Jaké jsou hlavní vlastnosti stavebních materiálů?

Fyzikálně-mechanické a mechanické vlastnosti stavebních materiálů.
Mechanické vlastnosti stavebních materiálů

Ve stavebnictví, při stavbě budov a konstrukcí se používají různé stavební materiály a výrobky z nich. Hlavními stavebními materiály v průmyslové a občanské výstavbě jsou cement, beton, cihla, kámen, dřevo, vápno, písek, železné kovy, sklo, střešní krytiny, plasty a další.

V současné době se stavebnictví rozvíjí směrem k vytváření tepelně úsporných stavebních materiálů. Nejslibnějšími materiály pro úsporu energie jsou pórobeton a beton na lehkém kamenivu.

Materiály, které nevyžadují dálkovou přepravu, jsou těženy nebo zpracovávány v blízkosti místa stavby, se nazývají místní stavební materiály. Mezi takové materiály obvykle patří písek, štěrk, drcený kámen, vápno atd.

Zdrojem výroby stavebních hmot jsou přírodní zdroje země, které lze využít jako stavební materiály v přírodním stavu (kámen, písek, dřevo) nebo ve formě surovin zpracovávaných v podnicích průmyslu stavebních hmot (polystyren , expandovaná hlína).

Při studiu stavebních materiálů je lze zařadit do následujících typů: materiály z přírodního kamene, pojiva, malty, beton a betonové výrobky, železobetonové výrobky, materiály z umělého kamene, lesní materiály, kovy, syntetické materiály atd.

Všechny stavební materiály mají řadu společných vlastností, ale kvalitativní ukazatele těchto vlastností jsou různé.

Fyzikálně-mechanické a mechanické vlastnosti stavebních materiálů

Tuto skupinu vlastností tvoří za prvé parametry fyzikálního stavu materiálů a za druhé vlastnosti určující vztah materiálů k různým fyzikálním procesům. Mezi první patří hustota a poréznost materiálu, stupeň mletí prášků, druhý – hydrofyzikální vlastnosti (absorpce vody, vlhkost, propustnost vody, odolnost proti vodě, mrazuvzdornost), termofyzikální (tepelná vodivost, tepelná kapacita, tepelná roztažnost) a některé další. Technické požadavky na stavební materiály jsou uvedeny ve Stavebních normách a pravidlech (SNiP).

skutečná hustota, p_u je hmotnost jednotky objemu materiálu odebraného v hustém stavu. Pro stanovení měrné hmotnosti je nutné vydělit hmotnost suchého materiálu objemem, který zaujímá jeho látka, nepočítaje póry. Vypočítá se podle vzorce:

p_u= m/V_a

kde m je hmotnost materiálu, V_a je objem materiálu v hustém stavu.

Skutečná hustota každého materiálu je konstantní fyzikální charakteristika, kterou nelze změnit bez změny jeho chemického složení nebo molekulární struktury.

Skutečná hustota žuly je 2,9 g / cm 3, oceli – 7,85 g / cm 3, dřeva – v průměru 1,6 g / cm 3. Protože většina stavebních materiálů je porézních, má skutečná hustota pro jejich posouzení pouze pomocný význam. Častěji používají jinou charakteristiku – střední hustotu.

střední hustota, p_c nazývá se hmotnost na jednotku objemu materiálu v jeho přirozeném stavu, tj. spolu s póry a vlhkostí v nich obsaženou. Průměrná hustota porézního materiálu je zpravidla menší než skutečná. Jednotlivé materiály, jako je ocel, sklo, bitumen a také tekuté, mají téměř stejnou skutečnou a průměrnou hustotu. Průměrná hustota se vypočítá podle vzorce:

Průměrná hustota pórobetonu (pěnobetonu) se pohybuje od 300 kg/m 3 do 1200 kg/m 3 (GOST 25485 – 89) a polystyrenbetonu od 150 kg/m 3 do 600 kg/m 3 (GOST R 51263 – 99). S výrobky (bloky) z těchto stavebních materiálů se snadno manipuluje (skládání, přeprava, pokládka).

p_c= m/V_e

kde m je hmotnost materiálu, V_e – objem materiálu.

Průměrná hustota sypkých materiálů – drceného kamene, štěrku, písku, cementu atd. – se nazývá objemová hmotnost. Objem zahrnuje póry přímo v materiálu a dutiny mezi zrny.

Tato charakteristika musí být známa při výpočtu pevnosti konstrukcí s přihlédnutím k jejich vlastní hmotnosti a také při výběru vozidel pro přepravu stavebních materiálů.

Relativní hustota, d – poměr průměrné hustoty materiálu k hustotě standardní látky. Jako standardní látka byla brána voda o teplotě 4 °C o hustotě 1000 kg/m 3 .

Pórovitost, P je poměr objemu pórů k celkovému objemu materiálu. Pórovitost se vypočítá podle vzorce

Moderní energeticky úsporné stavební materiály mají vysokou míru poréznosti (až 95 %) a v důsledku toho nízkou tepelnou vodivost. To je způsobeno tím, že vzduch má nejnižší tepelnou vodivost.

P=(1 – p_c/p_u) * 100

kde p_c, str_u jsou průměrnou a skutečnou hustotou materiálu.

Pórovitost stavebních materiálů se velmi liší, v rozmezí od 0 (ocel, sklo) do 95 % (pěnový beton).

U sypkých materiálů se určuje pórovitost (mezikrystalová pórovitost). Pravda, průměrná hustota a pórovitost materiálů jsou vzájemně propojené hodnoty. Na nich závisí pevnost, tepelná vodivost, mrazuvzdornost a další vlastnosti materiálů. Jejich přibližné hodnoty pro nejběžnější materiály jsou uvedeny v tabulce 1.

Jméno	Hustota, kg/m3		Pórovitost, %	Tepelná vodivost, W / (m * o C)
	skutečný	střední
Žula	2700	2500	7,4	2,8
Sopečný tuf	2700	1400	52	0,5
Keramická cihla
– obyčejný	2650	1800	32	0,8
– dutý	2650	1300	51	0,55
těžký beton	2600	2400	10	1,16
Pěnový beton	2600	700	85	0,18
Polystyrenový beton	2100	400	91	0,1
Borovice	1530	500	67	0,17
Styrofoam	1050	40	96	0,03

absorbce vody materiál se nazývá jeho schopnost absorbovat a zadržovat vodu ve svých pórech. Je definována jako rozdíl mezi hmotnostmi vzorku materiálu v nasyceném a suchém stavu a vyjadřuje se jako procento hmotnosti suchého materiálu (hmotnostní absorpce vody) nebo objemu vzorku (absorpce vody hlasitost).

Absorpce vody se určuje podle následujících vzorců:

Pěnobeton (pěnový beton, pórobeton), stejně jako beton na lehkém kamenivu (polystyrenbeton, keramzitbeton) mají nízkou nasákavost 6 – 8%.

W_M=(m_в– m_c)/m_c a w_o=(m_в– m_c)/PROTI

kde m_в je hmotnost vzorku nasyceného vodou, m_c je hmotnost vzorku vysušeného do konstantní hmotnosti, V je objem vzorku.

Mezi absorpcí vody hmotností a objemem existuje následující vztah:

W_o=W_M*p_c

Absorpce vody je vždy menší než pórovitost, protože póry nejsou zcela naplněny vodou.

V důsledku nasycení materiálu vodou se výrazně mění jeho vlastnosti: klesá pevnost, zvyšuje se tepelná vodivost, průměrná hustota atd.

Влажность materiál W je určen obsahem vody v materiálu v daném okamžiku, takže procento vlhkosti je nižší než celková nasákavost. Je určena poměrem vody obsažené v materiálu v době odběru vzorků pro testování k hmotnosti sušiny. Vlhkost se vypočítá podle vzorce:

W=(m_ow– m_c)/m_c* 100

kde, m_ow, M_сje hmotnost mokrého a suchého materiálu.

propustnost vody je schopnost materiálu propouštět vodu pod tlakem. Propustnost materiálu závisí na jeho poréznosti a povaze pórů. S propustností vody se setkáváme při výstavbě vodních staveb, vodních nádrží.

Inverzní charakteristika propustnosti vody je vodotěsnost – schopnost materiálu neumožňovat průchod vody pod tlakem. Velmi husté materiály (ocel, bitumen, sklo) jsou voděodolné.

Mrazuvzdornost je schopnost materiálu ve stavu nasyceném vodou odolávat vícenásobnému střídavému zmrazování a rozmrazování bez známek destrukce a bez výrazného poklesu pevnosti.

Ke zničení dochází v důsledku toho, že objem vody při přechodu na led se zvýší o 9 %. Tlak ledu na stěny pórů způsobuje tahové síly v materiálu.

Mrazuvzdornost materiálů závisí na jejich hustotě a stupni naplnění vodou.

Vzorky testovaného materiálu musí v závislosti na účelu vydržet 15 až 50 i více cyklů zmrazování a rozmrazování. V tomto případě se zkouška považuje za úspěšnou, pokud na vzorcích nejsou žádná viditelná poškození, úbytek hmotnosti nepřesahuje 5 % a snížení pevnosti nepřesahuje 25 %.

Mrazuvzdornost má velký význam pro materiály stěn, které jsou vystaveny střídavým kladným a záporným teplotám, a měří se v cyklech zmrazování a rozmrazování.

Tepelná vodivost je schopnost materiálu vést teplo. K přenosu tepla dochází v důsledku teplotního rozdílu mezi povrchy ohraničujícími materiál.

Čím větší je pórovitost a čím nižší je průměrná hustota, tím nižší je tepelná vodivost. Takový materiál má větší tepelný odpor, což je velmi důležité pro vnější obvodové konstrukce (stěny a nátěry). Materiály s nízkým součinitelem tepelné vodivosti se nazývají tepelně izolační materiály (minerální vlna, polystyren, pěnobeton, polystyrenbeton atd.) Používají se k izolaci stěn a nátěrů. Tepelně vodivými materiály jsou kovy.

Tepelná vodivost materiálů s vlhkostí se výrazně zvyšuje. To je způsobeno tím, že součinitel tepelné vodivosti vody je 0,58 W / (m * o C) a vzduchu 0,023 W / (m * o C), tzn. překračuje ji 25krát. Součinitele tepelné vodivosti jednotlivých materiálů jsou uvedeny v tabulce 1.

ohnivzdornost nazývá se schopnost materiálů udržet si pevnost pod vlivem vysokých teplot. Odolnost proti vznícení je určena stupněm hořlavosti. Podle stupně hořlavosti se stavební materiály dělí na ohnivzdorné, pomalu hořící a hořlavé.

Polystyrenbeton patří mezi málo hořlavé materiály a má skupinu hořlavosti G1. Buňkové betony nejsou hořlavé materiály.

Ohnivzdorné materiály se nevznítí, nedoutnají ani nehoří. Patří sem kamenné materiály (beton, cihla, žula) a kovy.

Ohnivzdorné se velmi obtížně zapalují, doutnají nebo zuhelnatěly pouze v přítomnosti zdroje ohně, např. fibrolitové desky, sádrové výrobky s organickou výplní ve formě rákosu nebo pilin, plsť nasáklá hliněnou maltou atd. je odstraněn zdroj požáru, tyto procesy se zastaví.

Hořlavé materiály se po odstranění ohně mohou vznítit a hořet nebo doutnat. Takové vlastnosti mají všechny nechráněné organické materiály (dřevo, rákos, bitumenové materiály, plsť a další).

ohnivzdornost nazýváme vlastnost materiálu odolávat dlouhodobému vystavení vysokým teplotám, aniž by došlo k roztavení nebo změknutí. Podle stupně žáruvzdornosti se materiály dělí do skupin: žáruvzdorné, žáruvzdorné a tavitelné. Žáruvzdorné materiály odolávají teplotám 1580 °C a více, žáruvzdorné – 1350 – 1580 °C, tavitelné – méně než 1350 °C. odolný beton atd.).

Mechanické vlastnosti stavebních materiálů

Mezi hlavní mechanické vlastnosti materiálů patří pevnost, pružnost, plasticita, relaxace, křehkost, tvrdost, otěr atd.

síla je vlastnost materiálu odolávat destrukci a deformaci od vnitřních pnutí pod vlivem vnějších sil nebo jiných faktorů (nerovnoměrné sedání, zahřívání atd.). Charakterizuje se pevnost materiálu pevnost v tahu nebo napětí při destrukci vzorku. Při tlaku je toto napětí určeno dělením síly při přetržení původní plochou vzorku.

Existují pevnosti v tahu materiálů v tlaku, tahu, ohybu, smyku atd. Zjišťují se zkoušením standardních vzorků na zkušebních strojích.

Moderní energeticky úsporné konstrukční materiály mají zpravidla dostatečnou pevnost v tlaku pro výstavbu obytných prostor. Takže například polystyrenbeton o hustotě 600 kg / m 3 odpovídá třídě pevnosti B2. Buňkový beton o hustotě 700 kg / m 3 odpovídá třídě B2,5.

Pevnost je nejdůležitější vlastností betonu. Nejlepší ze všeho je, že odolává kompresi. Proto jsou konstrukce navrženy tak, aby beton vnímal tlakové zatížení. A pouze u jednotlivých provedení se zohledňuje pevnost v tahu nebo pevnost v tahu v ohybu.

Pevnost v tlaku. Pevnost betonu v tlaku je charakterizována třídou nebo stupněm (který se nejčastěji stanovuje ve stáří 28 dnů). V závislosti na době zatížení konstrukcí může být pevnost betonu přiřazena v různém věku, například 3; 7; 60; 90; 180 dní.

Z důvodu úspory cementu by získané hodnoty pevnosti v tahu neměly překročit pevnost v tahu odpovídající třídě nebo třídě o více než 15%. Třída představuje garantovanou pevnost betonu v MPa s jistotou 0,95 a má tyto hodnoty: B_b1 – B_b60, v krocích po 0,5. Značka je normalizovaná hodnota průměrné pevnosti betonu v kgf / cm 2 (MPa * 10).

Při navrhování konstrukce je nejčastěji přiřazena třída betonu, v některých případech – značka. Poměry tříd a tříd pro těžký beton z hlediska pevnosti v tlaku jsou uvedeny v tabulce 2.

Třída	Bb, MPa	Označit	Třída	Bb, MPa	Označit
Bb3,5	4,5	Mb50	Bb30	39,2	Mb400
Bb5	6,5	Mb75	Bb35	45,7	Mb450
Bb7,5	9,8	Mb100	Bb40	52,4	Mb500
Bb10	13	Mb150	Bb45	58,9	Mb600
Bb12,5	16,5	Mb150	Bb50	65,4	Mb700
Bb15	19,6	Mb200	Bb55	72	Mb700
Bb20	26,2	Mb250	Bb60	78,6	Mb800
Bb25	32,7	Mb300

Pevnost betonu je ovlivněna řadou faktorů: aktivita cementu, obsah cementu, hmotnostní poměr vody k cementu (W/C), kvalita kameniva, kvalita promíchání a stupeň zhutnění, stáří a podmínky vytvrzování betonu, re -vibrace.

Oděr – schopnost materiálů zbortit se působením abrazivních sil. Tato charakteristika je zohledněna při přiřazování materiálů pro podlahu, schodiště a silniční plošiny.

Autory článků „Stavební pilot“ jsou zaměstnanci MP „TECHPRIBOR“
Veksler M.V.
Lipilin A.B.

Základy stavebního podnikání.
E.V. Platonov, B.F. Dračenko
GOSSTROYIZDAT SSSR, Kyjev 1963.

Při použití konkrétního materiálu ve stavebnictví je potřeba znát jeho fyzikální a mechanické vlastnosti a vzít v úvahu podmínky, za kterých bude tento materiál ve stavební konstrukci fungovat.

Hlavní vlastnosti stavebních materiálů lze rozdělit do několika skupin.

Do první skupiny vlastností patří fyzikální vlastnosti materiálů: měrná hmotnost, objemová hmotnost, hustota a pórovitost. Na nich do značné míry závisí další konstrukčně důležité vlastnosti stavebních materiálů.

Druhou skupinu tvoří vlastnosti, které charakterizují vztah stavebního materiálu k působení vody a s tím spojenému působení mrazu: nasákavost, vlhkost a uvolňování vlhkosti, hygroskopičnost, vodopropustnost, vodě a mrazuvzdornost.

Do třetí skupiny patří mechanické vlastnosti materiálů: pevnost, tvrdost, otěr atd.

Čtvrtá skupina spojuje vlastnosti, které charakterizují vztah materiálů k působení tepla: tepelnou vodivost, tepelnou kapacitu, požární odolnost a požární odolnost. Kromě těch základních existují i ​​speciální vlastnosti vlastní jen určitým druhům stavebních materiálů.

Schopnost některých materiálů odolávat destruktivním účinkům kyselin, zásad, solí a plynů se souhrnně nazývá chemická (neboli korozní) odolnost.

Zvláštní skupinu tvoří tzv. technologické vlastnosti, které charakterizují schopnost materiálu podrobit se mechanickému zpracování. Například dřevo je materiál, který lze snadno opracovat. Tuto vlastnost musí stavebník zohlednit při výběru konkrétního materiálu.

Fyzikální a chemické vlastnosti

stavební materiál.

Měrná hmotnost je hmotnost materiálu na jednotku objemu v hustém stavu (bez pórů).

Objemová hmotnost je hmotnost jednotky objemu materiálu v jeho přirozeném stavu (včetně pórů).

Objemová hmotnost sypkých materiálů (písek, drcený kámen), stanovená bez odečtení dutin mezi jejich částicemi, se nazývá objemová hmotnost.

Hustota materiálu je míra, do jaké je jeho objem naplněn pevnou látkou, ze které se materiál skládá.

Pórovitost je poměr objemu pórů k celkovému objemu materiálu.

Podle velikosti vzduchových pórů se materiály dělí na jemně porézní (póry mají velikosti setin a tisícin milimetru) a velkoporézní (velikost pórů od desetin milimetru do 1 – 2 mm).

Větší póry ve výrobcích nebo dutinách mezi kusy volně nasypaného sypkého materiálu (písek, drť, štěrk) jsou tzv. prázdnoty.

Pórovitost stavebních materiálů se pohybuje ve velmi širokém rozmezí – od 0 (ocel, sklo) do 90 % (desky z minerální vlny).

Materiál s vysokou pórovitostí a pórovitostí je často nejlepší tepelně izolační materiál.

Absorpce vody je míra, do jaké je objem materiálu naplněn vodou.

Poměr pevnosti materiálu nasyceného vodou k jeho pevnosti v suchém stavu se nazývá koeficient měknutí materiálu. Tento koeficient je velmi důležitým ukazatelem, protože charakterizuje voděodolnost materiálu, který může být za pracovních podmínek v konstrukci vystaven vodě.

Koeficient měknutí se pohybuje od nuly (u výrobků z nepálené hlíny do jedné (u materiálů, které nemění svou pevnost působením vody – sklo, ocel, bitumen).

Kamenné materiály (přírodní i umělé) nelze použít na vlhkých místech, pokud jejich koeficient měknutí je menší než 0,8. Nazývají se materiály s koeficientem měknutí větším než 0,8 voděodolný.

Ztráta vlhkosti je vlastnost materiálu vzdát se vody, když se změní podmínky prostředí. Ztráta vlhkosti je vyjádřena rychlostí schnutí materiálů – množstvím vody (v procentech hmotnosti nebo objemu standardního vzorku materiálu) ztracené za den při relativní vlhkosti prostředí 60 % a teplotě 20 stupňů.

Vlhkost materiálu je hmotnostní obsah vody v materiálu stavebních konstrukcí (výrazně nižší než jejich celková nasákavost).

Vodopropustnost je schopnost materiálu propouštět vodu pod tlakem.

Mrazuvzdornost je schopnost materiálu ve stavu nasyceném vodou odolávat opakovanému střídavému zmrazování a rozmrazování bez známek destrukce a bez výrazného poklesu pevnosti.

Husté materiály bez pórů nebo s mírnou pórovitostí, velmi málo sají vodu, jsou mrazuvzdorné.

Aby byl materiál mrazuvzdorný, musí být jeho koeficient měknutí alespoň 0,9.

Plynopropustnost je schopnost materiálu propouštět plyn (vzduch) svou tloušťkou.

Plynopropustnost stěn a dalších prvků konstrukcí lze výrazně snížit jejich pokrytím olejovými barvami nebo bitumenovými sloučeninami a také omítkou.

Příklady: vzduchová propustnost cihel – 0,35, cementová písková omítka – 0,02, střešní lepenka – 0,01.

Tepelná vodivost je schopnost materiálu přenášet svou tloušťkou tepelný tok, který vzniká v důsledku různých teplot na površích ohraničujících materiál.

U materiálů je velmi důležité znát stupeň tepelné vodivosti. používá se při stavbě tzv. obvodových plášťů budov (t.j. obvodových stěn, horních stropů, podlah ve spodních patrech) a zejména pro tepelně izolační materiály, jejichž účelem je napomáhat udržení tepla v místnostech a topných zařízeních.

Součinitel tepelné vodivosti rovnající se množství tepla v kilokaloriích, které prochází stěnou o tloušťce 1 m o ploše 1 m1. za 1 hodinu s rozdílem teplot na dvou protilehlých plochách stěn XNUMX stupeň.

Tepelná vodivost materiálu závisí na stupni jeho pórovitosti, povaze pórů, druhu materiálu, vlhkosti, objemové hmotnosti a průměrné teplotě. ve kterém dochází k přenosu tepla.

U porézních materiálů prochází tepelný tok jejich hmotou a póry naplněnými vzduchem. Tepelná vodivost vzduchu je velmi nízká (0,02), v důsledku čehož má velký tepelný odpor proti průchodu tepelného toku. Součinitel tepelné vodivosti suchých porézních materiálů je střední hodnotou mezi součiniteli tepelné vodivosti jejich látky a vzduchu. Čím větší je pórovitost (tj. čím nižší je objemová hmotnost materiálu), tím nižší je koeficient tepelné vodivosti.

Velikost pórů materiálu také ovlivňuje jeho koeficient tepelné vodivosti. Jemně porézní materiály jsou méně tepelně vodivé než velkoporézní materiály. Materiály s uzavřenými póry mají nižší tepelnou vodivost než materiály s propojenými póry. To je vysvětleno skutečností, že s velkými a propojenými póry v nich dochází k pohybu vzduchu doprovázenému přenosem tepla (konvekcí) a zvýšením celkového koeficientu tepelné vodivosti.

V tabulce 1 jsou uvedeny součinitele tepelné vodivosti tepelně izolačních materiálů a pro srovnání součinitele tepelné vodivosti některých dalších stavebních materiálů.