Механические свойства строительных материалов
Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений. Предел прочности — напряжение соответствующей нагрузки, при которой происходит разрушение образца.
Основные характеристики стройматериалов
Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от приложенных нагрузок.
Прочность строительных материалов можно охарактеризовать пределом прочности при механическом воздействии: срезе, изгибании, растяжении, сжатии, срезе.
Предел прочности — напряжение соответствующей нагрузки, при которой происходит разрушение образца.
Предел прочности — минимальная величина воздействия, при которой материал начинается разрушаться.
Прочность устанавливается в качестве маркировки.
Предельную величину определяют путем проведения различных испытаний образца материала. Среди стройматериалов наименьшим пределом прочности обладают тор-фоплиты — всего 0,5 Мпа.
Самый прочный материал — это высококачественная сталь — до 1000 Мпа.
Упругость — свойство материала под воздействием нагрузок деформироваться и принимать после снятия напряжения исходные форму и размеры (резина). В отличии от хрупких тел упругие под воздействием внешних сил не разрушаются, а только деформируются.
При прекращении действия материал приобретает первоначальную форму. Ярким примером является резина. Если взять кусок этого материала и растянуть в разные стороны, то он удлинится, но стоит отпустить одну сторону — резина приобретет начальные размеры.
Пластичность — свойство материала под воздействием нагрузки принимать другую форму и сохранять ее после снятия нагрузки.
Хрупкость — свойство материала мгновенно разрушаться под действием сил (стекло, керамика). Под хрупкостью понимают способность вещества мгновенно разрушаться при незначительной деформации. Иными словами механическое воздействие на тело приводит к появлению трещин или раскалыванию. Примером хрупких материалов является стекло и керамика.
Сопротивление удару — способность сопротивляться воздействию ударных нагрузок.
Твердость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала (по шкале Мооса). Под твердостью понимается способность одного вещества оказывать сопротивление воздействию другого, более твердого. Для оценивания данного показатели принято использовать десятибалльную шкалу. Минимальную твердость имеет тальк-1, самый твердый материал — алмаз, с максимальным значением в 10 балов.
Износ — разрушение материала под совместным воздействием ударных и истирающих усилий. Измеряется потерей массы в %.
Стираемость. Способность материала под действием силы трения терять свою массу и объем. Зачастую эту способность учитывают при организации дорожного покрытия, а также укладке полов в общественных местах.
При строительстве и ремонте зданий очень важно учитывать все свойства используемых материалов, так как от них будет зависеть срок службы и надежность конструкций.
Основные свойства стройматериалов:
Плотность. Представляет собой отношение массы материала к его объему в стандартных условиях, то есть с учетом пустот и пор. Чем больше количество пор, тем, соответственно меньше плотность вещества.
Плотность определяет массу строительной конструкции, ее теплопроводность и прочность.
2) Прочность строительного материала. Свойство вещества оказывать сопротивление нагрузке. Конструкции здания постоянно испытывают нагрузки разного рода, под которыми они сжимаются, растягиваются или сгибаются. Строительный материал ни в коем случае не должен терять свою структуру или разрушаться.
3) Теплопроводность. Характеризуется количеством тепла, которое проходит через толщину материала в один метр при разнице внешней и внутренней температуры в один градус по Цельсию.
Основными факторами, которые влияют на теплопроводность вещества — это показатель плотности степень влажности. Чем меньше их значение, тем меньше тепла пропускает материал.
4) Влажность. Количество влаги, которое содержится в порах материала, называют влажностью. Она рассчитывается в процентном соотношении к массе идеально сухого материала. Чем выше показатель влажности, тем меньше прочность материала и выше теплопроводность.
5) Водопроницаемость. Данный показатель показывает количество воды, которое может пройти через материал площадью один сантиметр за один час. Для расчета данного показателя используют специальные камеры, в которых создают условия приближенные к реальным. Например, чтобы рассчитать водопроницаемость наружных плит их помещают под установку, которая имитирует косой дождь. Кровельные материалы испытывают на выносливость: то есть помещают под струю воды и рассчитывают время, через которое на другой стороне вещества появятся следы влаги.
6) Морозоустойчивость. Свойство влажного материала сохранять свою структуру при неоднократной заморозке. Испытания проходят по такому алгоритму: материал напитывают влагой и помещают в морозильную камеру. Далее процесс заморозки чередуется с разморозкой. В зависимости от количества циклов, которое может выдержать вещество ем присваивается соответствующие значения при маркировке.
7) Огнестойкость. Способность материала сохранять свою структуру при воздействии высоких температур. Предел огнестойкости определяется как время, через которое конструкция уже не сможет сохранять свою прочность.
Строительные материалы классифицируют по нескольким параметрам в зависимость от их способности гореть, воспламеняться и тлеть.
Основные свойства строительных материалов: механические, физические, химические и технологические. Классификация стройматериалов и новинки в современном строительстве
Надежность, долговечность и безопасность того или иного сооружения во многом зависят от качества строительных материалов, которые были использованы для его возведения. Вот почему к их выбору стоит подходить крайне внимательно. Чтобы подобрать хорошие стройматериалы, необходимо хоть немного ориентироваться в широком перечне их технологических свойств и качеств. В этой статье пойдет речь о видах, применении и основных свойствах строительных материалов. Кроме того, вы узнаете о некоторых новинках современного строительного рынка.
Эволюция стройматериалов
Под строительными материалами подразумеваются разнообразные по составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам вещества, которые используются или же могут быть использованы для возведения различных зданий и инженерно-технических сооружений. В историческом разрезе они возникли именно в тот момент, когда первобытный человек изготовил свои первые примитивные орудия труда и впервые задумался о том, чтобы соорудить крышу над своей головой.
Изначально человечество пользовалось тем, что было под рукой – древесиной, соломой, глиной, ветвями пальм. Природными красителями наносились рисунки на стены пещер и простейших жилищ. В древних городах Ближнего Востока была изобретена керамика, которая через Египет проникла в Западную Европу. С развитием науки и техники появлялись совершенно новые конструкционные и отделочные материалы.
В целом в эволюции строительной индустрии можно выделить три исторических этапа, для каждого из которых характерен свой набор материалов:
Далее мы более подробно остановимся на основных свойствах строительных материалов и изделий. Что это за качества и насколько важно учитывать их при возведении какого-либо здания?
Классификация основных свойств строительных материалов
Строительный бизнес остается одним из самых прибыльных в наши дни. Современный рынок предлагает невероятно широкий выбор различных стройматериалов, элементов отделки, смесей и растворов. Практически ежегодно появляются десятки новейших наименований. И уследить за всеми новинками этого рынка не так-то просто.
Определение основных свойств строительных материалов – крайне важная задача. Ведь только благодаря этому, из всего многообразия предлагаемых продуктов можно выбрать именно те материалы, которые идеально подойдут для возведения конкретного объекта. Важно отметить, что все эти свойства не являются постоянными. Более того, они изменяются под воздействием тех условий (природных, климатических и т. п.), в которых будет эксплуатироваться здание.
Основные свойства строительных материалов принято делить на четыре группы:
Рассмотрим более подробно каждую из групп
Физические качества
К основным физическим свойствам строительных материалов относятся следующие:
Среди основных свойств строительных материалов особое место занимают гигроскопичность (способность породы поглощать и удерживать влагу), водоустойчивость и водопроницаемость (способность пропускать через себя воду под давлением). Эти качества особенно важны при строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, дамб и речных плотин.
Механические качества
Перечислим основные механические свойства строительных материалов. Это:
Под твердостью подразумевается способность вещества противостоять проникновению в него постороннего тела. Для твердых материалов минерального происхождения разработана 10-балльная шкала твердости (по Моосу). Одному балу в ней соответствует тальк, а десяти балам – алмаз (см. схему ниже). Для определения твердости металлов и пластмасс используются различные методики (например, метод Бринелля или Виккерса).
Еще одна важная характеристика – это прочность. В частности, в строительстве учитываются пределы прочности стройматериалов на изгиб и на сжатие. Расчет данных параметров важен для определения допустимых нагрузок на конструкцию. Кстати, по этим показателям все стройматериалы делятся на две группы:
Под сопротивляемостью понимают количество работы, необходимое для полного разрушения образца, а под износом – устойчивость материала по отношению к ударным и истирающим нагрузкам, воздействующим одновременно. Обе эти характеристики являются основными свойствами дорожно-строительных материалов.
Химические качества
К химическим свойствам стройматериалов относятся:
Адгезия – это способность к соединению жидких и твердых веществ, которая обусловлена межмолекулярным взаимодействием. Именно благодаря этому качеству возникли такие стройматериалы, как цемент. Растворимость – это способность вещества создавать с жидким растворителем особую систему (раствор). Она зависит от нескольких факторов – температуры, давления, химического состава вещества.
Процесс, при котором из расплавов и растворов образуются кристаллы, называется кристаллизацией. Его широко используют для получения многих каменных материалов искусственного происхождения.
Очень важна химическая устойчивость того или иного стройматериала. Она показывает, насколько материал способен противостоять разрушительным воздействиям различных агрессивных веществ. Для этого рассчитывается специальный коэффициент (как отношение массы материала после химического воздействия к изначальной массе того же материала). Чем ближе этот коэффициент к единице – тем устойчивее является вещество к агрессивной химической среде.
Технологические качества
К технологическим свойствам стройматериалов относятся:
Все эти свойства выражают способность того или иного материала к восприятию или не восприятию определенных технологических операций с целью изменения его формы, размера или же плотности. Они показывают, насколько материал поддается механической обработке, шлифовке, полировке.
Примерами технологичных материалов являются глина и древесина. Менее технологичны металлы, хотя их тоже можно обрабатывать как в расплавленном, так и в холодном состоянии.
Классификация стройматериалов
По способу получения все строительные материалы делят на:
По своему происхождению они бывают:
В общем и целом условно можно выделить девять групп строительных материалов:
Новинки строительного рынка
Строительная индустрия в наше время развивается стремительными и очень бурными темпами. Ежегодно на этом рынке появляется ряд совершенно новых стройматериалов. Давайте вкратце познакомимся с самыми интересными из этих новинок.
Пеностекло – материал, который был изобретен в США еще в 40-е годы. Однако на нашем рынке он появился лишь в последние десятилетия. Его производят при очень высоких температурах (до 800-900 градусов). Гранулированное пеностекло успешно используют для утепления стен, фундамента, а также для теплоизоляции трубопроводов. Ведь оно может полностью повторять любую конфигурацию труб. Пожалуй, это основное свойство строительного материала. Кроме того, пеностекло обладает очень высокой прочностью на сжатие.
Цветной кирпич – стройматериал, появление которого на ура восприняли все архитекторы и дизайнеры. Ведь он позволяет реализовать самые смелые и самые креативные идеи. К тому же такой кирпич способен надолго сохранять свой изначальный внешний вид. Его уже широко применяют для облицовки многоэтажных зданий во многих городах.
Еще одна новинка последних лет – кортеновская сталь. В строительной практике она появилась совсем недавно – в начале 2000-х. Листы легированной стали отличаются высокой прочностью и необычным внешним видом. Они широко используются не только в промышленном, но и в жилом строительстве. Кроме того, кортеновская сталь нашла свое применение и в уличном городском искусстве.
В заключение…
Чтобы возвести надежный и красивый дом – нужны качественные стройматериалы. А чтобы выбрать таковые, необходимо хорошо разбираться в их свойствах. Они делятся на четыре группы: физические, химические, механические и технологические. К самым главным свойствам стройматериалов относятся: плотность, прочность, пористость, износоустойчивость, морозостойкость и химическая стойкость.
Как выбирать строительные материалы: свойства и классификация
Содержание статьи:
Строительные материалы, используемые при строительстве и ремонте, должны обеспечивать определенный срок эксплуатации, комфорт и безопасность дома, коттеджа, квартиры. Для выбора подходящего стройматериала необходимо знать виды и классификацию выпускаемой продукции, ориентироваться в перечне контролируемых свойств и их показателей.
Ниже дано описание классификации и свойств строительных материалов, которое поможет лучше ориентироваться при выборе стройматериалов для строительства или ремонта.
Классификация стройматериалов
Все строительные материалы классифицируют по назначению, виду и способу получения:
— по назначению строительные материалы делят на:
— по виду различают стройматериалы:
— по способу получения строительные материалы делятся на:
Свойства стройматериалов
Свойства любого материала зависят от его состава и структуры и могут изменяться в широких пределах. При этом они не являются постоянными, а изменяются с течением времени под воздействием среды, в которой эксплуатируется здание.
Скорость изменений может меняться от очень медленной (например, разрушение горных пород) до быстрой (повышение хрупкости полимеров под воздействием ультрафиолетовых лучей или вымывание из бетона растворимых веществ).
Поэтому при выборе стройматериалов для строительства дома необходимо руководствоваться не только теми свойствами, которыми они обладают в изначальном состоянии, но и их стойкостью, обеспечивающей срок эксплуатации, как отдельного изделия, так и сооружения в целом.
Свойства строительных материалов условно делят на:
Ниже дана наглядная схема с указанием перечня конкретных свойств, по которым нужно сравнивать и выбирать стройматериалы.
Механические свойства
Механические свойства отражают поведение строительных материалов под воздействием различного вида нагрузок (сжимающих, растягивающих, изгибающих и т.п.).
Механические воздействия вызывают некоторые деформации. В случае, когда внешние нагрузки невелики, деформации вызванные ими, являются упругими, так как после того как нагрузки снимаются, материал возвращается к прежним размерам.
При достижении внешнего воздействия значительной величины помимо упругих деформаций появляются пластические, которые приводят к необратимым изменениям, а при достижении определенной предельной величины материал начинает разрушаться.
В зависимости от поведения под нагрузкой стройматериалы подразделяются на:
Ниже дан перечень механических свойств, определяемых для разных видов стройматериалов:
1. Прочность — характеризуется пределом прочности – отношение нагрузки, влекущей разрушение материала, к площади сечения. В зависимости от вида воздействующих сил различают:
Шкала твердости Мооса
При выборе строительных материалов руководствуются тем, что допускаемые в конструкциях напряжения на прочность должны составлять только часть их предела прочности. Иными словами должен быть некоторый запас прочности.
Запас прочности необходим из-за неоднородности строения строительных материалов и невозможности учета многократного переменного действия нагрузки, старения материалов и т.п. Обязательный запас прочности устанавливается в СНиПах и других строительных нормативах в зависимости от вида материала, его использования, долговечности строящегося здания.
Показатель твердости важен при выборе материалов, используемых в конструкциях, подвергающихся износу и истиранию: дорожные покрытия, полы и т.п.
4. Сопротивление удару — характеризуется количеством работы, требуемой для разрушения образца, отнесенным к единице объема. Применяется для материалов покрытия полов в цехах заводов и фабрик.
Физические свойства
Строительные материалы имеют следующие физические свойства:
Общефизические характеристики:
За единицу условно берут плотность воды при температуре 4 0 С. Большинство строительных материалов имеют истинную плотность больше единицы:
Средняя плотность стройматериалов колеблется от 10 кг/м 3 (полимерная воздухонаполненная мипора) до 2500 кг/м 3 (тяжелый бетон) и 7850 кг/м 3 (сталь). Для пористых материалов средняя плотность меньше истинной, а для абсолютно плотных (лаки, краски, стекла, металлы) — эти показатели равны.
— насыпная плотность (рн) – определяется для насыпных стройматериалов и означает массу единицы объема сыпучих материалов в свободном насыпном состоянии (без уплотнения).
— общая (полная) пористость (Пп) – рассчитывается по величине истинной и средней плотности:
Общая пористость прочного конструкционного бетона колеблется в интервале 5-10%, кирпича – 25-35%, пенопласта – 95%.
— открытая (капиллярная) пористость (По) – определяется по водопоглощению материала:
На свойства материала влияет не только показатель пористости, но и размер пор. Так, если количество замкнутых пор увеличивается, а их величина уменьшается, то повышается морозостойкость материала, а его теплопроводность снижается. При наличии крупных пор материал становится неморозостойким, проницаемым для воды, но при этом появляются значительные звукопоглощающие свойства.
Гидрофизические свойства:
При уменьшении размера пор гигроскопичность выше, при этом в случае снижении влажности воздуха поглощенная влага испаряется. Гигроскопичность зависит от состава материала: некоторые из них притягивают молекулы воды и называются гидрофильными – бетон, стекло, древесина, кирпич; другие отталкивают и называются гидрофобными – полимерные стройматериалы, битум.
2. Водопоглощение – способность впитывать и удерживать воду. Показывает количество воды, поглощенной веществом, высушенным до постоянной массы и полностью погруженным в воду. Зависит от объема и природы пор (замкнутые или открытые), а также гидрофильности материала. Водопоглощение гранита 0,02-0,7%, тяжелого бетона – 2-4%, кирпича 8-15%. При насыщении водой стройматериалы меняют свои свойства: увеличивается их средняя плотность, объем и теплопроводность, а прочность снижается.
3. Водостойкость – характеризуется коэффициентом размягчения — отношение предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии. Коэффициент равен единице для металла и стекла, нулю для гипса и глины.
Материалы, у которых коэффициент водостойкости > 0,8 – считаются водостойкими, а если о С и относительной влажности воздуха 60%.
5. Водопроницаемость – способность пропускать воду под давлением. Оценивается по значению коэффициента фильтрации, равного количеству воды, просочившемуся в течение 1 часа через 1 кв.м. площади материала при постоянном давлении. Показатель важен при строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, стен подвалов при высоком уровне грунтовых вод.
6. Водонепроницаемость – характеризуется величиной, обратной коэффициенту фильтрации. Обозначается маркой W2, … W12, отражающей одностороннее гидростатическое давление в МПа (0,2; … ;1,2), при котором материал не пропускает воду.
Если через строительный материал проникают газообразные продукты, то контролируют газопроницаемость, если воздух – воздухопроницаемость, пар – паропроницаемость.
При выборе строительных материалов для стен, покрытий зданий и защиты фасадов важны показатели паро- и воздухопроницаемости. Они должны быть дышащими, т.е. свободно пропускать пар из помещения, чтобы избежать повышения влажности. Учет воздухопроницаемости важен и при возведении наружных стен, и если она высокая, как, например, у крупнопористого бетона, то поверхность необходимо штукатурить для предотвращения продуваемости.
7. Морозостойкость – способность материала сохранять свою прочность при многократном попеременном замораживании в водонасыщенном состоянии и оттаивании в воде. Материал способен выдерживать морозное разрушение за счет наличия в его структуре замкнутых пор, в которые отжимается часть воды при кристаллизации льда. Марка морозостойкости строительных материалов обозначается F и показывает число циклов замораживания-оттаивания, которые способен выдержать материал без снижения прочности на 5-25% и массы на 3-5% в зависимости от назначения стройматериала: F50…F500 для тяжелого бетона; F25…F500 для легкого бетона; F15…F100 для кирпича, стеновых керамических камней.
Теплотехнические свойства:
1. Теплопроводность – способность пропускать тепловой поток в условиях разных температур поверхности изделия. Характеризуется коэффициентом теплопроводности, равному количеству тепла, проходящего через стену толщиной 1 м площадью 1 кв.м. за 1 час при разности температур противоположных поверхностей стены 1 К, единица измерения – Вт/(м*К).
Теплопроводность зависит от вида материала, его строения, характера его пористости, влажности и температуры. При волокнистом строении материала, тепло вдоль волокон передается быстрее, чем поперек. Крупнопористые стройматериалы имеют большую теплопроводность, чем мелкопористые. При наличии в материале замкнутых пор теплопроводность меньше, чем при наличии сообщающихся пор. Вода в порах повышает теплопроводность, а при замерзании воды в порах теплопроводность повышается ещё больше.
Значение теплоемкости: неорганических строительных материалов (кирпич, бетон, природные камни) изменяется в пределах 0,75-0,92 кДж/(кг*К); древесины – 2,72 кДж/(кг*К). Так как вода обладает наибольшей теплоемкостью – 4 кДж/(кг*К), повышение влажности стройматериала влечет рост его теплоемкости.
3. Термостойкость – способность выдерживать без разрушения определенное количество резких колебаний температуры. Свойство определяется для огнеупорных и теплоизоляционных стройматериалов. Единица измерения – количество теплосмен.
4. Жаростойкость – способность выдерживать без нарушения сплошности и нарушения прочности температуру до 1000 о С.
5. Огнеупорность – способность выдерживать без разрушения и деформаций длительное воздействие высоких температур. В зависимости от показателей огнеупорности строительные материалы подразделяют на: огнеупорные – работающие без снижения свойств при температуре большей 1580 о С; тугоплавкие – 1580-1350 о С; легкоплавкие – менее 1350 о С.
6. Огнестойкость – способность в течение определенного времени сопротивляться действию огня при пожаре. В зависимости от категории здания по пожаробезопасности СНиПы устанавливают к конструктивным строительным материалам определенные требования по огнестойкости.
Оценка показателя осуществляется в зависимости от показателя возгораемости, основанного на 3 признаках предельного состояния: потеря несущей способности, сплошности и теплоизолирующих свойств. Предел огнестойкости характеризуется временем в часах с начала теплового воздействия и до возникновения одного из признаков предельного состояния. При этом стройматериалы делятся на:
Акустические свойства:
Материал является звукопоглощающим, если у него коэффициент звукопоглощения больше 0,2. Такие материалы обладают открытой пористостью или шероховатой, рельефной поверхностью, поглощающей звук.
2. Звукоизоляция – способность ослаблять ударный звук, передающийся через строительные конструкции дома из одного помещения в другое.
3. Виброизоляция и вибропоглощение – предотвращение передачи вибрации от механизмов и машин к строительным конструкциям зданий.
Химические свойства
Химические свойства отражают способность строительного материала к химическому взаимодействию с другими веществами и определяются следующими показателями:
1. Химическая активность. Различают положительную и отрицательную химическую активность:
2. Адгезия — соединение жидких и твердых стройматериалов по поверхности, обусловленное межмолекулярным воздействием. В результате получаются многокомпонентные строительные материалы, например, железобетон, прочность которого обеспечивается монолитным соединением арматуры и заполнителей бетона с цементным камнем за счет адгезии.
Показатель растворимости вещества называется произведением растворимости (ПР), которое отражает предельное содержание растворенного вещества в граммах на 100 мл раствора при нормальном давлении и заданной температуре.
Растворение и кристаллизация – основные процессы для получения искусственных каменных строительных материалов на основе цемента, извести, гипса.
Органические строительные материалы (битумы, древесина, пластмассы) при обычной температуре достаточно стойки к воздействию щелочей и кислот средней и слабой концентрации.
Стойкость неорганических строительных материалов к коррозии зависит от их состава.
В видео показан процесс проведения испытаний для определения свойств бетона: