Сканави Н.А. Материаловедение. Строительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

Н.А.Сканави Материаловедение

Физические свойства в свою очередь делятся на параметры состояния и

структурные характеристики и свойства, характеризующие отношение материалов к

различным физическим процессам.

Параметры состояния и структурные характеристики – истинная, средняя,

относительная и насыпная плотность, пористость, коэффициент плотности и др. Они

характеризуют особенности физического состояния материалов.

За малым исключением (стекло, металлы, битум) строительные материалы пористы.

Поры представляют собой полости между элементами структуры внутри материала. Объем

пористого материала в естественном состоянии (V

) cкладывается из объема твердого

каркаса (V

) и объема пор (V

Важнейшие свойства строительных материалов (средняя плотность, прочность,

долговечность, теплопроводность, водонепроницаемость, водопоглощение и др.) зависят от

величины пористости и ее характера. Характер пористости определяется размером и

формой пор, равномерностью распределения пор по размерам, их строением - открытые или

закрытые. Стремятся получать материалы с закрытой пористостью (они имеют малое

водопоглощение и соответственно высокую морозостойкость), но иногда специально

создается открытая пористость, например, в звукопоглощающих материалах.

Значения плотности и пористости распространенных строительных материалов

приведены в табл 2.1.

Характеристика наиболее важных свойств строительных материалов (определения,

формулы, размерности, необходимые пояснения) приведены в табл. 2.2.

Свойства, характеризующие отношение материалов к различным физическим

процессам, определяют поведение материала при действии воды, огня, высоких температур,

замораживания и оттаивания и т.д.

Гидрофизические свойства определяют отношение материала к действию воды и

водяного пара. При увлажнении материала его свойства существенно изменяются:

увеличиваются теплопроводность и средняя плотность, снижается прочность и т.д. Поэтому

при всех расчетах необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к

поглощению влаги (гигроскопичность и водопоглощение).

Водопоглощение по объему (см. табл. 2.2) используют для оценки структуры

материала, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой, равный отношению

водопоглощения по объему к пористости:

/П.

Этот коэффициент характеризует содержание в материале открытых и замкнутых пор

и может изменяться от 0, если все поры замкнутые, до 1, если все поры открытые и W

= П.

Коэффициент насыщения пор дает возможность косвенно оценивать морозостойкость

материала. Если К

менее 0,6 (поры на 60% и менее заполнены водой) – материал считается

морозостойким, при К

в пределах от 0,6 до 0,8 – материал имеет так называемую

сомнительную морозостойкость, и если К

больше 0,8 – материал не морозостоек.

Морозостойкость - одно из важнейших свойств материалов для климатических

условий России. Причиной разрушения материала при попеременном замораживании и

оттаивании является попадание воды в поры материала и переход ее в лед с увеличением

объема (



V=9%). При высоком водонасыщении материала замерзание воды вызывает

большие растягивающие напряжения в стенках пор, что при многократном повторении

приводит в конечном итоге к разрушению материала. Морозостойкость пористых

материалов зависит от характера пористости и прочности на растяжение. Она тем выше, чем

больше в материале замкнутых пор.

Н.А.Сканави Материаловедение

Таблица 2.1.

Показатели плотности, пористости и теплопроводности (средние

значения) для некоторых строительных материалов

Наименование

материала

Истинная

плотность, г/см

Средняя

плотность, г/см

Пористость,

Теплопроводность,

Вт/(м.

С)

Бетон:

тяжелый

легкий

ячеистый

2,6

2,4

1,0

0,5

61,5

1,16

0,35

0,2

Кирпич:

обыкновенный

пустотелый

2,65

1,8

1,3

0,8

0,55

Природный

камень:

гранит

вулканический

туф

2,7

2,6

2,67

1,07

1,4

2,8

0,4

Стекло:

оконное

пеностекло

2,65

0,3

0,0

0,58

0,11

Полимерные

материалы:

стеклопластик

мипора

(вспененный

полимер)

2,0

1,2

2,0

0,015

0,0

0,5

0,03

Древесные

материалы:

сосна

древесно-

волокнистая

плита

1,53

1,5

0,5

0,2

0,17

0,06

Помимо свойств, приведенных в табл. 2.2 к гидрофизическим свойствам относятся

гидрофильность и гидрофобность, капиллярное всасывание, влагоотдача, влажностные

деформации.

Н.А.Сканави Материаловедение

Теплофизические свойства (теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость,

огнеупорность, тепловое расширение и др.) определяют отношение материала к действию

тепла, высоких температур, открытого огня. Для материалов ограждающих конструкций,

для теплоизоляционных материалов важнейшим свойством является теплопроводность. Чем

она меньше, тем более высокими теплозащитными свойствами обладает материал. Помимо

свойств, приведенных в таблице 2.2, к теплофизическим свойствам относятся термическая

стойкость, температуропроводность, термическое сопротивление ограждающей конструкции

и др.).

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться

внутренним напряжениям без нарушения структуры (деформативные свойства, прочность,

твердость, истираемость, износ и др.). Главное механическое свойство – прочность. Именно

по пределу прочности при сжатии основные конструкционные материалы делятся на марки.

Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое

взаимодействие с веществами окружающей среды, или сохранять свои состав и

структуру в условиях инертной среды. К химическим свойствам относятся растворимость,

кристаллизация, твердение, старение, горючесть, гниение, кислотостойкость,

щелочестойкость и т.д.

Технологические свойства характеризуют способность материала к восприятию тех

или иных технологических операций, изменяющих агрегатное состояние материала (перевод

твердого материала в расплав), структуру его поверхности (например, получение гладкой

зеркальной структуры вместо грубооколотой при полировке каменного материала),

придающих нужную форму, размеры и т.п. Примеры технологических свойств: дробимость,

шлифуемость, полируемость (для каменных материалов), спекаемость (для минерального

сырья), укрывистость (для лакокрасочных материалов), удобоукладываемость (для бетонной

смеси), распиливаемость и т.п.

Комплексные свойства - долговечность и надежность.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до предельного

состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Характеризуется совокупностью свойств

и измеряется в годах службы в конкретных эксплуатационных и климатических условиях.

Надежность - общее свойство, характеризующее проявление всех остальных

свойств в процессе эксплуатации изделия. Надежность складывается из долговечности,

безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Свойства строительных материалов оцениваются числовыми показателями, которые

устанавливаются путем испытания материала по стандартным методикам (ГОСТы РФ, ТУ и

проч.).

Н.А.Сканави Материаловедение

Таблица 2.2

Характеристика важнейших свойств строительных материалов

№

п/п

Наименование

свойства или

коэффициента

Определение Формула Размерность Пояснения

1 2 3 4 5 6

1 Истинная плотность Масса единицы объема в

абсолютно плотном

состоянии





г/см

, кг/м

m – масса образца материала, г;

- объем в абсолютно плотном

состоянии (без пор), см

2 Средняя плотность Масса единицы объема в

естественном состоянии

(вместе с порами)





г/см

, кг/м

- объем в естественном состоянии

(с порами), см

3 Относительная

плотность

Отношение плотности

материала к плотности воды

H O





безразмерная

величина



H O

1

г/см

плотность воды

4 Пористость Степень заполнения объема

материала порами

  













1 100%



% П=V

=(V

-V

)/V

=1-V

е,

где V

– объем пор.

Величина пор: от нескольких

ангстрем (1 А= 10

-10

м) до

нескольких мм.

5 Коэффициент

плотности

Степень заполнения объема

материала твердым

веществом

пл





или

безразмерная

величина

П+К

пл

= 100 % (или 1)

6 Влажность Содержание влаги в

материале в данный момент

по отношению к массе

сухого материала

Wm=|(m

-m

|.100%

– масса материала в состоянии

естественной влажности, г;

– масса материала, высушенного

до постоянной массы, г

7 Гигроскопичность Способность капиллярно--

пористого материала

Процесс носит обратимый характер

Высокая гигроскопичность у

Н.А.Сканави Материаловедение

№

п/п

Наименование

свойства или

коэффициента

Определение Формула Размерность Пояснения

поглощать водяной пар из

воздуха

материалов с развитой внутренней

поверхностью: древесина,

теплоизоляционные, стеновые

материалы

8 Водопоглощение Свойство материала

поглощать и удерживать

воду при непосредственном

контакте с ней

m m

W W d

H c

e H O

o m













 

100%



% W

- водопоглощение по массе, %;

- масса насыщенного водой

материала, г;

- масса сухого материала, г;

- водопоглощение по объему, %

9 Коэффициент

насыщения пор

водой

Отношение водопоглощения

по объему к пористости





безразмерная

величина

= 0...1;

= 0 – поры отсутствуют или все

поры замкнутые;

= 1 - все поры открытые,

сообщающиеся.

косвенно характеризует

морозостойкость материала

10 Водостойкость Способность материала

сохранять прочность в

водонасыщенном состоянии



безразмерная

величина

- коэффициент размягчения;

и R

- соответственно пределы

прочности материала в сухом и

водонасыщенном состоянии, МПа;

= 0...1.

При К

, равном 0,8 и более материал

считается водостойким

11 Водопроницаемость Способность материала

пропускать воду под

давлением

 







V a

S P P

1 2



м/с

- коэффициент фильтрации;

- объем воды, м

;

 - время, с;

S - площадь, м

;

а - толщина слоя материала, м;

(Р

- Р

) - давление, м водного столба

Н.А.Сканави Материаловедение

№

п/п

Наименование

свойства или

коэффициента

Определение Формула Размерность Пояснения

11а Водонепрони-

цаемость

Способность материала не

пропускать воду под

давлением

W2, ... W12 кгс/см

атм

W2, W4

и т.д. - марки материала по

водонепроницаемости;

2,...12 - величина одностороннего

гидростатического давления, которое

выдерживает образец бетона

12 Паро- и

газопроницаемость

Способность материала

пропускать через свою

толщу водяной пар или

газ (например, воздух)



 

a V

S p







кг/(м.с.Па) К

- коэффициент

паропроницаемости;

а - толщина слоя, м;

V - объем пара, м

;

 - плотность пара, кг/м

;

 - время, с;

S - площадь, м

;

р– разность давлений, Па

13 Морозостойкость Cвойство материала в

насыщенном водой

состоянии не разрушаться

под действием

многократного

попеременного

замораживания и оттаивания

F50, F100 и т.д. циклы

F50, F100 - марки материала по

морозостойкости

1 цикл: 1 замораживание при минус

15...20

С + 1 оттаивание в воде

комнатной температуры.

Материал выдержал испытания, если

потеря прочности





5-25% (для разных

материалов),





5%.

14 Теплопроводность Свойство материала

передавать тепло через свою

толщу от одной поверхности

к другой









 

Q a

S t

Bт/(м.

С) Q - количества тепла, Дж;

а - толщина слоя, м;

 - время, с;

S - площадь, м

;

t - разность температур,

15 Теплоемкость Свойство материала

аккумулировать тепло

m t





кДж/(кг.

С) m - масса материала, кг

Н.А.Сканави Материаловедение

№

п/п

Наименование

свойства или

коэффициента

Определение Формула Размерность Пояснения

при нагревании

16 Огнеупорность Способность материала

выдерживать действие

высоких температур (свыше

1580

С)

С Материалы, выдерживающие

t> 1580

С – огнеупорные,

1350-1580

С – тугоплавкие,

менее 1350

С – легкоплавкие.

17 Огнестойкость Свойство материала

сопротивляться действию

огня в условиях пожара в

течение определенного

времени

единицы

времени

По степени огнестойкости:

- несгораемые,

- трудносгораемые,

- сгораемые

18 Тепловое

расширение

Свойство материала

деформироваться при

изменении температуры:

расширяться при

нагревании, сжиматься при

охлаждении

ТКЛР, ТКОР 1/

ТКЛР (ТКОР) – температурный

коэффициент линейного (объемного)

расширения

19 Прочность Способность материала

сопротивляться разрушению

под действием внутренних

напряжений, вызванных

внешними воздействиями

cж

изг

кН/см

кгс/см

МПа

сж

- предел прочности при сжатии;

P - разрушающее усилие, кН;

F - площадь поперечного сечения

стандартного образца, см

;

изг

-предел прочности при изгибе;

l - расстояние между опорами, см;

b и h - размеры поперечного сечения

образца, см.

20 Упругость Свойство материала

самопроизвольно

восстанавливать

первоначальную форму и







l

% или

безразмерная

величина



- относительная деформация;

l - первоначальный линейный размер

образца;

l - абсолютная деформация;

Н.А.Сканави Материаловедение

№

п/п

Наименование

свойства или

коэффициента

Определение Формула Размерность Пояснения

размеры после прекращения

действия внешних сил

 - одноосное напряжение, МПа;

Е - модуль упругости (модуль Юнга),

МПа.

Упругая деформация – обратимая.

21 Пластичность Свойство материала

изменять форму и размеры

под действием внешних сил,

не разрушаясь, и сохранять

эти изменения после снятия

нагрузки

Пластическая, остаточная

деформация – необратимая.

22 Хрупкость Свойство материала под

действием нагрузки

разрушаться без заметной

пластической деформации

(“внезапное” разрушение)

Для хрупких материалов

cж

= 10...15 и более,

- предел прочности при

растяжении

23 Удельная прочность

(коэффициент

конструктивного

качества)

Отношение прочности

материала к его

относительной плотности

уд

=К

кк

МПа

Примеры:

Сталь: R

уд

1000

7 85

127



МПа;

Стеклопластик: R

уд

450

225

МПа.

Является характеристикой

прочностной эффективности

материала.

24 Истираемость Способность материала

сопротивляться истираю-

щим воздействиям

И =

m m

1 2



г/ см

кг/ м

- масса образца до истирания, г;

- масса после истирания, г;

F - площадь образца, см

25 Твердость Способность материала

сопротивляться

проникновению в него

HB =

МПа,

кгс/мм

Р - нагрузка, кН, кгс;

F - площадь отпечатка, мм

Твердость каменных материалов

Н.А.Сканави Материаловедение

№

п/п

Наименование

свойства или

коэффициента

Определение Формула Размерность Пояснения

другого более твердого оценивают по шкале твердости

Мооса в баллах от 1 до 10: самый

мягкий – тальк (1), самый твердый –

алмаз (10).

26 Износ Способность материала

сопротивляться

одновременному

воздействию истирания и

удара

зн

m m

1 2

100





и m

- массы образца

соответственно до и после

испытания, г

Н.А.Сканави Материаловедение

Вопросы для самоконтроля к разделу 1

1. Как классифицируются строительные материалы по условиям их работы в сооружении?

2. Какой методический подход рекомендуется при изучении строительных материалов?

3. Какие технологии применяются для получения строительных материалов? Их краткая

характеристика.

4. Назовите основные источники сырья для промышленности строительных материалов.

5. Какие виды промышленных отходов используются для производства строительных материалов и в

чем заключается эффективность их применения?

6. Как можно выразить состав материала? Как состав материала влияет на его свойства?

7. Что такое композиты?

8. В чем заключается взаимосвязь строения и свойств материала? Уровни изучения строения

материала.

9. На какие основные группы делятся свойства строительных материалов? Дайте характеристику

основных групп.

10. Назовите и охарактеризуйте параметры состояния и структурные характеристики материалов,

приведите их определения, формулы, размерности.

11. Назовите основные гидрофизические (теплофизические, механические) свойства материалов,

приведите их определения, формулы, размерности.