Властивості будівельних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний Університет Водного Господарства

та Природокористування

Кафедра технології будівельних виробів

і матеріалознавства

Контрольна робота

з дисципліни:

„Будівельне матеріалознавство”

(теоретична частина)

Фізичні властивості матеріалів. Параметри станів

Властивості будівельних матеріалів класифікують по характеру їх відношення до різних впливів навколишнього середовища. В окремі групи виділяють звичайно властивості, що характеризують відношення матеріалів до хімічних, фізичних і механічних впливів. Похідними від хімічних, фізичних і механічних властивостей є технологічні властивості, що характеризують відношення матеріалу до сприйняття технологічних операцій (розколювальність, зварюваність, формівність і ін.). Властивості матеріалів взаємозалежні й обумовлені їхнім походженням, складом, структурою, способом одержання. Найбільш важливими для будівельних матеріалів, що застосовуються у будівництві, є фізичні і механічні властивості, що характеризують стан матеріалів, їхнє відношення до води і температури, а також механічних впливів.

Фізичні властивості - такі властивості речовини, як температура плавлення, температура кипіння, в'язкість, густина, розчинність, діелектрична проникність, властиві речовині поза хімічної взаємодії.

Густина і пористість.

Густина характеризує масу речовини в одиниці об'єму. Розрізняють дійсну густину речовини і середню густину матеріалу з урахуванням наявних у ньому пор і порожнин . Густину речовини і матеріалу обчислюють по формулах:

де m - маса; V_a - об'єм речовини, з якого складається матеріал, в абсолютно щільному стані; V - об'єм матеріалу.

Відношення середньої густини матеріалу до дійсної густини речовини характеризує ступінь заповнення об'єму матеріалу твердою речовиною і називається відносною щільністю:

Пористість показує ступінь заповнення об'єму матеріалу порами:

Для сипучих матеріалів по наведеній вище формулі, де - на сипна густина, можна знайти міжзернову порожнистість.

Пористість

Пористість - найважливіший показник структури матеріалів, з нею тісно зв'язані їхні технічні властивості. При цьому значення має не тільки величина загальної пористості, але і будова порового простору, наявність відкритих і закритих, капілярних і некапілярних пор і т.д. Наприклад, морозостійкість бетону при збільшенні об'єму відкритих, заповнюваних водою пор зменшується, а при збільшенні закритих, навпаки, зростає.

Капілярні пори на відміну від некапілярних заповнюються водою, що піднімається за рахунок тиску, який викликаний поверхневим натягом рідини. Від обсягу капілярних пор залежать водопоглинення, морозостійкість, водонепроникність і ряд інших властивостей матеріалів.

Спосіб визначення пористості залежить від її виду і розмірів пор. По приведеній вище формулі знаходять загальну, пористість, а відкриту (уявну) пористість знаходять по водонасиченню матеріалу.

Температура плавлення і затвердіння

Температура плавлення і затвердіння - температура, при якій тверде кристалічне тіло здійснює перехід в рідкий стан і навпаки. При температурі плавлення речовина може знаходитись як в рідкому так і в твердому стані. При підведені додаткового тепла речовина перейде в рідкий стан, а температура не змінюватиметься доки вся речовина в системі не розплавиться. При відведенні зайвого тепла (охолодженні) речовина буде переходити в твердий стан (застигати) і доки воно не засстигне повністю температура не зміниться.

Температура плавлення (затвердіння) і температура кипіння вважаються одними з найважливіших фізичних властивостей речовини. Температура затвердіння збігається з температурою затвердіння лише для чистої речовини. Некристалічні речовини не мають температури плавлення (затвердіння) взагалі, і здійснюють перехід в певному діапазоні температур (у сумішей рідин діапазон особливо широкий).

Гідрофізичні властивості

гірський кам'яний будівельний матеріал

Поводження матеріалів у конструкціях, які підлягають зволоженню, залежить від їхньої здатності змочуватися водою і поглинати її, змінювати при зволоженні механічні властивості і пропускати воду під тиском. Кількість-води, що міститься в порах і на поверхні матеріалу, виражена у відсотках стосовно його маси в сухому стані, називають вологістю.

Змочуваність водою, чи гідрофільність матеріалу характеризується ступенем розтікання краплі води на його поверхні. Кількісно вона визначається крайовим кутом, утвореним дотичною до поверхні краплі з поверхнею твердого тіла, чи його косинусом. Для гідрофільних матеріалів крайовий кут гострий. Добре змочуються водою матеріали з речовин з вираженим полярним зв'язком молекул - природні і штучні кам'янисті матеріали, скло й ін. Надати матеріалам водовідштовхувальні властивості можна гідрофобізацією, тобто створенням на їхній поверхні адсорбційного шару поверхнево-активних речовин (ПАР). Таким способом одержують гідрофобний цемент, гідрофобні покриття на ряді матеріалів. Молекули ПАР при гідрофобізації, адсорбуючись на поверхні, орієнтуються таким чином, що їхні полярні групи звернені до поверхні матеріалу, а вуглеводневі ланцюги - у повітря. За допомогою спеціальних ПАР можна домогтися і зворотного ефекту - гідрофілізації гідрофобних матеріалів.

Гігроскопічність

Гігроскопічність - здатність матеріалу поглинати водяні пари з повітря в результаті адсорбції. Кількість адсорбованої води росте з підвищенням відносної вологості, зниженням температури і збільшенням тиску. Гігроскопічність може супроводжуватися утворенням нових сполук - гідратів і кристалогідратів. Так, при поглинанні води оксидом кальцію утвориться гідроксид. У мікрокапілярах пористих матеріалів з радіусом менш 10^-5 см пари води конденсуються. Відношення кількості води, поглиненої матеріалом, до загальної кількості цього матеріалу називається гігроскопічною вологістю. Максимальна гігроскопічна вологість різна для різноманітних пористих матеріалів: 4... 9 % - для піску, 14... 28 - для сосни, 9...25 %- для фіброліту. Вона росте з підвищенням капілярної пористості і зменшенням радіуса капілярів. Гігроскопічність змінює інші властивості матеріалів, приводить до втрати активності цементів, викликає зміну густини, розмірів і міцності деревини, збільшує теплопровідність.

Для капілярно-пористих матеріалів характерна здатність зволожуватися за рахунок підйому і переміщення води під дією капілярного тиску (капілярне всмоктування). З нею зв'язаний підйом води в матеріалах, прямо пропорційний косинусу крайового кута змочування, тобто ступеню гідрофільності, і протилежно пропорційний радіусу капілярів. Капілярне всмоктування мінералізованих вод може супроводжуватися

відкладенням у порах солей (сольова корозія). Капілярне всмоктування використовується для просочення пористих матеріалів, наприклад, просочення бітумом залізобетонних конструкцій.

Водопоглинення

Водопоглинення - здатність матеріалів поглинати й утримувати воду. Розрізняють водопоглинення по масі W_m і по об'єму W₀:

де m₁ ,m₂ - маси сухого і насиченого водою матеріалу.

Водопоглинення по об'єму показує ступінь заповнення об'єму матеріалу водою, тобто відкриту уявну пористість. Зміна водо поглинання може вказувати на зміну й інших властивостей матеріалів, наприклад міцності, морозостійкості, хімічної стійкості, тому даний показник часто нормується. Так, глиняна цегла повинна мати водопоглинення не менш 6 чи 8 % (у залежності від марки), а силікатна - не більш 16 % (14 % - лицьова). Для звичайних торф'яних плит водопоглинення повинне бути не більш 180 %, а водостійких - 50 % і т.д. Водопоглинення визначається витримуванням зразків у воді при нормальній температурі чи при кип'ятінні протягом визначеного часу.

Водостійкість

При насиченні матеріалу водою міцність його знижується в результаті розчинення контактів зростання кристалів, розклинюючого ефекту адсорбційних водяних шарів, хімічної взаємодії води з окремими компонентами, набрякання глинистих матеріалів і інших процесів. Здатність матеріалів зберігати міцність при насиченні водою називається водостійкістю. Показником водостійкості служить коефіцієнт розм'якшення:

де R _н.в. - міцність матеріалу, насиченого водою; R_с - міцність сухого матеріалу.

Коефіцієнт розм'якшення наближається до нуля для глинистих невипалених матеріалів і до одиниці - для металів, скла, полімерів. Для водостійких матеріалів К_р = 0,75...0,8. Підвищення його досягається гідрофобізацією, а також технологічними прийомами, що сприяють зниженню розчинності і пористості матеріалів. Наприклад, коефіцієнт розм'якшення гіпсових виробів можна підвищити майже в 2,5 рази (від 0,3 до 0,7), замінивши будівельний гіпс на змішане гіпсоце-ментнопуцоланове в'яжуче.

Стійкість матеріалу, насиченого водою, до поперемінного заморожування і відтаювання називається морозостійкістю. Морозостійкість обумовлена опором матеріалів високому тиску, що виникає в їхніх порах при заморожуванні води. Кристалізація льоду супроводжується збільшенням об'єму приблизно на 8 % і розвитком тиску до 200 МПа. При чергуванні циклів заморожування і відтаювання в матеріалах накопичуються залишкові деформації, що приводять до руйнування (рис. 1.2). Розходження коефіцієнтів термічного розширення компонентів, що входять у матеріали, також приводить до напруженого стан}'. Показником морозостійкості є число циклів (для деяких матеріалів - від'ємна температура), що витримують зразки при припустимому ступені руйнування. Для більшості будівельних матеріалів після іспиту їх на морозостійкість зниження міцності допускається не більш 25 %, а втрати маси - 5 %. Морозостійкість залежить від складу, пористості і структури перового простору; вона знижується зі зменшенням водостійкості і ростом водопоглинення матеріалів.

Стан зразків матеріалу при випробуванні на морозостійкість (по десятибальній шкалі С. В. Шестоперова).

Для зниження тиску льоду ефективне утворення в матеріалі замкнутих повітряних пор, що виконують роль амортизаторів.

Випробування матеріалів на морозостійкість ведуть у морозильних камерах звичайно при -15...-18 °С, коли в більшості капілярів вода переходить у лід. Подальше зниження температури веде до істотного зменшення морозостійкості, що пояснюється залученням у процес руйнування усе більш тонких капілярів.

При роботі пористого матеріалу в умовах визначеного тиску води спостерігається її фільтрація. В залежності від структури порового простору можливі в'язкіший, капілярний чи дифузійний переноси води.

При в'язкісному переносі вода переміщається тільки у вигляді рідини, при капілярному вона може переноситися й у вигляді пари, а при дифузійному - у вигляді окремих молекул. Здатність матеріалів не пропускати воду під тиском називають водонепроникністю. Практично водонепроникними вважаються матеріали, відносна щільність яких наближається до одиниці (метали, скло, полімери). Високу водонепроникність мають матеріали із замкненими порами, а також ті, що вміщують в основному мікрокапіляри (кераміка, тонкодисперсні глини й ін.). Порівняно низька водонепроникність характерна для матеріалів зі сполученими капілярами.

Водонепроникність матеріалів виміряється трьома методами: тиском води, що витримує зразок протягом заданого часу без появи ознак фільтрації (рис. 1.3); часом, необхідним для проходження заданого об'єму води при постійному тиску; кількістю води, яка просочилася протягом заданого часу при встановленому тиску. Найбільш розповсюджений - перший метод. Він застосовується для оцінки водонепроникності бетону, рулонних гідроізоляційних матеріалів, асфальтових мастик і т.д.

Теплофізичні властивості

У цю групу входять властивості матеріалів, що характеризують їхнє відношення до зміни температури. Здатність матеріалу поглинати теплоту при нагріванні на І градус називають теплоємністю. Питома теплоємність (теплоємність одиниці маси матеріалу) знаходиться по формулі

де Q - кількість теплоти, кДж; m - маса, кг; t₁ і t₂ - температура до і після нагрівання, °С.

Питома теплоємність залежить від походження й особливостей структури матеріалів, їхньої вологості і температури. Так, для природних і штучних кам'яних матеріалів с = 0,754...0,921, для скла с = 0,335... 1,047, для лісових матеріалів с = 2,394...2,73 кДж/(кг-°С).

Установка для визначення водонепроникності бетону:

1 - манометр; 2 - зажимні фланці; 3 - обойма; 4 - бетонний зразок;

5 - компенсатор тиску; 6 - водяний насос; 7 - балон із стисненим повітрям.

Питому теплоємність використовують при розрахунку тепло тривкості огороджень, термічної тріщиностійкості матеріалів, необхідного підігріву матеріалів при зимовому бетонуванні і т.д.

Матеріали здатні як поглинати, так і передавати теплоту. Один : видів теплопередачі, при якому перенос теплоти здійснюється за рахунок коливання атомів чи руху і взаємодії електронів, називається теплопровідністю.

Питома теплопровідність Ј ,Вт/(м °С) характеризує кількість теплоти Q, що проходить в одиницю часу через одиницю поверхні матеріалу F при зміні температури на 1 °С:

де д - товщина матеріалу, м.

Теплопровідність більшості будівельних матеріалів збільшується з підвищенням температури, причому ця залежність в інтервалі від 0 до 100 °С має характер близький до лінійного. Різко підвищується теплопровідність також зі збільшенням вологості матеріалів. В міру підвищення пористості, особливо об'єму дрібних замкнутих пор, теплопровідність матеріалів понижується. Це обумовлено заповненням їх повітрям, що у нерухомому стані має найменшу питому теплопровідність (при 20 °С X = 0,025 Вт/(м °С). Знижується теплопровідність і в міру ускладнення хімічного складу матеріалу, переходу від кристалічного до аморфної будови.

Значення питомої теплопровідності X, Вт/(м °С): для міді - 350, сталі - 58, граніту - 2,8...3,4, важкого бетону - 1,3...3,4, цегли звичайної - 0,7...0,8, пористого бетону - 0,15...0,4, мінеральної вати -0.042...0,081, поропластів - 0,035.

Теплопровідність - найважливіший критерій теплоізоляційних властивостей матеріалів. При впливі на матеріали високих температур важливе значення мають їхня теплостійкість, термо- і вогнетривкість, вогнестійкість.

Теплостійкість

Теплостійкість - властивість матеріалу зберігати експлуатаційні характеристики (наприклад, міцність, пластичність, ударну в'язкість) при механічному і хімічному впливі в умовах високої температури. Жаростійкість - це здатність матеріалу витримувати тривале нагрівання до 1000°С без зміни експлуатаційних характеристик. До жаростійких відносять різні керамічні і металеві матеріали, ситали, спеціальні бетони.

Термостійкість

Термостійкість-це здатність матеріалів витримувати без руйнування циклічні зміни температури. Підвищену термостійкість мають матеріали з низьким коефіцієнтом термічного розширення (плавлений кварц, спеціальне скло), високою теплопровідністю і низьким модулем пружності (метали).

Здатність матеріалів зберігати свої експлуатаційні властивості при впливі вогню в умовах пожежі називають вогнестійкістю. Межею вогнестійкості є тривалість опору впливу вогню до втрати несучої здатності (суттєвого зниження міцності і значних деформацій). Наприклад, у бетону межа вогнестійкості 2...5 год., у залізобетону -1...2 год., у металевих конструкцій - 0,5 год.

Вогнетривкість

Вогнетривкість-це здатність матеріалів протистояти впливу високих температур не розплавляючись. Вона характеризується температурою, при якій зразок усіченої піраміди розм'якшується так, що його вершина, нахиляючись, торкається основи. Для вогнетривких матеріалів (динас, шамот, корунд і ін.) ця температура не нижче 1580°С.

Міцнісні властивості

У цю групу механічних властивостей входять: міцність, твердість, стиранність і ударна в'язкість матеріалів.

Міцність - це опір матеріалів руйнуванню під дією зовнішніх навантажень. Вона обумовлена взаємодією часток (атомів, чи молекул іонів), що складають матеріали. Фактична міцність матеріалів нижча теоретичної через наявність домішок і дефектів структури.

В залежності від будови й умов випробування руйнування матеріалів може бути крихким чи пластичним. Перше характерно для природних і штучних кам'яних матеріалів, скла, друге - для металів, сплавів, полімерів.

Процес руйнування матеріалу починається з виникнення в ньому мікротріщин, що під дією навантаження розвиваються до критичного розміру, від чого матеріал руйнується. Максимальна напруга,при якій матеріал руйнується під дією зростаючого навантаження, називається межею міцності. При тривалому прикладанні, а також багаторазовому повторенні навантаження, руйнування можливе і при напруженнях, менших межі міцності. Міцність залежить також від температури, характеру середовища і виду напруженого стану (стиску, розтяту, вигину, зрізу, крутіння чи комбінованого впливу). Міцність матеріалів зменшується зі збільшенням їхньої пористості, що приводить до зниження кількості зв'язків між структурними елементами і нерівно мірного розподілу навантаження.

У лабораторних умовах міцність визначають руйнуванням контрольних зразків за допомогою гідравлічних пресів, розривних і інших випробувальних машин. Для крихких матеріалів основними міцнісними характеристиками є границя міцності при стиску ( R_cт ) і при згині ( R₃), а для пластичних - при розтягу (R_p). Границю міцності при стиску і розтягу визначають за формулою:

де P_max- максимальне навантаження, Н; F₀ - початкова площа поперечного переріз}' зразка, м² ;б - перевідний коефіцієнт від міцності випробовуваних зразків до міцності зразків стандартної форми і розмірів. Для границі міцності при згині

де М - найбільший згинальний момент, Н*м; W - момент опору перерізу зразка, м³.

Наприклад, при згині балки прямокутного перерізу й одному зосередженому зусиллі

Де l- відстань між опорами, м; b і h - ширина і висота поперечного перерізу зразка, м.

Прогресивними способами визначення міцності матеріалів безпосередньо у виробах і конструкціях є неруйнівні способи за допомогою ультразвукових, механічних і інших методів.

Твердість

Опір матеріалів руйнуванню чи деформуванню в поверхневому шарі при місцевих силових впливах характеризує твердість. Твердість матеріалів можна розглядати як їх міцність при вдавлюванні. Для визначення твердості використовуються методи вдавлювання наконечників різних типів і вимірювання відбитків. Відношення навантаження до площі поверхні відбитку називають числом твердості. Для приблизного визначення твердості гірських порід застосовують метод Мооса, заснований на дряпанні матеріалу еталонним мінералом. Першим у шкалі Мооса стоїть тальк, що має твердість 1, а останнім - алмаз із твердістю 10.

Стиранність

Для ряду матеріалів важливими властивостями є також старанність і ударна міцність. Стиранність характеризується втратами маси зразка, що віднесені до одиниці поверхні, і визначається на спеціальних приладах, а ударна (динамічна) міцність - роботою, втраченою на руйнування зразка при ударі, тобто при короткочасних навантаженнях високої інтенсивності.

Деформативні властивості

Ця група механічних властивостей характеризує деформації матеріалу, тобто їхню здатність змінювати форму і розміри без зміни маси. Розрізняють пружні, або цілком оборотні, необоротні або пластичні, а також складні пружноп-ластичні чи пружнов'язкопластичні деформації.

Пружність

Пружність - властивість матеріалу відновлювати форму й об'єм після припинення дії деформуючих сил. Вона обумовлено прагненням часток, що складають матеріал, повернутися у вихідний стан. Найбільша напруга, при якій практично не виявляються залишкові деформації, називається границею пружності. В області пружних деформацій справедливий закон Гука - деформація матеріалу прямо пропорційна діючому напруженню у:

де Е - модуль пружності при розтягу (модуль Юнга), що характеризує міцність міжатомних зв'язків у кристалічних ґратках. Модуль пружності зв'язаний з міцністю і твердістю матеріалів і змінюється зі зміною складу,температури й інших факторів.

Для природних і штучних кам'яних матеріалів, скла, металів пружна деформація незначна.

Пластичність

Пластичність - властивість матеріалів змінювати під дією зовнішніх сил, не руйнуючись, свою форму і розміри і зберігати пластичні деформації після зняття навантажень. Пластичні деформації настають при напруженнях, що перевищують границю пружності. Здатність до пластичних деформацій без помітного збільшення навантаження називають текучістю. За певних умов для ряду матеріалів (бетону, металів, кераміки) характерна повзучість - безперервне повільне зростання деформації при постійному навантаженні.

Здатність матеріалів руйнуватися без помітної пластичної деформації називають крихкістю, а їх опір розвитку пластичних деформацій - в'язкістю. Один і той самий матеріал в залежності від вихідних умов: виду напруженого стану, температури, середовища, швидкості деформування - може знаходитися в крихкому чи пластичному стані. Наприклад, багато металів, асфальт і інші матеріали при нормальній температурі - пластичні, а при низькій - крихкі.

Природні кам'яні матеріали

До природних кам'яних матеріалів належать матеріали мінерального "походження, які виготовляються шляхом механічної обробки гірських порід. Природні матеріали - пісок, піщано-гравійні суміші, бутовий камінь, щебінь та інші застосовують для зведення інженерних споруд (фундаментів, дамб, доріг), а також як заповнювачі бетону.

Основні види гірських порід

Гірські породи - це мінеральні агрегати певного хімічного складу, які утворюють земну кору. За походженням вони поділяються на три групи: магматичні, або вивержені, які утворились внаслідок ©тверднення у надрах земної кори (глибинні) або на її поверхні (виливні) силікатних розплавів (магми); осадові, які виникли внаслідок перенесення і відкладення продуктів руйнування гірських порід і органічних залишків; метаморфічні - продукти перекристалізації та структурної зміни вивержених і осадових порід під впливом високої температури та тиску.

Склад і структура гірських порід

Всі гірські породи складаються із мінералів, тобто хімічних сполук, які утворились внаслідок різних фізико-хімічних процесів, що відбувається у природі. На даний час відомо біля двох тисяч мінералів, однак кількість основних породоутворюючих мінералів порівняно невелика - це кварц, польові шпати, кальцит, доломіт, слюди, амфіболи, піроксени та інші. Мінералогічний склад гірських порід вивчають мікроскопічним методом. Розрізняють мінерали і за деякими їх характерними особливостями - твердістю, блиском, спайністю, зламом, кольором, формою кристалів. Так, кварц характеризується прозорістю, скляним блиском; нерівним зламом; польовий шпат - гладкими рівними поверхнями з блиском; слюди - досконалою спайністю в одному напрямку і здатністю розшаровуватись на лускуваті листочки; піроксени - чорним офарбленням і здатністю до кристалізації у вигляді зерен або коротких стовбчастих кристалів. Кальцит і доломіт в карбонатних породах легко визначити за явищем "кипіння" під дією соляної кислоти.

Важливими факторами, які визначають властивості гірських порід, є їх структура і текстура. Структура характеризує ступінь кристалізації, розміри і форму кристалів, текстура - відносне просторове розташування компонентів у породі. Розрізняють чотири основних типи структур: кристалічно-зернисту, приховано-кристалічну, склувату та уламково-цемектовану.

В залежності від розмірів зернин структура може бути дрібно (2...З мм) та крупнокристалічною (понад 5 мм). За ступенем кристалізації структура поділяється також на повнокристалічну і порфірову, для якої є характерним утворення окремих крупних зерен серед однорідної маси. Повнокристалічну структуру із крупними і середніми розмірами кристалів мають звичайно глибинні вивержені та метаморфічні породи. Порфірова дрібнокристалічна структура притаманна виливним, також деяким карбонатним породам. Зерна мінералів такої структури можна розрізнити тільки під мікроскопом. Для гірських порід з уламковою цементуючою структурою характерна наявність цементуючої маси, яка консолідує уламки порід. Таку структуру мають піщаники, деякі карбонатні та інші осадові і метаморфічні породи.

На відміну від структури текстура відображує просторове розташування зерен та кількість речовини в одиниці об'єму. Так, виверженим породам притаманна масивна текстура із рівномірним розподіленням зернин мінералів. Для низки метаморфічних порід є характерною сланцева або шарувата текстура.

Хіміко-мінералогічний склад та структурно-текстурні особливості гірських порід визначають їх фізико-механічні властивості. Породи із однорідною кристалічно-зернистою структурою мають високу міцність при стисканні, низьке водопоглинання, є стійкими проти вивітрювання. Дрібнозернисті породи є більш міцними у порівнянні із крупнозернистими. При переважній наявності у породі скла її міцність буде більш низькою, вона буде більш схильною до температурних змін.

Магматичні (вивержені) породи

Магматичні (вивержені) породи переважно розповсюджені у земній корі. До їх складу належать в основному мінерали-силікати, усереднений склад яких наступний (%): польові шпати - 60, кварц - 12, амфіболи й піроксени - 17, слюди - 4, інші - 6. За вмістом кремнезему вони поділяються на групи: ультра основні - менш 40% SіO₂ (дуніти, олівініти, піроксени), основні - 40...52% SіО₂ (габро, базальти, діабази), середні - 52...65% SіО₂ (діорити, порфірити, сієніти), кислі - 65..75% SiO₂ (граніти, ліпарити, порфіри), ультракислі (аляскити).

Найбільш розповсюджені глибинні кислі вивержені породи - граніти (структура граніту наведена на рисунку нижче). На другому місці - виливні основні породи - базальти. У таблиці наведені основні фізико-механічні властивості розповсюджених гірських порід.

Основні фізико-механічні властивості деяких гірських порід

Порода	Густина, кг/м3	. Границя міцності при стисканні, МПа	Водопог-линання, %	Старанність, г/см2
Граніт	2500...2700	100...250	0.1...1	ОД...0,5
Базальт	2200...3000	200...300	0,01...0,2	0,4...1
Вапняки щільні	1800...2700	З,5...200	0,5...30	2...5
Вапняки пористі (че-репашники)	900,..2000	0,4...20	6...40	--
Піщаники	1900.. 2800	10...200	0,2...2,5	0,1...2
Гнейси	2400...2800	50...240	0,1...1	--
Кварцити	2500...2700	120...400	0,01...0,2	0Д...З

Осадові породи

На відміну від вивержених, осадові породи розповсюджені переважно на поверхні земної кори, де вони складають 70...75% площі. За способом утворення їх поділяють на З групи: уламкові - піски, глини, гравій, валуни: хімічні - сульфати, карбонати та інші; органогенні - крейда, трепел, діатоміт та інші. Від способу утворення та складу вихідних порід залежить і хіміко-мінералогічний склад осадових порід. Крім мінералів вихідних гірських порід вони можуть містити і продукти їх розкладання, наприклад глинисті мінерали, також осади із розчинів (мінеральні солі).

Структура граніту (вигляд під мікроскопом). К - кварц, О - ортоклаз, С - слюда

Уламкові породи

Уламкові породи утворились внаслідок вивітрювання вивержених гірських порід. Вони поділяються на рихлі та цементовані. У будівництві застосовують грубоуламкові (понад 1...2 мм), середньоуламкові (О,1...2 мм), тонкоуламкові (не більш 0,01 мм). До грубоуламкових належать валунно-гравійні породи, з яких добре окатаними, що містять незначну кількість слабких порід, та морозостійкими є гравій, галька, валуни, що накопичуються у річкових долинах. Найбільш розповсюдженими середньоуламковими породами є піски та їх зцементовані різновиди - піщаники. Природні піски складаються переважно із зерен кварцу. Піщаники можуть містити кремнеземисту, карбонатну, гіпсову, глинисту та ін. цементуючі речовини. Найбільш міцними є кварцові піщаники із кремнистим цементом, найменш міцними - із глинистим. Із тонкоуламкових порід розповсюджені глини.

Хімічні органогенні породи утворились в основному шляхом осадження із водних розчинів. У будівництві та промисловості будівельних матеріалів широко застосовують карбонатні породи: вапняки, мергелі (породи, які містять глину і карбонат кальцію), кремнеземисті породи (діатоміт, трепел, опока). Осадові породи більш неоднорідні за властивостями у порівнянні із виверженими (див.табл.).

Метаморфічні породи

Із порід цього типу як будівельний камінь та сировину застосовують гнейси, кварцити, мармур та ін. Найбільш розповсюджені гнейси, які за мінеральним складом нагадують граніт і мають характерну сланцеподібну текстуру.

Кварцити утворились внаслідок метаморфізащї кварцових піщаників. Це є найбільш міцні породи (табл.). Мармур утворився внаслідок перекристалізації вапняків і доломітів і використовується в основному як лицювальний матеріал.

Характеристика природних кам'яних матеріалів та їх добування

Природні камені поділяють за способом отримання, видами обробки, призначенням, щільністю.

Рваний та подрібнений камінь

Рваний бутовий камінь отримують шляхом вибухового висаджування гірської маси. Застосовують його для кладки фундаментів, у шляховому будівництві, при зведенні стін нежитлових будівель, для кріплення земляних укосів тощо. Розміри шматків бутового каменя 150...500 мм. Його отримують як із щільних гірських порід з марками за міцністю від 100 до 1400 і морозостійкістю до 300 циклів, так і з пористих з марками за міцністю 25... 100, морозостійкістю 15 циклів.

Подрібнений камінь

Подрібнений камінь випускають у вигляді щебеню, крихти, штучного піску та застосовують в основному як заповнювач бетонів.

Після просіювання піщано-гравійних сумішей отримують сортований матеріал - пісок і гравій, а після тонкого помелу гірських порід - мелений (мінеральний порошок, вапнякова мука).

Пісок, щебінь, гравій та бутовий камінь належать до групи нерудних будівельних матеріалів, які мають неправильну довільну форму.

При отриманні рваного і подрібненого каменю розробку масивних порід проводять у відкритих кар'єрах буро-вибуховим способом, коли від масиву відділяються глиби і піддають подальшому подрібненню до заданих розмірів. Подрібнення здійснюють у одну або декілька стадій на щокових, конусних дробарках або дробарках ударної дії із сортуванням на фракції, наприклад для. щебеню 5...20, 20...40, 40...70 мм (рис.). Форма щебеню залежить від особливостей дробарок, структури та текстури гірської породи (рис.). Так, вміст плоских (пластинчастих) шматків при подрібненні крупнозернистих порід може бути вдвічі меншим, ніж при подрібненні дрібнозернистих та скловидних. При подрібненні на дробарках ударної дії збільшується вихід зернин, близьких до кубічної форми. Для покращання властивостей кам'яних матеріалів їх очищують від забруднення, збагачують більш міцними зернами з поліпшеною формою та поверхнею.

Схема дробильно-сортувального заводу для отримання щебеню 1 - камінь; 2 - щокова дробарка; 3 - конвеєр; 4 - грохот; 5 - конвеєр для зворотної подачі великих кусків каменю; 6 - конусна дробарка; 7 - сортувальний барабанний грохіт; 8 - бункери сортувального щебеню: 9 - конвеєр зворотної подачі в дробарку крупного щебеню; 10 - відкриті склади фракційованого щебеню; 1 і - екскаватор для довантаження щебеню.

Форма отриманого щебеню (б) в залежності від форми

окремих кусків гірської породи (а): 1 - бриловидна;

2 - кубовидна; 3 - пластова; 4 - плитовидна; 5 - пластинчаста: б - пластинчастопальцевидна 7 - призматична; 8 - кутовата: 9 - сфероподібна; 10 - шкарлупоподібна

Штучний камінь

Промисловість нерудних матеріалів випускає також штучний камінь правильної форми - стінові (пиляні) блоки, лицювальні плити, дорожні та спеціальні (жаростійкі, луго- і кислотостійкі) вироби.

Стінкові камені

Стінкові камені нарізають із легких пористих гірських порід (вапняків, черепашників, туфів) з середньою густиною не більш 2100 кг/м³ за допомогою каменерізальних машин. Звичайні розміри стінового каменю - довжина 390, 490 мм, ширина 190, 240 мм, висота 188 мм, але виготовляють також і крупні стінові блоки довжиною 500...3020, шириною 400...500, висотою 820... 1000 мм. Марки за міцністю при стисканні коливаються від 4 до 400. Водопоглинання повинно бути не більш 30% (для туфу 50%), коефіцієнт розм'якшення -не менш 0,6, морозостійкість - 15 циклів.

Лицювальні плити

Лицювальні плити для зовнішнього лицювання будівель і споруд найбільш часто застосовують із граніту та близьких до нього порід - лабрадориту, мармуру, кварциту, а для внутрішнього лицювання - із менш твердих порід - мармуру, вапняку, гіпсу. Плити товщиною від 15 до 140 мм отримують шляхом розпилювання блоків та обробки поверхні до певної фактури. Можливі фактури сколювання (рифлена термострумінна, точкова, борознами) та абразивна (полірована, шліфована, пиляна).

До дорожніх кам'яних матеріалів належать колотий, булижний, бортовий камінь, бруківка. Бруківку отримують із вивержених гірських порід, стійких проти удару і стирання, з границею міцності при стисканні не менш 100 МПа у вигляді брусків довжиною 15...25, шириною 9... 15, висотою 10... 15 см. Її застосовують для улаштування дорожнього покриття і смуг кріплення на автомобільних дорогах. Колотий і булижний камінь застосовують для улаштування доріг ІУ-У категорій, кріплення укосів, земляних споруд тощо. Бортовий камінь призначається для відокремлювання проїжджої частини вулиць і доріг від тротуарів і майданчиків. Як і інші дорожні камені, його виготовляють із високоміцних гірських порід, які мають морозостійкість не менш 50... 100 циклів.

Вимоги до кам'яних матеріалів для будівництва

У будівництві застосовують як рваний та подрібнений камінь, так і штучні вироби, які виготовляють із вивержених, осадових і метаморфічних порід високої міцності, водо- та морозостійких.

Природні камені поділяють: за середньою густиною в сухому стані на важкі р₀ > 1800 кг/м³, середні р₀ = 1500... 1800 кг/м³ і легкі р_с = 1000... 1500 кг/м³ за міцністю при стисканні на низькоміцні з границею міцності 2,5... 10 МПа, середньої міцності - 15...40 МПа та високоміцні - 50 МПа та більше (таблиця ).

Основні характеристики кам'яних матеріалів, які застосовують у будівництві

Порода	Марка каменю за міцністю при стисканні, МПа	Середня густина, не менше	Коефіцієнт розм'як-шення	Водопогли- нання, %, не більше
	Камені низькоміцні
Вапняк	25	1400	0,6	6
	35	1500
	50	1500
	75	1600
	100	1600
	Камені середньої міцності
Вапняк, пі-щаник	150	1800	0,75	2
	200	1900
	300	2100
	400	2100
	Камені високоміцні
Вапняк, доломіт, піщаник	500	2200	0,75
	600	2300
	900	2400
	І000	2500
Граніт, діо-рит, габро.	1000 та більше	2500 та більше	0,9
Базальт	500	2300 та більше		0,5
	600
	800
Діабаз	1000 та більше	2900 та більше

Механічні властивості природного каменю визначають на зразках циліндричної або кубічної форми, які мають діаметр або довжину ребра 50 мм (для низькоміцних порід 100 мм).

Для щебеню і гравію марку вихідної породи орієнтовно можна визначити за показником здатності до подрібнення (подрібшовальності):

де m- маса проби, кг; m₁ - залишок на контрольному ситі з розміром комірок, що в чотири рази менші нижнього розміру фракції, кг.

Марка каменя з морозостійкості - 25, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 500. Для районів з особливо суворими умовами та в зоні змінного рівня води для гідротехнічних споруд рекомендується камінь з морозостійкістю не менш 100, а для надводних зон - 50... 100. У районах з помірними і суворими умовами необхідна морозостійкість каменя знижується відповідно на одну марку.

Для зведення гребель застосовують валуни, рваний та булижний камінь, які накидають у споруду, а порожнини між крупним камінням заповнюють щебенем та гравієм. Опір каменя стисканню після 25 циклів заморожування-відтанення повинен бути 50...60 МПа для гребель висотою до 15 м, а для більш високих гребель - 70...80 МПа. Коефіцієнт розм'якшення каменя, який знаходиться нижче поверхні води (або в зоні змінної її дії) повинен бути для вивержених і метаморфічних порід не менш 0,9, осадових - 0,8. Не допускається застосування каменя із прошарками м'яких, розмокаючих порід та з ознаками вивітрювання.

При використанні каменя для виготовлення лицювальних матеріалів (плит, плиток) необхідно враховувати його старанність та опір ударній дії.

Захист кам'яних матеріалів від вивітрювання

Вивітрюванням називають руйнування гірських порід під впливом змінного зволоження й висихання, заморожування й відтаювання, нагріву й охолодження, хімічної взаємодії агресивного середовища з окремими компонентами каменя. Стійкість кам'яних матеріалів проти вивітрювання залежить від їх мінералогічного складу та структурно-текстурних особливостей. До мінералів, які є нестійкими до хімічного вивітрювання, можна віднести польові шпати, слюду, пірит, кальцит, доломіт, гіпс та інші. Стійкість проти фізичного вивітрювання, у першу чергу опору дії замерзаючої води, залежить від пористості породи та кількості тріщин. Більш здатні до вивітрювання породи крупнозернистої та порфірової структури.

Розрізняють хімічні та конструктивні способи захисту від вивітрювання. До хімічних способів захисту належить обробка природного каменю із карбонатних гірських порід (мармур, вапняк, доломіт) флюатами - солями кремнефтористоводнєвої кислоти. В результаті утворюються нерозчинні сполуки фтористого кальцію, магнію, кременевої кислоти, які ущільнюють поверхневий шар матеріалу.

Поверхні природних кам'яних матеріалів ущільнюються також просоченням їх розчинним склом та хлористим кальцієм, а також іншими речовинами, в результаті чого утворюються нерозчинні сполуки, які закупорюють пори. Ефективним захистом кам'яних матеріалів від води є гідрофобізація їх водневими розчинами кремнійорганічних сполук й обробка іншими полімерними сполуками.

Конструктивні способи захисту від вивітрювання полягають в тому, що виробам із природного каменя надають певну форму, котра не сприяє затриманню води на їх поверхні.

Застосування у сучасному будівництві

Природні кам'яні матеріали одержують механічною переробкою та обробкою гірських порід, не змінюючи їх природної структури та властивостей.

Гірські породи - це мінеральні маси, які утворюють земну кору і мають відносно сталі склад і будову. Вони складаються з мінералів - продуктів природних фізико - механічних процесів. Мінерали - це природні утворення, однорідні за хімічним складом, будовою та властивостями. Гірські порди можуть бути полімінеральними, тобто складатися з кількох мінералів або мономінеральними - з одного мінералу.

У будівництві природні кам'яні матеріали застосовують з глибокої давнини, про що свідчать пам'ятки архітектури багатьох країн світу, у тому числі і нашої країни.

Залежно від виду обробки природні кам'яні матеріали бувають такі: подрібнені, колоті, пиляні (блоки, плити) та штучні вироби різного ступеня обробки.

У сучасному будівництві визначалися такі основні напрями використання згаданих матеріалів:

1)штучне каміння та вироби для зведення стін будівель, улаштування підлог, сходів тощо;

2)облицювальні (декоративні) вироби - плити, каміння, профільовані вироби;

3)каміння та вироби для дорожнього будівництва - брущатка, шашка для мостіння, плити, бордюрний камінь;

4)каміння та вироби різних типів для гідротехнічних та інших споруд;

5)нерудні матеріали - бутовий камінь, заповнювачі для бетону (щебінь, гравій, пісок).

Гірські породи широко застосовують не лише для виготовлення кам'яних матеріалів, а й як сировину для одержання мінеральних в'яжучих речовин, керамічних, скляних та інших плавлених матеріалів.

Матеріали та вироби з природного каменю

Грубооброблені матеріали. Бутовий камінь - це куски каменя неправильної форми розміром 150…500мм, масою 20…40кг. Бутовий камінь може бути рваним та постілистим. Рваний бут розробляють здебільшого вибуховим способом. Постілистий бут одержують з порід пластового залягання. З буту зводять греблі та інші гідротехнічні споруди, підпірні стінки, фундаменти, його також переробляють на щебінь.

Гравій одержують просіюванням сипких порід; у разі потреби їх промивають, щоб видалити шкідливі домішки (глину, пил).

Піски бувають природними та штучними.

Щебінь, гравій та пісок використовують як заповнювачі для бетонів і розчинів.

Каміння та блоки для укладання стін. Багато пористих гірських порід легко розпилюються на камені та блоки правильної геометричної форми. Каміння та блоки застосовують для зведення зовнішніх стін, перегородок та інших частин будівель і споруд.

Застосовуючи крупні стінові блоки розміром до 3000_1000_1500мм і масою до 1,5т, можна знизити затрати праці на їхнє виготовлення та монтаж, забезпечити індустріальність будівництва.

Облицювальні матеріали та вироби

Облицювальне каміння й плити, а також архітектурно - будівельні вироби виготовляють, розпилюючи блоки - напівфабрикати або вдаючись до безпосереднього випилювання з масиву гірської породи. Можна виготовляти також колені вироби. Цокольні плити а також деталі карнизів та інших частин будівлі, що виступають, виготовляють з найстійкіших порід. Спеціальне облицювання застосовують для захисту від корозії.

Матеріали та вироби для дорожнього будівництва

Брущатий камінь призначається для впорядкування покриттів проїжджої частини доріг. Має форму зрізаної піраміди з паралельними прямокутними верхньою та нижньою основами. Виготовляють брущатку з однорідних дрібно- й середньозернистих порід. З таких самих порід виготовляють і шашку для мозаїчного блоку.

Колотий і брущатий камінь використовують для влаштування основ доріг, а також дорожніх покриттів, для укріплення схилів земляних порід тощо.

Тротуарні плити виготовляють з шаруватих гірських порід. Вони мають форму прямокутної чи квадратної плити.

Бортове каміння, що відокремлює проїзджу частину дороги від тротуару, виготовляють із щільних вивержених порід, яким притаманні вискі морозо- й зносостійкість, а також міцність. Залежно від способу виготовлення вони бувають пиляні й колені.

Каміння для гідротехнічних споруд

Для річкових і морських гідротехнічних споруд застосовують каміння правильної та неправильної геометричних форм. Каміння неправильної форми - використовують для влаштування камененакидних гребель, перемичок, дамб, берегоукріплень та інших споруд. Каміння правильної форми - колене й пиляне, використовують для облицювання гребель, набережних, шлюзів. До всіх матеріалів ставлять підвищені вимоги не лише щодо міцності, а й щодо водо- та морозостійкості. Особливо несприятливими є умови експлуатації матеріалів у зоні змінного рівня води, де під час замерзання можуть утворюватися льодові скупчення, які спричинюють значні внутрішні напруження. Захисне облицювання в цій зоні виконують із щільних вивержених порід з водопоглиненням не більш як 1%, міцністю на стиск не нижче ніж 8…100МПа і морозостійкістю не менш як 300 циклів.

Хімічно стійкі та жаростійкі матеріали й вироби

Численні гірські породи використовують для футерування різних апаратів та установок, які зазнають дії кислот, лугів, солей і агресивних газів, а також впливу високих і різномістких температур і тисків. Із щільних кислототривких гірських порід виготовляють тесані плити, цеглу, бруски, фасонні вироби потрібної форми. У подрібненому вигляді ці породи використовують як заповнювачі в кислототривких цементах. Для захисту від дії кислот використовують гранит, сієніт, базальт, андезит, кварцит, а від дії лугів - карбонатні породи: щільні вапняки, доломіти, магнезити, мармури. Для жаростійких облицювань застосовують вироби з базальту, діабазу, вулканічних туфів.

Размещено на Allbest.ru