Плотность строительных материалов

Пористость характеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала

(6.1.1)

где r_с - средняя плотность материала, кг/м³;

r_и - истинная плотность материала, кг/м³.

Пористость в значительной мере обуславливает физические, механические и другие свойства материалов. Чем больше пористость, тем меньше прочность и теплопроводность, больше водо- и газопроницаемость. Опытный инженер по пористости ориентировочно может определить многие свойства материалов.

Пустотность- характеризует объем пустот между зернами рыхлого материала

V_пуст = (1 - r_н /r_и)·100, (6.1.2)

где r_н - насыпная плотность материала, кг/м³;

Влажность - содержание воды в единице объема или массы в процентах:

W_о = (m_в - m_c)/V·100 или W_m =( m_в - m_c)/m_в·100, (6.1.3)

где m_в и m_c - масса влажного и сухого образца материала, г;

V - объем материала, см³.

Природная влажность материала зависит от его гигроскопичности, т.е. способности материала поглощать водяной пар из влажного воздуха за счет адсорбации пара на внутренней поверхности пор и капилляров. Чем больше внутренняя поверхность материала, тем больше гигроскопичность, а следовательно, и природная влажность. Для древесины она - 12...18 %, для стеновых каменных материалов - 4...7% по массе.

Водопоглощение - количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать его молекулярными и капиллярными силами при атмосферном давлении.

Средняя плотность (объемная масса) материала одного и того же состава зависит от влажности и пористости материала (рис. 6.1.1). С увеличением пористости, а следовательно и влажности, средняя плотность увеличивается.

Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении. В этом случае из открытых пор вытесняется воздух, вследствие чего материал насыщается водой больше, чем при атмосферном давлении. Водопоглощение и водонасыщение изменяются в пределах: у гранита от 0,02 до 0,7, у асфальтобетона - от 2 до 5, у кирпича - от 8 до 15 %.

Рис. 6.1.1. Зависимость средней плотности известняков r_ср от их водопоглощения W

Усадка - изменение размеров материала при его высыхании.

Набухание - увеличение объема материала при насыщении его водой.

Многократное высыхание и увлажнение материала ускоряет его разрушение.

Водонепроницаемость - способность материала не пропускать воду. Водонепроницаемость тесно связана с естественной влажностью материала, водопоглощением и водонасыщением.

Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникший вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Коэффициент теплопроводности колеблется от 0,06 (минеральная вата) до 58 (сталь), для кирпича он равен 0,82, для бетона - 1,28...1,55, для гранита - 2,92.

2. Механические свойства дорожно-строительных материалов.

Механические свойства - способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил.

Нагрузки вызывают в материалах нормальные (растягивающие, сжимающие) и касательные напряжения, обуславливающие процессы деформирования материала. К основным показателям, характеризующим механические свойства, относят: прочность, упругость, пластичность, хрупкость, ползучесть.

Прочность - важнейшее свойство материала, в большинстве случаев, определяет возможность его использования в строительной конструкции. Показатели прочности в значительной степени являются условными. Они зависят от размера и формы образца, скорости его нагружения и других факторов. Поэтому методика определения прочности строительных материалов строго регламентируется нормативно-техническими документами. Прочность материала измеряется мегапаскалями (МПа).

Прочность при сжатии стандартного образца в форме куба определяют по формуле

R_к = Р/а² , МПа, (6.1.4)

где Р - разрушающее усилие, кг;

а - размер ребра куба (для бетона 15´15´15), см.

Прочность при сжатии стандартного образца в виде цилиндра

R_ц = 4P/pd², (6.1.5)

где d - диаметр цилиндра (для испытания бетона принять цилиндр диаметром d = 15 см и высотой h = 30 см).

Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150...500 МПа), прочность гранита при сжатии - 120...150 МПа, при растяжении - менее 10 МПа. Прочность бетона при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10...15 раз меньше. Прочность асфальтобетонов при сжатии - 5...7 МПа (температура при испытании - 20...25°С).

Предел прочности бетона на растяжении при изгибе определяют на балочке в виде призмы размером 15´15´60 см по формуле

R_р.и. = pl/bh², МПа, (6.1.6)

где l, b, h - соответственно, длина, ширина и высота балочки, см.

Упругость выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил.

Вязкость - свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации. Абсолютно упругих и абсолютно вязких материалов нет, все дорожно-строительные материалы обладают в той или иной степени упругостью и вязкостью.

Упругость и вязкость материала характеризуется, соответственно, модулем упругости и коэффициентом вязкости:

Е = s/e, (6.1.7)

h = s : de/dt, (6.1.8)

где Е, h - модуль упругости и коэффициент вязкости;

s - напряжение, МПа;

e, de/dt - относительная деформация и скорость изменения относительной деформации, С^-1.

Пластичность - способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость - свойства материалов под влиянием внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов зависят от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке, пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре. Хрупкие материалы плохо сопротивляются напряжению, динамическим и повторным нагрузкам.

Ползучесть - способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей - хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон).

3. Теплотехнические свойства дорожно-строительных материалов.

--Теплопроводность - способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство оценивается кол-вом тепла, которое проходит через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м²при перепаде температур на противоположных поверхностях в 1°С в течение 1 часа. Характеризуется коэффициентом теплопроводности λ (лямбда).

Λ
_t
=λ
₀
(1+β*t)

Λ
_t
- коэф. теплопров. при температуре t , Вт/(м*К)

λ₀ - коэф. теплопров. при температуре 0^оС , Вт/(м*К)

β – температурный коэффициент

t – температура матрериала

Теплопроводность так же характеризуется термическим сопротивлением

R
=
δ
(дельта)/ λ
-- Теплоемкость - способность материала накапливать теплоту при нагревании и отдавать при охлаждении. Характеризуется удельной теплоемкостью С.

С =
Q/m(T₂-T₁)

Q
–кол-во теплоты, затраченной на нагревание.

-- Огнестойкость характеризует способность строительных материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы разделяют нанесгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию.

Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы горения, тления или обугливания полностью прекращаются. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них — древесина, войлок, битумы, смолы и др.

-- Огнеупорность – способность материала противостоять длительному воздействию высокой температуры без деформации и расплавления.

Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного периода времени (соприкосновение с печами, трубами, нагревательными котлами и т. п.), а материал сохраняет необходимые технические свойства и не размягчается, то его относят когнеупорным.

Тугоплавкие – температура огнеупорности 1350-1580 ^оС

Легкоплавкие – температура огнеупорности менее 1350 ^оC

-- Термостойкость — способность материала не растрескиваться при резких и многократных изменениях температуры.

4. Водостойкость и морозостойкость дорожно-строительных материалов.

Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и допустимого снижения прочности. Морозостойкость материалов связана с их плотностью, пористостью и водостойкостью. Плотные материалы значительно более морозостойки, чем пористые.

При замерзании воды в порах материала объем ее увеличивается примерно на 9 %, что сопровождается давлением льда на стенки пор, вызывающим разрушение материала. Однако во многих пористых материалах вода не может заполнить более 90 % объема доступных пор и образованный лед имеет пространство для свободного расширения. В связи с этим разрушение таких материалов происходит только после их многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Испытание материалов на морозостойкость производят в холодильных камерах путем замораживания насыщенных водой образцов при температуре минус 20 ± 5°С и последующего их оттаивания и воде при температуре плюс 20 ± 5°С, если вас интересуютотделочные материалы красноярск, переходите по ссылке.

После заданного количества циклов попеременного замораживания и оттаивания определяют прочность на сжатие образцов, не имеющих видимых признаков разрушения, устанавливают степень морозостойкости, вычисляя коэффициент морозостойкости по формуле К_мрз = R‘ ‘_сж / R‘_сж, где R‘ ‘_сж и R‘_сж – пределы прочности при сжатии образцов материала, полученные соответственно после испытания на морозостойкость, и образцов, насыщенных водой,— до замораживания. Для морозостойких материалов К_мрз ≥ 0,75 (что соответствует предельно допустимому снижению прочности не более чем на 25 %).

Если после заданного числа циклов замораживания и оттаивания потеря в массе образцов из-за выкрашивания и расслаивания не превышает 5 %, а прочность на сжатие снижается не более чем на 25 %, то материал считается морозостойким.

5. Минеральные заполнители для бетона.

Песок— мелкий минеральный заполнитель с размером зерен до 3 или 5 мм (по ГОСТ 8736—58 допускается содержание зерен крупнее 5—10 мм не более 10% по весу).

Песок для тяжелого бетона должен удовлетворять следующим требованиям:

Объемный вес — не менее 1550 кг/м3 для бетона марки выше 150 и для бетона, подвергающегося замораживанию в насыщенном водой состоянии, 1400 кг/м3 для бетона марки 150 и ниже.

Зерновой (гранулометрический) состав песка — кривая просеивания должна находиться в пределах заштрихованной площади (рис. 5): крупный песок — ближе к ее нижней границе, средний — ближе к верхней границе. Для мелкого песка кривая просеивания находится между заштрихованной площадью и верхней ломаной линией.

Таблица 53 - Зерновой состав различных групп песка (ГОСТ 8736—58)

Тонкие пески допускаются только при наличии в каждом отдельном случае необходимых технико-экономических обоснований.

Содержание зерен, проходящих сквозь сито №014 (189 отв/см²) не должно превышать 10% по весу.

Количество пылевидных и глинистых (илистых) частиц, определяемых отмучиванием, не должно превышать 5%.

В песке не должно быть комков глины, суглинка и посторонних засоряющих примесей.

Рис 5 Графики зернового состава: а — песка; б — крупного заполнителя.

Содержание органических примесей допускается в таком количестве, при котором цвет жидкости над песком, обработанным по методу окрашивания (ГОСТ 8735—58), не темнее эталона или при испытании с цементом дает раствор с прочностью, не меньшей, чем раствор того же состава и с тем же песком, но промытым сначала известковым раствором, а затем водой.

При дозировке песка следует учитывать, что самый большой объем песок занимает при влажности 5—7%.

Щебень и гравий

Щебень и гравий (ГОСТ 8267—56, 8268—56) служат крупными заполнителями для бетона В соответствии с указанными ГОСТ и ТУ на изготовление и приемку сборных железобетонных и бетонных изделий CH1-61 гравий и щебень из естественного камня должны удовлетворять следующим требованиям.

Для бетонных и железобетонных конструкций и деталей в зависимости от размеров сечений конструкций и армирования должны применяться гравий и щебень следующих фракций: 3—10, 10—20, 20—40, 40—70 мм. В отдельных случаях допускается смешение двух смежных фракций. Указания по предельной крупности щебня даны в табл. 55.

Содержание в щебне глины, ила и мелких пылевидных фракций, определяемых отмучиванием. не должно превышать 1% для марки 600—1200 и 2% для марки 200—400; в гравии— 1 % Гравий предназначенный для бетона, при обработке его раствором едкого натра не должен придавать раствору окраску темнее эталона Объем пустот не более 45%, зерновой состав каждой фракции должен соответствовать полным остаткам на ситах Dнаим =95 — 100%+12 (Dнаим + Dнаиб) = 40 — 70%; Dнаиб =0-5%; 1,25 Dнаиб=0.

В соответствии с ГОСТ 8267—56 щебень по пределу прочности при сжатии горной породы в насыщенном водой состоянии подразделяется на марки:

o 1200, 1000 и 800 — из изверженных горных пород;

o 1200, 1000, 800 и 600 — из метаморфических пород;

o 400, 300 и 200 — из осадочных пород.

Гравий в зависимости от прочности на истирание в полочном барабане делится на марки: И45, И55, И70 (потеря в весе после испытаний в 20—70%). Гранулометрический состав щебня и гравия не нормируется, но желательно, чтобы кривая просеивания размещалась в заштрихованной площади (рис. 5).

Заполнители для бетона по морозостойкости делятся на марки: 15, 25, 50, 100, 150, 200 (наименьшее число циклов замораживания и оттаивания при потере в весе для марок 15 и 25 до 10%. а для остальных марок—до 5%)· При испытании раствором сернокислого натрия число циклов насыщения и высушивания должно быть: 3. 5, 10, 10, 15, 15 (потеря в весе соответственно 10, 10, 10. 5. 5, 3%)

Прочность бетона на испытуемом щебне и гравии должна быть не ниже 100% от требуемой марки бетона. Водопоглошение щебня и гравия должно быть не более 3% для бетонов в конструкциях, подвергающихся замораживанию и оттаиванию; не более 5% — для бетонов в конструкциях, не подвергающихся замораживанию и оттаиванию. Для бетонов в конструкциях, не подвергающихся насыщению водой, водопоглощение не нормируется.

Гравийно-песчаные природные смеси нельзя применять в бетонах марки выше 100 без предварительного рассева на песок и гравий.

Щебень шлаковый доменный, соответствующий ГОСТ 5578—57, полученный дроблением отвального или специально отлитого доменного шлака и отвечающий по крупности зерен, объему пустот, гранулометрическому составу и водопоглощению требованиям для щебня из естественных пород, может применяться для обычного бетона.

Недостаточно стойкие шлаки следует дробить до крупности 70 мм и выдерживать в штабелях не менее 3 месяцев.

Для уменьшения расхода вяжущего рекомендуется гранулометрический состав шлаков, указанный в таблице 54.

Предельная крупность заполнителей (щебня, гравия) устанавливается в зависимости от размеров и армирования конструкций и должна быть максимальной. Для ориентировки при ее назначении можно исходить из таблицы 55.

Приемка и методы испытания заполнителей должны соответствовать ГОСТ 8269—56 (щебень и гравий) и ГОСТ 8735—58. Объем принимаемого песка определяется при естественной влажности. Песок обмеряется в вагонах, судах, автомобилях и других транспортных средствах, а при гидромеханической добыче — в штабелях.

Таблица 54 — Зерновой состав шлакового щебня

Таблица 55 - Предельная крупность заполнителей

Для отбора проб заполнитель делится на партии по 200 Ats. От каждой партии из разных мест отбирается проба в 20—30 кг для крупного заполнителя и 5—10 кг для песка.

При испытании определяют, удельный вес, объемный насыпной вес песка в партии и в сухом состоянии, пустотность, влажность, зерновой состав и модуль крупности, приращение объема при насыщении водой, содержание отдельных глинистых частиц, содержание органических примесей

6. Воздушные вяжущие вещества (строительный гипс, воздушная известь).

Вяжущими веществами называются порошкообразные материалы, способные при добавлении воды образовывать пластичное тесто, переходящее постепенно и необратимо в камневидное состояние. Вяжущие материалы делятся на воздушные, способные твердеть и приобретать прочность только на воздухе, и гидравлические, способные твердеть и приобретать прочность не только на воздухе, но и в воде.

К воздушным вяжущим относятся: гипс, воздушная известь, магнезиальный цемент, растворимое стекло. К гидравлическим вяжущим относятся: гидравлическая известь, роман-цемент, портланд-цемент, глиноземистый цемент, смешанные цементы.