Свойства строительных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru

Основные свойства строительных материалов

Основные свойства строительных материалов можно разделить на несколько групп.

К первой группе относят физические свойства: удельный вес, плотность и пористость. От них в большой степени зависят другие важные в строительном отношении свойства строительных материалов.

Вторую группу составляют свойства, характеризующие отношение строительного материала к действию воды и отрицательных температур: водопоглощение, влажность и отдача влаги, гигроскопичность, водопроницаемость, водо- и морозостойкость.

В третью группу включены механические свойства: прочность, твердость, истираемость и др.

В четвертую группу объединены свойства, характеризующие отношение материалов к действию тепла: теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость и огнеупорность.

Помимо основных различают еще специальные свойства, присущие лишь отдельным видам строительных материалов. Так, способность некоторых материалов сопротивляться разрушающему действию кислот, щелочей, солей и газов носит общее название химической (или коррозионной) стойкости.

Особую группу составляют так называемые технологические свойства, которые характеризуют способность материала подвергаться механической обработке. Например, древесина является материалом, легко наддающимся обработке. Строителю приходится считаться с этим свойством при выборе того или иного материала.

Из сказанного видно, насколько разнообразны свойства строительных материалов. Некоторые из них (например, объемный вес, пористость и прочность) одинаково важны почти для всех материалов, другие -- только для некоторых и в определенных условиях службы. Так, морозостойкость важна только для тех материалов, на которые может действовать вода в условиях попеременного многократного заморажи ш оттаивания,

Физические свойства

УДЕЛЬНЫЙ BEС

Под удельным весом понимают вес материала в единице объёма, не считая

Для определения удельного веса необходимо вес сухого материала С разделить на «абсолютный» объем Уа, занимаемый материалом (без пор или пустот):

Иногда удельный вес сравнивают с удельным весом воды, и тогда он является безразмерной величиной.

Для строительных материалов удельный вес имеет вспомогательное значение, однако им пользуются при вычислении плотности и пористости материалов, т. е. свойств, имеющих важное практическое значение.

Удельный вес большинства строительных материалов больше единицы, исключение составляют древесина, лаки, олифы, пенобетоны, некоторые пластмассы. Для каменных материалов он колеблется в пределах от 2,2 до 3,3 г/см3, органических материалов (дерево, битумы, дегти, пеки, олифа, лаки, пластмассы) -- от 0,9 до 1,6 и черных металлов (чугун, сталь) --от 7,25 до 7,85 г/см3.

ОБЪЕМНЫЙ ВЕС

Объемным весом называют вес единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами).

Объем материала V\ устанавливают по внешним размерам образца или определяют по объему вытесненной им жидкости. Объемный вес рассчитывают по формуле.

Объемный вес рыхлых материалов (песка, щебня), определяемый без вычета пустот между их частицами, называют насыпным объемным весом.

Объемный вес большинства материалов меньше удельного; например, для глиняного кирпича он составляет в среднем 1,7 г/см3 при удельном весе около 2,5 г/см3. Только для так называемых абсолютно плотных материалов (стекло, сталь, битумы и жидкие материалы) величины удельных и объемных весов совпадают.

Практическое значение объемного веса строительного материала очень велико: его необходимо знать при расчетах прочности (устойчивости) строительных конструкций с учетом их собственного веса, а также для подсчетов при перевозках материалов. В отличие от удельного веса объемный вес различных строительных материалов колеблется в очень широких пределах: от 20 кг/л5 для некоторых легчайших теплоизоляционных материалов до 7850 кг/ж3 для сталей. Увеличение влажности материала повышает его объемный вес. В табл. 1 приведены объемные веса некоторых строительных материалов.

ПЛОТНОСТЬ

Под плотностью материала понимают степень заполнения его объема веществом, из которого он состоит.

Материал, находящийся в естественном состоянии (т. е. вместе с порами), занимает объем Vi, а в абсолютно плотном состоянии имеет меньший объем ViX. Отношение Va : Vj выражает плотность материала п.

Почти у всех строительных материалов п меньше 100% вследствие наличия в них большего или меньшего количества пор.

ПОРИСТОСТЬ

Пористостью материала называют степень заполнения объема материала порами. По величине пористость является дополнением плотности до единицы или до 100%.

По величине воздушных пор материалы разделяют на мелкопористые (поры имеют размеры в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупнопористые (размеры пор от десятых долей миллиметра до 1 -- 2 мм).

Плотность и пористость материалов имеют очень большое значение в строительстве, так как с ними связаны такие важные свойства, как прочность, водрпоглощение, водопроницаемость, теплопроводность, мо-розосго&косхъ, звукопроницаемость, кислотостойкость и др. Для изготовления аоданедроницаемых конструкций нужны материалы с высокой идотноошо; малотеплопроводные конструкции необходимо изготовлять из медкопорйсшх материалов с пониженной теплопроводностью и т. д." Пористость строительных материалов колеблется в очень широких пределах: oar Q (ст&оь, стекло) до 90% (плиты из минеральной ваты).

Свойства по отношению к действию воды и растворов

ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ

Водопоглощением материала называют способность его впитывать и удерживать воду. Определяют его по разности весов образца материала в насыщенном водой и в абсолютно сухом состояния и выражают в процентах от веса сухого материала или в процентах от объема образца. Весовое водопоглощение обозначается Вшс, объемное 50б«

Обычно насыщение материала водой (особенно если оно происходит без нагрева, вакуумирования и т. д.) наступает до заполнения все» го объема труднодоступных пор. Кроме того, в материале имеется известное количество замкнутых пор. Поэтому объемное водопоглощение материала обычно меньше его пористости. Способы насыщения различных материалов при определении водопоглощения устанавливаются соответствующими ГОСТами.

Отсюда получается формула для перехода от одного вида водопоглощения к другому:

Объемное водопоглощение, численно равное объему пор, доступных для воды, называется видимой (кажущейся) пористостью материала в отличие от действительной (истинной) пористости. Объемное водопоглощение всегда меньше 100%, так как всегда часть объема материала занимает его вещество, а весовое водопоглощение у материалов очень пористых и очень легких (например, у торфяных теплоизоляционных плит) может быть больше 100%.

Водопоглощение различных строительных материалов колеблется в очень широких пределах. Так, весовое водопоглощение глиняного обыкновенного кирпича составляет от 8 до 20, керамических плиток -- не выше 2, тяжелого бетона с объемным весом до 2,5 T/MS -- около 3, гранита-- 0,5--0,7 и гидроизоляционного материала (гидроизола) --2%.

Для насыщения водой образец материала постепенно погружают нее или выдерживают в кипящей воде. Свойства насыщенного .материала существенно изменяются: увеличивается теплопроводность, объемный вес, а у некоторых материалов (например, у дерева) также и объем, уменьшается прочность (вследствие ослабления связей между частицами)

Ввиду очень большого влияния, которое оказывает на материалы насыщение водой, желательно испытывать их прочность не только в сухом, но и в насыщенном состоянии. Отношение прочности насыщенного водой материала к прочности его в сухом состоянии называется- коэффициентом размягчения материала. Он является важным показателем, так как характеризует водостойкость материала, который в условиях работы в сооружении может подвергаться воздействию воды. Коэффициент размягчения колеблется в пределах от 0 (у глиняных необожженных материалов) до 1 (у материалов, не изменяющих своей прочности от действия воды, например у стали, битумов). Каменные материалы (природные и искусственные) нельзя применять в условиях воздействия на них воды, если коэффициент их размягчения меньше 0,75. Материалы с коэффициентом размягчения больше 0,75 называют водостойкими.

ВЛАГООТДАЧА

«Влагоотдачей называют свойство материала выделять воду при наличии соответствующих условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха). Влагоотдачу выражают скоростью высыхания материалов, т. е. количеством воды (в процентах от веса или объема стандартного образца материала), теряемым в сутки при относительной влажности окружающего воздуха 60% и температуре 20° С.

Влажность материала, т. е. весовое содержание воды в материале, значительно ниже, чем его полное водопоглощение. Вследствие влагоотдачи через некоторое время (полгода -- год) после постройки устанавливается равновесие между влажностью строительных конструкций и воздуха. Это состояние равновесия называется воздушно-сухим состоянием.

В лабораторных условиях (в сушильном шкафу) можно высушить материал до полного удаления влаги (при температуре 110° С). В таком состоянии материал называется абсолютно сухим. В строительных конструкциях материалы никогда не находятся в абсолютно сухом состоянии, они всегда имеют определенную степень влажности, выражаемую в процентах от веса сухого материала.

ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ

Водопроницаемостью называют способность материала пропускать воду под давлением. Степень водопроницаемости материалов зависит от их плотности и строения: особо плотные материалы (например, стекло, битумы, сталь) водонепроницаемы, материалы с замкнутыми мелкими порами практически также водонепроницаемы. Величина водонепроницаемости выражается количеством воды в граммах, прошедшей за 1 ч через 1 см2 поверхности материала при постоянном давлении. Многие материалы должны обладать определенной степенью водонепроницаемости. Особенно для гидроизоляционных и кровельных материалов.

Материалы испытывают на водопроницаемость на специальных аппаратах (рис. 1). Образец 1 конической формы (на рисунке он показан схематически, не в масштабе; обычно его толщина, например для некоторых растворов, не превышает 2--3 см) закладывают в металлическую коническую форму 2. Боковые поверхности образца заливают парафином. Вода насосом 3 под давлением, регистрируемым манометром 4, подается к образцу снизу, прижимает его к стенкам формы и просачивается через сообщающиеся между собой поры на внешнюю поверхность. Прошедшая через образец вода стекает по трубке в стакан, и ее взвешивают.

Для гидроизоляционных и кровельных материалов водопроницаемость является важнейшим показателем их качества. Образцы таких материалов (например, рубероида) испытывают под давлением небольшого столба воды (50 мм), определяют время, по истечении которого появляются первые признаки просачивания воды (пятно, капля). Точно так же при испытании глиняной черепицы ограничиваются качественными показателями водопроницаемости.

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ

Морозостойкостью называют способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения и без допустимого понижения прочности.

Некоторые строительные материалы, соприкасающиеся с водой и наружным воздухом (например, материалы гидросооружений, кровельные, стеновые), постепенно разрушаются; разрушение вызывается тем, что материал полностью насыщается водой, которая при температуре ниже нуля замерзает в порах, увеличиваясь в объеме примерно на 9%. Лед, образующийся в порах материала, давит на стенки пор и может их частично разрушить, вследствие чего прочность материала понижается; этому способствует также перемещение (миграция) влаги по порам.

Плотные материалы (без пор или с незначительно открытой пористостью), поглощающие весьма мало воды, морозостойки.; Пористые же материалы обладают удовлетворительной морозостойкостью только в случае, если вода практически заполняет до 80--85% доступных пор. Чтобы материал обладал морозостойкостью, его коэффициент размягчения должен быть не ниже 0,75, так как размокающие примеси отрицательно влияют на морозостойкость.

Материалы испытывают на морозостойкость в холодильных камерах. Испытание заключается в многократном (от 10 до 200 раз, в зависимости от условий работы сооружений) замораживании образца, насыщенного водой, с оттаиванием в воде комнатной температуры после каждого замораживания. Температура замораживания должна быть ниже минус 17° С, так как в тончайших порах (капиллярах), имеющихся в некоторых строительных материалах, вода замерзает только при указанной температуре. Морозостойкими считают те материалы которые после установленного для них числа циклов замораживания и оттаивания не имеют выкрашиваний, трещин, расслаивания и не теряют в весе более 5%. Прочность образцов, подвергавшихся испытанию на морозостойкость, по сравнению с прочностью контрольных образцов, не подвергавшихся испытанию, не должна понижаться более чем на 25%.

По числу выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания различают материалы следующих марок: Мрз 10, Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35, Мрз 50, Мрз 100, Мрз 150 и Мрз 200.

Если нужно провести ускоренное испытание морозостойкости материала, то вместо замораживания образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия Na2SO4 * 10Н2О и высушивают после полного насыщения при 105° С. О полном насыщении образца можно судить по прекращению роста веса образца. Кристаллы сернокислого натрия, образующиеся в порах испытуемого материала, давят на стенки пор сильнее замерзающей воды, т. е. это испытание является более жестким, чем описанное выше. Если материал не выдерживает его, надо обязательно провести испытание на морозостойкость в холодильных камерах при насыщении материала водой.

ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ

Под химической, или коррозионной стойкостью понимают способность материалов сопротивляться действию кислот, щелочей, растворенных в воде газов и солей.

В условиях работы в конструкциях строительные материалы очень часто подвергаются действию агрессивных жидкостей и газов. Так, проходящие по канализационным системам сточные жидкости могут содержать свободные кислоты и щелочи, которые разрушают поверхности металлических и железобетонных труб. Растворенные соли, находящиеся в морской воде в большом количестве, могут разрушающе действовать на бетонные сооружения.

Большинство строительных материалов не обладает стойкостью к действию кислот и щелочей. Весьма нестойко в этом отношении, например, дерево, вследствие чего оно мало применяется на химических заводах. Битумы относительно быстро разрушаются под действием концентрированных растворов щелочей, а многие природные каменные материалы-- под действием кислот (например, известняки, мраморы, доломиты и др.). Почти все цементы, за исключением специальных кислотостойких, также плохо противостоят действию кислот. Высокой стойкостью к действию щелочей и кислот обладают керамические материалы с очень плотным черепком -- облицовочные плитки, плитки для полов, канализационные трубы, специальный кирпич для устройства канализационных коллекторов, стекло и др. Некоторые природные каменные материалы (например, бештаунит, базальт) также высококислотостойки.

Свойства по отношению к действию тепла

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Теплопроводностью называют способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал.

Очень важно знание теплопроводности материалов, используемых при устройстве так называемых ограждающих конструкций зданий (т. е. наружных стен, верхних перекрытий, полов в нижнем этаже), и в особенности теплоизоляционных материалов, предназначенных для сохранения тепла в помещениях и тепловых установках.

Теплопроводность материала зависит от характера пор и вида материала, его пористости, влажности, объемного веса и средней температуры, при которой происходит передача тепла. Величина ее характеризуется коэффициентом теплопроводности К.

Как было отмечено выше, коэффициент теплопроводности зависит \ от пористости материала. У пористых материалов тепловой поток проходит через их массу и через поры, наполненные воздухом. Теплопроводность воздуха очень низка (Я=0,02), вследствие чего он оказывает большое термическое сопротивление прохождению теплового потока. Коэффициент теплопроводности сухих пористых материалов является промежуточной величиной между коэффициентами теплопроводности { их вещества и воздуха: чем больше пористость (т. е. чем меньше объем- I ный вес материала), тем ниже коэффициент теплопроводности, и наобо-У рот. Таким образом, наиболее эффективными для ограждающих конструкций являются легкие материалы. Вместе с тем общей зависимости между объемным весом и теплопроводностью для всех строительных материалов установить нельзя. Для воздушно-сухих материалов (т. е. имеющих характерную для стен зданий естественную влажность 1--7% по объему) величину коэффициента теплопроводности можно ориентировочно определять по объемному весу, пользуясь эмпирической формулой, предложенной проф. В. П. Некрасовым

Очень сильно повышает теплопроводность материала его влажность, так как у воды ^, = 0,51, т. е. в 25 раз больше, чем у воздуха. Поэтому поры, заполненные водой, гораздо лучше проводят тепловой поток, чем поры, заполненные воздухом.

Некоторое влияние на величину теплопроводности оказывает температура, при которой происходит передача тепла: коэффициент теплопроводности металлов с повышением температуры уменьшается, у большинства же прочих материалов возрастает. Это особенно необходимо учитывать при выборе материалов для тепловой изоляции паропроводов, котельных установок и т. п.

Структура материала также оказывает влияние на коэффициент теплопроводности. Так, при слоистом или волокнистом строении с определенным направлением волокон коэффициент теплопроводности зависит от направления потока тепла по отношению к волокнам.

Величина пор материала также оказывает влияние на коэффициент его теплопроводности: мелкопористые материалы менее теплопроводны, ччем крупнопористые, материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Это объясняется тем, что при крупных и сообщающихся порах в них возникает движение воздуха, сопровождающееся переносом тепла (явление конвекции) и повышением суммарного коэффициента теплопроводности.

Ж. ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Теплоемкостью называют свойство материала поглощать при нагревании определенное количество тепла.

Теплоемкостью материалов пользуются для определения теплоустойчивости стен в перекрытий т расчета степени подогрева материалов для зимних бетонных и каменных работ, а также прн расчете печей. Под теплоустойчивостью стен и перекрытий понимают их способность сохранять на внутренней поверхности более или менее постоянную температуру, несмотря на колебания теплового потока вследствие неравномерной работы отопления. Суточные колебания температуры в жилых зданиях не должны превышать 6°.

В отапливаемых помещениях в частях стен или перекрытий, обращенных внутрь здания, аккумулируется запас тепла, благодаря чему в помещениях температура значительно не повышается. По окончании топки запас тепла, накопленный в стенах и перекрытиях, расходуется на подогрев воздуха, чем и выравниваются в помещениях колебания температуры воздуха. Для стен и перекрытий жилых и отапливаемых зданий желательно применять материалы с возможно более высоким коэффициентом теплоемкости. Такими являются лесные материалы, широко используемые для устройства стен и перекрытий небольших отапливаемых зданий.

ОГНЕСТОЙКОСТЬ

Под Огнестойкостью понимают способность мгатеряаяов вшгерживать без разрушения действие высоких температур. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы при воздействии огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Некоторые несгораемые материалы (например, кирпич, черепица, бетоны, асбестовые материалы) при воздействии высоких температур деформируются незначительно, другие же могут деформироваться сильно (сталь) или разрушаться (некоторые природные каменные материалы, например гранит, мрамор, известняк, гипс). Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются. Горение (тление) таких материалов (фибролит, войлок, пропитанный глиняным раствором, и др.) происходит только при наличии источника огня, а после его удаления горение прекращается. Сгораемые материалы (дерево, рубероид, толь, пластмассы и др.) под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

ОГНЕУПОРНОСТЬ

Огнеупорностью называют свойство материала противостоять, не деформируясь, длительному воздействию высоких температур.

Для различных отопительных устройств (печей, труб, обмуровки котлов и др.) используют строительные материалы,;которые могут не только выдерживать действие высоких температур, но и нести определённую нагрузку при постоянной высокой температуре. Такие материалы делят на три группы: огнеупорные, выдерживающие действие температур от 1580° С и выше (шамот, динас и др.); тугоплавкие, выдерживающие действие температур выше 1350 до 1580° С (гжельский кирпич);легкоплавкие -- с огнеупорностью ниже 1350° С (обыкновенный глиняный кирпич).

Механические свойства

1. ПРОЧНОСТЬ

Свойство материала сопротивляться разрушениям под действием напряжений, возникающих от нагрузок, влияния температуры, атмосферных осадков и других факторов. Изучением прочности материалов -- этого важнейшего свойства занимается особая наука -- сопротивление материалов. Поэтому здесь приведены краткие сведения о прочности, необходимые для освоения курса строительных материалов.

В конструкциях строительные материалы, подвергаясь различным нагрузкам, испытывают напряжение сжатия, растяжения, изгиба, среза и удара. Чаще всего они работают на сжатие или на растяжение. Природные камни, а также бетоны и кирпич хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже -- срезу, а еще слабее -- растяжению. На растяжение они выдерживают нагрузку в 10-- 15 раз меньшую, чем на сжатие. Поэтому указанные материалы следует применять главным образом в строительных конструкциях, работающих на сжатие. Другие строительные материалы (например, древесина, сталь) хорошо работают в конструкциях, подвергающихся как сжатию, так и растяжению (в балках, например).

Предел прочности определяют нагружением испытуемых образцов материала до их разрушения (на прессах или разрывных машинах). Признаками разрушения являются появление трещин на образце, отслаивание и деформации. Образцы для испытания на сжатие обычно имеют форму кубиков со сторонами от 2 до 30 см. Чем неоднороднее строение материала, тем больше должны быть размеры образца. При испытании строительных растворов на растяжение образцы изготовляют в виде восьмерок стандартных размеров и формы (2). Иногда испытывают на сжатие образцы в виде цилиндра, так как цилиндры легче высверлить при помощи специальных коронок даже из твердых каменных пород, чем приготовить из них вручную образцы кубической формы.

Результаты испытания на прочность в известной мере зависят от формы и размеров образцов. При испытании удлиненных по оси цилиндров и призм получаются более низкие значения предела прочности при сжатии, чем при испытании кубиков. Это объясняется тем, что сжатие сопровождается поперечным расширением, а силы трения, возникающие между плоскостями образца и плитами пресса, удерживают нижние и верхние части образца от поперечного расширения. Чем больше высота образцов, тем меньше влияют опорные плоскости на их прочность. При испытании малых кубиков показатели прочности более высоки, т. е. менее точны, чем при испытании больших. При испытании необходимо точно соблюдать указания ГОСТов и ТУ в отношении формы и размеров образцов, характера обработки их поверхностей, скорости нарастания нагрузок и др.

Предел прочности при сжатии определяют на гидравлических или механических прессах (3). Образец помещают на площадку /, соединенную с поршнем 2. В цилиндр 3 по трубопроводу 4 нагнетается насосом машинное масло определенной вязкости. Под давлением масла поршень поднимается и образец материала сжимается между поднимающейся площадкой 1 и площадкой 5, которая устанавливается на определенной высоте винтом 6. Давление масла в цилиндре определяют по манометру 7.

Предел прочности при сжатии строительных материалов колеблется в широких пределах --от 5 (торфяные плиты) до 10 000 кГ/см2 и выше (высокосортные стали).

Строительные материалы часто испытывают также на изгиб. Для этого требуется сравнительно небольшая разрушающая нагрузка, поэтому испытание можно проводить как в лабораторных условиях, так и на строительной площадке.

Предел прочности при изгибе аПч.изг приближенно вычисляют по приведенным формулам, заменяя в них изгибающую нагрузку разрушающей. При испытании на изгиб разрушение материалов обычно начинается в нижней растянутой зоне, потому что у большинства из них (за исключением стали и древесины) предел прочности при растяжении меньше предела прочности при сжатии.

В строительных материалах, работающих в сооружениях, допускается напряжение, составляющее лишь часть предела прочности аПч.из- Следовательно, допускаемое напряжение [а] равно [or] = ЗЗЫЙ: кГ/см*,- гдё z -- запас прочности; эта величина больше единицы обычно в §--3 раза и выше.

Уменьшение величин допускаемого напряжения объясняется следующими факторами.

1. Полученные при испытаниях показатели дают представление только о среднем значении прочности материалов. Наиболее слабые части их разрушаются раньше, чем напряжение достигнет средней величины предела прочности. Многие материалы, нагруженные до напряжения, составляющего только часть предела прочности (50--70%),сильно деформируются. Следовательно, запас прочности надо принимать тем больше, чем менее однороден материал.

2. В каменных и других хрупких материалах образуются трещины раньше достижения напряжения, равного пределу прочности.

3. При многократной переменной нагрузке под влиянием так называемой усталости материала он может разрушаться при напряжении,равном только половине предела прочности.

4. Под действием атмосферы изменяются первоначальные свойства материала, со временем происходит его «старение», сопровождаемое понижением прочности.

Для обеспечения сооружениям достаточной прочности при действии перечисленных факторов, а также нагрузок, не учтенных в расчетах (или учтенных недостаточно точно вследствие несовершенства методов расчета), в нормах на строительное проектирование установлены определенные запасы прочности для различных материалов и конструкций.

ТВЕРДОСТЬ

Твердостью называется свойство материала сопротивляться прониканию в него постороннего более твердого тела. Это свойство не находится в прямой зависимости от прочности: материалы с разными значениями предела прочности (например, стали разных марок) могут обладать примерно одинаковой твердостью. Применяются различные способы испытания твердости материалов, сопоставлять же можно тольт ко показатели, полученные одним и тем же способом.

Твердость однородных каменных материалов определяют по шкале твердости, в которой десять специально подобранных минералов расположены в таком порядке, что на каждом из них все последующие могут оставлять черту (табл. 3).

При испытании цифровой показатель твёрдости образца может оказаться между показателями двух соседних минералов, взятых по шкале твердости. Например, если испытываемый материал чертится ортоклазом, а сам не чертит апатит, то его твердость принимают равной 5,5.

Для определения твердости древесины, стали и бетона в образцы вдавливают стальной шарик под определенной нагрузкой и определяют глубину вдавливания.

ИСТИРАЕМОСТЬ

Истираемостью называют способность материала уменьшаться в весе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость имеет большое значение для тех материалов, которые в условиях службы в строительных конструкциях подвергаются истирающему воздействию (например, материалы для полов, лестниц, угольных и других бункеров).

СОПРОТИВЛЕНИЕ УДАРУ

Сопротивлением удару называется способность материала сопротивляться ударным воздействиям.

Строительные материалы в некоторых конструкциях (в полах, дорожных покрытиях, бункерах) кроме истирания подвергаются также ударным воздействиям. Для испытания материалов на удар применяют специальные приборы -- копры (рис. 5). Образец испытываемого материала устанавливают на песчаное основание 1 у направляющих плоскостей 2. Гиря 3, подвешенная на определенной высоте от поверхности испытуемого образца, сбрасывается на него до разрушения образца (до появления первой трещины). Суммарная работа нескольких сбрасываний, затраченная на разрушение образца, в кГ * м, отнесенная к единице объема материала в CMS, характеризует сопротивление материала удару в кГ * м/см3.

УПРУГОСТЬ

Упругостью называется свойство материала восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки, под действием которой форма материала в той или иной мере изменяется. Восстановление первоначальной формы может быть полным при малых нагрузках и неполным при больших. В последнем случае в материале возникают так называемые остаточные деформации.

Предел упругости материала -- это то наибольшее напряжение при различных видах деформации материала, при котором еще не обнаруживается их остаточная (пластическая) деформация. Условный предел упругости представляет собой наименьшее напряжение, которое вызывает появление остаточной деформации заданной очень малой величины.

ПЛАСТИЧНОСТЬ И ХРУПКОСТЬ

Пластичностью называют способность материала под влиянием действующих на него усилий изменять свои размеры и форму без образования трещин и сохранять ее после снятия нагрузки.

Помимо материалов пластичных (битумы, дерево, глиняное тесто и др.) имеются материалы хрупкие, которые разрушаются без предварительной деформации, как только действующие на них усилия достигают величины разрушающих нагрузок. Для хрупких материалов очень характерна значительная разница между пределами прочности при сжатии и растяжении. Например, у природных каменных материалов (гранит и др.) предел прочности при растяжении составляет всего '/«--7бо предела прочности при сжатии. Хрупкие материалы плохо сопротивляются удару.

Пластичность и хрупкость материалов могут существенно изменяться в зависимости от таких факторов, как влажность, температура, скорость нарастания действующей нагрузки. Например, некоторые битумы хрупки при быстро нарастающей нагрузке и пластичны при медленно нарастающей, глины хрупки в сухом состоянии и весьма пластичны во влажном.

Природные каменные материалы

А. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Горной породой называется минеральная масса, состоящая из одного (мономинеральная порода) или нескольких (полиминеральная порода) минералов.

Минералом называют природное химически и структурно индивидуализированное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам -- продукт физико-химических процессов, совершающихся в земной коре. Минералы представляют собой составные части горных пород, руд и других минеральных тел, составляющих земную кору.

В зависимости от условий образования все горные породы делятся на три вида: первичные или изверженные, вторичные или осадочные и видоизмененные или метаморфические.

Первичные породы образовались из магмы -- огненно-жидкой массы, излившейся из глубины земли и затвердевшей.

Вторичные (пластовые) породы образовались в результате разрушения изверженных и других пород под влиянием температурных колебаний, действия воды и ветра. Перемещаемые водными потоками на значительные расстояния, продукты разрушения осаждались в местах менее интенсивного течения воды и в водоемах (морях и озерах) в виде пластов. Воздействия ветра и движение ледников также влияли на перемещение разрушенных пород. Растворимые в воде минералы и продукты их разрушений впоследствии осаждались из водного раствора. В состав осадочных пород входят также минеральные вещества и продукты жизнедеятельности организмов, населявших водные бассейны.

Видоизмененные породы образовались в результате глубоких изменений изверженных и осадочных пород под воздействием высоких температур или больших давлений. Под влиянием протекающих в таких условиях физико-химических процессов изменялся химический и минералогический состав пород, происходила перекристаллизация минералов и видоизменялась их структура, в результате чего образовались новые породы, существенно отличающиеся от первоначальных.

Эта геологическая классификация горных пород составлена на основе работ академиков Ф. Ю. Левинсона-Лессинга, А. П. Карпинского и других ученых.

Б. ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ

Среди большого разнообразия природных минералов только небольшая их часть участвует в образовании горных пород. К числу этих минералов, называемых породообразующими, относятся кварц, полевые шпаты, слюды, карбонаты, сульфаты и железистомагнезиальные минералы. От минералогического состава горных пород в значительной степени зависят их строительные свойства. Одни минералы отличаются высокой прочностью, твердостью и химической прочностью, например кварц, другие имеют незначительную прочность, недостаточную химическую стойкость, способны значительно поглощать воду (гипс); отдельные минералы обладают способностью легко расщепляться по плоскостям (например, слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят. Эти свойства, а также химический состав минералов предопределяют назначение образованных ими пород в строительстве. Большая часть минералов находится в твердом состоянии и обладает преимущественно кристаллической формой.

Прежде чем перейти к изучению горных пород, необходимо ознакомиться с важнейшими породообразующими минералами.

J. ГРУППА КВАРЦА

В наибольшем количестве в земной коре (литосфере) содержится свободный кремниевый ангидрид или кремнезем SiC>2. В состав большинства минералов он входит в виде силикатов -- химических соединений с основными окислами. Свободный природный кристаллический кремнезем встречается в виде кварца -- одного из наиболее распространенных в земной коре минералов. Его кристаллы имеют форму шестигранных призм с шестигранными же пирамидами на концах (основаниях). Кварц обычно непрозрачен, чаще он белого, молочного цвета. Спайность у квартала отсутствует, излом его раковистый, он имеет жирный блеск; с щелочью при обычной температуре не соединяется и под действием кислот «кроме плавиковой) не разрушается. Удельный вес кварца 2,65, твердеть 7 по шкале твердости. Кварц имеет высокую прочность при сжатии (около 20 000 кГ/см2) и хорошо сопротивляется действию истираний.

При нагревании] до температуры 575° С кварц из (3-модификации переходит в «-модификацию (высокотемпературную), скачкообразно увеличиваясь в объеме примерно на 1,5%. При температуре 870° С он начинает переходит» в тридимит (удельный вес 2,26), значительно увеличиваясь в объеме/ (минерал тридимит кристаллизуется в виде тонких; шестигранных пластинок). Эти изменения объема кварца при высоких температурах необходимо учитывать в производстве огнеупорных дина-совых изделий. При температуре 1710° С кварц переходит в жидкое состояние. При быстром остывании расплавленной массы (расплава) образуется кварцевое стекло -- аморфный кремнезем с удельным весом 2,3.

В природе встречается минерал опал аморфной структуры,' представляющий собой гидрат кремнезема (SiO2-rtH2O). Аморфный кремнезем активен, может соединяться с известью при нормальной температуре, тогда как кристаллический кремнезем (кварц) приобретает эту способность только под действием пара большого давления (в автоклаве) или при сплавлении.

ГРУППА АЛЮМОСИЛИКАТОВ

Второе место после кремнезема занимает в земной коре глинозем АЬОз- Свободный глинозем в природе встречается в виде минералов корунда и других глиноземистых минералов.

Корунд -- один из наиболее твердых минералов. Его используют для производства высокоогнеупорных материалов, он является ценным абразивом.

Другой глиноземистый материал--диаспор -- представляет моногидрат глинозема А12О3 * Н2О и содержит 85% А12Оз. Диаспор входит в состав бокситов -- тонкодисперсных горных пород часто красного или фиолетового цвета, богатых глиноземом (от 40 до 80%) и используемых как сырье для производства глиноземистого цемента.

Глинозем обычно находится в виде химических соединений с кремнеземом и другими окислами, называемых алюмосиликатами. Наиболее распространенными в земной коре алюмосиликатами являются полевые шпаты, которые составляют по весу более половины всей массы литосферы. К этой же группе минералов относятся слюды и каолиниты.

Полевые шпаты. Характерная особенность всех полевых шпатов --хорошо выраженная спайность по двум направлениям. В зависимости от угла, под которым пересекаются направления спайности (прямой или

близкий к нему), различают ортоклаз или калиевый полевой шпат КгО * А12О3 * 6SiO2 и плагиоклазы. Последние подразделяются на альбит или натриевый полевой шпат Na2O А!2О3 * 6SiO2 и анортит или кальциевый полевой шпат СаО * А12О3 * 2SiO2. ,

Полевые шпаты имеют цвет белый, розовый (до темно-красного), серый, желтоватый и др., удельный вес их 2,55--2,76, твердость по шкале твердости 6, прочность во много раз меньше прочности кварца (на сжатие от 1200 до 1700 кГ/см2)., Стойкость полевых шпатов против механического и химического выветривания незначительна; плавятся они при температуре от 1170 до 1550° С.

Слюды представляют собой водные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Характерной особенностью их является легкая расщепляемость на тонкие, гибкие и упругие листочки и пластинки. Твердость слюд находится в пределах 2--3 по шкале твердости. Наиболее часто встречаются следующие виды слюд: калиевая (мусковит) -- светлая, прозрачная (в тонких листочках), тугоплавкая, химически стойкая; железистомагнезиальная (биотит)--непостоянного состава, очень темного цвета (черного, бурого), легче разрушающаяся, чем мусковит; вермикулит -- гидрослюда золотисто-бурого цвета, образующаяся в результате окисления и гидратации биотита; при прокаливании вермикулит теряет воду и увличивается в объеме в 18--25 раз; обожженный вермикулит (зонолит) применяется как теплоизоляционный материал.

Каолинит или водный алюмосиликат А12О3 * 2SiO2 * 2Н2О представляет собой продукт выветривания изверженных и метаморфических горных пород. Каолинит обычно встречается в виде белых или окрашенных рыхлых землистых или плотных масс, является основной частью глин..-Удельный вес каолинита 2,6, твердость 1.

ГРУППА ЖЕЛЕЗИСТО-МАГНЕЗИАЛЬНЫХ СИЛИКАТОВ

Минералы, входящие в эту группу, имеют темную окраску, поэтому;-их. часто называют темноокрашенными минералами. Удельный вес их больше, чем других силикатов, твердость находится в пределах 5,5-- 7,5; они обладают значительной вязкостью. При большом содержании их в горных породах они придают последним темный цвет и большую вязкость, т. е. повышенную сопротивляемость удару. Наиболее распространенными породообразующими минералами железисто-магнезиальной группы являются пироксены, амфиболы и оливин.

Пироксены, из семейства которых наиболее часто встречаются авгиты (глиноземистые пироксены), имеют удельный вес 3,2--3,6.

К амфиболам относится роговая обманка -- типичный минерал изверженных пород -- с удельным весом 3,1--3,5.

Оливин --минерал зеленого цвета, отличающийся малой стойкостью: под воздействием различных реагентов (Н2О, Ог, СО2 и др.) он изменяется и в результате присоединения воды увеличивается в объеме, переходя в змеевик или серпентин. Одна из разновидностей серпентина имеет волокнистое строение и называется хрнзотиласбестом, или горным льном. Хризотиласбест состоит из тонких и прочных волокон; его широко используют в асбестоцементной промышленности и в производстве теплоизоляционных материалов. Крупные месторождения хризо-тиласбеста находятся на Урале. .

ГРУППА КАРБОНАТОВ

В осадочных горных породах наиболее часто встречаются породообразующие карбонатные минералы (карбонаты), важнейшие из них -- кальцит, магнезит и доломит.

Кальцит, или кристаллический известковый шпат СаСОз один из самых распространенных минералов земной коры. Он легко раскалывается по плоскостям спайности по трем направлениям, имеет удельный вес 2,7 и твердость 3. Кальцит слабо растворим в чистой воде (0,03 г в 1 Л), НО растворимость его резко возрастает при содержании в воде агрессивной двуокиси углерода СОг, так как образуется кислый углекислый кальций Са(НСОз)г, растворимость которого почти в 100 раз больше, чем кальцита.

Магнезит MgCC>3 встречается большей частью в виде землистых или плотных агрегатов, обладающих скрыто-кристаллическим строением. Он тяжелее и тверже кальцита.

Доломит CaCOs-MgCO3 по физическим свойствам близок к кальциту, но более тверд и прочен и еще меньше растворим в воде.

ГРУППА СУЛЬФАТОВ

Сульфатные минералы (сульфаты), так же как и карбонаты, часто встречаются в осадочных горных породах; важнейшие из них -- гипс и ангидрит.

Гипс CaSO.4*2H2O типичный минерал осадочных пород. Строение его кристаллическое, иногда мелкозернистое, кристаллы пластинчатые, столбчатые, игольчатые и волокнистые. Встречается гипс преимущественно в виде сплошных зернистых, волокнистых и плотных пород вместе с глинами, сланцами, каменной солью и ангидритом. Гипс имеет белый цвет, иногда бывает прозрачен или окрашен примесями в различные цвета. Удельный вес его 2,3, твердость 2. В воде гипс растворяется сравнительно легко при температуре 32--41° С, растворимость его в-75 раз больше, чем кальцита (0,22 г в 1 ji).

Ангидрит CaSO4 имеет удельный> вес 2,8--3, твердость 3--3,5; по внешнему виду похож на гипс. Залегает пластами и прожилками вместе с гипсом и каменной солью. Под действием воды ангидрит постепенно переходит в гипс, при этом объем его увеличивается.

Виды природных каменных материалов и применение их в строительстве

Относительно широкие разведки каменных строительных материалов и испытания их начались в России с 70-х годов XIX в. в связи с развитием строительства железных дорог и мостов. Обширные исследования свойств природных каменных материалов проводили в конце прошлого века ученые испытательной станции под руководством проф. Н. А. Белелюбского при Петербургском институте инженеров путей сообщения, а затем в лаборатории, организованной проф. Н. К. Лахтиным, принадлежащей ныне Московскому архитектурному институту. Следует, однако, отметить, что масштабы изучения минеральных ресурсов страны в дореволюционной России были очень ограничены, а добывающая промышленность была развита первоначально слабо. В связи с этим даже граниты и мраморы, которыми очень богата наша Родина, ввозились из-за границы.

Огромный толчок материаловедческому изучению природных каменных материалов и становлению его как научной дисциплины дала Великая Октябрьская революция. На основе трудов академиков Д. С. Белянкина, В. А. Обручева, А. Е. Ферсмана, Ф. Ю. Левинсона-Лессинга и других ученых выявлены и хорошо исследованы богатейшие запасы природных каменных материалов во многих районах страны для удовлетворения потребностей гигантского строительства.

Горные породы и минералы, используемые человеком для своих нужд, называются полезными ископаемыми. Неиспользуемые слои и прослойки между полезными ископаемыми называют пустой породой. Горные породы, применяемые в виде природных строительных материалов и в качестве сырья для производства других материалов, относятся к нерудным (неметаллическим) ископаемым.

Природные каменные материалы в строительстве используют обычно после механической обработки (расколки и обтески, распиловки, шлифовки и полировки, дробления и рассева)-. Все каменные материалы, используемые в строительстве, можно разделить на две основные группы --материалы, применяемые в своем первоначальном виде, и материалы, пригодные для строительных целей лишь после соответствующей обработки.

В некоторых случаях один и тот же материал может применяться в первоначальном виде или после прохождения одной или нескольких стадий обработки. Так, песок можно употреблять непосредственно из карьера или после предварительной промывки, природный гравий -- или в первоначальном виде или после измельчения и сортировки для получения зерен определенных фракций.

Рассмотрим основные каменные материалы, применяемые без обработки.

Бутовый камень -- крупные куски неправильной формы, размером 150--500 мм, весом 20--40 кг, получаемые разработкой известняков, доломитов и песчаников (реже гранита и других изверженных пород). Камень, получаемый при взрывных работах, носит общее название рваного камня. Бутовый камень должен быть однородным, без следов выветривания, расслоения и трещин, не содержать рыхлых и глинистых включений. Предел прочности при сжатии камня из осадочных пород не менее 100 кГ/см2, коэффициент размягчения не ниже 0,75, морозостойкость не ниже. 15 циклов. Бутовый камень широко применяется для бутовой и бутобетонной кладки фундаментов, подземных стен и стен неотапливаемых зданий, подпорных стен, ледорезов, отстойников и резервуаров.

Для кладки лучшим считается бутовый камень в виде плит неправильной формы, так называемый плитняк или постелистный бут. Его получают выколкой из осадочных и метаморфических пород,- имеющих слоистое или сланцеватое строение. Кладку ведут рядами, что повышает ее прочность, уменьшает расход вяжущего материала и повышает производительность труда.. Кладка из рваного бутового камня более трудоемка и на нее расходуется больше раствора для заполнения пустот между камнями неправильной формы.

Мелкие куски бутового камня обычно перерабатывают на щебень, используемый в качестве заполнителя в бетоне, для щебеночной подготовки под бетонные фундаменты в санитарно-технических сооружениях и в качестве фильтрующего материала.

Валунный камень -- крупные обломки (более 300 мм) горных пород ледникового происхождения, характеризующиеся окатанной, часто сильно выветрившейся поверхностью. Весьма разнообразен по петрографическому составу. Используется для получения булыжного камня и щебня.

Булыжный камень -- небольшие валуны (до 300 мм) или расколотые валуны больших размеров. Применяется для покрытия мостовых, дворов и откосов, для каменной наброски при строительстве дамб. Крупный булыжный камень можно применять как бут, мелкий камень перерабатывается на щебень. Валунный булыжный камень может быть использован для изготовления (методом околки) специальных шашек для мощения дорог и оснований под дорожные покрытия.

Гравий -- рыхлое скопление обломков горных пород, различно обкатанных. Величина отдельных зерен 5--70 мм. В зависимости от линейного размера частиц гравий подразделяют на фракции 5--10, 10-- 20, 20--40 и 40--70 мм. Добывают гравий открытым способом экскаваторами различных типов, при добыче со дна рек, морей и озер применяют всасывающие механизмы, которые забирают гравий вместе с водой и транспортируют по трубам к местам отвалов, где происходит его естественное обезвоживание. Гравий применяется в строительстве в качестве крупного заполнителя в цементных и асфальтовых бетонах, а также как фильтрующий материал в водопроводных сооружениях.

Песок -- рыхлая горная порода, состоящая из зерен минералов и пород размером 0,14--5 мм. В зависимости от минералогического состава различают пески кварцевые, полевошпатные и карбонатные. Способы добычи песка аналогичны способам добычи гравия.

Пески как строительный материал получают обширное применение в связи с колоссальным развитием цементной промышленности: большинство цементных растворов и бетонов содержат песок, иногда в весьма большом количестве. От качества применяемых песков зависит прочность многих строительных материалов, получаемых на основе цемента и песка в качестве заполнителя. Для получения некоторых строительных изделий необходимо применение обогащенных песков, т.е. промытых и отсортированных как по величине зерен, так и по минералогическому составу, или прошедших дополнительное измельчение (тонкомолотых). Кварцевые пески являются основным сырьем для стекольной промышленности.

Наиболее часто в строительстве применяют каменные материалы второй группы, т. е. прошедшие специальную обработку в заводских условиях.

Плиты тесаные и пиленые (13) изготовляют из блоков, отделенных от массива пород.

Процесс изготовления тесаных плит состоит из развалки монолитов, грубой околки и получистой и чистой тески.. Монолит на болванки разделывают взрывным способом, взрывая в пробуренных шпурах небольшие заряды пороха, чтобы не появились при взрыве тонкие побочные трещины, понижающие прочность камня. Часто развалку монолита ведут клиньями (14). Болванки подвергают грубой отеске долотами. Для чистой тески лицевых поверхностей применяют бучар-ду с мелкой насечкой. Механическая теска с применением пневматических инструментов резко повышает производительность труда.

Изготовление пиленых плит значительно проще и состоит из распиловки блоков из природного камня и обработки лицевой стороны плиты для получения определенной фактуры.

Согласно ГОСТ 9479--60 блоки из природного камня делятся на четыре группы: I -- из гранитов; II---из мраморов; III -- из известняков и IV -- из вулканических туфов. Технические показатели этих блоков приведены в табл. 5.

Основным назначением тесаных и пиленых плит является облицовка зданий, поэтому для получения этих изделий используют однородные по строению горные породы, обладающие достаточной прочностью, устойчивостью к выветриванию и хорошей обрабатываемостью, без трещин, глинистых и других примесей. Плиты для наружной облицовки зданий и сооружений вырабатываются из породы с пределом прочности при сжатии не менее 1000 кГ/с.и2 -- гранита, сиенита, диорита, габбро, лабрадорита, кварцита. Для внутренней облицовки применяют мраморы, некоторые кристаллические сланцы, мягкие гипсы и ангидриты с пределом прочности не менее 200 кГ/см2.

Стоимость пиленых плит ниже стоимости тесаных: их можно получить меньшей толщины --25 мм для внутренней и 50 мм для внешней облицовки зданий; толщина тесаных плит соответственно 100 и 200 мм. Правильность плоскостей пиленых плит упрощает дальнейшую их обработку: плиты легче поддаются шлифовке, полировке, а также обработке для придания наружной их стороне требуемой фактуры. Наиблее эффективен способ обработки поверхности каменных плит резанием многорезцовыми фрезами, что дает возможность получать гладкие плоские поверхности и выполнять окантовку плит.