ЛЕКЦИЯ 2
КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§2.1. Классификация СтМ
§2.2. Требования к свойствам СтМ
§2.3. Основные свойства СтМ
Классификация СтМ
Итак, на прошлой лекции мы обсудили предпосылки становления, состояние и перспективы развития строительного материаловедения (СМ). При этом выделили 4-е (условных) этапа в истории развития СМ, определяемых революционными изменениями в развитии человечества. Пришли к выводу, что мы, по всей видимости, находимся в конце III-го этапа, определяемого научно-технической революцией XIX-XX вв. (постиндустриальный период), и стоим у истоков IV-го – века информационных технологий (начинается» с 2010 г.).
Рассмотрим классификацию строительных материалов (СтМ). Перед этим давайте внимательно посмотрим на всем знакомый нам объект – многоэтажный дом (рис. 2.1а), и менее знакомый фрагмент одноэтажного промышленного здания (рис. 2.1б).
| Рис. 2.1а. Конструктивная схема многоэтажного жилого дома (с названиями основных изделий и применяемых в них материалов) [2.1] 1 - наружная несущая стена (легкий бетон); 2 - то же внутренняя (тяжелый бетон); 3 - междуэтажное перекрытие (предварительно напряженный железобетон); 4 - перегородка (гипсобетон); 5 - оконный блок (дерево, полимер); 6 - основание (песчаный грунт); 7 - фундамент (железобетон); 8 - гидроизоляция (битумная мастика); 9, 10 - покрытия полов (керамическая плитка и теплозвукоизоляционный линолеум); 11 - пароизоляция (полимерная пленка); 12 - теплоизоляция (минеральная вата); 13 - стяжка (цементный раствор); 14 - мягкая кровля (рубероид); 15 - внутренняя отделка стен (бумажные обои); 16 - то же наружная (кремнийорганическая краска); 17 - ограждение балкона (листовой асбестоцемент) |
Обратим внимание, на рисунке указаны не только названия основных элементов (цифрами), но и из каких (в скобках) СтМ они изготовлены. Надеюсь, вас поражает многообразие материалов и изделий? Но это ведь далеко не все – ведь они получены по какой-то технологии (которых в СМ более сотни), изготовлены из каких-то материалов (составляющих, компонентов), да и дом (а вариантов домов десятки) является только объектом жилищного строительства, а ведь есть еще промышленное строительство, есть транспорт – железнодорожный и автомобильный, и т.д.
| Рис. 2.1б. Фрагмент одноэтажного промышленного здания с каркасом из сборных железобетонных изделий 1 – фундаменты под колонны; 2 – колонны наружного ряда; 3 – подкладка; 4 – фундаментная балка; 5 – стеновые панели; 6 – консоли колонн; 7 – подкрановая балка; 8 – плиты покрытия; 9 – балки покрытия; 10 – внутренние колонны |
| Классификация (от лат. classis – разряд, класс и facio – делаю, раскладываю) – система соподчиненных понятий, используемых как средство для установления связей между этими понятиями и классами объектов, определяющая место объекта в системе, которое указывает на свойства этого объекта [2.1] |
Предварительно поясним ряд терминов. Под изделием будем подразумевать все, что при применении в строительстве не изменяет первоначальной геометрической формы, в противном случае это будет материал.
Простое изделие в ряде случаев называют “ конструкцией ”, а сложное (состоящее и из одного, но уникального изделия или множества, но простых) – зданием или сооружением. Для получения СтМ и изделий используются сырье (синоним – сырьевые материалы) и полуфабрикаты – продукция других производств.
Отметим отсутствие общепризнанной (подобно таблице Менделеева) классификации СтМ, которую целесообразно проводить в зависимости от поставленных целей. В учебных целях мы будем подразделять СтМ и изделия (СтМИ), получаемые на их основе, по двум признакам – по происхождению и назначению.
Классификация СтМИ по происхождению представлена на рис. 2.2.
2.2. Схема классификации СтМ по происхождению [2.2]:
1 - керамика; 2 - стекло; 3 - шлаки; 4 - каменные расплавы; 5 - кирпич; 6 - бетоны; 7 - асбестоцементные изделия; 8 - другие изделия; 9 - футеровочные материалы
а - материалы; б - изделия
Как видим, СтМ по происхождению подразделяют на природные и искусственные.
Природные СтМ образуются в естественных (природных) условиях и их получают из непосредственно из земных недр и лесных массивов в готовом виде (например, природные битумы и асфальты, камыш, солома и др.), путем изменения состояния (например, дроблением получают щебень, древесную щепу) или приданием рациональных размеров (например, пилением – камень, доски). При этом сохраняются их первоначальное строение и химический состав, в отличие от искусственных (не встречающихся в природе) СтМ, которые получают из природных материалов путем целенаправленного изменения, как правило, их первоначального строения и состава.
СтМИ какприродного, так и искусственного происхождения могут быть неорганическими и органическими.
Неорганические материалы – это соединения, образуемые всеми химическими элементами за исключением органических соединений углерода.
Органические материалы представляют большинство химических соединений углерода с другими элементами, в основном водородом.
Полимерами (органическими и неорганическими) называются вещества с большой молекулярной массой (³ 104), у которых молекулы состоят из одинаковых групп атомов – звеньев.
Кроме того, в зависимости от температурной обработки СтМ подразделяются на безобжиговые (t £ 100 оС, Р = 1 атм) и автоклавные (100 < t £ 200 оС, Р > 1 атм) – их затвердевание происходит в результате физико-химических превращений вяжущего вещества. О бжиговые СтМ получают удалением химически связанной воды (200 < t £ 900 оС, Р = 1 атм) или в процессе остывания жидких расплавов (t > 900 оС, Р = 1 атм).
По назначению СтМ подразделяются на конструкционные, конструкционно-отделочные и отделочные (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Классификация готовых СМ по их назначению [2.1]
Требования к свойствам СтМ
С одной стороны, свойства СтМИ определяют область их применения, с другой, условия эксплуатации зданий, сооружений и даже отдельных помещений и т.д., формируют требования к применяемым материалам. Так что первично? Кто правит балл (известно кто – дьявол)? Раньше у нас было так – что имеем, из того и строим, т.е. политику в области строительства диктовали производители. Сейчас с насыщением рынка различными СтМИ это уже прерогатива заказчика (в лице архитектора). В результате формируется сложный комплекс предъявляемых к СтМИ архитектурно-строительных требований, представленных на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Классификация архитектурно-строительных требований к СтМИ [2.1]
Эти требования подразделяются на три группы: функциональные, эстетические и экономические.
В свою очередь среди функциональных можно выделить группы:
● общестроительных требований (определяются удобством транспортирования, хранения, технологичностью применения и др.);
● эксплуатационных требований (они определяют пригодность СтМИ к применению в данных условиях эксплуатации);
● санитарно-гигиенические требования (определяются в первую очередь экологичностью как в нормальных, так и экстремальных, например, при пожаре, условиях эксплуатации).
Эстетические требования к форме, цвету, рисунку и фактуре поверхности СтМИ также определяются их назначением и областью применения. Их соблюдение не только позволяет гармонично выполнить интерьер, но и создать в нем благоприятные светотехнические условия для отдыха и работы (известен случай за счет удачного интерьера резкого повышения оборота посетителей в одном из французских кафе – подобрали красный цвет интерьера!).
Экономические требования определяют технико-экономическую эффективность (ТЭЭ) разработки, производства и применения тех или иных СтМИ (это при цивилизованном рынке, а при диком – что хочу, то и ворочу). Обратим внимание, что само словосочетание “ ТЭЭ ” затрагивает два основных аспекта – технический и экономический.
Экономический аспект – в проектной практике основным документом, регламентирующим экономический аспект ТЭЭ является смета, составляемая по архитектурно-строительном проекту. Смета является неотъемлемым документом любого бизнес-плана на строительство того или иного объекта.
Технический аспект - определяется долговечностью строительных объектов, зависящей от стойкости (к воздействию влаги, низких температур, огня и т.д.) применяемых СтМИ в конкретных условиях эксплуатации. Необходимо назначать рациональные значения показателей стойкости – свойств СтМИ, так как их занижение приведет впоследствии к затратам на ремонт строительных объектов, а завышение – к неоправданным издержкам на изготовление СтМИ.
Так что же такое долговечность и как ее определять, раз она так важна?
Определение: под долговечностью понимают свойство строительного объекта (здания, сооружения или их отдельных элементов) сохранять при установленной системе технического обслуживания и ремонтов работоспособность до наступления предельного состояния, после которого дальнейшая его эксплуатация уже невозможна (1) или экономически нецелесообразна (2) [2.3].
Важное отступление. Обращаю ваше внимание, что долговечность мы связываем с объектом, а не с отдельным материалом! В данном случае принципиальная разница заключается в том, что объект эксплуатируется в различных, как правило, нестационарных условиях, а материал подвергается строго определенным воздействиям, оговоренных стандартами на методы испытания (ГОСТ-ми и ТУ).
Поэтому материал характеризуется стойкостью к каким либо отдельным воздействиям – влаги, мороза, тепла и т.д., и характеризуется он свойствами, соответственно, влагостойкостью, морозостойкостью, огнестойкостью и т.д.
Определение: показателем долговечности служит срок службы – продолжительность эксплуатации в годах от начала эксплуатации строительного объекта (с учетом ремонтов) до наступления его предельного состояния.
В курсе СМ мы будем изучать именно свойства материалов и изделий (свойства конструкций и сооружений изучаются другими дисциплинами).
Определение: свойство – характеристика материала (изделия), проявляющаяся в процессе его переработки, применения или эксплуатации.
Будем подразделять свойства материала (изделия) на:
● простые (они не подлежат дальнейшему дроблению на еще более простые, например, масса изделия, его длина и др.);
● сложные (подлежат дальнейшему подразделению на еще более простые, например, среди эксплуатационных свойств можно указать не только ряд физических свойств СтМИ, но и к их цветовой гамме).
Будем различать также такие важные понятия как:
● качество – сложное свойство, являющееся совокупностью всех функциональных и эстетических свойств материала (изделия), обуславливающих его способность удовлетворять определенным требованиям в соответствии с его назначением;
● интегральное качество – наиболее сложное свойство материала (изделия), определяемое совокупностью его качества и экономичностью.
Введенные понятия позволяют качество любого материала или изделия, характеризующихся совокупностью отдельных свойств, представить в виде иерархической (многоуровневой) структуры – так называемого дерева свойств, представленного на рис. 2.5.
Как мы видим, дерево свойств венчает крона ветвей – простых свойств материала и изделий, изучение которых и является предметом изучения курса Строительного материаловедения.
В заключение отметим, что отрасль производства СтМИ не является некой обособленной областью знаний, а находится в тесной связи с социально-экономическим уровнем общественного строя, степенью развития науки, техники, архитектуры, наконец, фундаментальной науки, сложность взаимодействия которых в некоторой степени отражает рис. 2.6.
Рис. 2.5 Принципиальная схема дерева свойств СтМИ [2.1]
Рис. 2.6. Блок-схема места и взаимосвязи СтМИ с наукой, техникой, архитектурой и обществом [2.1]
Основные свойства СтМ
А) Физические свойства
Плотность – свойство материала, количественно характеризующее отношение его массы к занимаемому им объему.
Вопрос. Массы или веса материала? В чем принципиальная разница?
Различают истинную плотность материала r, определяемую без учета пустот и пор в нем, и среднюю плотность r0, учитывающей эти показатели.
Истинная плотность r определяется для материала в “абсолютно плотном” состоянии и равна массе в единице объема V материала:
r = m/V, (2.1)
где m – масса материала; V – занимаемый им объем.
Средняя плотность r0 определяется для материала с учетом его пустотности как масса единицы его объема V0:
r0 = m/V0. (2.2)
Плотность пористых материалов r0 еще называют объемной массой, а сыпучих – насыпной плотностью. Кроме того, для сыпучих и волокнистых материалов и изделий отношение объема пустот к общему объему материала или изделия называют пустотностью.
Примеры значений r и r0 для некоторых СтМ приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Примеры значения плотностей для некоторых СтМ
| Материалы | Плотность r, г/см3 | Плотность r0, г/см3 |
| Гранит | 2,65-2,8 | 2,65 |
| Дуб Сосна | 1,54 1,54 | 0,72 0,46 |
| Кирпич (керамический, плотный) | 2,5-2,6 | 1,6-2,0 |
| Строительная сталь | 7,86 | 7,86 |
| Керамзит | 2,5-2,6 | 0,4-0,6 |
| Минеральная вата | 2,8 | 0,075-0,4 |
| Пенопласт (мипора) | 1,5 | 0,02-0,1 |
Степень заполнения объема материала твердым веществом называется относительной плотностью d:
d = r0/r. (2.3)
Для плотных материалов d = 1 (см. табл. 2.1).
Пористостью П0 материала называется отношение объема пор Vпор в материале к его объему V0:
П0 = Vпор / V0 (2.4)
и вычисляется по формуле
П0 = 1 – r0/r. (2.5)
Свойства СМ (прочность, теплопроводность, водонепроницаемость и др.) определяются их пористостью, а также структурой порового пространства, характеризуемой следующими показателями:
1. Общей пористостью П0.
2. Открытой пористость Пи, равной отношению объемов сообщающихся между собой и поверхностью образца пор Vи, к объему образца V0:
, (2.6)
где m1 – масса образца в сухом состоянии; m2 – то же в водонасыщенном; V0 – объем образца в сухом состоянии.
3. Закрытой пористостью Пз:
Пз = П0 – Пи. (2.7)
4. Интегральной кривой распределения пор по их радиусам в единице объема материала:
| Рис. 2.7. Интегральная кривая распределения пор по радиусам |
5. Дифференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам:
dV/dr = f¢V(r), (2.8)
определяемой как тангенс угла наклона касательной к интегральной кривой, показанной на рис. 2.7.
Ее физический смысл – объем всех пор определенного радиуса в единице объема материала.
| Рис. 2.8. Дифференциальная кривая распределения пор по радиусам |
6. Удельной поверхностью порового пространства S, равной площади поверхности пор в единице массы материала.
Для сыпучих материалов – это площадь поверхности зерен массой, равной единице. Примеры: для микрокремнезема S = 20000-25000 см2/г, для цемента – 2300-3600 см2/г, для кварцевого песка – 150-250 см2/г.
Вопрос: у какого геометрического тела удельная поверхность наибольшая?
7. Средним радиусом пор rср.
Вопрос: как можно определить rср?
По величине rср поры подразделяются на:
а) микрокапилляры с rср < 50 
(ангстрем = 10-10 м);
б) переходные капилляры 50 < rср £ 1000 ;
в) макрокапилляры 1000 < rср £ 10000 ;
г) некапиллярные поры 10000 < rср.
Отметим, что микро- и близкие к ним по размерам переходные капилляры могут заполняться водой из влаги воздуха, макро- и близкие к ним по размерам переходные капилляры - при контакте с жидкостью (под действием капиллярного давления), а некапиллярные поры – только при погружении материала в жидкость.
Гигроскопичность – способность капиллярно-пористого материала поглощать из влажного воздуха водяные пары. При этом, в отличие от сухого состояния (для этого материал высушивается при температуре»105 0С до постоянной массы), материал будет находиться в воздушно-сухом состоянии.
Возвращаясь к классификации пор по размерам, отметим что именно микро- и близкие к ним по размерам переходные капилляры определяют гигроскопическую влажность СМ.
Определения: физико-химический процесс поглощения пористым материалом водяных паров из воздуха называется сорбцией, а обратный ему процесс – десорбцией.
Типичная кривая процесса сорбции СтМ (сплошная линия) показана на
рис. 2.9. Отметим, что кривые сорбции и десорбции (пунктирная линия) не совпадают – образуется петля гистерезиса (площадь между кривыми).
| Рис. 2.9. Схема изотермы сорбции при t = const W – равновесное влагосодержание; j – относительная влажность |
Определение: величина гигроскопичности СтМ (Wг) равна отношению массы поглощенной влаги из воздуха к массе сухого материала (при данной температуре и влажности).
Максимальная величина Wг достигается при j = 100 %.
Чем выше микрокапиллярная пористость СМ, тем выше Wг.
Повышенная гигроскопичность СтМ может значительно ухудшать их свойства – снижать прочность, повышать теплопроводность, но она важна адсорбентов, предназначенных для снижения влажности воздуха (например, изобретением года была признана идея водообеспечения в пустыне за счет сорбции бумагой влаги воздуха ночью и ее испарением днем в замкнутом пространстве – пирамиде с прозрачными стенками).
Прочность, теплопроводность и ряд других свойств одного и того же пористого материала изменяются в зависимости от его влажности, характеризующей состояние материала.
Определение: влажность материала определяется содержанием в нем влаги, отнесенным к массе материала в сухом состоянии.
Влажность материала W вычисляют по формуле (%):
, (2.9)
где m2 – масса влажного образца; m1 – масса сухого образца.
Известны и другие способы определения влажности материала, например, путем измерения электросопротивления и электроемкости влажного материала.
Определение: водопоглощением называют способность материала поглощать и удерживать воду.
Определяют его путем полного насыщения водой предварительно высушенного материала. Различают водопоглощение по массе и объему:
а) количество поглощенной материалом воды, отнесенное к массе сухого материала, называется водопоглощением по массе Wm (%) и вычисляется по формуле (2.9);
б) объем поглощенной материалом воды Vв, численно равный ее массе (m2 – m1), отнесенный к объему материала V, называется объемным водопоглощением WV (%) и определяется по формуле
, (2.10)
где ρв – плотность воды, равная единице.
Объемное водопоглощение WV характеризует интегральную (кажущуюся) пористость материала Па и связано с водопоглощение по массе Wm зависимостью:
WV = ρ0 Wm, (2.11)
где ρ0 – средняя плотность материала.
При увлажнении пористого материала изменяются некоторые его свойства и, прежде всего, уменьшается прочность.
Определение: степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении называется водостойкостью.
Водостойкость материала численно характеризуется коэффициентом размягчения Кразм., определяемым по формуле:
, (2.12)
где Rнас. – предел прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии; Rcyx. – предел прочности при сжатии сухого материала.
Снижение прочности материала при его увлажнении может быть вызвано: действием адсорбционно-активной среды (эффект Ребиндера); растворением метастабильных контактов срастания кристаллов, из которых сложен материал; набуханием присутствующих в некоторых материалах глинистых минералов и др.
Строительные материалы вследствие различия в плотности, структуре, вещественном составе характеризуются различной водостойкостью. Такие материалы, как стекло, фарфор, сталь, имеют коэффициент размягчения, равный единице; некоторые же природные каменные материалы, содержащие в своем составе значительное количество глины, могут полностью разрушаться при насыщении водой.
Определение: водонепроницаемостью называют способность материала не пропускать через себя воду.
Повышенные требования по водонепроницаемости предъявляются к материалам для гидротехнических сооружений, труб, резервуаров.
Плотные материалы с относительной плотностью d, близкой к единице, такие, как стекло, сталь, фарфор, полиэтилен и др., практически водонепроницаемы. Поэтому их водонепроницаемость характеризуется маркой по водонепроницаемости W2, W4 и т.д., в которой цифра показывает, при каком давлении воды в кг/см2 бетон остается для нее непроницаем. Например, бетон марки по водонепроницаемости W4 не пропускает воду при давлении 0,4 МПа.
Вопрос: бетон марки по водонепроницаемости W4 выдержит не протекая какой высоты столб воды?
Водопроницаемость материалов определяется на специальных приборах и численно характеризуется количеством воды В, прошедшим за единицу времени t через единицу площади испытуемого образца S при заданном перепаде давления Р2 – Р1 на единицу его толщины.
Водопроницаемость неплотных материалов характеризуют коэффициентом проницаемости (фильтрации), определяемым по формуле:
(2.13)
(обозначения смотри выше).
Фильтрация воды через пористый материал обычно происходит по сквозным капиллярам и пустотам. Водопроницаемость пористых материалов тем выше, чем больше кажущаяся пористость и крупнее капилляры (рис. 2.10). В то же время, если со временем наблюдается уменьшение размеров капилляров, например, при твердении бетона, то его водонепроницаемость повышается (соответственно снижается водоприницаемость Впр. – рис. 2.11).
Рис. 2.10. Зависимость коэффициента проницаемости бетона kпр. от объема макропор VМП[2.4]
| 
Рис. 2.11. Влияние возраста бетона t на его водопроницаемость Впр. (за 100 % принята водопроницаемость в возрасте 30 сут.) [2.4]
|
Определение: под морозостойкостью понимают способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать требуемое по условиям долговечности или срока службы сооружения число циклов попеременного замораживания и оттаивания.
В зависимости от числа циклов попеременного замораживания и оттаивания n, которые выдержал материал, устанавливается его марка по морозостойкости.
Цикл испытания включает замораживание образца, предварительно насыщенного водой, в морозильной камере при температуре минус 15-20 °С и последующее оттаивание в воде комнатной температуры. После заданного числа циклов попеременного замораживания и оттаивания определяют изменение прочности материала при сжатии
; (2.14)
и его массы
, (2.15)
где RМрз. и mМрз. – прочность и масса образцов, прошедших n циклов попеременного замораживания и оттаивания; Rнас. и mнас. – прочность и масса водонасыщенных образцов до замораживания.
При этом допускается снижение прочности материала не более чем на 15 % и потеря по массе не более чем на 5 %.
На результаты, получаемые при определении морозостойкости одного и того же материала, существенно влияет скорость промерзания, которая зависит от формы и размеров образцов и от температуры в морозильной камере. Поэтому для получения сравнимых результатов следует строго придерживаться методических указаний, изложенных в соответствующих ГОСТах.
Напряжения, возникающие при замораживании насыщенного водой образца, обусловливаются как односторонним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды, вызываемым увеличением объема при образовании льда примерно на 9 %. Последнее объясняется тем, что плотность воды равна единице, а плотность льда 0,917 г/см3. Гидростатическое давление при этом может достигать 200 МПа.
Очевидно, что при полном заполнении всех капилляров и пустот пористого материала водой разрушение наступит при первом же цикле замораживания. Способность пористых материалов в насыщенном водой состоянии противостоять многократному замораживанию и оттаиванию обусловливается тем, что часть порового пространства материала остается не заполненной водой. При насыщении пористого материала путем погружения в воду в основном заполняются макрокапилляры; микрокапилляры при этом заполняются водой частично и служат теми резервными порами, куда отжимается вода из макрокапилляров в процессе замораживания. При работе пористого материала в атмосферных условиях (в наземных конструкциях) водой заполняются в основном микрокапилляры за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры являются резервными, и в них отжимается вода при замораживании.
Следовательно, морозостойкость пористых материалов с одной и той же интегральной (открытой) пористостью определяется характером структурной пористости и условиями эксплуатации изготовленных из них конструкций. Морозостойкость пористых материалов тем выше, чем меньше их водопоглощение и чем больше прочность при растяжении.
Термические свойства материала проявляются при воздействии температурного фактора. К ним относятся теплопроводность, теплоемкость, термическая стойкость, жаростойкость, огнестойкость, огнеупорность.
Теплопроводность – это способность материала передавать теплоту от одной поверхности к другой при наличии разности температур на этих поверхностях.
Такая способность характеризуется коэффициентом теплопроводности, который определяют по формуле:
, [Вт/(м·К)] (2.16)
где Q – количество тепла, Дж; δ – толщина образца, м; (t – t2) – разность температур поверхностей, К; F – площадь образца, м2; τ – время, с.
Коэффициент теплопроводности λ – количество тепла, которое проходит через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 с при разности температур на противоположных сторонах образца в один градус.
Значения теплопроводности зависят от степени пористости и характера пор, структуры, влажности, температуры, а также от вида материала.
Наибольшее влияние на теплопроводность оказывает пористость. Чем меньше средняя плотность материала, тем больше в нем пор, заполненных воздухом, теплопроводность которого незначительна – 0,023 Вт/(м·К). На рис. 2.12 показана зависимость теплопроводности сухих неорганических материалов от их плотности.
С теплопроводностью связана такая важная характеристика материалов, применяемых для внешних ограждающих конструкций, как термическое сопротивление Rδ, которое является величиной, обратной λ:
(2.17)
где Rδ – термическое сопротивление однослойной ограждающей конструкции, (м2·К)/Вт; δ – толщина материала стены, м; λ – теплопроводность материала стены, Вт/(м·К).
Рис. 2.12. Зависимость теплопроводности от средней плотности
сухих неорганических материалов
Теплоемкость – это способность материала при нагревании поглощать теплоту. Она характеризуется удельной теплоемкостью (коэффициентом теплоемкости), т.е. количеством теплоты, необходимой для нагревания единицы массы на 1 градус, Дж/(кг·К):
, (2.18)
где Q – количество теплоты, необходимой для нагревания материала, Дж; m – масса материала, кг; t2, tl – соответственно конечная и начальная температуры нагревания, К.
Теплоемкость материалов имеет большое значение в тех случаях, когда нужно учитывать аккумуляцию теплоты ограждающими конструкциями с целью сохранения температур без резких колебаний в помещении или в тепловом промышленном агрегате при изменении теплового режима.
С увлажнением удельная теплоемкость материала увеличивается, поскольку теплоемкость воды большая и составляет 4,2 кДж/(кг·К).
Теплостойкость – это способность материала выдерживать нагревание до определенной температуры (ниже температуры плавления) без перехода в пластичное состояние.
Некоторые строительные материалы имеют низкую теплостойкость. Например, битумы размягчаются при температуре 45-90 °С, а полимерные материалы – при 80-180 °С.
Знание теплостойкости необходимо для определения температурных режимов эксплуатации строительных материалов.
Термическая стойкость – это способность материала выдерживать попеременное нагревание и охлаждение без разрушения.
Она зависит от степени однородности материала, его природы и величины температурного коэффициента линейного расширения, причем, чем меньше величина последнего, тем выше термическая стойкость материала. Стойкими к резким изменениям температур должны быть материалы для футеровки печных агрегатов.
Термически стойкими являются такие материалы как шамот, динас, базальт, клинкер, термически неустойчивыми – кварц, гранит, стекло.
Жаростойкост ь – это способность материала при условии длительного действия температур в заданном интервале сохранять или незначительно изменять свои физические и механические свойства.
Например, для жаростойких бетонов этот интервал температур составляет 300-1800 °С. К жаростойким материалам относятся жаростойкий бетон, различные виды огнеупоров.
Огнестойкость – это способность материала выдерживать без разрушения действие высоких температур или огня и воды (во время пожаров)
По степени огнестойкости строительные материалы делят на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
Несгораемые – это материалы, которые под действием огня или высоких температур не горят, не тлеют и не обугливаются.
Несгораемые материалы делят на огнестойкие, которые практически не деформируются (кирпич, черепица, жаростойкий бетон, сиенит), огнеупорные и термически стойкие.
Однако некоторые несгораемые материалы могут значительно деформироваться (сталь) или разрушаться при растрескивании (кварцит, гранит и другие породы, которые содержат кварц). В последнем случае разрушение происходит за счет модификационных превращений кварца. К группе несгораемых относятся минеральные материалы.
Трудносгораемые – это материалы, которые под действием огня или высоких температур слегка воспламеняются, тлеют или обугливаются, а при устранении источника огня эти процессы прекращаются.
К таким материалам относятся композиты, которые совмещают в себе минеральные и органические компоненты (гидроизол, фибролит, асфальтобетон).
Сгораемые – это материалы, которые под действием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют, и этот процесс продолжается после устранения источника огня.
Как правило, это материалы органического происхождения, не пропитанные специальными защитными веществами (древесина, битумы, полимерные материалы).
Огнеупорность – это свойство материала противостоять, не расплавляясь, влиянию высоких температур.
Она характеризуется температурой, под воздействием которой испытываемый образец в виде усеченной трехгранной пирамиды (пироскопа) размягчается и деформируется так, что его вершина касается подставки (рис. 2.13).
| Рис. 2.13. Определение температуры плавления материалов с помощью пироскопов 1 – пироскопы; 2 – огнеупорная подставка |
По степени огнеупорности материалы делят на собственно огнеупорные, которые выдерживают длительное действие температуры 1580 °С и выше (например, шамот, динас, хромомагнезит); тугоплавкие, которые выдерживают температуру 1350-1580 °С; легкоплавкие – с огнеупорностью меньше 1350 °С (например, обычный керамический кирпич).
Все материалы под действием температурного фактора в процессе эксплуатации изменяют свои размеры (расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении). Относительное удлинение материала при нагревании характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), αр, К-1, рассчитываемый по формуле:
, (2.19)
где l1 и l2 – длины образца до и после нагревания, м; t2, tl–конечная и начальная температуры нагревания, К.
Температурный коэффициент линейного расширения имеет важное значение для тех материалов, которые во время эксплуатации испытывают нагревание и охлаждение. Поскольку деформации материала в конструкциях при расширении могут быть достаточно значительными, в сооружениях большой протяженности (мосты, рельсы) нужно предусматривать деформационные швы.
Для сравнения приведем показатели ТКЛР некоторых строительных материалов, К-1: алюминий – 25,5·10-6; сталь – (11-11,9)·10-6; бетон – (10-14)·10-6; гранит – (8-10)·10-6; стекло – (8,5-9,7)·10-6, К-1.
Для некоторых силикатных материалов характерна огневая усадка – способность изменять свои размеры и объем в результате спекания или оплавления частиц под действием высоких температур.
Акустические свойства характеризуют способность материала определенным образом реагировать на воздействие звуковых волн различной частоты и силы.
При взаимодействии с ограждающей конструкцией звуковая энергия частично отражается от ее поверхности, частично поглощается и частично проходит сквозь нее. Соотношение между отдельными частями звуковой энергии определяется характером поверхности, а также степенью упругости и массой материала конструкции.
Определение. Акустическими называют с троительные материалы, способные поглощать звуковую энергию, а также снижать уровень силы и громкости звуков.
Их подразделяют на звукопоглощающие и звукоизоляционные.
Звукопоглощающие материалы в основном предназначены для гашения воздушного шума, а звукоизоляционные – для ослабления ударного шума при прохождении звуковых волн сквозь конструкцию.
Основной величиной, по которой оценивают эффективность звукопоглощающих материалов, является коэффициент звукопоглощения α, вычисляемый по формуле:
, (2.20)
где Епогл, Епад – количество соответственно поглощенной и падающей на материал звуковой энергии за единицу времени.
По величине этого коэффициента звукопоглощающие материалы подразделяют на три группы: I – α > 0,81; II – 0,41 < α < 0,8; III – 0,21 < α < 0,4.
Наиболее распространенными звукопоглощающими материалами являются: минераловатные плиты (α = 0,50-0,95); пеностекло (α = 0,3-0,5); древесноволокнистые плиты (α = 0,75-0,80); фибролитовые плиты (α = 0,45-0,50); гипсовые перфорированные плиты (α = 0,9).
Основной характеристикой, оценивающей качество звукоизоляционных материалов, является величина динамического модуля упругости Ед, Н/м2, чем меньше этот показатель, тем эффективнее материал.
Динамический модуль упругости Ед определяется по ГОСТ 16297 при продольных колебаниях нагруженного образца по величине частоты колебаний, при которой амплитуда ускорения (или скорости, или смещения) становится наибольшей (резонанс).
Для оценки эффективности акустических материалов для звукоизоляции внутренних ограждающих конструкций используют также индекс изоляции воздушного шума ограждающих конструкций Rw, а также индекс приведенного уровня ударного шума Lnw (для перекрытий), которые выражаются в децибелах (дБ). Их нормируемые значения приведены в СП 23-103-2003.
Экологические свойства материалов характеризуют степень их воздействия не только на окружающую среду, но и на живые организмы.
Токсичность – это способность материала в процессе изготовления и особенно эксплуатации при определенных условиях выделять вредные для здоровья человека (ядовитые) вещества.
Такими веществами могут быть фенольные соединения, содержащиеся в дорожных дегтях, древесностружечных плитах, а также ксилол, ацетон, метанол, используемые как растворители в лакокрасочных материалах. Полимерные строительные материалы во время пожара выделяют ядовитые вещества, например, изделия из поливинилхлорида при сгорании выделяют диоксин, а изделия из полиэтилена, полипропилена, полистирола – бензопирен.
Некоторые строительные материалы не разрешается использовать, например, в жилых помещениях и дошкольных учреждениях. В частности, это касается материалов, изготовленных на основе синтетических смол (полимеров), а также пигментов, которые содержат соединения свинца, меди, мышьяка, цинка.
Для экологической оценки качества строительных материалов используют предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ, загрязняющих окружающую среду. Принято считать, что если выделяемые материалом концентрации токсичных веществ не превышают значений ПДК, то он является экологически чистым.
Радиоактивность строительных материалов обусловлена естественными долгоживущими радионуклидами, преимущественно радием-226, торием-232 и калием-40. Эти радиоактивные элементы присутствуют практически во всех горных породах, которые используются в качестве минерального сырья для изготовления большинства неорганических строительных материалов.
Основной характеристикой радиоактивности строительных материалов является эффективная суммарная удельная активность природных радионуклидов (ПРН). Ее величину А эф, Бк/кг (Бк – единица, характеризующая 1 распад радионуклида в 1 с, была названа в честь французского физика А. Беккереля - Беккерель), определяют как взвешенную сумму удельной активности радия-226 (ARa), тория-232 (АTh) и калия-40 (АK) по формуле:
Аэф = АRa+ 1,31АTh+ 0,085АK
где 1,31 и 0,085 – соответственно расчетные коэффициенты активности тория-232 и калия-40 относительно радия-226.
По величине суммарной удельной активности А эф строительные материалы делят на классы, по которым определяют возможные области их использования (табл. 2.1).
Таблица 2.1 – Классификация строительных материалов по величине А.
| Класс | Аэф, Бк/кг | Области использования |
| I | Не больше 370 | Для всех видов строительства без ограничения |
| II | 370-740 | Для объектов дорожного и промышленного строительства |
| III | 740-1350 | Для объектов промышленного назначения, где исключено пребывание людей; для объектов дорожного назначения за пределами населенных пунктов; для объектов дорожного назначения в границах населенных пунктов при условии покрытия их слоем грунта или другого материала толщиной не меньше 0,5 м |
Строительные объекты делят на две категории: обязательного и рекомендуемого радиационного контроля.
Обязательному радиационному контролю подлежат некоторые виды материалов: природного (песок, глина, гравий, мел, сланцы, техническая вода) и искусственного (заполнители всех видов, в том числе щебень; вяжущие вещества) происхождения, арматура и конструкционная сталь; отходы промышленного производства (зола, шлак, пустая порода и др.).
К объектам рекомендуемого радиационного контроля относят строительные изделия и конструкции, отделочные материалы и изделия.
Таблица 2.2 – Средняя радиоактивность стройматериалов
| Стройматериал | Радиоактивность, Бк/кг |
| Древесина | 1-3 |
| Песок, гипс, гравий | 20-35 |
| Портландцемент | 40-50 |
| Гранит | 100-200 |
| Зола | 300-400 |
| Фосфогипс | 500-600 |
| Металлургические шлаки | 2000 и более |
Однако, как следует из табл. 2.3, наибольшее влияние на организм человека оказывает не материал, а радон в воздухе зданий, особенно в подвалах и первых этажах (см. рис. 2.14).
Таблица 2.3 – Вклад разных источников радиации в среднюю дозу
облучения жителя СНГ
| Источник излучения | Доза (Бэр/год)* |
| Рентгендиагностика Внутреннее бета-облучение Космическое излучение Природный гамма-фон Радионуклиды в питьевой воде Радиоактивность стройматериалов Радон в воздухе зданий | 20 22 35 15 18 25 365 |
| Суммарная доза | 500 |
*) БЭР - биологический эквивалент рентгена, т.е. в бэрах измеряется мощность излучения: один Бэр - это излучение в 1 Дж на 1 кг живой ткани. Нижний уровень развития легкой формы лучевой болезни возникает при эквивалентной дозе облучения приблизительно 100 Бэр.
| Рис. 2.14 - Измерение уровня присутствия радона в воздухе некоторых жилых помещений: 1 - квартиры на 2-х этажах 5-9-тиэтажных домов; 2 - квартиры на 1-х этажах 5-9-тиэтажных домов; 3 - частный жилой дом с подвалом; 4 - квартира на 2-м этаже с без проветривания (столбик слева и после проветривания 1 ч (столбик справа) |
Эстетические свойства характеризуют уровень художественной выразительности материала.
Для большинства строительных материалов эстетические свойства оценивают по показателям их декоративности, к которым относятся форма, цвет, фактура, рисунок, текстура и др.
Форма строительного материала и его лицевой поверхности характеризуется геометрическими параметрами и пропорциями.
Форма может быть представлена кубом, цилиндром и др., а в случае формообразования в плоскости – квадратом, прямоугольником, треугольником, кругом и др.
Цвет материала – зрительное ощущение, возникающее под действием на сетчатку глаза человека электромагнитных колебаний, отраженных от лицевой поверхности в результате действия света.
Цвета разделяют на две группы: ахроматические (белые, черные и серые всех оттенков) и хроматические (красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие, фиолетовые со всеми промежуточными оттенками).
Фактура строительных материалов – видимое строение поверхности, которое можно создать или изменить.
Фактура определяется характером рельефа и блеском.
По характеру рельефа различают гладкие, шероховатые (высота рельефа до 5 мм) и рельефные (высота рельефа более 5 мм) поверхности. По степени блеска различают блестящие и матовые фактуры. При выборе фактуры учитывается комплекс факторов, в том числе цвет материала, его освещенность, расстояние, с которого она рассматривается и др.
Рисунок характеризует взаимное расположение элементов на лицевой поверхности материала.
Рисунок может быть обусловлен природой строительного материала или влиянием человека – искусственно созданным. Если упомянутые элементы создала природа, то рисунок называют текстурой (особенности естественного строения поверхности). Искусственно созданный рисунок включает окрашивание поверхности, создание орнамента, узора и др.
Орнамент может быть геометрический, растительный, слабо или явно выраженный, крупный или мелкомасштабный. Рисунок (текстура), как и другие эстетические характеристики, влияет на своеобразие наружной и внутренней отделки зданий и сооружений и на формообразование архитектурной среды. Чаще всего эстетические свойства оценивают визуально, обычно путем сравнения образцов исследуемого материала с утвержденными эталонами.
Технологические свойства характеризуют способность материалов к восприятию определенных технологических операций, выполняемых с целью изменения их формы, размеров, характера поверхности, плотности и т. п.
Эти свойства проявляются в процессе производства и эксплуатации материалов и изделий на их основе. Технологические свойства строительных материалов оценивают визуально или с помощью специальных приборов и методов испытаний. К ним относят формуемость, измельчаемость, распиливаемость, гвоздимость, полируемость и др.
Формуемость характеризует способность материала принимать определенную форму в результате различных механических воздействий (вибрация, прессование, выдавливание, прокатывание).
Измельчаемость – способность материала к диспергации в результате механического воздействия преимущественно ударных нагрузок, приводящих к образованию зернистого материала в виде щебня и песка.
Распиливаемостъ – способность материала подвергаться распиливанию без существенного нарушения структуры.
Примерами материалов, которые поддаются распиловке, является древесина и изделия из нее, мягкие горные породы и т. п.
Гвоздимость выражает способность материала удерживать гвозди и шурупы при определенных условиях выдергивания.
Это свойство особенно важно для стеновых материалов в жилищном строительстве. Хорошей гвоздимостью отличаются древесина и ячеистый бетон.
Полируемость – способность материала при обработке абразивами приобретать гладкую блестящую поверхность, что значительно улучшает его декоративные свойства.
Чаще всего полированию подвергают природные каменные материалы (мрамор, гранит, кварцит и др.) при изготовлении облицовочных изделий.
Завершение лекции 2
