Основы строительного материаловедения. Основные свойства строительных материалов. Тема 1

1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

[email protected]
Автор: Урханова Л.А.

2. ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ

Тема 1. Основы строительного материаловедения. Основные свойства
строительных материалов.
Тема 2. Природные каменные материалы
Тема 3. Неорганические вяжущие вещества
Тема 4. Строительные растворы и бетоны
Тема 5. Керамические и каменные материалы на основе
неорганических вяжущих
Тема 6. Силикатные изделия автоклавного твердения
Тема 7. Лакокрасочные материалы
Тема 8. Металлы и сплавы в строительстве

3. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Строительные материалы» является
приобретение знаний о составах, физико-химических основах, свойствах
строительных материалов, технологии производства строительных
материалов и изделий, области применения строительных материалов и
конструкций.
Задачи дисциплины:
• изучение взаимосвязи состава, строения и свойств конструкционных и
строительных материалов;
• изучение способов формирования заданных структуры и свойств
материалов при максимальном ресурсо- и энергосбережении;
• формирование навыков грамотного использования методов оценки
показателей качества строительных материалов

4. ЛИТЕРАТУРА

Основная литература:
1. Строительные материалы [Электронный ресурс]: учебное пособие /
О.А. Чернушкин [и др.]. — Электрон. текстовые данные. — Воронеж:
Воронежский
государственный
архитектурно-строительный
университет, ЭБС АСВ, 2016. — 137 c. — 978-5-89040-633-0. — Режим
доступа: http://www.iprbookshop.ru.
2. Тихонов Ю.М. Современные строительные материалы и архитектурностроительные системы зданий. Часть I. Современные строительные
материалы для частей зданий [Электронный ресурс] : учебное пособие
/ Ю.М. Тихонов, С.Г. Головина, А.Ф. Шарапенко. — Электрон. текстовые
данные. — СПб. : Санкт-Петербургский государственный архитектурностроительный университет, ЭБС АСВ, 2016. — 155 c. — 978-5-9227-06711. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru.

5. ЛИТЕРАТУРА

Дополнительная литература:
1.
Основин В.Н. Строительные материалы и изделия [Электронный ресурс] :
учебное пособие / В.Н. Основин, Л.В. Шуляков. — Электрон. текстовые
данные. — Минск: Вышэйшая школа, 2009. — 224 c. — 978- 985-06-1669-2. —
Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru.
2.
Величко, Е. Г. Строение и основные свойства строительных материалов
[Электронный ресурс]: учебное пособие / Е. Г. Величко. — Электрон. текстовые
данные. — М. : Московский государственный строительный университет, Ай
Пи Эр Медиа, ЭБС АСВ, 2017. — 475 c. — 978-5-7264-1461-4. — Режим доступа:
http://www.iprbookshop.ru.
3. Матвеева, Л. Ю. Коррозия и защита строительных материалов. Часть 1. Коррозия
и защита металлических, каменных и бетонных материалов и конструкций
[Электронный ресурс]: учебное пособие / Л. Ю. Матвеева. — Электрон. текстовые
данные. — СПб.: Санкт-Петербургский государственный архитектурностроительный университет, ЭБС АСВ, 2017. — 101 c. — 978-5-9227-0811-1. — Режим
доступа: http://www.iprbookshop.ru

6. ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Свойство материала – это его отличительная особенность, проявляющаяся во
взаимодействии с условиями окружающей среды или какими-либо веществами.
Свойства материала – это показатели, измеряемые инструментально, с
помощью которых можно оценить взаимодействие материала с окружающей
средой, которое исключительно сложно и многообразно и включает в себя
проявление физических, механических и химических законов. В соответствии с
этим свойства материалов делят на физические, химические, механические и
технологические.

7.

8. 1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала
(фазовое состояние, плотность, структуру), а также определяют его
отношение к физическим процессам окружающей среды. При этом
физические процессы в материале не изменяют строение его молекул.
Истинная плотность — это масса единицы объема материала в
«абсолютно» плотном состоянии (без пор, пустот), чаще всего ее
определяют в г/см3.
Почти все строительные материалы имеют пористое строение, за исключением стекла, кварца, ситалла, стали и некоторых других, которые
можно считать «абсолютно» плотными.
Истинную плотность рассчитывают по формуле:
= mс / Vа
Для большинства природных и искусственных строительных материалов
истинная плотность составляет 2,4-3,3 г/см3 (за исключением металлов), а
для органических материалов — 0,8-1,6 г/см3.

9.

Средняя плотность 0 — это масса единицы объема
материала в естественном состоянии (вместе с порами и
пустотами):
о= m / Vе
Средняя плотность чаще всего измеряется в кг/м3,
однако можно также использовать единицы г/см3 и т/м3.
Насыпная плотность н – это масса единицы объема
материала в рыхло насыпанном зернистом и
волокнистом состоянии.
Например, для кварцевого песка насыпная плотность
составляет н = 1450-1600 кг/м3, в то время как
истинная - =2500-2650 кг/м3.
9

10.

Истинная или общая пористость Пи - это суммарный объем всех
пор (открытых и закрытых) по отношению к общему объему материала. Ее
можно оценивать в долях единицы или в процентах, пользуясь формулой:
,%
Значения П изменяются в таких пределах, %: стекло, сталь - 0;
кирпич
керамический - 30-40; гранит, липарит - 0,2-0,8; тяжелый бетон - 5-20;
легкий бетон - 35-85; поропласт - 85-95.
П = 0%
П = 1,5%
П = 37%
= 2,7 г/см3
= 2,75 г/см3 = 2,7 г/см3
о = 2700 кг/м3 о = 2700 кг/м о = 1700 кг/м3
- Твердое вещество
П = 74%
= 2,7 г/см3
о = 700 кг/м3
П = 99%
= 1,4 г/см3
о = 20 кг/м3
- Воздушные поры
10

11.

Пустотность характеризуется наличием пустот в
строительных изделиях (пустотелый кирпич, панели)
или между зернами в сыпучих материалах (песок,
щебень) и выражается в процентах от общего
объема изделия или материала.
Чем больше пустотность изделий, тем меньше
масса строительных конструкций и лучше их
теплозащитные свойства.
Например, межзерновая пустотность для щебня и
песка составляет 35-45%, а пустотность для
керамического пустотелого кирпича — 15-50%.
11

12.

II. ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Водопоглощение — свойство материала впитывать и удерживать в
своей структуре воду. Чтобы определить водопоглощение, образец
материала постепенно погружают в воду и держат там до достижения им
постоянной массы.
Полное водонасыщение материала (до окончательного заполнения
доступных для воды пор) достигается его кипячением с последующим
охлаждением в воде или под вакуумом.
Водопоглощение по массе Wм определяют как отношение
количества поглощенной воды mв к массе сухого материала mс:
Wм
mв
mc
100 %
mн mc
100 %
mc
где mв, mс – массы материала в насыщенном водой и сухом состоянии, г.
Водопоглощение по объему Wо характеризуется степенью заполнения пор
материала водой при насыщении и выражается отношением объема поглощенной
воды V к объему материала в естественном состоянии V:
Vв
mн mc
Wо 100 %
100 %
Vc г/см3.
в V
где – плотность воды,
в
12

13.

Алюминий Гранит
Керамика
Газобетон
Wо = 0% Wо = 1,35%
Wо = 34%
Wо = 40%
Wо = 0% Wм = 0,5 %
Wм = 20%
Wм = 57%
- Твердое вещество
Мипора
Wо = 50%
Wм = 2500%
- Поры, не заполненные водой
- Вода
Водонасыщение - количество воды, которое может поглотить
материал при вакууме или повышенном давлении.
Водопоглощение материала по массе связано с показателем
средней плотности, зависит от характера пористости и колеблется в
широких пределах, например, для керамического кирпича - 8-20%,
тяжелого бетона – 2-6%, известняка – 1,5-3%, гранита – 0,02-0,70%.
Влажность W — содержание свободной воды в порах и на
поверхности материала. Влажность определяют в процентах по
массе или по объему. Она может быть абсолютной или
относительной.
13

14.

Гигроскопичность — это способность материала поглощать и конденсировать
водяной пар из воздуха.
Сорбционную
влажность
Wсорб
(гигроскопичность)
определяют в процентах, как
отношение
максимально
возможного количества влаги,
поглощенной из воздуха сухим
материалом, к его массе в
сухом состоянии:
Wсорб
mсорб mc
mc
100%,
где mсорб – массы материала после достижения
равновесной влажности; mс – масса материала
в сухом состоянии.
Проявление
гидрофизических
свойств
материала
в
различных
условиях
эксплуатации: 1 – воздействие влажного
воздуха; 2 – частичное погружение в воду;
14
3 – полное погружение в воду

15.

Водостойкость — это степень снижения прочности
материала в насыщенном водой состоянии, характеризуется
коэффициентом размягчения Кр (или коэффициентом
водостойкости). Этот показатель определяется отношением
прочности насыщенного водой материала RН к его прочности
в сухом состоянии RC:
RН
Кр
,
RС
Водостойкими считаются строительные материалы
с коэффициентом размягчения выше 0,8. Каменные
природные и искусственные материалы с Кр < 0,8
нельзя применять в местах с повышенной
влажностью.
15

16.

Морозостойкость — способность материала в водонасыщенном или
насыщенном раствором соли состоянии выдерживать многократное
замораживание и оттаивание без внешних признаков разрушения (трещин,
сколов, шелушения ребер образцов), снижения прочности, изменения
массы и других технических характеристик.
Под действием отрицательных температур вода в крупных порах замерзает, превращаясь в лед, с увеличением объема приблизительно на
9%. Это приводит к возникновению давления на стенки пор, которое
составляет около 210 МПа при температуре - 20 °С.
Марка по морозостойкости F — это число циклов попеременного замораживания и оттаивания целых изделий или образцов из материалов в
насыщенном водой (или раствором солей) состоянии при сохранении ими
начальных физических и физико-механических свойств в нормируемых
пределах.
Рядовой кирпич должен иметь марку по морозостойкости не меньше F15,
лицевой кирпич - не меньше F50, облицовочные изделия из гранита,
габбро, базальта - не меньше F50, бетон для гидротехнических
сооружений - не меньше F200 и т. д.
16

17.

ГОСТ
10060.0-2012
«Бетоны.
определения морозостойкости»
Метод и
марка
бетона по
морозосто
йкости
Условия испытания
Среда насыщения
Среда и
температура
замораживания
Методы
Вид бетона
Среда и
температура
оттаивания
Базовые методы
Первый F1
вода
Воздушная,
минус
(18 ± 2) °С
Вода, (20 ± 2) °С
Все виды бетонов, кроме бетонов
дорожных и аэродромных покрытий и
бетонов конструкций, эксплуатирующихся
при действии минерализованной воды
Второй F2
5 %-ный водный
раствор хлорида
натрия
Воздушная,
минус
(18 ± 2) °С
5 %-ный водный Бетоны дорожных и аэродромных покрытий
раствор хлорида и бетоны конструкций, эксплуатирующихся
натрия, (20 ± 2) °С при действии минерализованной воды
Ускоренные методы
Второй
5 %-ный водный
раствор хлорида
натрия
Воздушная,
минус
(18 ± 2) °С
5 %-ный водный Все виды бетонов, кроме бетонов
раствор хлорида дорожных и аэродромных покрытий,
натрия, (20 ± 2) °С бетонов конструкций, эксплуатирующихся
при действии минерализованной воды, и
легких бетонов марок по средней плотности
менее D1500
Третий
5 %-ный водный
раствор хлорида
натрия
5 %-ный водный
раствор хлорида
натрия, минус
(50 ± 2) °С
5 %-ный водный Все виды бетонов, кроме легких бетонов
раствор хлорида марок по средней плотности менее D1500
натрия, (20 ± 2) °С

18.

Водопроницаемость некоторых строительных материалов характеризуется коэффициентом фильтрации Кф (м/с), который находят по формуле:
V
Кф
,
( P1 P2 ) F
где V - объем воды, которая прошла сквозь толщу материала, м3; толщина образца материала, м; (Р1 — Р2) — разность давлений водяного
столба на противоположных сторонах образца, м; F — площадь образца,
сквозь которую просачивалась вода, м2; - длительность испытания, с.
Коэффициент фильтрации - это скорость проникновения воды сквозь
материал площадью 1 м2 толщиной 1 м за 1 с при разнице давлений на
противоположных сторонах образца, который создается 1 м водяного
столба.
Водонепроницаемость материала W - характеризуется маркой,
обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором
бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного
испытания.
Например, W2, W4.
18

19.

Деформации усадки или набухания являются следствием
способности материала изменять свой объем с изменением
влажности, которая может быть причиной структурных
напряжений в материале.
Набухание - свойство материала увеличивать объем в
результате впитывания воды, рассчитывается в долях
единицы или процентах от начального объема материала.
С уменьшением влажности некоторые материалы дают
усадку, то есть уменьшаются в объеме (например, паркет),
поскольку частицы материала сближаются под действием
капиллярных сил.
Значительная
усадка
свойственна
высокопористым
материалам с мелкими порами, например, усадка древесины
(поперек волокон) составляет 30-100 мм/м, ячеистого бетона 1-3 мм/м; тяжелого бетона - 0,3-0,7 мм/м; керамического
кирпича
–
0,03-0,10 мм/м. Изменение объема материалов следует
учитывать, выбирая условия их хранения и использования в
19
строительстве.

20. III. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

• Теплопроводность – способность материала передавать
теплоту одной поверхности другой.
где Q- количество тепла, Дж; δ – толщина материала, м; А-площадь сечения, кв. м;
(t1-t2) – разность температур, °С; T – продолжительность прохождения тепла, с .
Термическое сопротивление – R (м2·°С) / Вт:
R = δ / λ.
Теплоемкость – определяется количеством теплоты, которое
необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы
повысить его температуру на 1 градус С.
20

21. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

•Огнеупорностью называют свойство материала
противостоять, не деформируясь, длительному
воздействию высоких температур.
•Огнестойкость - способность материалов
выдерживать без разрушения действие высоких
температур. По огнестойкости строительные
материалы делятся на три группы: несгораемые,
трудносгораемые и сгораемые.
21

22.

ПО ОГНЕСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛЫ БЫВАЮТ
Несгораемые
материалы при
воздействии огня
или
высокой
температуры не
воспламеняются,
не тлеют и не
обугливаются.
Трудносгораемые
материалы
под
воздействием огня или
высокой температуры с
трудом
воспламеняются, тлеют
и обугливаются.
Сгораемые
материалы (дерево,
рубероид,
толь,
пластмассы и др.) под
воздействием
огня
или
высокой
температуры
воспламеняются или
тлеют и продолжают
гореть
или
тлеть
после
удаления
источника огня.
22

23.

IV. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
1. Прочность — это способность материала оказывать сопротивление
внутренним напряжениям, которые возникают под действием внешних
нагрузок. В процессе эксплуатации зданий и сооружений строительные
материалы чаще всего испытывают напряжения сжатия, изгиба, растяжения,
среза и удара.
Предел прочности при сжатии Rсж определяют обычно на образцах в
форме кубов, цилиндров, призм, а также на натурных образцах
(керамические пустотелые камни). При испытании образцов материала в
форме кубов показатель прочности зависит от масштабного фактора
(прочность малых кубиков выше, чем больших).
Поскольку строительные материалы неоднородны, то предел прочности
определяется как средний результат испытания серии образцов (не меньше
трех). Образцы строительных материалов испытывают, как правило, на
гидравлических прессах до разрушения, а предел прочности при сжатии,
МПа, вычисляют по формуле:
Rсж
P
,
F
где Р – нагрузка (сила), приводящая к разрушению образца;
F- площадь поперечного сечения образца.
23

24. Схемы стандартных методов определения прочности при сжатии

24

25.

Rизг
3Pl
,
2
2bh
25

26.

Предел прочности при растяжении Rр определяют с помощью специальных приборов и машин, применяя изготовленные из испытываемого
материала образцы установленной формы и размеров (призм, круглых
стержней, стержней прямоугольного сечения, «восьмерок», полос), в зависимости от вида строительного материала. Образцы закрепляют в захватах
приборов и подвергают растяжению до момента разрыва.
Для каменных материалов, металлов, древесины и других материалов
предел прочности при растяжении, МПа
Rp
P
,
F
где Р — разрушающая нагрузка, МН; F — площадь сечения образца в самом
тонком месте до испытания, м2.
26

27. Схемы стандартных методов определения прочности на изгиб и растяжение

27

28.

2. Твердость – это способность материала оказывать
сопротивление местным деформациям, возникающим при
вдавливании в него другого, более твердого тела.
Твердость металлов, бетона, древесины и некоторых других
материалов
определяют,
вдавливая
в
образцы
с
определенным усилием стальной шарик или наконечник
(конус, пирамиду). Степень твердости устанавливают по
размеру отпечатка.
Степень твердости минералов горных пород
определяют по шкале сравнительной твердости Мооса,
которая состоит из десяти минералов- эталонов:
тальк — 1; гипс — 2; кальцит - 3; плавиковый шпат - 4;
апатит — 5; ортоклаз — 6; кварц — 7; топаз — 8;
корунд — 9; алмаз — 10.
28

29.

3. Истираемость – это свойство материала оказывать сопротивление истиранию,
которое зависит от твердости материала, характеризуется уменьшением массы на единицу
площади поверхности образца и определяется по формуле, кг/м2:
m1 m2
U
,
F
где m1 и m2 – массы образца до и после истирания,
кг; F – площадь истираемой поверхности,
м2.
Показатель истираемости имеет решающее значение при выборе материалов для полов,
дорожных покрытий и др.
Истираемость строительных материалов зависит от их состава и структуры, например, для
кварцита – 0,6-1,2; гранита – 1-5; клинкерного кирпича –
2,2-4,3; керамической плитки для полов – 2,5-3; известняка – 3-8; цементного раствора – 6 15 кг/м2.
Ударная прочность Rуд, Дж/м3 – это способность материала противодействовать
разрушению при кратковременной нагрузке ударного характера, характеризуется работой,
расходуемой на разрушение образца материала, отнесенной к единице объема материала,
вычисляется по формуле:
R уд
nqh
,
V
где n — количество ударов; q — вес гири, Н; h – высота ее падения;
V - объем образца, м3.
29

30.

3. Деформативные свойства. К деформативным свойствам материалов относят
упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, ползучесть, релаксация напряжений.
Упругость - это способность твердого тела деформироваться под действием
внешних сил и самопроизвольно восстанавливать начальную форму и объем
после прекращения действия нагрузки. Модуль упругости Е, МПа, характеризует
жесткость материала, то есть способность его деформироваться под действием
внешних сил. Чем выше энергия межатомных связей в материале, тем меньше
склонен он к деформации и тем выше его модуль упругости.
Например, для железа
Е = 21,1 104, алюминия - 7 104, свинца - 1,5 104,
полистирола - 0,3 104, каучука - 0,007 10-4 МПа.
Вязкость – свойство материала под действием внешних сил
необратимо
поглощать механическую энергию при пластической деформации.
Пластичность — это свойство материала изменять без разрушения форму и
размеры под воздействием нагрузки или внутренних напряжений, сохраняя
полученную форму и размеры после прекращения этого влияния. Такие
пластические (остаточные) деформации называют необратимыми.
Хрупкость - это свойство твердых материалов разрушаться под действием
механических напряжений, которые в них возникают, без заметной пластической
деформации. Это свойство противоположно пластичности.
Ползучесть — это свойство материалов медленно и непрерывно деформироваться
под воздействием постоянной статической нагрузки. Для некоторых материалов
(бетона, гипсовых, асбестоцементных изделий) эта способность наблюдается при
обычных температурах, для металлов — при повышенных.
Релаксация напряжений –уменьшение напряжений в материале, значение
деформаций в котором поддерживается постоянным.
30

31.

V. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Химические свойства характеризуют способность материалов к химическим превращениям при взаимодействии с веществами, которые контактируют с ними. К ним относятся: растворимость, кислотостойкость,
щелочестойкость, коррозионная стойкость, биокоррозия, кристаллизация,
твердение, адгезия, старение и др.
Растворимость — способность материала растворяться в воде,
масле, бензине, скипидаре и других веществах-растворителях.
Растворимость может оказывать положительное и отрицательное влияние
на свойства материала.
Кислотостойкость - это способность материала (изделия) оказывать
сопротивление действию растворов кислот или их смесей в пределах, установленных нормативными документами. Она оценивается по потере
массы опытных образцов, выдерживаемых в растворе кислоты определенной концентрации.
Время выдерживания, концентрация кислот и другие параметры испытания регламентируются соответствующими нормативными документами. Например, кислотостойкость канализационных керамических труб
составляет не меньше 92% (то есть потери масс. % до 8), а
шлакоситаллов - до 99%.
31

32.

Щелочестойкость - это способность материала (изделия)
оказывать сопротивление действию щелочей в пределах,
установленных нормативными документами.
Для условной оценки стойкости каменных материалов из
горных пород в кислых и щелочных средах, применяют модуль
основности Мо.
CaO MgO Na2O( K 2O )
Mo
,
SiO2 Al2O3
32

33.

Коррозионная стойкость - это способность материала
не разрушаться под воздействием различных веществ в
процессе эксплуатации.
Особенным видом коррозии является биокоррозия разрушение материала под действием живых организмов
(грибов, микробов, насекомых).
Биокоррозия — это не только гниение органических
материалов (древесины, битума), но и разрушение
природного камня, бетона и металла продуктами
жизнедеятельности микроорганизмов.
Коррозия опасна не столько химическими изменениями в
материале, сколько связанными с ними изменениями
физико-механических
характеристик
эксплуатируемых
конструкций.
33

34.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
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 удобоукладываемость,
формуемость, нерасслаиваемось, измельчаемость,
распиливаемость, гвоздимость, полируемость и др.
34

35.

Формуемость характеризует способность материала принимать
определенную форму в результате различных механических воздействий
(вибрация, прессование, выдавливание, прокатывание). Она зависит, как
от механического воздействия преимущественно ударных нагрузок,
приводящих к образованию зернистого материала в виде щебня и песка.
Измельчение
можно
выполнять
также,
используя
действие
электрического тока, термического удара, электрогидравлического
эффекта и т. п.
Распиливаемость — это 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 — это 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.
35