и между собой, способствует интенсивной фильтрации воды через материал, ускоряя его разрушение, а также приводит к утечке воды.

Для возведения гидротехнических сооружений, резервуаров для воды и других, контактирующих с водой сооружений, необходимо применять материалы, имеющие высокую водонепроницаемость.

Газо- и паропроницаемость – способность материалов пропускать газы и водяной пар через свою толщину вследствие возникновения у поверхностей материала перепада давления. Она характеризуется коэффи­циентом газопроницаемости К _г, г/(м×ч×Па), который равен массе газа или водяного пара m _г =V _г ×r _г, проходящего через материал тол­щиною а = 1 м, площадью S = 1 м² за время t = 1 ч, при разности парциальных давлений на гранях стенки D Р= 133,3Па (1 мм рт. ст.):

К _г = a×V _г ×r _г/(S×t× D Р).

Стеновой материал жилых зданий должен обладать определенной проницаемостью. Тогда стена будет «дышать», т.е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для типовых жилых зданий, в которых отсут­ствуют системы кондиционирования воздуха. Поэтому стены жи­лых зданий, больниц и т.п. не отделывают материалами, задерживающими водяной пар.

В других случаях, для влажных производственных помещений (текстильные фабрики, бани, бассейны, свинарники и т. п.) стены и по­крытия необхо­димо защищать с внутренней стороны от проникновения в них водяного пара. В зимнее время внутри теплых по­мещений со­держание водяного пара значительно больше, чем снару­жи, поэтому пар стремится пройти через стену или покрытие. Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах, что может привести к быстрому разруше­нию материала при замерзании воды в его порах.

Конденсация водяных паров в теплоизоляционном слое увеличивает его теплопроводность, ухудшая изолирующие свойства, поэтому для защиты теплоизоляции обычно устраивается пароизоляция (1-2 слоя рубероида или пергамина и др.).

Паронепроницаемые материалы должны распола­гаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.

Паро- и газопрони­цаемость зависят от структуры мате­риала - его плотности и пористости. Например, керамический кирпич (при r_m = 1800 кг/м­³ и П = 31%) в 4 раза более паропроницаем, чем плотный тяжелый бетон (при r_m = 2200 кг/м­³ и П = 15%).

Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и раз­меры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Она вызывает­ся уменьшением толщины слоёв воды, окружающих ча­стицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных измене­ний.

Высокопористые материалы, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой; плотные материалы практически не дают усадку. Например, древесина (поперек волокон) имеет усадку 30-100 мм/м, ячеистый бетон – 1-3 мм/м, строительный раствор – 0,5-1 мм/м, тяжелый бетон – 0,3-0,7 мм/м, кирпич – 0,03-0,1 мм/м, гранит – 0,02-0,06 мм/м.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагаю­щими материал, как бы расклинивают их, при этом утол­щаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.

Че­редование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается поперемен­ными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают трещины, ускоряю­щие разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорож­ных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооруже­ний.

Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без выраженных признаков разрушения и потери прочности.

Разрушение происходит из-за того, что вода при замерзании превращается в лед с увеличением в объёме на 9%. Если поры были полностью заполнены водой, то давление образующегося льда на стенки пор вызывает появление больших растягивающих напряжений в материале. Воздействие на материал попеременного замораживания и от­таивания подобно многократному воздействию растя­гивающей нагрузки, вызывающей усталость материала.

Морозостойкость характеризуется маркой по морозостойкости – наибольшее число циклов попе­ременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15 %; после испытания образцы не должны иметь видимых повреж­дений - трещин, выкрашивания (потери массы - не более 5 %). От морозостойкости зависит долговечность строительных материа­лов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды.

Морозостойкость материалов зависит от их плотности и сте­пени заполнения пор водой.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с уче­том вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата.

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость от 15 до 35. Материалы, работающие в неблагоприятных условиях, например, гидротехнический бетон может иметь морозостойкость до 500…1000.

 

Теплофизические свойства

 

Теплопроводность – способность материалов проводить теп­ло. Это свойство является главным для теплоизоляции и материалов, применяемых для устройства наруж­ных стен и покрытий зданий.

Теплопередача происходит в результате перепада темпера­тур между поверхностями, ограничивающими материал. Теп­лопроводность зависит от коэффициента теплопроводности l, Вт/(м×°С), который равен количеству тепла Q,Дж, проходящего через материал толщиной d = 1 м, площадью S = 1 м² за время t = 1 ч, при разности температур между поверхностями t₂ - t₁ = 1 °С:

l = Q d / [S(t₂ - t₁)].

Зная l и d материала можно определить термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче) R = d/l (м²×°С/Вт) запроектированной или существующей ограждающей конструкции и сопоставить его с требуемым значением, приведенным в СНиП.

Теплопроводность материалов зависит от их средней плотно­сти, химического состава, структуры, характера пор, влажности.

Наиболее существенное влияние на теплопроводность ока­зывает средняя плотность материалов и их влажность.

Теплопроводность воздуха l = 0,023 Вт/(м×°С), что значительно меньше, чем у твердого вещества, из которого со­стоит "каркас" строительного материала. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые поры, чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвенцией и излучением.

Влага, попадающая в поры материала, увеличивает его теп­лопроводность, так как теплопроводность воды [0,58 Вт/(м°С)] в 25 раз больше, чем теплопроводность воздуха. Замерзание воды в порах с образованием льда еще больше увеличивает l, так как теплопроводность льда [2,3 Вт/(м°С)] в 4 раза больше, чем воды.

При повышении температуры теплопро­водность большинства материалов возрастает и лишь у немногих (металлов, магнезитовых огнеупоров) она уменьшается.

Теплоемкость - это способность материала аккумулировать тепло при нагревании и выделять тепло при остывании. Она характеризуется удельной теплоёмкостью с, Дж/(кг×°С), которая равна количеству тепла Q,Дж, затраченному на нагревание материала массой m = 1 кг, чтобы повысить его температуру на t₂ - t₁ = 1°С.

с = Q / [m(t₂ - t₁)].

Те­плоемкость стали - 480 Дж/(кг×°С), неорганических строитель­ных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных мате­риалов) изменяется в пределах от 750 до 920 Дж/(кг×°С). Тепло­емкость сухих органических материалов (например, древесины) - около 2400-2750 Дж/(кг×°С), вода имеет наибольшую теплоемкость - 4190 Дж/(кг×°С), поэтому с повышением влажности мате­риалов их теплоемкость возрастает.

Для стен и перекрытий жилых и отапливаемых зданий желательно применять материалы с возможно более высокой теплоёмкостью, выравнивающие колебания температуры в помещениях.

Теплоемкость учитывается при теплотехнических расчетах ограждающих конструкций зданий, при расчете степени подогрева материалов для зимних бетонных и каменных работ, а также при проектировании печей.

Температурный коэффициент линейного расширения a характеризует относительное изменение длины материала вдоль рассматриваемого направления в результате нагревания материала. Для бетона и стали a = 10×10^-6 °С^-1, гранита - (8…10)×10^-6 °С^-1, дерева -20×10^-6 °С^-1. Во избежание растрескивания в результате температурных колебаний сооружения, имеющие большую протяженность, разрезают на отдельные элементы деформацион­ными швами.

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не размяг­чаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

По степени огнеупорности материалы подразделяют на следующие группы: огнеупорные (шамот, динас и др.) – выдерживают температуру 1580°С и выше, тугоплавкие - 1350-1580°С, легкоплавкие (обыкновенный керамический кирпич и др.) – менее 1350°С.

 

Акустические свойства

 

Акустические свойства материалов - это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук - это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Звуки, вызываемые случайными причинами, не несущие полезной информации и мешающие тому или иному жизненному процессу, принято называть шумами. Они раздражают и угнетают нервную сис­тему человека. Поэтому уменьшение вредного влияния шумов на здоровье человека является одной из важных задач.

В качестве характеристик шума используются уровни звукового давления (на частотах от 31,5 до 8000 Гц), эквивалентный и максимальный уровни звука. Шум измеряется в децибелах (дБ) или в децибелах по шкале «А» шумомера (дБА). СНиП и санитарные нормы устанавливают допустимые уровни шума в жилых, общественных и промышленных помещениях, а также на территории жилой застройки.

Выбор акустического материала зависит от вида шума, его мощности и частотной характеристики.

Различают шумы воздушные и ударные. Воздушный шум распространяется в виде звуковых волн в воз­духе. Звуковые волны воздействуют на ограждающие конструкции, приводят их в колебательное движение и тем самым передают звук в соседние помещения, отражаются и частично поглощаются огражде­ниями, а также проникают через них. Ударный шум возникает и распространяется в ограждающих конструкциях при ударных, вибрационных и других воздействиях непосредственно на конструкцию.

Звукоизоляция - свойство материала уменьшать проникающий сквозь его толщу звук. Различают следующие параметры звукоизоляции.

Звукоизоляция R, дБ, является характеристикой звукоизоляции от воздушного шума различного происхождения для наружных ограждающих конструкций в нормируемых полосах частот колебания звука.

Звукоизоляция R_Aтран, дБА, является характеристикой звукоизоляции наружных ограждающих конструкций (в том числе окон, витрин и других видов остекления) от воздушного шума, производимого потоком городского транспорта.

Индекс изоляции воздушного шума R_w, дБ, является характеристикой звукоизоляции внутренних ограждающих конструкций зданий от проникновения воздушного шума из соседних помещений.

Индекс приведенного уровня ударного шума L_nw, дБ, является характеристикой звукоизоляции внутренних ограждающих конструкций зданий от проникновения ударного шума через перекрытия.

Звукоизоляция от воздушного шума зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше пропускает воздушный звук, чем больше его масса; если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо заставить материал колебаться. Большинство конструкционных материалов (бетон, железобетон, кирпич и др.), используемых для ограждающих конструкций зданий, обладают значительной звукоизоляцией воздушного шума, однако наличие отверстий (например, открытая форточка) и щелей (например, плохо заделанный стык стеновых панелей или щель по контуру оконной рамы) может резко её уменьшить.

Повысить звукоизоляцию без существенного увеличения массы ограждения можно, применяя многослойные конструкции, в которых чередуются плотные и высокопористые материалы. Например, легкую стеновую перегородку, можно выполнить из двух гипсокартонных листов, между которыми помещается прослойка в виде матов из стекловолокна; для исключения «звуковых мостиков» монтаж элементов ограждения должен выполняться через упругие прокладки.

Звукоизоляционные материалы, предназначенные для защиты от ударного шума и вибрации, представляют собой пористые прокладочные материалы с малым динамическим модулем упругости (пористая резина, минераловатные плиты, пенополиуретан и др.). Механизм действия таких материалов заключается в переводе энергии звуковых колебаний в тепловую энергию в результате внутреннего трения деформируемых элементов материала (например, волокон) или упругих деформаций самого материала (резиновые прокладки).

Эффективным вариантом защиты от ударного шума является устройство «плавающих» полов в шумных помещениях. Для этого между несущей плитой перекрытия и чистым полом (напольным покрытием) укладывают упругие прокладки. Также необходимо упругими прокладками отделить напольное покрытие от стен по периметру помещения (чтобы исключить «звуковые мостики»). Виброизоляция инженерного оборудования (вентиляторы и др.) достигается установкой амортизаторов (в виде пружин и упругих прокладок), располагаемых между фундаментом оборудования и полом.

Звукопоглощение - свойство материала поглощать падающий на его поверхность звук.

Звукопоглощение материалов оценивается коэффициентом зву­копоглощения a. - отношение количества звуковой энергии Е _погл,поглощенной поверхностью материала, к общему количеству звуковой энергии Е _пад, падающей на материал в единицу времени:

a = Е _погл / Е _пад.

Чем больше a, тем более эффективно материал поглощает звук. Звукопоглощающими материалами принято называть такие, коэффициент звукопоглощения которых на средних частотах более 0,2.

Звукопоглощающие материалы и изделия предназначаются для применения в звукопоглощающих конструкциях с целью снижения уровня звукового давления в помещениях производственных и обще­ственных зданий.

Звукопоглощениезависит от характера поверхности материала. Ма­териалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуко­вые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отража­ются. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук.

Поглощение звуковой энергии в однородном пористом материале происходит за счет энергетических потерь на вязкое трение, преодо­леваемое воздушным потоком в порах материала, теплообмена между стенками пор и воздухом, релаксационных процессов в материале с неидеальной упругостью скелета.

Коэффициент звукопоглощения можно определить в камере или при помощи специального прибора - интерферометра. Коэффициент звукопоглощения зависит от частоты угла падения звука. Чем боль­шую пористость имеет материал, чем больше развита поверхность пор и больше пор сообщается между собой, тем больше его звукопо­глощение. Поэтому звукопоглощающие материалы должны обладать сравнительно большой открытой, сквозной пористостью преимуще­ственно сообщающегося и разветвленного характера. Оптимальные размеры пор желательно иметь от 0,01 до 0,1 см. Звукопоглощение на низких частотах происходит в более крупных порах. Увеличение влажности материала резко снижает коэффициент звукопоглощения по всему диапазону частот.

Примером эффективных звукопоглощающих материалов являются минераловатные плиты на различных связующих, гипсовые и другие поризованные материалы.

Механические свойства

 

К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др.

 

Характеристики деформативных свойств

 

Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: модуль упругости, коэффи­циент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (мо­дуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяже­ния, сжатия и др.), ползучесть. Другие характеристики могут оп­ределяться для специальных условий нагружения.

Упругостью твердого тела называют его свойство самопроиз­вольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация пол­ностью исчезает после прекращения действия внешней силы, по­этому ее принято называть обратимой.

Пластичностью твердого тела называют его свойство изме­нять форму или размеры под действием внешних сил, не разруша­ясь, причем после прекращения действия силы тело не может са­мопроизвольно восстанавливать свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пласти­ческой деформацией.

Пластическую или остаточную деформацию,не исчезающую после снятия нагрузки, называют необратимой.

Хрупкостью твердого тела называют его способность разру­шаться без образования заметных остаточных деформаций.

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину D l в направлении действия си­пы (при сжатии - укорочение, при растяжении - удлинение).

Относительная деформация e равна отношению абсолютной деформации D l к первоначальному линейному размеру l тела:

e = D l /l.

Деформация происходит вследствие удаления или сближения атомов, причем смещения атомов пропорциональны деформации тела.

Напряжение s (МПа) - мера внутренних сил P, приходящихся на единицу площади F поперечного сечения материала, возникающих в деформи­руемом теле под воздействием внешних сил:

s = Р / F.

Модуль упругости (модуль Юнга) Е (МПа)связывает упругую де­формацию e и одноосное напряжение s линейным соотношением, выражающим закон Гука:

e = s / Е.

При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяет­ся по формуле s = Р/F, где Р - действующая сила; F - площадь первоначального поперечного сечения элемента.

Модуль упругости представляет собой меру жесткости мате­риала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости. Чем больше модуль упругости, тем меньше материал деформируется. Например, для каучука Е = 10…20 МПа, а для стали Е = 200000 МПа, т.е. сталь в 10000 раз меньше деформируется при действии одной и той же силы.

Механические свойства материала характеризуются диаграм­мой деформаций, построенной на основании результатов испыта­ния в координатах "напряжение - относительная деформация" (s - e). Модуль упругости определяет тангенс угла наклона произ­водной d s/ d e к оси деформаций. Таким образом, диаграммы деформаций позволяют опреде­лить модуль упругости и установить его изменение в зависимости от уровня напряженного состояния.

Модуль упругости Е связан с другими характеристиками ма­териала посредством коэффициента Пуассона. Одноосное рас­тяжение s_z вызовет удлинение по этой оси +e_z, и сжатие по боко­вым направлениям -e_х и -e_у, которые у изотропного материала равны между собой.

Коэффициент Пуассона m или коэффициент поперечного сжа­тия равен отношению:

m = -e_x /e_z.

Силы притяжения и отталкивания в материале раз­личным образом зависят от изменения межатомного расстояния, поэтому значения коэффициента Пуассона реальных материалов сильно отличаются от теоретического (0,5) и различаются между со­бой, например, у бетона - 0,17-0,2, полиэтилена - 0,4.

Объемный модуль упругости или модуль всестороннего сжа­тия (растяжения) К (МПа) связан с модулем упругости следующим соот­ношением:

К = Е/[3(1-2m)].

Модуль сдвига G (МПа) связан с модулем упругости посредством коэффициента Пуассона

G = Е/[2(1+m)].

Экспериментально определив модуль упругости и коэффици­ент Пуассона, можно вычислить модуль сдвига и объемный мо­дуль упругости, пользуясь приведенными формулами.

 

Характеристики прочности

 

Прочность - способность материалов сопротивляться разру­шению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п.

Прочность оценивается пределом прочности - напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, рас­тяжении, изгибе, срезе и пр. Они определяются испытанием стан­дартных образцов на испытательных машинах. Изучением прочности материалов занимается наука «Сопротивление материалов».

Предел прочно­сти при сжатии (растяжении) R_сж(p) (кгс/см², МПа) вычисляется как от­ношение нагрузки, разрушающей материал Р_сж(p), к первоначальной площади поперечного сечения образца F:

R_сж(p) = Р_сж(p) / F.

В зависимости от со­отношения R_р / R_сж можно условно разделить материалы на три группы: материалы, у которых R_р > R_сж (волокнистые - древесина и др.); R_р» R_сж (сталь); R_р < R_сж (хрупкие материалы - природ­ные камни, бетон, кирпич).

Предел прочности при изгибе R_и (кгс/см², МПа) вычисляют как от­ношение изгибающего момента М к моменту сопротив­ления образца W:

R_и = М / W.

Природные и искусственные каменные материалы хорошо работают на сжатие и значи­тельно хуже (в 5-50 раз) на растяжение и изгиб. Другие матери­алы - металл, древесина, многие пластмассы - хорошо рабо­тают как на сжатие, так и на растяжение и изгиб.

Ударной вязкостью (динамической или ударной прочностью) называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема (Дж/м³) или площади поперечного сечения об­разца (Дж/м²). Сопротивление удару важно для материалов, ис­пользуемых при устройстве фундаментов машин, полов промыш­ленных зданий, дорожных покрытий и т.п.

Удельная прочность (коэффициент конструктивного качества) R_у (МПа) - условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R к его относительной плотности d:

R_у = R / d.

Для некоторых материалов значения R_у составляют: для стеклопластика - 450/2 = 225 МПа, древесины (без пороков) - 100/0,5 = 200 МПа, стали высокопрочной - 1000/7,85 = 127 МПа, стали - 390/7,85 = 51 МПа. тяжелого бетона - 40/2,4 = 16,6 МПа, кирпича - 10/1,8 = 5,56 МПа.

Материалы с высоким коэффициентом конструктивного качества являются более эффективными. Повышения R_у можно добиться снижением плотности мате­риала или увеличением его прочности.

Поскольку строитель­ные материалы неоднород­ны, то предел прочности определяют как средний результат ис­пытания серии образцов (обычно не менее трех образцов).

Форма и размеры образцов, состояние их опорных поверхностей, скорость нагружения образца и др. факторы сущест­венно влияют на результаты испытания. Поэтому, показатели прочности строительного материала, используемые в качестве характеристик его качества, являются условными величинами, получаемыми по стандартным методикам, единым для всей страны.

В зависимости от прочности строительные материалы разделя­ются на марки или классы. Например, марки портландцемента: М400, М500, М550 и М600. Марка материала по прочности является важнейшим показателем его качества. Чем выше марка, тем выше качество строи­тельного материала. Единая шкала марок охватывает все строитель­ные материалы.

В строительных материалах, используемых для несущих конструкций сооружений, следует допускать напряжения, составляющие только часть предела прочно­сти. Это требование учитывается при подборе материала для конкретного сооружения путем введения коэффициентов запаса прочности, которые обычно составляют 2-3 и выше.

Адгезия - свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Она характеризуется прочностью сцепления между материалами. Зависит от их природы, состояния поверхностей. Это свойство имеет большое значение при изготовлении композиционных материалов, бетонов, клееных конструкций.

 

Влияние строения материала на прочность. Как правило, используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала, так как прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала.

Прочность материала одного и того же состава зависит от его пористости. Увеличение пористости, как правило, приводит к снижению прочности.

Реальные кристаллические мате­риалы имеют большее или меньшее количество точечных дефектов. Одни из них заключаются в том, что некоторые атомы или ионы смещены в другие положения и могут распо­лагаться даже между узлами кристаллической решетки (дефекты Френкеля). Их нормаль­ные места остаются свободными и затем замещаются другими иона­ми. Следовательно, в узлах решетки могут быть свободные места (вакансии). Другого рода дефекты возникают в результате раз­мещения посторонних атомов или ионов примеси в узлах решетки, где они заменяют основное вещество (примеси замещения), или между ними (примеси внедрения).

Свойства кристаллических материалов зависят от дислока­ций кристаллов. Дислокация - это всегда одно­мерный (линейный) дефект кри­сталлической решетки, возникаю­щий или в процессе образования кристалла, или в результате после­дующих механических, тепловых и других воздействий. Дислокации бывают краевые, винтовые и сме­шанные - криволинейные.

Дислокации оказывают существенное влияние на свойства мате­риалов. Они значительно понижают прочность монокристаллов, но зато придают пластичность поликристаллическим телам с ме­таллической связью, делают металл ковким, затрудняют распро­странение трещин.

Плотность дислокаций (т.е. число дислокаций, пересекающих площадь в 1 см²) может быть весьма велика - 10⁷…10⁸ (в отожжен­ных металлах). При механических воздействиях дислокации пе­ремещаются, взаимодействуют между собой и порождают новые дислокации, в особенности в местах концентрации напряжений. В результате этого их плотность возрастает до 10¹⁰…10¹³ (в сильно наклепанных металлах). Когда дислокаций много (больше неко­торой критической плотности), они переплетаются (словно спу­танные нитки), тормозят перемещение друг друга, в результате материал упрочняется. Однако при дальнейшем деформировании материал может сделаться хрупким.

Вакансии в кристаллической решетке, межузловые (внедренные) атомы и дислокации играют важную роль в процессах диффузии, повышают химическую активность, что используется, например, в технологии быстротвердеющих цементов. Однако на­личие дислокаций и дефектов структуры в готовом материале снижает его стойкость, так как деформированные межатомные связи (как и места концентрации напряжений) более уязвимы для химических и физических воздействий среды.

Механика разрушения. Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пластической деформацией, поэтому хрупкость определяют, как свойство материала разрушаться "внезапно", не претерпевая существенной деформации. Хрупкость присуща не только кристал­лическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам.

Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествует изменение формы и большая деформация.

Большинство материалов при понижении температуры охрупчиваются, у них происходит переход от пластического разруше­ния к хрупкому. Так ведут себя битумные материалы, некоторые полимеры, металлы и др.

Хрупкое разрушениепроисходит в ре­зультате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при воз­растающей нагрузке.

Трещина (как и надрез) вызывает концентрацию напряжений около ее вершины. В этом месте на­пряжение оказывается значительно большим, чем можно ожидать из про­стого уменьшения площади поперечного сечения.

Трещина будет самопроизвольно расти, если длина трещины превышает некоторую "критическую длину Гриффитса", при которой освобождающаяся энергия упругой деформации равна энергии образующихся новых поверхностей.

Напряжение, необходимое для разрушения растянутой пла­стины, возрастает у материалов с высоким модулем упругости и большей поверхностной энергией, оно уменьшается при наличии более глубоких поверхностных трещин.

В данном материале для каждого напряжения существует своя критическая длина трещин. Трещины, глубина которых превы­шает l_кр, способны при данном напряжении sсамопроизвольно расти со скоростью, приближающейся к скорости распростране­ния упругой волны (1,5-2 км/с).

Сжимающие усилия, в отличие от растягивающих могут пере­даваться через трещины, не вызывая концентрации напряжений. Поэтому хрупкие материалы всегда оказываются значительно прочнее при сжатии, чем при растяжении. Например, у природ­ных каменных материалов (гранит и др.) предел прочности при растяжении составляет всего 1/40-1/60 предела прочности при сжатии. Хрупкие материалы также плохо сопротивляются удару и взрыву.

Торможение трещин при помощи создаваемых в материале внутренних поверхностей раздела используется в современных композиционных материалах.

Механизм торможения трещины основан на том, что при рас­пространении трещины кроме напряжений, перпендикулярных трещине, достигающих максимума в ее вершине, возникает рас­тяжение в направлении, параллельном трещине. Растягивающее напряжение, параллельное трещине, равно нулю в вершине тре­щины и достигает максимума впереди трещины на расстоянии одного-двух атомных размеров от ее вершины. В растянутом ма­териале отношение максимального напряжения, параллельного трещине, к максимальному напряжению, направленному перпен­дикулярно ее поверхности, равно приблизительно 1/5. Если проч­ность сцепления на поверхности раздела больше 1/5 прочности мате­риала, то поверхность не разрушит­ся, трещина ее только пересечет и поведение ма териала не изменится, т.е. он останется хрупким. Если же прочность сцепления меньше 1/5 прочности на растяжение самого материала, то прежде чем трещина достигнет поверхности разде­ла, последняя будет разрушена на небольшом участке и образует­ся ловушка, способная остановить трещину (рис. 3.1).

Кончик трещины, который был очень малым, при встрече с поверхностью раздела становится очень большим, устраняется концентрация напряжений в вершине трещины и тенденция к ее распространению.

Торможение трещины путем увеличения радиуса кривизны её вершины также используется при заклёпочном соединении металлических материалов. В этом случае ловушками для трещин являются круглые отверстия под заклёпки, которые перехватывают трещины и препятствуют их дальнейшему распространению. По этой причине заклепочные соединения широко используются в самолето- и кораблестроении, в мостовых и других конструкциях, где наблюдается тяжелый динамический режим работы и требуется высокая надежность.

Релаксация - способность материалов к самопроизвольно­му снижению внутренних напряжений при постоянном воздействии внешних сил при условии, что начальная величина деформации остаётся неизменной. Это происходит в результате межмолекулярных перемеще­ний и перестройки внутренней структуры в материале. Релаксация оценивается периодом релакса­ции - временем, за которое напряжение в материале снижается в е = 2,718 раза, где е - основание натурального логарифма. Период релаксации составляет от 1×10^-10 секунд для материалов жидкой консистенции и до 1×10¹⁰ секунд (десятки лет) у твердых материалов.

 

Характеристики твердости, истираемости и износа

 

Твёрдость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала.

Для определения твёрдости материалов получили распространение методы царапания, сверления, шлифования, а также вдавливания острия, сферы или цилиндра.

Твёрдость каменных материалов определяют методом царапания, оценивая показатель твёрдости по шкале Мооса при помощи 10 специально подобранных минералов (тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз), распо­ложенных в порядке возрастания твердости (более твердый царапает предыдущий), сусловными показателями твердости от 1 до 10. Твёрдость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют методами Роквелла, Бринелля и Виккерса, вдавливая в них стальной шарик или твёрдый наконечник в виде конуса или пирамиды. В результате испытания вычисляют число твёрдости НВ (по Бринеллю), НR (по Роквеллу) или НV (по Виккерсу).

От твердости материалов зависит их истираемость: чем больше твердость, тем меньше истираемость.

Истираемость – свойство материала уменьшаться в объёме и массе под действием истирающих усилий.

Истираемость И_m (г/см²) оценивают потерей первоначальной массы об­разца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F и вычисляют по формуле:

И_m = (т₁ - т₂)/F,

где т₁ и т₂ - масса образца до и после истирания.

Сопротивление материала истиранию определяют, пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (квар­цевыми песком и наждаком). Это свойство важно для эксплуата­ции дорог, полов, ступеней лестницы и т.п.

Износом называют свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы пробы материала в результате проведенно­го испытания (в % от первоначальной массы).

 

Технологические свойства

К технологическим свойствам относится способность мате­риалов подвергаться обработке. Например, для каменных материалов это пилимость и шлифуемость, для бетонных смесей - способность уплотняться, для древесины - способность обрабатываться пи­лящими и режущими инструментами и т.д.

 

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Природными каменными материалами называют строительные материалы, получаемые из различных горных пород. Под горной породой понимают природные агрегаты минералов, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Минералами называют природные химические соединения или химические элементы однородного