Общие сведения о строительных материалах

Строительные  материалы. Лекции. 

Общие сведения о строительных материалах.

 

В процессе строительства, эксплуатации и ремонта зданий и сооружений строительные изделия и конструкции  из которых они возводятся подвергаются различным физико-механическим, физическим и технологическим воздействиям. От инженера-гидротехника требуется со знанием дела правильно выбрать материал, изделия или конструкцию которая обладает достаточной стойкостью, надёжностью и долговечностью для конкретных условий.

 

ЛЕКЦИЯ №1

 Общие сведения  о строительных материалах и их основные свойства.

Строительные материалы  и изделия, применяемые при строительстве, реконструкции и ремонте различных  зданий и сооружений, делятся на природные и искусственные, которые  в свою очередь подразделяются на две основные категории: к первой категории относят: кирпич, бетон, цемент, лесоматериалы и др. Их применяют при возведении различных элементов зданий (стен, перекрытий, покрытий, полов). Ко второй категории -  специального назначения: гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические и др.

Основными видами строительных материалов и изделий являются: каменные природные  строительные материалы из них; вяжущие  материалы неорганические и органические; лесные материалы и изделия из них; металлические изделия. В зависимости  от назначения, условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений подбираются соответствующие строительные материалы, которые обладают определёнными качествами и защитными свойствами от воздействия на них различной внешней среды. Учитывая эти особенности, любой строительный материал должен обладать определёнными строительно-техническими свойствами. Например, материал для наружных стен зданий должен обладать наименьшей теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защищать помещение от наружного холода; материал сооружения гидромелиоративного назначения – водонепроницаемостью и стойкостью к попеременному увлажнению и высыханию; материал для покрытия дорого (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы выдержать нагрузки от транспорта.

Классифицируя материалы и изделия, необходимо помнить, что они должны обладать хорошими свойствами и качествами. 

Свойство – характеристика материала, проявляющаяся в процессе его обработки, применении или эксплуатации.

Качество – совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением.

Свойства  строительных материалов и изделий  классифицируют на три основные группы: физические, механические, химические, технологические и др.

К химическим относят способность материалов сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызывающие в них обменные реакции приводящие к разрушению материалов, изменению своих первоначальных свойств: растворимость, коррозионная стойкость, стойкость против гниения, твердение.

Физические свойства: средняя, насыпная, истинная и относительная плотность; пористость, влажность, влагоотдача, теплопроводность.

 Механические свойства: пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге, упругость, пластичность, жёсткость, твёрдость.

Технологические свойства: удобоукладываемость,  теплоустойчивость, плавление, скорость затвердевания и высыхания.

Физические и химические свойства материалов.

Средняя плотность ρ₀  массы m единицы объёма V₁ абсолютно сухого материала в естественном состоянии; она выражается в г/см³, кг/л, кг/м³.

Насыпная плотность сыпучих  материалов ρ_н  массы m единицы объёма V_н просушенного свободно насыпанного материала; она выражается в г/см³, кг/л, кг/м³.

Истинная плотность ρ  массы m единицы объёма V материала в абсолютно плотном состоянии; она выражается в г/см³, кг/л, кг/м³.

Относительная плотность ρ(%) – степень заполнения объёма материала твёрдым веществом; она характеризуется отношением общего объёма твёрдого вещества V в материале ко всему объёму материала V₁  или отношением средней плотности материала ρ₀ к её истинной плотности ρ: ,  или .

Пористость П  - степень заполнения объёма материала порами, пустотами, газо-воздушными включениями:

для твёрдых материалов: ,  для сыпучих:

Гигроскопичность  - способность материала поглощать влагу из окружающей среды и сгущать её в массе материала.

Влажность W(%) – отношение массы воды в материале m_в=m₁-m  к массе его в абсолютно сухом состоянии m: 

Водопоглащение В – характеризует способность материала при соприкосновении с водой впитывать и удерживать её в своей массе. Различают массовое В_м и объёмное В_о водопоглащение.

Массовое водопоглащение (%) – отношение массы поглощённой материалом воды m_в к массе материала в абсолютно сухом состоянии m:

Объёмное водопоглащение (%) – отношение объёма поглощённой материалом воды m_в/ρ_в к его объёму в водонасыщенном состоянии V₂:

Влагоотдача – способность материала отдавать влагу.

Механические  свойства материалов.

Предел прочности  при сжатии R – отношение разрушающей нагрузки Р(Н) к площади сечения образца F (см²). Он зависит от размеров образца, скорости приложения нагрузки, формы образца, влажности.

Предел прочности  при растяжении R_р - отношение разрушающей нагрузки Р к первоначальной площади сечения образца F.

 Предел прочности при изгибе R_и – определяют на специально изготовленных балочках.

Жёсткость – свойство материала давать небольшие упругие деформации.

Твёрдость – способность материала (металла, бетона, древесины) сопротивляться прониканию в него под постоянной нагрузкой стального шарика.

 

ЛЕКЦИЯ №2

Природные каменные материалы.

Классификация и основные виды горных пород.

В качестве природных  каменных материалов в строительстве  используют горные породы, которые  обладают необходимыми строительными  свойствами.

По геологической классификации  горные породы подразделяют на три  типа:

1) изверженные (первичные), 2) осадочные (вторичные) и 3) метаморфические (видоизменённые).

1) Изверженные (первичные) горные породы образовались при остывании поднявшейся из глубин земли расплавленной магмы. Строения и свойства изверженных горных пород в значительной степени зависят от условия остывания магмы, в связи с чем эти породы подразделяют на глубинные и излившиеся.

Глубинные горные породы образовались при медленном остывании магмы в глубине земной коры при больших давлениях вышележащих слоёв земли, что способствовало формированию пород с плотной зернисто-кристаллической структурой, большой и средней плотностью, высоким пределом прочности при сжатии. Эти породы обладают малым водопоглащением и высокой морозостойкостью. К этим породам относят гранит, сиенит, диорит, габбро и др.

Излившиеся породы образовались в процессе выхода магмы на земную поверхность при сравнительно быстром и неравномерном охлаждении. Наиболее распространёнными излившимися породами являются порфир, диабаз, базальт, вулканические рыхлые породы.

2) Осадочные (вторичные) горные породы образовались из первичных (изверженных) горных пород под воздействием температурных перепадов, солнечной радиации, действия воды, атмосферных газов и др. В связи с этим осадочные горные породы подразделяют на обломочные (рыхлые), химические и органогенные.

К обломочным рыхлым горным породам относят гравий, щебень, песок, глину.

Химические осадочные  породы: известняк, доломит, гипс.

Органогенные горные породы: известняк-ракушечник, диатомит, мел.

3) Метаморфические (видоизменённые) горные породы образовались из изверженных и осадочных горных пород под влиянием высоких температур и давлений в процессе поднятия и опускания земной коры. К ним относят глинистый сланец, мрамор, кварцит.

Классификация и основные виды природных каменных материалов.

Природные каменные материалы и  изделия получают путём обработки  горных пород.

По способу получения каменные материалы подразделяют на рваный камень (бут) – добывают взрывным способом; грубоколотый камень – получают раскалыванием без обработки; дроблёный – получают дроблением (щебень, искусственный песок); сортированный камень (булыжник, гравий).

Каменные материалы по форме  делят на камни неправильной формы (щебень, гравий) и штучные изделия, имеющие правильную форму (плиты, блоки).

Щебень – остроугольные куски горных пород размером от 5 до 70 мм, получаемые при механическом или природном дроблении бута (рваный камень) или естественных камней. Его используют в качестве крупного заполнителя для приготовления бетонных смесей, устройства оснований.

Гравий – окатанные куски горных пород размером от 5 до 120 мм, также используется для приготовления искусственных гравийно-щебёночных смесей.

– рыхлая смесь зёрен горных пород  размером от 0,14 до 5 мм. Он образуется обычно в результате выветривания горных пород, но может быть получен и  искусственным путём – дроблением гравия, щебня, и кусков горных пород.

ЛЕКЦИЯ №3

Гидротационные (неорганические) вяжущие вещества.

1. Воздушные вяжущие вещества.
2. Гидравлические вяжущие вещества.

Œ

Гидротационными (неорганическими) вяжущими веществами называют тонко измельченные материалы (порошки), которые при смешивании с водой образуют пластичное тесто, способное в процессе химического взаимодействия с ней затвердевать, набирать прочность, связывая при этом в единый монолит  введённые в него заполнители, обычно каменные материалы (песок, гравий, щебень), образуя тем самым искусственный камень типа песчаника, конгломерата.

Гидротационные вяжущие подразделяют на воздушные (твердеющие и набирающие прочность только в воздушной среде) и гидравлические (твердеющие во влажной, воздушной среде и под водой).

Строительная воздушная известь CaO – продукт умеренного обжига при 900-1300°С природных карбонатных пород CaCO₃, содержащих до 8% глинистых примесей (известняк, доломит, мел и др. ). Обжиг осуществляют в шахтах и вращающихся печах. Наиболее широкое распространение получили шахтные печи. При обжиге известняка в шахтной печи движущийся в шахте сверху вниз материал проходит последовательно три зоны: зону подогрева (сушка сырья и выделение летучих веществ), зону обжига (разложение веществ) и зону охлаждения. В зоне подогрева известняк нагревается до 900°С за счёт тепла поступающего из  зоны обжига от газообразных продуктов горения. В зоне обжига происходит горение топлива и разложение известняка CaCO₃ на известь CaO и двуокись углерода CO₂ при 1000-1200°С. В зоне охлаждения обожжённый известняк охлаждается до 80-100°С двигающимся снизу вверх холодным воздухом.

В результате обжига полностью теряется двуокись углерода и получается комовая, негашёная известь в виде кусков белого или серого цвета. Комовая негашёная известь является продуктом, из которого получают разные виды строительной воздушной извести: молотую порошкообразную негашёную известь, известковое тесто.

Строительную воздушную известь различного вида используют при приготовлении кладочных и штукатурных растворов, бетонов низких марок (работающих в воздушно-сухих условиях), изготовлении плотных силикатных изделий (кирпича, крупных блоков, панелей), получении смешанных цементов.



Гидротехнические и гидромелиорационные  сооружения и конструкции работают в условиях постоянного воздействия воды. Эти тяжёлые условия эксплуатации конструкций и сооружений требуют применения вяжущих веществ, обладающих не только необходимыми прочностными свойствами, но и водостойкостью, морозостойкостью и коррозионной стойкостью. Такими свойствами обладают гидравлические вяжущие вещества.

Гидравлическую известь получают умеренным обжигом природных мергелей и мергелистых известняков при 900-1100°С. Мергель и мергелистый известняк идущие для производства гидравлической извести содержат от 6 до 25% глинистых и песчаных примесей. Её гидравлические свойства характеризуются гидравлическим (или основным) модулем (m), представляющим отношение в процентах содержания окислов кальция к содержанию суммы окислов кремния, алюминия и железа:

Гидравлическая известь – медленно схватывающееся и медленнотвердеющее вещество. Её применяют для приготовления  строительных растворов, низкомарочных бетонов, легких бетонов, при получении смешанных бетонов.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путём совместного, тонкого помола клинкера и двуводного гипса. Клинкера – продукт обжига до спекания (при t>1480°С) однородной, определённого состава природной или сырьевой смеси известняка или гипса. Сырьевую  массу обжигают во вращающихся печах.

Портландцемент как  вяжущее вещество используют при  приготовлении цементных растворов  и бетонов.

 Шлакопортландцемент -  в своём составе имеет гидравлическую добавку в виде гранулированного, доменного или электротермофосфорного шлака., охлаждаемого по специальному режиму. Его получают путём совместного помола портландцементного клинкера (до 3,5%), шлака  (20…80%), и гипсового камня (до 3,5% ). Шлакопортландцемент имеет медленное нарастание прочности в начальные сроки твердения, однако в дальнейшем скорость нарастания прочности нарастает. Он чувствителен к окружающей температуре, стоек при воздействии на него мягких сульфатных вод, имеет пониженную морозостойкость.