СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ 1 страница

Методические указания к практическим занятиям

по курсу «Строительные материалы и конструкции»

для студентов направления «Экономика» по профилю «Экономика предприятий и организаций (в строительстве)»

Саратов – 2015

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Программа предмета «Строительные материалы и конструкции» предусматривает изучение свойств строительных материалов, изделий и конструкций, применяемых в гражданском и промышленном строительстве, определение их качества, основ технологии различных строительных материалов и области их применения.

Строительные материалы служат основой строительства. Затраты на материалы составляют более половины общей стоимости строительно-монтажных работ. Глубокое знание свойств строительных материалов позволяет правильно выбрать необходимый материал с учётом его качественных показателей, конкретных условий применения и стоимости.

Программа предусматривает изучение студентами теоретической части курса и выполнения практических заданий, а также самостоятельную работу. При изучении предмета студенты должны пользоваться как дополнительной литературой (указана ниже), так и специальной технической, в том числе периодической печатью и нормативной документацией.

ВВЕДЕНИЕ

Во введении студент знакомится с назначением строительных материалов. Кроме того, студент должен усвоить краткие исторические сведения о развитии теории и практики производства и применения строительных материалов, а также ознакомиться с новейшими достижениями науки и техники в этой области.

Строительные материалы – это природные и искусственные мате­риалы и изделия, используемые при строительстве и ремонте зданий и сооружений. Различают строительные материалы общего (цемент, бетон, древесина) и специального назначения (акустические, теплоизоляционные, огнеупорные материалы). На каждый строительный материал имеется ГОСТ или ТУ, в которых даются определение материала, важнейшие требования, предъявляемые к нему, методы испытаний, правила транспортирования, приёмки и хранения. Стандарт имеет силу закона и соблюдение его обязательно.

В строительстве используют большое количество разнооб­разных материалов.

По назначению строительные материалы подразделяются на следующие группы:

– вяжущие строительные материалы: воздушные и гидравлические вяжущие (цементы, известь, гипс);

– стеновые материалы – ограждающие конструкции (естественные каменные материалы, керамиче­ский и силикатный кирпич, бетонные, гипсовые и асбестоце­ментные панели и блоки, ограждающие конструкции из стекла и силикатного ячеистого и плотного бетона, панели и блоки из железобетона);

– отделочные материалы и изделия (керамические изделия, изделия из архитектурно-строительного стекла, гипса, цемента, изделия на основе полимеров, естественные отделоч­ные камни);

– тепло- и звукоизоляционные материалы и изделия (мате­риалы и изделия на основе минеральных волокон, стекла, гипса, силикатного вяжущего и полимеров);

– гидроизоляционные и кровельные материалы (материалы и изделия на основе полимерных, битумных и других связую­щих, асбестоцементный шифер и черепица);

– герметизирующие (мастики, жгуты и прокладки для уплотнения стыков в сборных конструкциях);

– заполнители для бетона (естественные, из осадочных и изверженных горных пород в виде песка и щебня (гравия), и ис­кусственные пористые);

– штучные санитарно-технические изделия и трубы.

Классификация строительных материалов по назначению по­зволяет выявить наиболее эффективные материалы, определить их взаимозаменяемость и после этого правильно составить ба­ланс производства и потребления материалов.

По виду исходного сырья строительные материалы делят на

– природные (минеральные и органические), получают непосредственно из недр земли или путём переработки, не изменяя их внутреннего строения, хи­мического и вещественного состава;

– искусственные (минеральные и органические), разделяются по главному признаку их отвердевания (формирования структур­ных связей) на:

– безобжиговые – материалы, отвердевание которых проис­ходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов, а также мате­риалы, отвердевание которых происходит в условиях автоклавов при повышенных температуре и давлении;

– обжиговые – материалы, формирование структуры кото­рых происходит в процессе их термообработки в основном за счёт твёрдофазовых превращений и взаимодействий.

Указанное деление является отчасти условным, ибо не всегда возможно определить чёткую границу между материалами.

Для сравнения различных видов материалов друг с другом основ­ным критерием служат их технические свойства. Анализируя показатели технических свойств, можно сравнивать металл и древесину, бетон и кирпич, цемент и известь и др.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите данные о достижениях науки в области развития производства строительных материалов.

2. Какова особенность индустриального строительства?

3. Общие требования к строительным материалам.

4. Классификация строительных материалов.

1. ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

От специалиста требуется умение правильно оценить и выбрать материал, наиболее технически целесообразный и экономически рен­табельный в данных условиях его эксплуатации. Для этого необходимо знать технические свойства строительных материалов.

Оценка технических свойств и сравнение материалов между собой возможны по показателям и параметрам, которые получаются при испытаниях материалов. Каждый строительный материал должен удовлетворять определённым техническим требованиям ГОСТа или ТУ. При изучении свойств строительных материалов необходимо обратить внимание на взаимосвязь между показателями технических свойств строительных материалов.

Плотностью называется масса единицы объёма материала. Чтобы вычислить плотность ρ (г/см³; кг/м³), надо знать массу материала т (г; кг) и его объем V (см³; м³):

Истинной плотность ρ_и называют плотность того вещества, из которого состоит материал. При расчёте ρ_и объем материала вычисляют без пор и пустот. Истинная плотность – физическая константа вещества.

Средней плотность ρ_ср называют плотность материала, когда при её расчёте берётся его полный объем в естественном состоянии, включая поры и пустоты.

Насыпная плотность ρ_нас характеризует отношение массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объёму, включая и пространства между частицами.

Пористость – степень заполнения объёма материала пора­ми. Исходя из определения, пористость П (%) можно рассчи­тать по следующей формуле:

где V_ест – объем материала в естественном состоянии, см³; V_тв – объем материала в абсолютно плотном состоянии (объём твёрдого вещества в материале).

На практике пользуются другими формулами. Если естествен­ный объем материала V_ест и объем твёрдого вещества в нем V_тв выразить через массу материала m и среднюю ρ_ср и истинную ρ_и плотности V_ест = m/ρ_ср; V_тв = m/ρ_и, то формула для расчёта порис­тости (%) примет вид:

При расчётах значения ρ_и и ρ_ср необходимо выражать в одних единицах – г/см³ или кг/м³.

Влажность – содержание влаги в материале в данный кон­кретный момент, отнесённое к единице массы материала в су­хом состоянии. Влажность В_л (%) определяют по формуле:

где m₁ – масса материала в естественно-влажном состоянии, г; m₂ – масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Водопоглощение – способность материала поглощать неко­торое количество влаги и удерживать его в своих порах. Водопоглощение характеризуется максимальным количеством воды, по­глощаемым образцом материала при выдерживании его в воде в течение заданного времени, отнесённого к массе сухого образца (водопоглощение по массе W_m) или к его объёму (объёмное водопоглощение W_v). Водопоглощение W_m и W_v (%) определяют по следующим формулам:

где m₁ – масса материала в насыщенном водой состоянии, г; m₂ – масса сухого материала, г; V_ест – объем материала в сухом состоянии, см³; ρ_H2O – плотность воды, равная 1 г/см³.

Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения. Испытание строительных материалов на морозостойкость заключается в цикличном попеременном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии и определении потери материалом массы и прочности.

Морозостойкость материала количественно оценивается маркой, за которую принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцом.

Материал считают выдержавшим испытание, если в результате опыта потери массы и прочности образцов не превышают величин, установленных стандартами на эти материалы.

Коэффициент морозостойкости – это отношение прочности образца материала или горной породы в водонасыщенном состоянии после испытания на многократное замораживание и оттаивание (на морозостойкость) к прочности образца до испытания. Материалы, имеющие коэффициент морозостойкости более 0,75 относят к морозостойким.

Теплопроводность – способность строительного материала передавать сквозь свою толщу тепловой поток, образующийся вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих этот материал. Теплопроводность численно характеризуется величиной коэффициента теплопроводности, Вт/(м × ºС), который равен количеству тепла в Дж, проходящему через стенку материала толщиной в 1 м и площадью в 1 м² за 1 ч (3600 с) при разности температур на противоположных поверхностях стенки в 1 ºС:

,

(8)

где Q – количество тепла, прошедшее через стенку, выполненную из испытываемого материала, Дж; L – толщина стены из испытываемого материала (толщина образца), м; S – площадь сечения, через которое передаётся тепло, м²; z – время прохождения теплового потока, с; Δt – разность температур на противоположных сторонах проводника тепла, ºС.

Теплопроводность можно определить расчётным методом. Так, теплопроводность стекла может быть достаточно точно рассчитана по обычной аддитивной формуле:

где P₁, P₂ … P_n – содержание в стекле каждого из оксидов (% по массе),

λ₁, λ₂ … λ_n – удельные коэффициенты теплопроводности соответствующих оксидов в стекле.

От величины теплопроводности материала зависит термосопротивление, (м² × ºС)/Вт, тепловому потоку стенки из этого материала:

,

(10)

где δ – толщина стенки, через которую проходит тепло, м; λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м × ºС).

Низкое значение теплопроводности является положительной характеристикой для стеновых и теплоизоляционных строительных материалов, так как позволяет повысить величину термосопротивления конструкций без увеличения их толщины.

Огнестойкость – способность материала выдерживать без разрушений одновременное действие высоких температур. Пределом огнестойкости конструкции называется время в часах от начала огневого испытания до появления одного из следующих признаков: сквозных трещин, обрушения, повышения температуры на необогреваемой поверхности. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые, сгораемые.

Огнеупорность – способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на огнеупорные, которые выдерживают действие температур от 1580 ºС и выше; тугоплавкие, которые выдерживают температуру 1360…1580 ºC; легкоплавкие, выдерживающие температуру ниже 1350 ºС.

Прочностью называют способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами.

Прочность оценивают пределом прочности, который условно равен максимальному напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала. Предел прочности определяют при данном виде деформации (сжатии, растяжении, изгибе).

Предел прочности при сжатии и растяжении R_сж (МПа; кг∙с/см²), вычисляется как отношение нагрузки, разрушающей материал Р (Н, кг), к площади поперечного сечения F (см²):

,

(11)

Предел прочности при изгибе R_изг отдельного образца вычисляют по формуле:

– при одной сосредоточенной нагрузке, приложенной посередине пролёта:

,

(12)

– при двух сосредоточенных нагрузках, расположенных симметрично оси пролёта:

,

(13)

где Р – наибольшая нагрузка, установленная при испытании образца, Н (кг∙с); l – расстояние между осями опор, м (см); b – ширина образца, м (см); h – высота образца посередине пролёта, м (см).

В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. В нормативных документах марка указывается в кг∙с/см², например, марки портландцемента М300, М400, М500, М550, М600. Единая шкала марок охватывает все строительные материалы.

Важной характеристикой материалов является коэффициент конструктивного качества (к.к.к.). Это условная величина, которая равна отношению предела прочности R материала к его объёмному весу γ₀ (средней плотности) и характеризует прочностную эффективность:

,

(14)

Твёрдость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твёрдого материала.

Истираемость – способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И (г/см²) можно рассчи­тать по формуле:

,

(15)

где m₁ – масса образца до истирания, г; m₂ – масса образца после истирания, г; F – площадь истирания, см².

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, то есть его способность сохранять прочность при увлажнении. Этот коэффициент может изменяться от нуля (полностью размокающие материалы, например, необожжённые глиняные материалы) до величины, близкой к единице (сталь, стекло, гранит). Водостойкими считаются материалы, коэффициент размягчения которых ≥0,8. Такие материалы применяют в местах с повышенной влажностью, без специальных мер по защите их от увлажнения.

Коэффициент размягчения К_р вычисляют по формуле:

где R_нас – предел прочности при сжатии водонасыщенного материала, Н/м²; R_сух – предел прочности при сжатии сухого материала, Н/м².

Вопросы для проверки

1. В чем различие между истинной и средней плотностью?

2. От каких факторов зависит истинная плотность?

3. Что такое пористость материала?

4. Что такое влажность и водопоглощение?

5. Как изменяются свойства материалов от влажности? Что такое коэффициент размягчения?

6. Что такое морозостойкость и каковы методы её определения?

7. Чем оценивается морозостойкость?

8. Что называется теплопроводностью?

9. Что такое огнестойкость и огнеупорность?

10. Что такое твёрдость и истираемость?

11. Что такое прочность? От каких факторов зависит прочность материала?

12. Что такое предел прочности?

13. Какие материалы имеют высокие прочностные показатели на сжатие и изгиб? Марки по прочности.

14. Какое свойство материала характеризует коэффициент размягчения?

Номер варианта задачи выбирается в соответствии с порядковым номером в журнале.

Задача 1.1

Образец имеет размеры a × b × c, масса его составляет m. Определить его среднюю плотность.

Задача 1.2

Образец имеет размеры a × b × c, масса его m₁. После насыщения водой его масса увеличилась до m₂. Вычислить водопоглощение по объёму и массе.

Задача 1.3

Определить предел прочности при сжатии образца размером a × b × c, если разрушающая нагрузка составила P.

Задача 1.4

Определить истираемость образца размером a × b × c, если масса его до испытания m₁, после испытания m₂.

2. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Природные каменные строительные материалы, получаемые в результате относительно несложной механической обработки монолитных горных пород с сохранением их физико-механических и технологических свойств. Их используют в виде плит, блоков, бортовых и облицовочных камней, дорожной брусчатки, бутового камня, щебня, дроблёного песка и т.д. В огромных количествах используют также естественные рыхлые породы: валуны, гравий, песок, глину и др. Кроме того, горные породы являются важнейшими сырьевыми продуктами при получении искусственных строительных материалов (строительной керамики, огнеупоров, стекла, цемента, извести и др.), для чего их подвергают сложным видам механической и химической переработки.

Горные породы представляют собой скопление минеральных масс, состоящих из одного или нескольких минералов. Например, гранит состоит из трёх минералов – полевых шпатов, кварца и слюды, а известняк – из одного кальцита. Процентное содержание минералов в горной породе определяет её состав. Форма, размеры и взаимное расположение минералов в горной породе обусловливают ее структуру. Минералогический состав и структура, в свою очередь, определяют свойства горной породы.

Минералом называют однородное по составу, строению и свойствам твёрдое тело, образовавшееся в результате сложных физико-химических процессов, происходящих в земной коре. Горные породы, состоящие из одного минерала, называются мономинеральными, а состоящие из нескольких минералов – полиминералъными.

Все породы по происхождению разделяются на три типа:

Магматические (первичные), образование которых связано с остыванием магмы (силикатного расплава сложного состава) в различных термодинамических условиях зем­ной коры, определяемых совокупностью воздействия высоких температуры и давления, а также концентрацией минеральных компонентов, содержащихся в расплаве. В зависимости от условий образования магматические породы разделяются на глубинные (интрузивные), излившиеся (эффузивные) и полуглубинные (гипабиссальные). К магматическим породам относятся граниты, сиениты, диориты, габбро.

Осадочные (вторичные) породы, сформированные на поверхности земли в условиях низкой температуры и атмосферного давления. Они являются результатом накопления продуктов разрушения других, ранее образованных пород, выпадения различных химических образований из водной среды и накопления продуктов жизнедеятельности растительных и животных организмов на суше и в воде. Осадочные горные породы по условиям образования подразделяют на обломочные (механические отложения), химические осадки и органогенные. К осадочным горным породам относятся известняки, песчанки, доломиты, известковые туфы, трепелы.

Метаморфические (изменённые) породы, образовавшиеся из осадочных и магматических пород путём полного или частичного их преобразования под влиянием высоких температуры и давления, горячих минерализованных растворов и раскалённых газов, циркулирующих в земной коре, и др. К метаморфическим горным породам относят гнейсы, глинистые сланцы, кварцит, мрамор.

Гранит состоит из зёрен кварца, полевого шпата (ортоклаза), слюды или железисто-магнезиальных силикатов. Имеет среднюю плотность 2,6 г/см³, предел прочности при сжатии – 100…300 МПа. Цвета – серый, красный. Применяют его для изготовления облицовочных плит, архитектурно-строительных изделий, лестничных ступеней, щебня.

Сиенит состоит из полевого шпата (ортоклаза), слюды и роговой обманки. Средняя плотность составляет 2,7 г/см³, предел прочности при сжатии – до 220 МПа. Цвета – светло-серый, розовый, красный. Он обрабатывается легче, чем гранит, применяют для тех же целей.

Диорит состоит из плагиоклаза, авгита, роговой обманки, биотита. Средняя плотность его составляет 2,7…2,9 г/см³, предел прочности при сжатии – 150…300 МПа. Цвета – от серо-зелёного до темно-зелёного. Применяют диорит для изготовления облицовочных материалов, в дорожном строительстве.

Габбро – кристаллическая порода, состоящая из плагиоклаза, авгита, оливина. Имеет среднюю плотность 2,8…3,1 г/см³, предел прочности при сжатии – до 350 МПа. Цвета – от серого или зелёного до чёрного. Применяют для облицовки цоколей, устройства полов.

Известняки – горные породы, состоящие в основном из кальцита. Могут содержать примеси глины и кварца. Образовались в водных бассейнах из остатков животных организмов и растений. По структуре известняки подразделяют на плотные, пористые, мраморовидные, ракушечниковые и другие. Имеют среднюю плотность 0,9…2,6 г/см³. Предел прочности при сжатии - от 0,5 до 50 МПа. Цвета – белый, светло-серый, желтоватый. Применяют их для изготовления облицовочных плит, архитектурных деталей, щебня, в качестве сырья для цемента, извести.

Песчаник – горная порода, состоящая из цементированных зёрен кварцевого песка. Природными цементами служат глина, кальцит, кремнезём. Средняя плотность кремнистого песчаника составляет 2,5…2,6 г/см³, предел прочности при сжатии – 100…250 МПа. Применяют для изготовления щебня, облицовки зданий и сооружений.

Доломит – разновидность осадочных пород, включающих в состав минерал доломита. Цвет – серо-жёлтый. Применяют для изготовления облицовочных плит и внутренней облицовки, щебня, огнеупорных материалов, вяжущего вещества – каустического доломита.

Известковые туфы состоят из минерала кальцита. Это пористые породы светлых тонов. Имеют среднюю плотность 1,3…1,6 г/см³, предел прочности при сжатии – 15…80 МПа. Из них изготавливают штучные камни для стен, облицовочные плиты, лёгкие заполнители для бетонов, известь.

Трепел – сходная с диатомитом порода, но более раннего образования. Сложена, в основном, сферическими тельцами опала и халцедона. Применяют трепел для изготовления теплоизоляционных материалов, лёгкого кирпича, активных добавок в вяжущие вещества.