Основные свойства строительных материалов презентация

строительных материалов.
Физико-химические свойства строительных материалов.
Механические свойства строительных материалов.
Химические свойства строительных материалов.
Технологические свойства строительных материалов.
Эксплуатационные свойства строительных материалов.
Специальные свойства строительных материалов.

материала или отношением их к действию на них физических факторов (воды, температуры, электрического тока и др.).
Структурно-физические
Истинная плотность (ρи) – масса единицы объема сухого материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без пор, пустот, трещин.
Истинная плотность определяется в лабораторных условиях с помощью пикнометра, объемометра Ле-Шателье и вычисляется по формуле:
ρи = m / Vа (2.1),
где m – масса порошка, засыпанного в прибор, г; Va – объем этого порошка в абсолютно плотном состоянии, см3.
Истинная плотность измеряется в кг/м3; г/см3 или кг/дм3.
Изменяется истинная плотность в широких пределах: от 900 (полипропилен) до 7850 кг/м3 (сталь).
Истинная плотность зависит от химического и фазового состояния материала Применяется для расчета пористости материала, состава бетона и др.

объема материала в естественном состоянии, т. е. вместе с порами, пустотами. Определяют по формуле:
ρср = m / Vn, (2.2)
где m – масса образца, кг (г); Vn – объем образца в природном состоянии, м3 (см3).
Средняя плотность измеряется кг/м3, г/см3, т/м3, кг/дм3 .





Vn = Va + Vпор

Vп

Vа

Vпор

плотная часть

поры

образцов правильной и неправильной геометрической формы. Для образцов неправильной геометрической формы используют метод парафинирования или предварительного насыщения водой с последующим гидростатическим взвешиванием. Средняя плотность для таких образцов определяется по формуле:
для предварительно насыщенных водой
ρср = m / [ (m1 – m2)/ ρв ] (2.3)
для образцов, покрытых парафином


где m, m, – масса сухих образцов до испытания, кг (г); m, – соответственно масса образцов, насыщенных водой и запарафинированных, кг (г); m2, – соответственно масс образцов, насыщенных водой и запарафинированных, взвешенных в воде, кг (г); ρв , ρп – плотность воды и парафина, кг/м3 (г/см3).

(2.4)

10...15 кг/м3 (пенопласт –мипора) до 7850 кг/м3 (сталь высококачественная прокатная).
Средняя плотность зависит от химического состава, структуры, влажности материала и др.
Эту величину используют при расчете пористости, состава бетонов, строительных конструкций, транспортных средств и др. Средняя плотность – одна из основных характеристик классификации строительных материалов, определения марки.
Насыпная плотность (ρн) – это масса единицы объема материала в рыхлом состоянии, включая поры и пустоты. Эта характеристика определяется для сыпучих материалов по формуле:
ρн = m / Vн (2.5)
где m – масса материала, кг; Vн – объем, который занимает материал в сыпучем состоянии (при стандартном уплотнении), м3.
Насыпная плотность зависит от пористости, влажности материала, размера зерен и характера их поверхности. Например, гранитный щебень имеет ρн = 1450...1600 кг/м3, керамзитовый гравий – ρн = 250...600 кг/м3

материала порами, содержание пор в материале.
Поры – это ячейки разных размеров, которые заполняются воздухом или водой. Поры могут быть мелкими - размером 0,001...0,1мм; крупными 1. . .2 мм.
Поры больше 2мм называются пустотами.
Пористость вычисляют по формуле, % :
П = ( 1 – ρср / ρи ) ⋅ 100, (2.6)
где ρср – средняя плотность, кг/м3; ρи – истинная плотность, кг/м3.
Пористость можно определять с помощью приборов (прямой метод, основанный на насыщении ртути в поры или др. средой с последующим вытеснением).

в широких пределах: от 0 (стекло, сталь, жидкости) до 98% (мипора). Пористость тяжелого бетона - 10%, а ячеистого - 80%, кирпича керамического - 20 – 40%.
Открытая пористость – отношение суммарного объема пор, насыщающихся водой, к объему материала V:
По=(m2-m1) /V *1/ (2.7)
где m1, m 2 – масса образца в сухом и насыщенном водой состоянии, г.
Закрытая пористость определяется по формуле:
Пз=П-По

твердым веществом
Кпл=ρср / ρи (2.8)

П+ Кпл=1 (или 100%)

NB
Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др.

(давлении и температуре) поглощать воду и удерживать ее в своих порах без контакта с водой.
Водопоглощение по массе (Вm) и по объему (Вv).
Водопоглощение, %, вычисляют по формулам:
Вm = [ (m1 – m2) / m2 ] ⋅ 100 (2.9)
Bm = [ (m1 – m2) / Vс ] ⋅ 100 (2.10)
где m1, m2 – масса материала соответственно в водонасыщенном и абсолютно сухом состоянии, г (кг); Vc – объем материала в сухому состоянии, см3 (м3).
Водопоглощение зависит от природы материала и его структуры.
Водопоглощение по объему характеризует открытую пористость и всегда меньше 100%. Водопоглощение по массе может быть больше 100% для пористых материалов. Для металлов, стекла, фарфора водопоглощение по массе равно нулю, для гранита 0,02 – 0,7%, для плотного бетона 2–5% , керамического кирпича 8 – 20%, для теплоизоляционных материалов 60-80%.

(коэффициент водопоглощения)
Кн = Bv / П (2.11)
где Bv – водопоглощение по объему ,%; П – пористость, %.
Коэффициент насыщения изменяется от нуля (все поры в материале закрытые) до 1 (все поры открытые).Фактически строительные материалы имеют коэффициент больше нуля. При уменьшении Кн открытая пористость уменьшается, а морозостойкость увеличивается. .

в насыщенном водой состоянии.
Водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения, который определяют по формуле:


где – прочность образца в насыщенном водой состоянии, МПа; – прочность образца в сухом состоянии, МПа.
Коэффициент размягчения изменяется от нуля (известь, глина, кирпич-сырец) до 1 (сталь, стекло, фарфор). К водостойким относят материалы, коэффициент размягчения у которых равен Кр ≥ 0.8.

(2.12)

давлением сквозь свою толщину. Характеризуется количеством воды , которая проходит за 1 час сквозь 1 м2 поверхности материала при постоянном (заданном) давлении. Эта характеристика называется коэффициентом фильтрации и вычисляется по формуле:
Кф = Vв δ/ [S (P1 –P2) x t] (2.13)

где Vв – объем воды, м3; δ –толщина материала, м; P1 – P2 – разница гидростатического давления ( 1 м вод. ст); S – площадь испытываемого образца, м2; t – мин, час.
Водопроницаемость – одна из главных эксплуатационных характеристик кровельных, гидроизоляционных материалов.
Водонепроницаемость – определяется предельным давлением при котором вода не проникает сквозь материал. В зависимости от величины давления устанавливают марки – для бетонов по водонепроницаемости W 0,2; W 0,4; W 0,6;W 0,8 (МПа).

состоянии выдерживать попеременное замораживание и оттаивание и сохранять физико-механические свойства. Морозостойкость материалов зависит от их плотности, пористости и водостойкости. Плотные материалы более морозостойкие чем пористые.
Морозостойкость материала оценивают маркой по морозостойкости: F15 ,F25, F50 и т.д. Марка характеризует число циклов замораживания и оттаивания, которые выдерживает материал без потери прочности при сжатии больше 15%, уменьшения массы не более 5% и не изменяют внешний вид.
Вода в порах при отрицательных температурах превращается в лед, увеличивается в объеме на 9% (плотность льда 918 кг/м3). Возникает давление на стенки пор, которое при t = -20°С равно 210 МПа. В материале появляются внутренние напряжения, которые приводят к разрушению, особенно если поры открытые.
NB
Морозостойкость материала зависит от его пористости и водопоглощения

одной поверхности к другой при наличии разницы температур на этих поверхностях. Показателем теплопроводности - коэффициент теплопроводности λ , Вт / (м ⋅К). Коэффициент теплопроводности вычисляют по формуле:
λ=qδ/ΔТ (2.14)

где q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2 , δ - толщина материала, м; ΔТ – разница температур, К.
Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения. Теплопроводность воздуха – 0,024 Вт /(м⋅К). Поэтому, чем больше пор, тем ниже теплопроводность. Теплопроводность воды – 0,58 Вт /(м ⋅К), льда – 2,3 Вт /(м⋅К), поэтому влага увеличивает теплопроводность.
NB
Так как средняя плотность материала, так же как и теплопроводность, обратно пропорциональна пористости, то она может служить косвенной характеристикой теплопроводности материала и использоваться в качестве марки материала по теплопроводности.

теплоту и выделять тепло при остывании; определяется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1К. Показателем есть удельная теплоемкость (коэффициент теплоемкости – С кДж/кг ⋅ К).

С= (2.15)

где Q – количество теплоты, необходимой для нагревания материала, Дж; m – масса материала, кг; t2 и t1 - конечная и начальная температура нагревания, К.
Удельная теплоемкость равна для: сталь - 0,46 … 0,48; бетон тяжелый - 0,80 … 0,92; кирпич керамический - 0,74; сосна - 2,51; вода - 4,19.

при пожаре в течение предельного времени и не изменять свои физико-механические свойства. По степени огнестойкости различают:
Несгораемые материалы – под действием огня не горят и не обугливаются (бетон, кирпич, черепица и др.), но некоторые растрескиваются (мрамор, стекло, асбестоцемент, металлы - плавятся от 600 С).
Трудносгораемые – под воздействие огня тлеют, воспламеняются, но после прекращения огня их горение, тление прекращается (асфальтобетон, фибролит, некоторые пенопласты, пропитанная антипиренами древесина).
Сгораемые – горят под действием огня и после прекращения действия огня (необработанная древесина, полимеры, битумы, лаки, краски).

высоких температур. Характеризуется огнеупорность температурой, при которой стандартный образец деформируется и достает вершину подставки.
По степени огнеупорности делят на:
Огнеупорные – выдерживают температуру более 1580°С ( шамот, динас, хромит, высокоглиноземистые материалы, применяемые для футеровки промышленных печей, труб и др.
Тугоплавкие – выдерживают температуру от 1350 до 1580°С (гжельский кирпич, клинкер керамический или дорожный, плитка керамическая для пола).
Легкоплавкие – выдерживают температуру до 1350°С (кирпич керамический обыкновенный, трубы дренажные, керамзит и др.

материала и оценивается удельной поверхностью. Удельная поверхность выражается отношением суммарной поверхности всех частиц в единице массы, м2/кг. Например: цемент – 350-500 м2/кг Активность химических процессов выше, чем больше их суммарная поверхность
Дисперсные системы с радиусом частиц 0,1-1,0 мкм в жидкости находятся во взвешенном состоянии и оседают на дно – это суспензия (глиняная). Системы с радиусом частиц 0,0001-0,01 мкм называют коллоидными – оседание частиц не происходит.

время перемещения одного слоя относительно другого. Характеризуется коэффициентом кинематической вязкости (м2/с) и определяется по формуле
ν=η/ρ (2.16)

где η – коэффициент динамической вязкости, Па·с; ρ – истинная плотность, кг/м3

Когезия - показатель внутреннего сцепления материала, обусловленный межмолекулярными силами сцепления.
Адгезия – внешнее сцепление материалов друг с другом на поверхности их контакта.

при сжатии – способность материала сопротивляться действию сжимающих нагрузок, которые вызывают в материале внутренние напряжения. Основная характеристика - предел прочности при сжатии, вычисляется по формуле:
Rсж = Fр/ S (2.17)
где Fp – разрушающая нагрузка (сила ), которая определяется на специальных (гидравлических) прессах, Н (кгс);
S – площадь поперечного сечения образца до испытаний, м2 (см2).
Граница прочности при сжатии определяется для строительных материалов в МПа (Н/мм2) или кгс / см2 ( 1 МПа ~ 10 кгс / см2 ).

их опорных поверхностей, скорость нагрузки образца, состав материала (химический, минералогический) пористость, влажность и др.






В зависимости от прочности при сжатии строительные материалы делят на марки. В нормативных документах марки приведены в МПа (Н/мм2) или в кгс/см2. Например, марки цементов 30 (300), 40 (400), 50 (500), 55 (550) и 60 (600) МПа (кгс/см2).

Схема разрушения хрупких материалов
при сжатии куба опорными гранями

Схема разрушения хрупких материалов
при сжатии куба со смазанными
опорными гранями

Связь определяют коэффициентом конструкционного качества (ККК) по формуле:
ККК = Rсж / ρо (2.18)
где Rсж – предел прочности при сжатии, МПа;
ρо – относительная плотность материала.
Например, ККК тяжелого бетона - 16,6 МПа, древесины – 200 МПа, стали – 51 МПа, кирпича – 5,56 МПа.

нагрузкам. Определяют на специальных образцах (стержни, ”восьмерки”, призмы) на разрывных машинах.
Формы образцов

Стержень балочка пластина “восьмерка”

S, (2.19)
где Fρ –разрушающая сила, Н (кгс);
S – площадь поперечного сечения, м2 (см2).
Каменные материалы (горные породы, бетоны, кирпич) при растяжении выдерживают напряжения в 10 – 20 раз меньше, чем при сжатии. Сталь, древесина, слоистый пластик - хорошо работают и на сжатие и на растяжение.
Прочность при изгибе – способность материала сопротивляться изгибающим нагрузкам, определяют испытанием образцов в виде балочек на двух опорах. Их нагружают одним (схема А) или двумя (схема Б) сосредоточенными силами до разрушения.

А Rизг = 3Fp l / 2bh2, (2.20)

А

где Fp – разрушающая нагрузка, Н (кгс); l – расстояние между опорами, м (см);
b, h – соответственно ширина и высота поперечного сечения образца, м (см).

b

искусственных каменных материалов прочность при сжатии в 5-15 раз выше , чем при изгибе и растяжении. У древесины – прочность при изгибе выше прочности при сжатии в 1,5 – 2 раза.

F/2

l/3

l/3

b

h

F/2

l/3

Б

более твердого материала. От твердости зависит граница использования материала.
Определяют твердость несколькими способами:
вдавливанием под определенной нагрузкой шарика из закаленной стали или алмазного конуса. По диаметру отпечатка рассчитывают число твердости НВ (по Бринеллю) или НR (по Роквеллу).
по шкале Мооса, представленной 10 минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие в порядке возрастания:
Тальк Mg3[Si4O10][OH2] – легко царапается ногтем
Гипс CaSo4 · 2H2O – царапается ногтем
Кальцит CaCO3 – легко царапается стальным ножом
Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 – царапается стальным ножом под небольшим нажимом
Апатит Ca5[PO4]3F – царапается стальным ножом под сильным нажимом легко царапают стекло, применяют в качестве абразивных материалов
Ортоклаз K[AlSi3O8]
Кварц SiO2
Топаз Al2[Si4O][F,OH]2
Корунд Al2O3
Алмаз C

на специальных машинах – круг истирания , как абразивный материал применяют песок или наждак.
Количественно истираемость определяют потерей массы образца на единицу площади по формуле:
Сис = (m1 – m2) / S , (2.22)

где m1, m2 – масса образца до и после истирания, г (кг); S – площадь поверхности истирания, см2 (м2).

сопротивляться разрушению при ударных нагрузках.
Оценивают количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема. Вычисляют по формуле:
а = А / S или а = А / V , (2.23)
где А –работа, Дж; S – площадь, м2; V – объем образца, м3.
Сопротивление удару определяют при помощи лабораторных копров и условно характеризуют количеством ударов, предшествующих разрушению образца. Материалы делят на группы: очень хрупкие (<2 ударов ), хрупкие (2-5 ударов), вязкие (5 –10 ударов), очень вязкие (более 10 ударов).

размеры после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее называют обратимой.
Для высокоэластичных материалов (эластомеров) упругая деформация превышает 100% - т.е. объем после снятия нагрузок увеличивается.

свою форму и размеры без разрушения и сохранять ее, когда нагрузка снята. Такие деформации называют необратимые. Пластичность изменяется под действием температур.
К упругим материалам относят: природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь, к пластичным: битумы, глины, пластмассы, бетоны.
Хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций.
Хрупкие материалы – стекло, чугун, бетон и др.
Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменения межатомных расстояний, от чего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину Δl в направлении действия силы (при сжатии – укорачивание, при растяжении – удлинение).
Пластичность и хрупкость строительных материалов могут изменятся не только под действием температуры, но и с изменением влажности и скорости нарастания действующей нагрузки.

ξ от напряжения σ
а – стекла; б – стали; в – бетона; г – эластомера; А–В – площадка текучести

ξ

ξ

ξ

ξ

А

В

а

б

в

г

воде газов и солей.

Коррозия – разрушение твердых тел, которое вызывается химическими и электрохимическими процессами, протекающими в них при взаимодействии с внешней средой. Основными агрессивными агентами, вызывающие коррозию: пресная и соленая вода, газы, минерализованные воды, растворы кислот, щелочей, расплавленные материалы, живые организмы и др.

Особый вид коррозии – биокоррозия – разрушение материалов под действием живых организмов, например, грибков, микробов. Биокоррозия – это не только гниение органических материалов (древесина), но и разрушение бетона и металла продуктами жизнедеятельности поселившихся в них микроорганизмах.

NB
Коррозия строительных материалов опасна не столько химическими изменениями в материале, сколько изменениями физико-механических характеристик материалов

5.Химические свойства

смесей. К кислотостойким относят: углеродные стали, чугун, кварцит, гранит, базальт, диабаз, силикатное стекло. Кислотостойкость керамических труб - более 92%, а шлакоситалов – до 99%.
Щелочестойкость – способность материалов сопротивляться действию водных растворов щелочей. К щелочестойким относят: специальные хромоникелевые сплавы, известняки, бетоны на основе портландцемента, глиноземистого цемента и др.
Кислотостойкость (щелочестойкость) в миллиграммах на квадратный сантиметр означает максимально допустимую потерю изделия по массе (в мг) на 1 см2 его поверхности при испытаниях, условия которых указаны в каждом отдельном случае.
Кислотостойкость (щелочестойкость), выраженная в процентах, означает отношение массы измельченного изделия после обработки его кислотой (щелочью) к массе этого же изделия до обработки кислотой (щелочью).
Токсичность – способность материала в процессе изготовления и эксплуатации при определенных условиях выделять вредные для здоровья человека вещества. Особенно к ним относят: полимерные материалы, дегти, битумы, краски, лака и др.

операций, изменяющих состояние материала, структуру его поверхности, придающих нужную форму и размеры и т.п.
Технологичность – свойство материалов перерабатываться различными технологическими методами, вследствие чего практически полностью сохраняется его структура и свойства исходного материала. К числу технологических материалов можно отнести, например, полимерные материалы, древесину и др.
Гвоздимость – способность материала удерживать гвозди, шурупы при определенных условиях выдергивания. Эта характеристика важна для стеновых материалов.
Дробимость характеризует способность материалов дробиться вследствие механического действия ударных или сжимающих нагрузок. При этом образуется материал в виде щебня или песка. Дробление можно осуществлять, используя действие электрического шока, термического удара, пневмовзрыва и др. Для некоторых материалов (щебень) определяется марка дробимости.
Полируемость – способность материала принимать обработку абразивными материалами, образуя гладкую блестящую поверхность (мрамор, гранит, кварцит).
Формуемость – способность материала принимать заданную форму при разных воздействиях (прессования, вибрирования, проката и др.).
Слеживаемость – характерна для зернистых, особенно порошкообразных материалов, которые во время длительного хранения могут грудковаться, уплотняться.

климатических и производственных условиях в установленном режиме эксплуатации без потери эксплуатационных качеств. Долговечность характеризует свойство материала с необходимыми перерывами на ремонт сохранять рабочую способность до граничного состояния. Например для ж/б изделий установлены 3 степени долговечности: 1 – не менее 100 лет, 2 – не менее 50 лет, 3 – не менее 20 лет.
Надежность представляет собой обобщающее свойство, характеризующее определение всех свойств материала в процессе эксплуатации.
Безотказность – умение материала сохранять работоспособность при определенных условиях и режимах работы на протяжении определенного времени без принудительных перерывов на ремонт.
Ремонтоспособность – свойство материала воспринимать ремонт и наладки в следствии которых обновляется и сохраняется его техническая характеристика (качество изделия). Показателями ремонтоспособности являются: среднее время, трудоемкость и стоимость ремонта.
Сохранность – способность материала сохранять обусловленные эксплуатационные способности на протяжении и после времени складирования и транспортирования, установленных техническими документами. Оценивают периодом сохранения и транспортирования до появления неисправности.

фактура и т.д.
Фактура – характер лицевой поверхности (гладкая, рифленая).
Блеск придают материалу нанесение глазури, эмали, полируемостью поверхности.

Прозрачность – способность материала пропускать световые волны. К прозрачным материалам относят оконное стекло.

Определяют коэффициентом звукопоглощения, который представляет собой отношение поглощённой звуковой энергии ко всей энергии, падающей на материал. За единицу звукопоглощения условно принимают звукопоглощение 1 м2 открытого окна. Коэффициент звукопоглощения может изменяться в пределах от 0 до 1.
Коэффициент звукопоглощения определяется в так называемой акустической трубе по формуле:
Азв=Епогл/Епад,
где Азв — коэффициент звукопоглощения; Епогл — поглощённая звуковая волна; Епад — падающая звуковая волна;
Eотр — отраженная звуковая волна; Ерас — звуковая волна, рассеянная в материале; Епрош — звуковая волна, прошедшая через материал.
Епогл = Ерас + Епрош
Звукоизоляция – способность материала сопротивляться прохождению звуковой волны.
Звукопроницаемость – способность материала пропускать звуковые волны.