Текст книги "Природные каменные материалы"

Автор книги: Илья Мельников

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 4 страниц) [доступный отрывок для чтения: 2 страниц]

Механические свойства строительных материалов

Прочность. Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под влиянием внутренних напряжений, возникающих в результате действия на материал внешних нагрузок или других факторов. В построенном здании почти все конструкции испытывают нагрузки (вес частей здания, вес оборудования, вес мебели и др.), вследствие чего в материалах конструкций возникают напряжения, противодействующие внешним силам.

Основными показателями, характеризующими прочность материала, являются сопротивление сжатию, растяжению, изгибу. Прочность материала при сжатии и растяжении характеризуется его пределом прочности. Предел прочности, или временное сопротивление, – напряжение в материале образца, соответствующее нагрузке, при которой он разрушается.

Предел прочности различных материалов при сжатии и растяжении меняется в широких пределах – от 0,5 до 1000 МПа и более. Для многих материалов предел прочности при сжатии резко отличается от предела прочности при растяжении. Одинаково хорошо сопротивляются сжатию и растяжению такие материалы, как сталь, древесина. Плохо сопротивляются растяжению каменные материалы: природный камень, кирпич, бетон и т.п.

Примером прочности конструкции при изгибе может служить мост, доска через канаву, а также балка, на которую опираются плиты перекрытия, стропила крыши.

Твердость. Твердость – это способность материалов сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Существуют несколько способов определения твердости. Например, твердость каменных материалов оценивают шкалой Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим материалом.

Шкала твердости Мооса

1 Тальк или мел (легко чертится ногтем).

2 Гипс или каменная соль (чертится ногтем).

3 Кальцит или ангидрит (легко чертится стальным ножом).

4 Плавиковый шпат (чертится стальным ножом под небольшим нажимом).

5 Апатит (сталь) (чертится стальным ножом под большим нажимом).

6 Полевой шпат (слегка царапает стекло, стальным ножом не чертится).

7 Кварц (легко чертит стекло, стальным ножом не чертится).

8 Топаз.

9 Корунд.

10 Алмаз.

Износ. Износ – это разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергаются материалы дорожных покрытий, полов промышленных предприятий, аэродромов и др.

Сопротивление удару. Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в дорожных покрытиях и полах. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе – копре.

Технологические свойства строительных материалов

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться тому или иному виду обработки. Так, древесина хорошо обрабатывается инструментами. Технологические свойства некоторых полимерных материалов включают способность сверлиться, обтачиваться, свариваться, склеиваться. Глиняные, бетонные и иные смеси обладают пластичностью, вязкостью, которые обеспечивают заполнение определенного объема.

Вязкость. Вязкость – это сопротивление жидкости передвижению одного ее слоя относительно другого. Когда какой-либо слой жидкости приводится в движение, то соседние слои также вовлекаются в движение и оказывают ему сопротивление, величина которого зависит от температуры и вещественного состава. Вязкостные свойства важны при использовании органических вяжущих веществ, природных и синтетических полимеров, красочных составов, масел, клеев. При нагревании вязкость этих материалов снижается, при охлаждении – повышается.

Упругость. Упругость является свойством материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считается напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины.

Пластичность – способность материала деформироваться без разрыва сплошности под влиянием внешнего механического воздействия и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы закончится. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и др.

Акустические свойства строительных материалов

Акустические свойства проявляются при действии звука на материал. Акустические материалы по назначению могут быть звукопоглощающие, звукоизолирующие, вибропоглощающие и виброизолирующие.

Звукопоглощающие материалы. Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения шумового звука. Их акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству звуковой энергии, падающей на поверхность материала в единицу времени. Как правило, такие материалы имеют большую пористость или шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук. Строительные материалы, у которых коэффициент звукопоглощения выше 0,2, называют звукопоглощающими.

Звукоизолирующие материалы. Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Звукоизоляционные материалы оценивают по двум показателям: относительной сжимаемости под нагрузкой в процентах и динамическому модулю упругости.

Вибропоглощающие и виброизолирующие материалы предназначены для предотвращения передачи вибрации от машин и механизмов к строительным конструкциям.

Ниже приводятся некоторые свойства строительных материалов.

Химические свойства строительных материалов

Химические свойства характеризуют способность материалов реагировать на внешние воздействия, ведущие к изменению химической структуры, а также воздействовать в этом отношении на другие материалы. Основные химические свойства: растворимость и стойкость к коррозии (кислотостойкость, щелочестойкость, газостойкость).

Растворимость. Растворимость – это способность материала растворяться в жидких растворителях: воде, керосине, бензине, масле и других, образовывая новые растворы. Растворимость зависит от химического состава веществ, давления и температуры. Показателем растворимости является произведение растворимости, представляющее собой предельное содержание растворенного вещества в граммах на 100 мл раствора при нормальном давлении и заданной температуре.

Стойкость к коррозии. Стойкость к коррозии является свойством материала сохранять свои качества в условиях агрессивной среды. Такой средой могут быть вода, газы, растворы солей, щелочей, кислот, органические растворители, а также биологические организмы (бактерии, водоросли и т.п.). Древесина, пластмассы, битумы и некоторые другие органические материалы при обычных температурах относительно стойки к действию кислот и щелочей средней и слабой концентрации.

Адгезия. Адгезия представляет собой соединение, сцепление твердых и жидких материалов по поверхности. Это свойство обусловлено межмолекулярным взаимодействием. Адгезионные силы сцепления очень важны при получении строительных материалов, состоящих из многих компонентов, например железобетон.

Кристаллизация. Кристаллизия представляет собой процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов при электролизе и химических реакциях, который сопровождается выделением тепла.

Долговечность. Долговечность представляет собой способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Старение – это процесс постепенного изменения, ухудшения свойств материалов в условиях эксплуатации.

Знание этих и других свойств позволяет сравнивать материалы между собой и определять область их применения с учетом технико-экономической целесообразности. Так, в условиях эксплуатации гидротехнических сооружений строительные материалы, изделия и конструкции, из которых они построены, подвергаются периодическому или постоянному воздействию воды и агрессивных сред, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по водостойкости, морозостойкости, водонепроницаемости, корроизонной стойкости и др.

Многие материалы под влиянием водопоглощения ярко проявляют повышенные пластические свойства. Практика строительства показывает, что выбор технически целесообразного материала обосновывают не только его прочностные характеристики, но стойкость к воздействию внешней среды, в которой работает конструкция. Обычно эта стойкость материала во времени (долговечность) неразрывно связана с его химическими и физико-химическими свойствами. Физико-химические в свою очередь тесно связаны со структурой материала и зависят от ее изменения под влиянием внешних и внутренних факторов.

Вследствие проникновения химических реагентов из внешней среды внутренние химические реакции с образованием новых соединений могут значительным образом отразиться на структуре. Изменение структуры (микроструктуры и макроструктуры) в первый период может привести к псевдоупрочнению, а в дальнейшем – к сокращению долговечности материала. Применяемый в строительстве материал обычно подвергают технологической обработке. Cпособность поддаваться такой обработке является порой решающим показателем при выборе материала. Так, при массовой заготовке щебня для бетонных работ учитывается способность горной породы дробиться без образования плоских щебенок, поэтому при выборе материалов всегда учитывают его способность реагировать на отдельные или взятые в совокупности следующие факторы: физические, механические, внешнюю среду, температуру и ее колебания, химические реагенты, технологические операции и т.д. Эта способность материала реагировать на указанные факторы определяется его свойствами.

Оценить технические свойства и сравнить материалы между собой возможно по показателям, которые получают при испытании материалов в полевых, производственных или лабораторных условиях. Полученные знания основных технических свойств строительных материалов и изделий дают возможность рационально их использовать в строительстве. Например, по известным значениям истинной и средней плотности строительных материалов можно рассчитать, какой плотностью (или пористостью) обладают эти материалы, и составить достаточно полное представление о прочности, теплопроводности, водопоглощении и других важных характеристиках строительных материалов, чтобы в дальнейшем на этом основании решать вопрос об их применении в тех или иных сооружениях и конструкциях.

Для расчета нагрузок при определении массы сооружений для транспортных расчетов и выбора емкости складских помещений необходимо знать величину средней плотности строительных материалов. Без данных о прочности применяемых материалов невозможны расчеты прочности и устойчивости сооружений и конструкций. Прогноз их долговечности невозможен без знания таких свойств материала, как отношение к влаге, воздействию окружающей среды, смене температур и др.

Свойства материалов не остаются постоянными, а изменяются во времени в результате механических, физико-химических и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется строительная конструкция или изделие. Эти изменения могут протекать и медленно (разрушение горных пород), и быстро (вымывание из бетона растворимых веществ). Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию изделия или конструкции.

Знание основных свойств строительных материалов необходимо также для выполнения расчетов, позволяющих оценить их качество, соответствие техническим требованиям, возможность применения в конкретных условиях эксплуатации.

Употребляемые в строительстве материалы должны удовлетворять определенным требованиям, которые устанавливаются государственными стандартами (ГОСТами). В строительстве соответствие поступающих материалов требованиям ГОСТа проверяют специальные лаборатории.

Любой вид продукции обладает определенными свойствами, представляющими интерес для потребителей. Для строительных материалов важны такие качества, как прочность, плотность, теплопроводность, морозостойкость, стойкость по отношению к действию воды, агрессивных сред и др. Качеством называется сумма свойств, определяющих пригодность материала и изделия для использования по назначению. Так, для кровельных материалов оценка их качества производится по сумме таких свойств, как водостойкость, водонепроницаемость, термостойкость, прочность на изгиб, атмосферостойкость и др.

Контроль качества строительных материалов и изделий проводят по разработанным нормам, требованиям и правилам. В зависимости от контролируемого производственного этапа различают контроль входной, технологический и приемочный.

Входной контроль включает проверку соответствия поступающих материалов и изделий установленным требованиям. Например, на предприятиях сборного железобетона проверяют качество поступающих исходных материалов: заполнителей и цемента для бетона, арматурной стали, закладных деталей, отделочных и других материалов.

Технологический контроль состоит в проверке соответствия установленным требованиям температуры, давления, времени выдерживания, тщательности перемешивания и других показателей технологического процесса.

Приемочный контроль заключается в проверке соответствия готовых изделий требованиям стандартов или технических условий.

Все материалы и изделия выпускают по государственным и межгосударственным стандартам – ГОСТ, СТ СЭВ, ИСО, СТБ, СНБ. Деятельность стандартизации существует для повышения качества продукции, безопасности ее получения и безопасности. Методы испытаний также стандартизированы. Кроме этого, в строительстве существуют «Строительные нормы» и «Технические нормативные правовые акты», представляющие собой объединенные нормативные документы по проектированию, строительству и строительным материалам.

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Природные каменные материалы, искусственные строительные материалы (керамические, металлические, материалы на основе минеральных расплавов, а также материалы на основе минеральных вяжущих веществ) относятся к неорганическим строительным материалам.

Природные каменные материалы и изделия получают из различных горных пород, которые подразделяют на изверженные, осадочные и метафорические.

В современном строительстве из природного камня путем механической обработки получают стеновые и фундаментные блоки для возведения различных по назначению сооружений, бордюрный камень для ограждения дорог, облицовочные плиты для внутренней и наружной отделки зданий, монументальный камень для изготовления колонн и крупных архитектурных деталей.

Каменная облицовка повышает долговечность зданий и избавляет от необходимости ремонта наружных стен на многие десятилетия. Применяя более сложные технологии из горных пород, получают каменное литье и минеральную вату. Горные породы, состоящие из минералов и имеющие относительно постоянный состав и свойства, служат основным сырьем для получения минеральных вяжущих веществ. Так, известняк служит для получения извести, известняк и глина – для получения портландцемента. Получают из горных пород и искусственные материалы: глина служит для получения керамических изделий, кварцевый песок – стекла, железосодержащие руды – металлов.

Основные свойства горных пород, а также применение в строительстве, зависят от их состава и структуры. По условиям образования горные породы разделяют на несколько основных групп: изверженные (магматичные); осадочные; метафорические (видоизмененные).

Изверженные горные породы образовались из расплавленной магмы, поднявшейся из глубины земной коры и отвердевшей при остывании. В зависимости от скорости и места охлаждения магмы в свою очередь могут быть глубинными или излившимися.

Глубинные горные породы. Глубинные породы остывали медленно, под значительным давлением толщи земной коры. Эти условия обеспечили полную кристаллизацию составляющих минералов. Поэтому такие породы имеют крупнокристаллическую структуру, высокие плотность и прочность на сжатие, морозостойкость, низкое водопоглощение, большую теплопроводность. В конструкциях зданий и сооружений учитываются эти свойства, а также степень долговечности каменных пород, которая составляет:

– для высокодолговечных (кварциты, граниты мелкозернитстые) – около 500 – 700 лет;

– для долговечных (граниты крупнозернистые, габбро, лабрадориты, сиениты) – 200 – 300 лет;

– для относительно долговечных (белый мрамор, известняки, плотные песчаники, доломиты) – 100 – 150 лет;

– для недолговечных (цветные мраморы, травертины, туфы, пористые известняки) – до 50 – 80 лет.

К глубинным горным породам относятся гранит, сиенит, габбро, диорит и др.

Гранит. Граниты являются самыми распространенными магматическими породами на планете. Залегают в земной коре в виде обширных монолитных масс круглых и вытянутых форм размерами до сотен километров или в виде отдельных глыб разных размеров. Минералогический состав гранитов: полевой шпат – 50 – 70 %, кварц – 20 – 40 %, слюда – 5 – 15 %. Они имеют зернисто-кристаллическое строение, обеспечивают высокую прочность на истирание. Прочность зависит от структуры гранитов и содержания в них полевого шпата, кварца, слюды. Особенно прочны граниты, в которых зерна кварца соединены между собой так, чтобы образуют общий остов породы; в других видах гранита эти зерна являются изолированными вкраплениями среди других минералов. На прочность гранита влияют также и размеры его зерен. Более прочны мелкозернистые и среднезернистые структуры.

Огнестойкость гранитов ограничена, так как при высоких температурах входящие в его состав кварц и слюда увеличиваются в объеме, вызывая растрескивание камня. На декоративные качества гранита влияют его цвет, текстура и структура. Цвет гранита зависит от цвета входящего в его состав полевого шпата. Как правило, он бывает серым, голубовато-серым, но может быть и темно-красным, и даже зеленым. Граниты хорошо обрабатываются: обтесываются, шлифуются, полируются.

Гранитные плиты используют для облицовки следующих частей зданий: цоколи, наружные лестницы, порталы, горизонтальные плиты парапетов, крыльца, стены, пол и др. Гранитами облицовывают набережные, гидротехнические сооружения, а также фундаменты монументальных сооружений. Для зданий, рассчитанных на долгий срок службы, используют гранит, имеющий однородную мелкозернистую структуру, что способствует его долговечности. Из гранита изготовляют также бордюрные камни. Щебень используют для высокопрочных бетонов.

Сиенит. Сиенит представляет собой горную породу, которая в отличие от гранита не содержит в минералогическом составе кварца. По своему внешнему виду и физико-механическим свойствам сиенит близок к гранитам. Цвет сиенита – белый, светло-серый, розовый, красный. Хорошо различается зернистость его структуры. Несмотря на отсутствие кварца, прочность сиенита высокая, однако долговечность ниже, чем у гранита. В связи с отсутствием в сиените кварца он легче, чем гранит, подвергается обработке. Сиениты, содержащие небольшое количество кварца, называются граносиенитами. Они используются для облицовки зданий, но больше всего как щебень для бетона.

Габбро. Габбро представляет собой крупнозернистую горную породу. Обычные габбро содержат около 40 % цветного минерала. Цвет габбро в большинстве случаев темно-серый, черный или темно-зеленый с различными оттенками. Структура зерен может быть как крупнозернистой, так и равномернозернистой. Габбро залегают иногда большими массивами. Устойчивый к выветриванию камень используют в качестве облицовочных плит, для декоративной облицовки цокольных этажей зданий, для покрытия дорог, получения высокопрочного щебня для тяжелых и дорожных бетонов. Одной из разновидностей габбровых пород является лабрадорит, имеющий серую и черную окраску с красивыми мерцающими вкраплениями в синих и зеленых тонах. Лабрадорит как наиболее красивый отделочный камень используют для особо ценных облицовок. Габбро и лабрадориты в трудны в обработке, но хорошо полируются.

Диорит. Диорит представляет собой крупнокристаллическую горную породу, которая обладает повышенной ударной вязкостью и устойчивостью к выветриванию. Диорит хорошо полируется. Эти свойства позволяют использовать диориты в качестве материалов, противодействующих различным вибрационным воздействиям, например, для фундаментов мостовых сооружений. По строительным свойствам диорит не уступает граниту, его применяют при облицовочных работах и в дорожном строительстве.