Механические свойства.

Прочность – важнейшее свойство материала, в большинстве случаев определяет возможность его использования в строительной конструкции. В настоящее время принято, что прочность материалов измеряется мегапаскалями (МПа).

Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150-500 МПа), прочность гранитов при сжатии 120-150 МПа, при растяжении менее 10 МПа, прочность бетонов при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10-15 раз меньше.

Наряду со статической прочностью в необходимых случаях определяют динамическую прочность (при однократной динамической нагрузке) и усталостную (при повторных нагрузках).

Упругость – свойство материала обратимо поглощать энергию, передаваемую внешними воздействиями, что выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил, под влиянием которых форма материала в той или иной мере изменилась.

Вязкость – свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации.

С вязкостью и упругостью материалов в известной мере связаны пластичность и хрупкость.

Пластичность – способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость – свойство материалов под влиянием внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов изменяются от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке и пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре. Глины хрупкие в сухом состоянии и пластичны во влажном. Хрупкие материалы плохо сопротивляются растяжению, динамическим и повторным нагрузкам.

Ползучесть – способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие, пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей – хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон). Ползучесть учитывают, если ее деформации влияют на прочность или эксплуатационные свойства материалов в сооружении.

Химические свойства учитывают при оценке пригодности материала для тех или иных целей в строительстве.

Растворимость – способность образовывать истинные растворы в результате взаимодействия материала с водой или другими растворителями. Строительные материалы в большинстве случаев должны быть нерастворимыми в условиях их эксплуатации.

Коррозионная стойкость – свойство материала не разрушаться в агрессивных средах (щелочная, кислотная среда, проточная вода и др.). Наиболее стойкими по отношению к агрессивным средам (воздействию кислот и щелочей) являются керамические материалы, а также изделия из пластмасс. Неустойчивы в кислой среде известняки, доломиты, древесина, портландцементы, в щелочной среде – древесина, битумы.

Атмосферостойкость – свойство материала не разрушаться под воздействием климатических условий (температура воздуха, осадки, солнечная радиация и др.). С атосферостойкостью материала часто связана его склонность к старению вследствие протекания в нем физико-химических процессов и ухудшения свойств. Старение характерно для полимеров, битумов, асфальтобетонов.

Твердение – свойство материала затвердевать (переходить из пластичного состояния в твердое) в результате химических и физико-химических процессов и приобретать ряд новых свойств – сопротивляемость различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды. Твердение обычно оценивают показателями прочности и их изменением во времени.

Адгезия – свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Измеряют адгезию прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Адгезия имеет важное значение в технологии изготовления материалов и конструкций.

Горючесть – свойство материалов принимать участие в быстропротекающей химической реакции, сопровождающейся выделением тепла и света. Материалы могут быть негорючими, горючими, трудно и легко сгораемыми, что учитывают в противопожарных нормах при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений.

Токсичность – свойство некоторых материалов вызывать отравление и заболевание у людей. В работе с такими материалами (дегти, клеи и др.) необходимо строго соблюдать правила охраны труда. Перечисленные свойства не исчерпывают многообразие свойств строительных материалов ни по их перечню, ни по их классификации.

В соответствии с функциональным назначением выделим такие строительно-технические свойства материалов, как конструкционные, изоляционные, технологические, эксплуатационные, декоративные.

Конструкционные свойства обусловливают возможность создания из материала конструкции с заданными механическими свойствами. Поэтому наряду с механическими свойствами к этой группе относят твердость, истираемость, износ материалов, их коэффициент конструктивного качества и др.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит, в частности, истираемость поверхности слоев дорожных покрытий. Для металлов твердость определяют методом вдавливания шарика (метод Бринеля), величиной отскока падающего груза (метод Шора).

Истираемость – способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость определяют на стандартных машинах, вычисляя массу истертого образца к его площади (г/см2). Истираемость имеет большое значение для строительных материалов, используемых в дорожных покрытиях.

Износ – свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.

Изоляционные свойства включают: тепло-, электро-, свето-, звукопроводность, газо-, водо-, паропроницаемость и др. Эти свойства способствуют созданию оптимальных условий в помещениях для работы, жизни человека, эксплуатации машин, оборудования за счет изоляции помещения от окружающей среды. В последнее время все большее значение приобретают свойства материала, обуславливающие радиационную защиту (радиационная проницаемость материала).

Технологические свойства характеризуют поведение материала при технологических процессах, его обработке и переработке (например, буримость, дробимость скальных горных пород, формуемость, слеживаемость, нерасслаиваемость бетонных смесей, вязкость жидкообразных материалов и смесей, твердение, адгезия и др.). По технологическим свойствам судят о возможности переработки и получения доброкачественной продукции из исходных материалов при принятой технологии и имеющемся технологическом оборудовании.

Названные и многие другие свойства оцениваются количественно условными показателями, не согласующимися с принятой международной системой единиц. Поэтому эти показатели в разных странах неодинаковы, в большинстве случаев они нормированы в пределах одной страны, а иногда – в пределах отрасли.

Эксплуатационные свойства. Долговечность материала характеризует продолжительность его работы (срок службы) в конструктивных элементах сооружений и в условиях эксплуатации до предельно допустимого изменения свойств. Долговечность обусловлена способностью материала сопротивляться комплексному воздействию механических нагрузок, изменению температуры и влажности, действию растворов солей, газов, совместному воздействию воды, мороза, солнечных лучей. Критерии долговечности материала комплексны, они зависят от его физических, механических и химических свойств.

С долговечностью материалов связывают выносливость – способность сопротивляться многократно прилагаемым механическим воздействиям, которые ускоряют разрушение строительных материалов, вследствие чего ухудшается их долговечность. Выносливость обычно измеряется количеством нагрузок, которые выдержал материал до разрушения.

Часто долговечность материала характеризуют морозостойкостью – его способностью при попеременном замораживании и оттаивании не проявлять заметных признаков разрушения. При воздействии знакопеременных температур вследствие изменения объемов составляющих материал компонентов (кристаллы, зерна и др.) постепенно нарушаются микросвязи между ними, что приводит к снижению физико-механических свойств. Более интенсивно проявляется воздействие переменных температур на водонасыщенные каменные материалы (строительный кирпич, пористые горные породы, тяжелый цементобетон). В этом случае вода, находящаяся в порах и микротрещинах, замерзая при понижении температуры, переходит в твердое состояние и увеличивается в объеме примерно на 10%. Возникающее давление льда при многократном повторении замораживания–оттаивания постепенно разрушает материал.

Морозостойкость каменных материалов зависит от крупности составляющих, объемной массы и пористости.

Чем мельче кристаллы, больше плотность и меньше открытых пор, тем выше морозостойкость. Чем меньше диаметр пор, тем ниже температура замерзания воды, заключенной в них. Так, при диаметре капилляра 1,5 мм температура замерзания воды 6,4°С, при 0,24 мм – 13,3, при 0,16 мм – 14,6, при 0,06 – 18,4°С.

В зависимости от климатических условий, в которых будет работать материал, к нему предъявляются различные требования по показателю морозостойкости, определяемой количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания до разрушения материала. Часто коэффициент морозостойкости определяют как отношение показателя прочности материала в водонасыщенном состоянии после испытания на морозостойкость к показателю прочности до испытания.

Декоративные свойства обеспечивают эстетические требования к сооружению. К ним относят цвет, яркость, рисунок и особенности поверхности материалов (шероховатость и др.). Этим свойствам все больше и больше уделяют внимания.

Исследованиями установлено, что производительность труда работающих в значительной мере определяется эстетическим оформлением помещений и оборудования.

10.2. Производство цемента и его разновидности

Строительными вяжущими минеральными веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластичную удобнобрабатываемую массу, способную затвердевать в прочное камневидное тело. Они известны людям несколько тысячелетий. К ним относятся: глина, гипс, известь, цемент.

К воздушным вяжущим веществам, которые после смешивания с водой твердеют на воздухе, относятся: воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, кислотоупорные цементы, жидкое стекло; к гидравлическим – портландцемент, глиноземистый цемент, шлаковые цементы.

Из всех вяжущих веществ наибольшее применение получают цементы, которые классифицируют по виду клинкера и вещественному составу, прочности при твердении, скорости твердения, срокам схватывания, специальным свойствам.

Цементы на основе портландцементного клинкера подразделяют на цементы без активных минеральных добавок (различные виды портландцемента и шлакопортландцемента).

По прочности цементного камня различают высокопрочные цементы марок 550, 600 и выше; повышенной прочности 500; рядовые марок 300 и 400; низкопрочные марок ниже 300.

По скорости твердения цементы различают: особо быстро твердеющие (1 сутки), быстротвердеющие (от 3 до 28 суток), обычные (свыше 28 суток).

По срокам схватывания различают быстросхватывающиеся цементы (менее 45 мин), нормальносхватывающиеся (от 45 до 90 мин), и медленносхватывающиеся (более 1,5 часа).

Портландцемент представляет собой продукт тонкого измельчения цементного клинкера, получаемого в результате обжига до спекания сырьевой массы известняка и глины, обеспечивающий преобладание в цементе силикатов кальция. Этот важнейший строительный материал по производству и применению занимает основное место среди других
вяжущих.

Качество клинкера зависит от его химического и минералогического состава. Для получения портландцемента высокого качества клинкер должен содержать 75-78% известняка и 22-25% глины. Таким природным сырьем являются известковые мергели, но в природе их мало, поэтому цементные заводы используют искусственные смеси.

Технологический процесс производства цемента состоит из подготовки сырьевых материалов, приготовления смеси, обжига сырьевой массы и получения цементного клинкера, измельчения клинкера в тонкий порошок и смешения его с добавками.

Исходный материал измельчают в щековых или валковых дробилках; мел, глину добавляют в железобетонные резервуары, из которых глиняный шлам перекачивается в трубную мельницу. Последняя представляет собой стальной цилиндр диаметром 3 м и высотой до 15 м, вращающийся вокруг горизонтальной оси.

Внутри мельница разделена перегородками на 3-4 камеры. Материал, подаваемый с одного конца мельницы, постоянно перемещается к другому и измельчается перекатывающимися стальными шарами. Тонко измельченный материал подается насосом в шламбассейны (железобетонные или стальные резервуары), в которых корректируется химический состав шлама.

Обжиг сырьевой смеси производится во вращающихся печах из листовой стали, футерованных внутри огнеупорным материалом. Вращающиеся печи работают по принципу противотока, т.е. сырье и топливно-воздушная смесь движутся навстречу другу другу. Поток раскаленных газов разогревает массу до требуемой температуры, происходит выгорание органических веществ, спекание массы. Затем раскаленный клинкер охлаждается в колосниковых холодильниках до 50-200°С и в виде малых гранул направляется на склад, где вылеживается две недели.

Помол (измельчение клинкера) осуществляется в трубных лентокамерных мельницах. Готовый цемент транспортируется пневматически в шлосы для охлаждения, затем его расфасовывают по 50 кг в многослойные бумажные мешки или загружают в специально оборудованные автомобили (цементовозы), в железнодорожные или водные транспортные средства. Хранить цемент следует в закрытых складах с плотной крышей, стенами и деревянным полом с целью защиты от воздействия влаги. Следует учесть, что активность цемента снижается при хранении: через 3 месяца – на 20%, 6 месяцев – 30% и через год на 40%.

Цементная промышленность Украины выпускает различные марки цементов и портландцементов. Быстротвердеющий портландцемент БТЦ марок 400, 500 обеспечивает повышенную прочность и используется в немассивных железобетонных конструкциях. Особобыстротвердеющий (ОБТЦ) и сверхбыстротвердеющий (СБТЦ) цементы марок 500, 600 обеспечивают высокую прочность и применяются в основном для аварийно-восстановительных работ и в тех условиях, когда предъявляются высокие требования по темпам начального твердения.

Шлакопортландцемент получают измельчением клинкера, гранулированного шлака и гипса. Марки цемента 300, 400, 500 применяются для изготовления железобетонных сборных изделий, при устройстве монолитных надземных, подземных и подводных конструкций, подвергающихся действию грунтовых вод.

Сульфатостойкий портландцемент марок 300, 400, 500 применяют для подземных и подводных конструкций, подвергающихся сульфатной коррозии, а также для бетонов повышенной морозостойкости. Его получают измельчением портландцементного клинкера с добавлением гипса.

Белый и цветной портландцементы получают из чистых известняков и белых глин (белый) и с добавлением минеральных и органических красителей и гипса (цветной). Они предназначены для архитектурно-отделочных работ. По цвету портландцементы подразделяют на красный, желтый, зеленый, голубой, розовый, коричневый и черный, по механической прочности – на марки 300, 400, 500.

10.3. Производство гипса и извести

Гипсовые вяжущие вещества(гипс) получают в результате тепловой обработки сырья и его помола, в основном состоящего из полуводного гипса или ангидрида. Сырьем для производства гипса служит природный гипсовый камень CaSO4·2H2O и природный ангидрид CaSO4, а также отходы химической промышленности, содержащие соединения кальция.

Как и цемент, гипс обжигается в печах, затем размалывается в мельницах. Различают гипс: строительный, формовочный, высокопрочный. Гипс – быстросхватывающее и быстротвердеющее вяжущее вещество. Сроки схватывания – до 15 мин (марка А), до 30 мин (марки Б) и свыше 30 мин (марки В).

Строительный гипс применяют для производства гипсовых и гипсобетонных строительных изделий и материалов для внутренних элементов зданий и сооружений (панелей и плит для перегородок, сухой штукатурки, для декоративных и отделочных материалов).

Строительной известью называется вяжущее вещество, получаемое в результате умеренного обжига (не до спекания) и последующего помола кальциево-магниевых карбонатных горных пород – известняка, мела, доломита.

Технологический процесс производства строительной извести состоит из подготовки сырья (дробления, сортировки), обжига, помола или гашения комовой извести.

Обжиг извести ведут во вращающихся шахтных печах диаметром до 4 и высотой до 20 м. Средняя зона – зона обжига, куда подается топливо (газ) и где развивается температура 1000-1200°С. В результате обжига получают негашеную комовую известь, которая поступает на помол или гашение. Молотая негашеная известь получается путем тонкого измельчения комовой извести на мельницах, куда и вводят минеральные добавки. Наиболее важные показатели качества извести: активность (зависящая от процентного содержания отходов магния, способных гаситься), продолжительность гашения.

Гидратная (гашеная известь) представляет собой тонкодисперсный порошок белого цвета и получается путем добавления в негашеную известь воды 70-100% от массы извести. При взаимодействии оксидов кальция и магния с водой образуются их гидрооксиды, процесс сопровождается выделением большого количества тепла.

Твердение извести может происходить только в воздушно-сухой среде в результате испарения воды и кристаллизации гидрооксидов кальция и магния. Твердеет гашеная известь медленно, и прочность ее камня невысока.

Строительная известь применяется для изготовления искусственных каменных материалов – силикатных бетонов и кирпичей, приготовления строительных растворов, в производстве гидравлических вяжущих – известково-шлаковых цементов, в качестве покрасочных составов.

10.4. Производство безобжиговых каменных материалов

Искусственные безобжиговые каменные строительные материалы и изделия получают из растворных или бетонных смесей путем их формования с последующим твердением. В качестве вяжущих применяют цемент, известь, гипс, магнезит. Заполнителями служат кварцевый песок, шлак, пемза, древесные опилки и др. Для повышения прочности при изгибе изделия армируют волокнистыми материалами (асбестом, древесиной, стальной арматурой и др.).

В зависимости от вида вяжущего вещества искусственные безобжиговые материалы и изделия разделяют на 4 группы:

1. Силикатные материалы и изделия, получаемые на основе извести: силикатный кирпич, известково-шлаковые, известково-зольные блоки внутренних несущих стен зданий, панели перекрытий и несущих перегородок, лестничные ступени, плиты, балки и др.

2. Гипсовые и гипсобетонные изделия, получаемые на основе строительного гипса: панели и плиты перегородочные, листы обшивочные, плиты теплоизоляционные, камни для кладки наружных стен, изделия для перекрытий, облицовочные плиты, вентиляционные блоки, огнезащитные изделия и др.

3. Материалы и изделия на основе магнезиальных вяжущих: теплоизоляционный фибронит для утепления стен, полов и перекрытий и конструктивный для заполнения стен, перегородок и перекрытий каркасных зданий, фибролитовая фанера, используемая в качестве штукатурки, ксилолит для устройства сплошных бесшовных и плиточных полов и др.

4. Асбоцементные изделия, получаемые на основе портландцемента с добавлением асбеста: кровельные панели и плиты, покрытия и подвесные потолки, стеновые панели и плиты, перегородки, электротехнические дугостойкие панели и др.

При автоклавной обработке известково-песчаных смесей при давлении пара 0,8 МПа и температуре 170°С и выше могут быть получены очень прочные, водостойкие и долговечные материалы. Это объясняется тем, что в среде насыщенного пара при указанной температуре кремнезем химически взаимодействует с известью, образуя гидросиликаты кальция – прочное и водостойкое вещество. Этим способом изготавливают силикатный кирпич, камни для кладки стен, крупноразмерные сборные железобетонные изделия.

10.5. Производство бетона, железобетона и изделий из них

Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей. Затворенное водой вяжущее вещество (цемент, портландцемент и др.) образует клеющее тесто, которое обволакивает тонким слоем зерна песка и щебня, а затем со временем затвердевает, связывая при этом заполнитель в монолитный прочный камень – бетон.

Строительные бетоны классифицируют:

а) по виду вяжущего вещества – цементные, силикатные, гипсобетоны, асфальтобетоны, полуцементные бетоны;

б) по плотности в сухом состоянии – особо тяжелые (плотность более 2500 кг/м3), тяжелые (1800-2500 кг/м3), легкие (500-1800 кг/м3) и особо легкие (до 500 кг/м3);

в) по назначению тяжелые бетоны разделяют на обычный тяжелый для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий, гидротехнический, дорожный, декоративный; специального назначения – кислотоупорный, жаростойкий, химически стойкий, для защиты от радиации и др.

Легкие бетоны по назначению делят на конструктивные, воспринимающие внешние нагрузки; конструктивно-теплоизоляционные для ограждающих конструкций; теплоизоляционные. Заполнителем для легких бетонов служат природные и искусственные сыпучие пористые материалы (например, щебень и песок из пемзы и вулканического туфа, пористых известняков и др.), шлаковая пемза (из металлургических шлаков), керамзит и др.

Заполнителем для цементных бетонов служит песок с крупностью зерен 0,14-5 мм, гравий или щебень (5-70 мм). Выбор соответствующей фракции заполнителя зависит от назначения бетона и вида конструкции, в которую ее укладывают.

Железобетон представляет собой строительный материал, в котором соединены в монолитное целое затвердевший бетон и стальная арматура. Бетон воспринимает сжимающие усилия, а арматура – растягивающие. Оба материала работают совместно, так как, имеют близкие коэффициенты температурного расширения в интервале температур до 100°С. Железобетон как строительный материал, обладает высокой прочностью, огнестойкостью и долговечностью. Железобетонным конструкциям при изготовлении могут быть приданы любые конструктивные и архитектурные формы. К недостаткам железобетона относят большую массу конструкций, повышенные тепло- и звукопроводность, низкую трещиностойкость. Железобетонные конструкции в зависимости от методов возведения сооружений и назначения бывают трех видов: монолитные, сборные и сборно-монолитные.

Монолитные конструкции получают непосредственно на строительной площадке с выполнением операций по установке опалубки, монтажу арматурных каркасов и укладке бетонной смеси. После приобретения бетоном достаточной прочности (обычно через 7 суток) опалубку разбирают или в случае необходимости наращивают. Из монолитного железобетона обычно выполняют массивные фундаменты и возводят специальные сооружения (плотины, дымовые трубы и др.).

Сборные железобетонные конструкции изготовляют на заводах, а на строительной площадке готовые конструкции монтируют. Сборный железобетон широко применяется практически во всех видах промышленного и гражданского строительства.

Сборно-монолитные конструкции – сочетание сборных конструкций, выполняющих в процессе возведения роль опалубки, и монолитного бетона, укладываемого на месте строительства для придания конструкциям проектных размеров. Применяют обычно при возведении массивных конструкций, изготовление которых на заводах невозможно.

По назначению сборные бетонные и железобетонные изделия условно разделяют на 4 группы:

1) для жилых и гражданских зданий – изделия для фундаментов и подземных частей зданий, конструкции для каркасов зданий, стеновые блоки и панели, плиты и панели для перекрытий и покрытий, сборные лестничные марши, балконы и др.;

2) для промышленных зданий – изделия для фундаментов и подземных частей зданий, для каркасов, плиты и панели перекрытий и покрытий, стеновые панели, конструкции специального назначения и др.;

3) для инженерных сооружений – опорные конструкции мостов, опоры контактных сетей, трубы, дорожные и аэродромные плиты, шпалы, оболочки для резервуаров и др.;

4) изделия общего назначения.

Сборные бетонные и железобетонные изделия выпускают механизированные заводы железобетонных изделий, цехи крупнопанельного домостроения.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Строительные материалы

Плотность

Пористость

Водопоглощение

Водонасыщение

Теплопроводность

Прочность

Пластичность

Хрупкость

Коррозийная стойкость

Декоративные свойства

Вяжущие минеральные вещества

Клинкер

Портландцемент

Мергель

Марка цемента

Гипс

Известь гидратная

Безобжиговые каменные материалы

Бетон

Железобетон

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Какими свойствами определяют пригодность материалов для конкретных условий?

2. Раскройте суть физических свойств строительных материалов.

3. Раскройте суть механических свойств строительных материалов.

4. Химические свойства строительных материалов.

5. Конструкционные и изоляционные свойства материалов.

6. Технологические и эксплуатационные свойства материалов.

7. Перечислите воздушные и гидравлические вяжущие материалы.

8. Классификация цементов.

9. Перечислите сырье для производства цемента.

10. Технологический процесс для производства цемента.

11. Производство гипса и извести: сырье, технологический процесс, использование.

12. Производство безобжиговых каменных материалов: сырье группы, технология.

13. Производство бетона, железобетона и изделий из них: сырье, классификация, технология.