книги / Строительные материалы

Обозначение	Размер, мм	Обозначение		Размер, мм
Укрупненные			Дробные
1М	100	1М		100
2М	200	1/2М		50
ЗМ	300	1/5М		20
6М	600	1/10М		10
12М	1200	1/20М		5
15М	1500	1/50М	1	2
ЗОМ	3000	1/100М		■
60М	6000

т. д.). Наиболее мелкие дробные модули (от 1/10М до 1/100М) используют для назначения различной толщины плитных и листовых материалов, ширины зазоров, допус­ ков.

Созданные в СССР Строительные нормы и правила имеют большое международное значение. Решением по­ стоянной комиссии СЭВ по строительству СНиП взят за основу унифицированных норм и правил в области стро­ ительства для всех стран — членов СЭВ.

Работы по стандартизации в интернациональном масштабе проводятся специально созданной в 1947 г. Международной организацией по стандартизации (ИСО). Деятельность ИСО, как указано в ее уставе, имеет целью содействовать благоприятному развитию стандар­ тизации во всем мире, чтобы облегчить международный обмен товарами и развивать взаимное сотрудничество в области науки, техники и экономики. Кроме ИСО, актив­ ную работу в области стандартизации и социалистичес­ кой экономической интеграции проводят Совет Экономи­ ческой Взаимопомощи и его Международный институт по стандартизации.

п

2. Связь состава, структуры и свойств

Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позво­ ляет судить о некоторых их свойствах: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических харак­ теристиках. Химический состав неорганических вяжущих веществ (цемента, извести и др.) и каменных материа­ лов удобно выражать количеством содержащихся в них оксидов. Основные и кислотные оксиды химически связа­ ны между собой и образуют минералы, которые и опре­ деляют многие свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве они содержатся в вяжущем веществе или в каменном материале. Например, в портландцемен­ те содержание трехкальциевого силиката (ЗСАО-БЮг) составляет 45—60 %, причем при большем его количест­ ве ускоряется его твердение, повышается прочность це­ ментного камня.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящейся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В ма­ териале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т. е. «каркас» материала, и поры, заполненные воз­ духом и водой. Если вода, являющаяся компонентом этой системы, замерзает, то образовавшийся в порах лед изменяет механические и теплотехнические свойства ма­ териала. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает в материале внутренние напряжения, спо­ собные его разрушить при повторных циклах заморажи­ вания и оттаивания.

Структуру материала изучают на трех уровнях: пер­ вый — макроструктура материала — строение, видимое невооруженным глазом; второй — микроструктура ма­ териала — строение, видимое в оптический микроскоп; третий — внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии и т. д.

Макроструктура твердых строительных материалов может быть конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообраз­ ная) .

Искусственные конгломераты — это обширная группа, объединяющая различные виды бетона, некоторые кера­ мические и другие материалы.

Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пласт­ массам.

Мелкопористая структура свойственна, например, ке­ рамическим материалам, поризованным способами высо­ кого затворения водой и введением выгорающих добавок.

Волокнистая структура присуща древесине, стекло­ пластикам, изделиям из минеральной ваты и др. Особен­ ность этой структуры — резкое различие прочности, теп­ лопроводности и других свойств вдоль и поперек воло­ кон.

Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, листовых, плитных материалов, в частности у полимер­ ных материалов со слоистым наполнителем (бумопласта, текстолита и др.).

Рыхлозернистая структура свойственна заполнителям для бетона, зернистым и порошкообразным материалам для мастичной теплоизоляции, засыпок и др.

Структура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества (например, кри­ сталлический кварц и различные аморфные формы крем­ незема). Кристаллическая форма всегда более устойчи­ ва. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью, в технологии силикатного кирпича применяют автоклавную обработку отформован­ ного сырца насыщенным водяным паром с температурой 175°С и давлением 0,8 МПа. Между тем, трепел (аморф­ ная форма Si02) вместе с известью после затворения во­ дой образует гидросиликат кальция при температуре 15—25 °С. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.

Практическое значение для природных и искусствен­ ных каменных материалов имеет явление полиморфиз­ ма, когда одно и то же вещество способно существовать в различных кристаллических формах, называемых мо­ дификациями. Наблюдаются, например, полиморфные превращения кварца, сопровождающиеся изменением объема.

Особенностью кристаллического вещества являются определенная температура плавления (при постоянном давлении) и определенная геометрическая форма кри­ сталлов каждой его модификации.

Свойства монокристаллов неодинаковы в разных на­ правлениях. Это механическая прочность, теплопровод­ ность* скорость растворения, электропроводность и др. Явление анизотропии является следствием особенностей внутреннего строения кристаллов.

В строительстве применяют поликристаллические ка­ менные материалы, в которых разные кристаллы ориен­ тированы беспорядочно. Подобные материалы рассмат­ риваются как изотропные по своим строительно-техниче­ ским свойствам. Исключение составляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).

Внутреннее строение веществ, составляющих матери­ ал, определяет его механическую прочность, твердость, тугоплавкость и другие важные свойства.

Кристаллические вещества, входящие в состав строи­ тельного материала, различают по характеру связи ме­ жду частицами, образующими пространственную крис­ таллическую решетку. Она может быть образована: нейт­ ральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе С или разных элементов, как в кварце Si02); ионами (разноименно заряженными, как в кальците СаСОз, или одноименными, как в металлах); целыми мо­ лекулами (кристаллы льда).

Ковалентная связь, осуществляемая обычно элект­ ронной парой, образуется в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) и в кристаллах некоторых соединений из двух элементов (кварц, карборунд, другие карбиды, нитриды). Такие материалы отличаются очень высокой механической прочностью и твердостью, кроме того, они весьма тугоплавки.

Ионная связь образуется в кристаллах тех материа­ лов, в которых она носит преобладающе ионный харак­ тер. Распространенные строительные материалы этого типа — гипс и ангидрит — имеют невысокую прочность и твердость; они неводостойки.

В сложных кристаллах, часто встречающихся в стро­ ительных материала!х (кальцит, полевые шпаты), су­ ществуют ковалентная и ионная связи. Внутри сложного иона СОз^связь ковалентная, но сам он имеет с ионами

Са2+ ионную связь. Свойства подобных материалов весь­

ма разнообразны. Кальцит СаСОз при достаточно высо­ кой прочности обладает малой твердостью. Показатели прочности и твердости полевых шпатов довольно высо­ кие, хотя и уступают кристаллам алмаза с чисто кова­ лентной связью.

Молекулярные кристаллические решетки и соответст­ вующие им молекулярные связи образуются преимуще­ ственно в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи ковалентные. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг около дру­ га сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (как в кристаллах льда). При нагревании связи между молекулами легко разрушаются, поэтому вещества с молекулярными ре­ шетками обладают низкими температурами плавления.

Силикаты, занимающие особое место в строительных материалах, имеют сложную структуру, обусловившую их особенности. Так, волокнистые минералы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия, недостаточные для разрыва цепей, разделяют такой ма­ териал на волокна. Пластинчатые минералы (слюда, као­ линит) состоят из силикатных групп, связанных в плос­ кие сетки.

Сложные силикатные структуры построены из тетра­ эдров, связанных между собой общими вершинами (об­ щими атомами кислорода), и образуют объемную решет­ ку. Это дало основание рассматривать их как неоргани­ ческие полимеры.

§2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

1.Параметры состояния

Истинная плотность р (г/см3, кг/м3) — масса едини­ цы объема абсолютно плотного материала. Если масса материала т , а его объем в плотном состоянии V3, то

p= m/Va•

(1-1)

Относительная плотность d выражает отношение плотности материала к плотности стандартного вещест­

ва ро при определенных физических условиях (безраз­ мерная величина)

		=	Р (Т й , Рг)_				( 1.2)
			Ро ( T Q\ Р о)
В качестве стандартного вещества					удобно принять
воду при 4°С	(точнее при 3,98°С), имеющую					при этой
температуре	плотность		1000 кг/м3, или 1 г/см3. Тогда,
например, легкий бетон			плотностью 1400 кг/м3				имеет
относительную		плотность d = 1,4. Относительная					плот­
ность материалов входит в ряд формул					(формула		В. П.
Некрасова для		расчета	теплопроводности,			выражение
для вычисления		коэффициента		конструктивного			каче­
ства).					веса	тела G к
Удельный вес у, Н/м3— отношение
объему V
			у = GIV.				( 1.3)
Масса является скалярной величиной и не зависит от
ускорения свободного падения,				а вес	пропорционален

этому ускорению [равен mg и, как всякая сила, являет­ ся вектором и измеряется в ньютонах (Н)]. Удельный вес и плотность связаны соотношением y=pg-

Объем пористого материала в естественном состоянии (т. е. вместе с заключенными в нем порами) Ve состоит из объема твердого вещества Va и объема пор Vn (рис. 1.1), которые могут заполняться воздухом и водой:

Ve = Va + Kn*

Перед определением объема пор пробу материала вы­ сушивают в сушильном шкафу при температуре 105 °С до постоянной массы, т. е. до полного удаления гигроско­ пической влаги. Подготовленную пробу помещают в гер­ метически закрытый сосуд, из которого откачивают воз­ дух, и в вакууме насыщают материал жидкостью.

Объем жидкости, полностью заполнившей поровое пространство материала, равен объему пор в пробе ма­ териала Уп. В качестве замещающей жидкости применя­ ют воду и керосин (для цементных материалов). Для точных измерений объема пор используют сжиженный гелий, при этом учитывают его сверхтекучесть и способ­ ность проникать в тонкие поры. Зная объем материала в естественном состоянии Ve и определив объем заклю­ чающихся в нем пор, находят объем, занимаемый веще-

отзом:	Ка= Ve— Vn> затем
вычисляют		плотность		по
формуле (1.1).
Стандартный метод опре­
деления плотности			и порис­
тости	материалов		(бетона,
кирпича и др.) предусматри­
вает измельчение			предвари­
тельно высушенной пробы в
порошок, проходящий				через
сетку с отверстиями 0,125 мм.
Абсолютный объем V&навес­
ки т порошка измеряют с
помощью		пикнометра: его			Рис. 1.1.	Схема составных	частей
принимают		равным объему			пористого материала
					Уа — абсолютный объем; V е— объ­
вытесненной порошком жид­					ем в естественном состоянии		(с по*
кости.	Истинную		плотность		рами);	V воД — объем	воды;
вычисляют также по форму­					^воз “ объем воздуха; V u		— объ­
					ем пор
ле (1.1).
				(в по­
Средняя п л о т н о с т ь						рт , г/см3— масса
следующем		изложении — плотность)
единицы объема			материала		в естественном состоянии
(объем Ve определяется вместе с порами):
				Pm = m/Ve.			(1.4)
Значения плотности данного материала в сухом рт и
влажном ртв состояниях связаны соотношением
			Р т = Р т в /( 1 + ^ м ) ,				(1.5)

где WM— количество воды в материале (доли от его массы).

Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность легкого бето­ на 500—1800 кг/м3, а его истинная плотность 2600 кг/м3. Плотность строительных материалов колеблется в очень широких пределах: от 15 (пористая, пластмасса — мипора) до 7850 кг/м3 (сталь). Основные физические свойст­ ва распространенных строительных материалов даны в табл. 1.2.

Насыпная п л о т н о с т ь ра— масса единицы объема рых­ ло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной мине­ ральной ваты и т. п.). Например, истинная плотность известняка 2700 кг/м3, его плотность 2500 кг/м3, а насып­ ная плотность известнякового щебня 1300 кг/м3. По

Т А Б Л И Ц А 1.2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (В ВОЗДУШНО-СУХОМ СОСТОЯНИИ)

Наименование материала	Истинная	Средняя	Пори­	Теплопро­
	плотность,	плотность,	стость, %	водность,
	г/смв	г/см*		Вт/(м.°С)
Бетон:	2 ,6	2,4	10
тяжелый				1,16
легкий	2,6	1	61,5	0,35
ячеистый	2 ,6	0,5	81	0,2
Кирпич:	2,65
обыкновенный		1,8	32	0,8
пустотелый	2,65	1,3	51	0,55
Природный камень:	2,7		1,4
гранит		2,67		2,8
вулканический	2 ,7	1,4	52	0,5
туф
Стекло:			0
оконное	2,65	2,65		0,58
пеностекло	2,65	0,3	88	0,11
Полимерные материалы:	2	2
стеклопластик			0	0,5
мипора	1,2	0,015	98
(вспененный полимер)				0,03
Древесные материалы:	1,53	0,5	67	0,17
сосновые доски
древесно-волокнистая пли­	1,5	0,2	86	0,06
та

этим данным можно вычислить пористость известняка и пустотность щебня, пользуясь приведенными ниже фор­ мулами.

Строение пористого материала характеризуется об­ щей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Пористость П есть степень заполнения объема мате­ риала порами:

n = Vn/Ve•

(1.6)

Пористость выражают в долях объема материала, принимаемого за 1, или в % от объема.

Экспериментальный (прямой) метод определения по­ ристости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием и описан ранее.

Экспериментально-расчетный метод определения по­ ристости использует найденные опытным путем значения плотности высушенного материала, входящие в формулу

для вычисления пористости, % (1.7), полученную путем преобразования формулы (1.6) :

П = ( 1 -----— ) 100.

(1. 7)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98 % (см. табл. 1.2).

Коэффициент плотности Кпл — степень заполнения объема материала твердым веществом:

^ п л ^ Pm/p*

(1 *8)

В сумме /7+/СПл=1 (или 100%), т. е. высушенный материал можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечивающего прочность, и воздушных пор.

Открытая пористость П0 равна отношению суммар­ ного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала Ve:

	m2— mi	1	(1.9)
	Ve	PH 2O

где ni\ и /и2 — масса образца соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии.

Открытые поры материала сообщаются с окружаю­ щей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыще­ ния, например при погружении образцов материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницае­ мость и водопоглощение материала и ухудшают его мо­ розостойкость.

Закрытая пористость П3 равна:

П 3= П - п 0.	(1. 10)
Пористый материал обычно содержит открытые и за­
крытые поры; увеличение закрытой пористости за	счет

открытой повышает его долговечность. Однако в звуко­ поглощающих материалах и изделиях умышленно созда­ ется открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии.

Распределение пор по размерам характеризуется: ин­ тегральной кривой распределения объема пор по их ра­ диусам в единице объема материала (рис. 1.2) и диф­ ференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам (рис. 1.3).

Ртутная порометрия позволяет определить размер (радиус) пор и объем пор каждого размера, а также

оценить форму пор. Ртуть не

смачивает большиство. неорг

ганических строительных ма­

териалов и проникает в поры

лишь под действием прило­

женного давления; при повы­

шении давления

ртуть про­

никает в бодее мелкие поры,

что

видно

из

следующего

уравнения:

pd = — 4а cos 0,

(1.11)

где p S — прилагаемое

давление;

d — диаметр пор; а — поверхност­

Рис.

1.2. Интегральные

кривые

ное натяжение ртути; 0 — крае­

вой угол

смачивания

ртути и ана­

(/—4) распределения пор по радиу­

лизируемого

материала.

сам

(пунктиром

показана

кривая

гистерезиса)

Уравнение

показывает,

что при нулевом избыточном

давлении

несмачивающая

жидкость не будет проникать

в поры. Диаметр пор для оп­

ределенного давления

полу­

чают

из приведенного урав­

нения, правая часть которого

для

данного

материала

—

величина

постоянная.

На

Рис. 1.3. Дифференциальная

кривая

рис.

1.4

дано

соотношение

распределения пор по радиусам

между

давлением ртути и

диаметром пор.

интег­

Как

указывалось,

ральные кривые распределе­

ния пор по их размерам при­

ведены на рис. 1.2 для четы­

рех

различных

материалов:

по оси х отложены радиусы

пор, по оси у — объем пор

данного размера

(он

равен

Рис. 1.4. График зависимости меж­

объему заполняющей их рту­

ти).

Кривая

1

характерна

ду

давлением

ртути (в

поромере)

и размером пор

для

материалов

с большим

(размером

более

объемом

крупных

пустот

10 мкм). Гистерезис

(на кривой

/)

по-

называет, что поры имеют «бутылочную» форму и неко­