Строительные материалы (лекции за 2-й курс) (lectures)

Посмотреть архив целиком

Строительные материалы. Лекции. 28

Общие сведения о строительных материалах.


В процессе строительства, эксплуатации и ремонта зданий и сооружений строительные изделия и конструкции из которых они возводятся подвергаются различным физико-механическим, физическим и технологическим воздействиям. От инженера-гидротехника требуется со знанием дела правильно выбрать материал, изделия или конструкцию которая обладает достаточной стойкостью, надёжностью и долговечностью для конкретных условий.


ЛЕКЦИЯ №1

Общие сведения о строительных материалах и их основные свойства.

Строительные материалы и изделия, применяемые при строительстве, реконструкции и ремонте различных зданий и сооружений, делятся на природные и искусственные, которые в свою очередь подразделяются на две основные категории: к первой категории относят: кирпич, бетон, цемент, лесоматериалы и др. Их применяют при возведении различных элементов зданий (стен, перекрытий, покрытий, полов). Ко второй категории - специального назначения: гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические и др.

Основными видами строительных материалов и изделий являются: каменные природные строительные материалы из них; вяжущие материалы неорганические и органические; лесные материалы и изделия из них; металлические изделия. В зависимости от назначения, условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений подбираются соответствующие строительные материалы, которые обладают определёнными качествами и защитными свойствами от воздействия на них различной внешней среды. Учитывая эти особенности, любой строительный материал должен обладать определёнными строительно-техническими свойствами. Например, материал для наружных стен зданий должен обладать наименьшей теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защищать помещение от наружного холода; материал сооружения гидромелиоративного назначения – водонепроницаемостью и стойкостью к попеременному увлажнению и высыханию; материал для покрытия дорого (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы выдержать нагрузки от транспорта.

Классифицируя материалы и изделия, необходимо помнить, что они должны обладать хорошими свойствами и качествами.

Свойство – характеристика материала, проявляющаяся в процессе его обработки, применении или эксплуатации.

Качество – совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением.

Свойства строительных материалов и изделий классифицируют на три основные группы: физические, механические, химические, технологические и др.

К химическим относят способность материалов сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызывающие в них обменные реакции приводящие к разрушению материалов, изменению своих первоначальных свойств: растворимость, коррозионная стойкость, стойкость против гниения, твердение.

Физические свойства: средняя, насыпная, истинная и относительная плотность; пористость, влажность, влагоотдача, теплопроводность.

Механические свойства: пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге, упругость, пластичность, жёсткость, твёрдость.

Технологические свойства: удобоукладываемость, теплоустойчивость, плавление, скорость затвердевания и высыхания.

Физические и химические свойства материалов.

Средняя плотность ρ0 массы m единицы объёма V1 абсолютно сухого материала в естественном состоянии; она выражается в г/см3, кг/л, кг/м3.

Насыпная плотность сыпучих материалов ρн массы m единицы объёма Vн просушенного свободно насыпанного материала; она выражается в г/см3, кг/л, кг/м3.

Истинная плотность ρ массы m единицы объёма V материала в абсолютно плотном состоянии; она выражается в г/см3, кг/л, кг/м3.

Относительная плотность ρ(%) – степень заполнения объёма материала твёрдым веществом; она характеризуется отношением общего объёма твёрдого вещества V в материале ко всему объёму материала V1 или отношением средней плотности материала ρ0 к её истинной плотности ρ: , или .

Пористость П - степень заполнения объёма материала порами, пустотами, газо-воздушными включениями:

для твёрдых материалов: , для сыпучих:

Гигроскопичность - способность материала поглощать влагу из окружающей среды и сгущать её в массе материала.

Влажность W(%) – отношение массы воды в материале mв=m1-m к массе его в абсолютно сухом состоянии m:

Водопоглащение В – характеризует способность материала при соприкосновении с водой впитывать и удерживать её в своей массе. Различают массовое Вм и объёмное Во водопоглащение.

Массовое водопоглащение (%) – отношение массы поглощённой материалом воды mв к массе материала в абсолютно сухом состоянии m:

Объёмное водопоглащение (%) – отношение объёма поглощённой материалом воды mв/ρв к его объёму в водонасыщенном состоянии V2:

Влагоотдача – способность материала отдавать влагу.

Механические свойства материалов.

Предел прочности при сжатии R – отношение разрушающей нагрузки Р(Н) к площади сечения образца F (см2). Он зависит от размеров образца, скорости приложения нагрузки, формы образца, влажности.

Предел прочности при растяжении Rр - отношение разрушающей нагрузки Р к первоначальной площади сечения образца F.

Предел прочности при изгибе Rи – определяют на специально изготовленных балочках.

Жёсткость – свойство материала давать небольшие упругие деформации.

Твёрдость – способность материала (металла, бетона, древесины) сопротивляться прониканию в него под постоянной нагрузкой стального шарика.



ЛЕКЦИЯ №2

Природные каменные материалы.

Классификация и основные виды горных пород.

В качестве природных каменных материалов в строительстве используют горные породы, которые обладают необходимыми строительными свойствами.

По геологической классификации горные породы подразделяют на три типа:

1) изверженные (первичные), 2) осадочные (вторичные) и 3) метаморфические (видоизменённые).

1) Изверженные (первичные) горные породы образовались при остывании поднявшейся из глубин земли расплавленной магмы. Строения и свойства изверженных горных пород в значительной степени зависят от условия остывания магмы, в связи с чем эти породы подразделяют на глубинные и излившиеся.

Глубинные горные породы образовались при медленном остывании магмы в глубине земной коры при больших давлениях вышележащих слоёв земли, что способствовало формированию пород с плотной зернисто-кристаллической структурой, большой и средней плотностью, высоким пределом прочности при сжатии. Эти породы обладают малым водопоглащением и высокой морозостойкостью. К этим породам относят гранит, сиенит, диорит, габбро и др.

Излившиеся породы образовались в процессе выхода магмы на земную поверхность при сравнительно быстром и неравномерном охлаждении. Наиболее распространёнными излившимися породами являются порфир, диабаз, базальт, вулканические рыхлые породы.

2) Осадочные (вторичные) горные породы образовались из первичных (изверженных) горных пород под воздействием температурных перепадов, солнечной радиации, действия воды, атмосферных газов и др. В связи с этим осадочные горные породы подразделяют на обломочные (рыхлые), химические и органогенные.

К обломочным рыхлым горным породам относят гравий, щебень, песок, глину.

Химические осадочные породы: известняк, доломит, гипс.

Органогенные горные породы: известняк-ракушечник, диатомит, мел.

3) Метаморфические (видоизменённые) горные породы образовались из изверженных и осадочных горных пород под влиянием высоких температур и давлений в процессе поднятия и опускания земной коры. К ним относят глинистый сланец, мрамор, кварцит.


Классификация и основные виды природных каменных материалов.

Природные каменные материалы и изделия получают путём обработки горных пород.

По способу получения каменные материалы подразделяют на рваный камень (бут) – добывают взрывным способом; грубоколотый камень – получают раскалыванием без обработки; дроблёный – получают дроблением (щебень, искусственный песок); сортированный камень (булыжник, гравий).

Каменные материалы по форме делят на камни неправильной формы (щебень, гравий) и штучные изделия, имеющие правильную форму (плиты, блоки).

Щебень – остроугольные куски горных пород размером от 5 до 70 мм, получаемые при механическом или природном дроблении бута (рваный камень) или естественных камней. Его используют в качестве крупного заполнителя для приготовления бетонных смесей, устройства оснований.

Гравий – окатанные куски горных пород размером от 5 до 120 мм, также используется для приготовления искусственных гравийно-щебёночных смесей.

– рыхлая смесь зёрен горных пород размером от 0,14 до 5 мм. Он образуется обычно в результате выветривания горных пород, но может быть получен и искусственным путём – дроблением гравия, щебня, и кусков горных пород.


ЛЕКЦИЯ №3

Гидротационные (неорганические) вяжущие вещества.

  1. Воздушные вяжущие вещества.

  2. Гидравлические вяжущие вещества.

Гидротационными (неорганическими) вяжущими веществами называют тонко измельченные материалы (порошки), которые при смешивании с водой образуют пластичное тесто, способное в процессе химического взаимодействия с ней затвердевать, набирать прочность, связывая при этом в единый монолит введённые в него заполнители, обычно каменные материалы (песок, гравий, щебень), образуя тем самым искусственный камень типа песчаника, конгломерата.

Гидротационные вяжущие подразделяют на воздушные (твердеющие и набирающие прочность только в воздушной среде) и гидравлические (твердеющие во влажной, воздушной среде и под водой).

Строительная воздушная известь CaO – продукт умеренного обжига при 900-1300°С природных карбонатных пород CaCO3, содержащих до 8% глинистых примесей (известняк, доломит, мел и др. ). Обжиг осуществляют в шахтах и вращающихся печах. Наиболее широкое распространение получили шахтные печи. При обжиге известняка в шахтной печи движущийся в шахте сверху вниз материал проходит последовательно три зоны: зону подогрева (сушка сырья и выделение летучих веществ), зону обжига (разложение веществ) и зону охлаждения. В зоне подогрева известняк нагревается до 900°С за счёт тепла поступающего из зоны обжига от газообразных продуктов горения. В зоне обжига происходит горение топлива и разложение известняка CaCO3 на известь CaO и двуокись углерода CO2 при 1000-1200°С. В зоне охлаждения обожжённый известняк охлаждается до 80-100°С двигающимся снизу вверх холодным воздухом.

В результате обжига полностью теряется двуокись углерода и получается комовая, негашёная известь в виде кусков белого или серого цвета. Комовая негашёная известь является продуктом, из которого получают разные виды строительной воздушной извести: молотую порошкообразную негашёную известь, известковое тесто.

Строительную воздушную известь различного вида используют при приготовлении кладочных и штукатурных растворов, бетонов низких марок (работающих в воздушно-сухих условиях), изготовлении плотных силикатных изделий (кирпича, крупных блоков, панелей), получении смешанных цементов.

Гидротехнические и гидромелиорационные сооружения и конструкции работают в условиях постоянного воздействия воды. Эти тяжёлые условия эксплуатации конструкций и сооружений требуют применения вяжущих веществ, обладающих не только необходимыми прочностными свойствами, но и водостойкостью, морозостойкостью и коррозионной стойкостью. Такими свойствами обладают гидравлические вяжущие вещества.

Гидравлическую известь получают умеренным обжигом природных мергелей и мергелистых известняков при 900-1100°С. Мергель и мергелистый известняк идущие для производства гидравлической извести содержат от 6 до 25% глинистых и песчаных примесей. Её гидравлические свойства характеризуются гидравлическим (или основным) модулем (m), представляющим отношение в процентах содержания окислов кальция к содержанию суммы окислов кремния, алюминия и железа:

Гидравлическая известь – медленно схватывающееся и медленнотвердеющее вещество. Её применяют для приготовления строительных растворов, низкомарочных бетонов, легких бетонов, при получении смешанных бетонов.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путём совместного, тонкого помола клинкера и двуводного гипса. Клинкера – продукт обжига до спекания (при t>1480°С) однородной, определённого состава природной или сырьевой смеси известняка или гипса. Сырьевую массу обжигают во вращающихся печах.

Портландцемент как вяжущее вещество используют при приготовлении цементных растворов и бетонов.

Шлакопортландцемент - в своём составе имеет гидравлическую добавку в виде гранулированного, доменного или электротермофосфорного шлака., охлаждаемого по специальному режиму. Его получают путём совместного помола портландцементного клинкера (до 3,5%), шлака (20…80%), и гипсового камня (до 3,5% ). Шлакопортландцемент имеет медленное нарастание прочности в начальные сроки твердения, однако в дальнейшем скорость нарастания прочности нарастает. Он чувствителен к окружающей температуре, стоек при воздействии на него мягких сульфатных вод, имеет пониженную морозостойкость.

Карбонатный портландцемент получают путём совместного помола цементного клинкера с 30% известняка. Он обладает пониженным тепловыделением при твердении, повышенной стойкостью.


ЛЕКЦИЯ №4

Строительные растворы.

Общие сведения.


Строительные растворы представляют собой тщательно отдозированные мелкозернистые смеси, состоящие из неорганического вяжущего вещества (цемент, известь, гипс, глина), мелкого заполнителя (песка, дроблёного шлака), воды и в необходимых случаях добавок (неорганических или органических). В свежеприготовленном состоянии их можно укладывать на основание тонким слоем, заполняя все его неровности. Они не расслаиваются, схватываются, твердеют и набирают прочность, превращаясь в камневидный материал. Строительные растворы используют при каменных кладках, отделочных, ремонтных и др. работах. Их классифицируют по средней плотности: тяжёлые с средней ρ=1500кг/м3, лёгкие со средней ρ<1500кг/м3. По назначению: гидроизоляционные, талтопогенные, инъекционные, кладочные, отделочные и др.

Растворы приготовленные на одном виде вяжущего вещества, называют простыми, из нескольких вяжущих веществ смешанными (цементно-известковый). Строительные растворы приготовленные на воздушных вяжущих, называют воздушными (глиняные, известковые, гипсовые). Состав растворов выражают двумя (простые 1:4) или тремя (смешанные 1:0,5:4) числами, показывающие объёмное соотношение количества вяжущего и мелкого заполнителя. В смешанных растворах первое число выражает объёмную часть основного вяжущего вещества, второе – объёмную часть дополнительного вяжущего вещества по отношению к основному. В зависимости от количества вяжущего вещества и мелкого заполнителя растворные смеси подразделяют на жирные – с содержанием большого количества вяжущего вещества. Нормальные – с обычным содержанием вяжущего вещества. Тощие – содержащие относительно небольшое количество вяжущего вещества (малопластичные).

Для приготовления строительных растворов лучше использовать песок с зёрнами, имеющими шероховатую поверхность. Песок предохраняет раствор от растрескивания при твердении, снижает его стоимость.

Гидроизоляционные растворы (водонепроницаемые) – цементные растворы состава 1:1 – 1:3,5 (обычно жирные), в которые добавляют церезит, амоминат натрия, нитрат кальция, хлористое железо, битумную эмульсию.

Церезит – представляет массу белого или жёлтого цвета, получаемую из анилиновой кислоты, извести, аммиака. Церезит заполняет мелкие поры, увеличивает плотность раствора, делая его водонепроницаемым.

Для изготовления гидроизоляционных растворов используют портландцемент, сульфатостойкий портландцемент. В качестве мелкого заполнителя в гидроизоляционных растворах используют песок.

Кладочные строительные растворы – используют при кладке каменных стен, подземных сооружений. Они бывают цементно-известковые, цементно-глиняные, известковые и цементные.

Отделочные (штукатурные) растворы - подразделяют по назначению на наружные и внутренние, по расположению в штукатурке на подготовительные и отделочные.

Акустические растворы – лёгкие растворы, обладающие хорошей звукоизоляцией. Приготовляют эти растворы из портландцемента, шлакопортландцемента, извести, гипса и др. вяжущих веществ с использованием в качестве заполнителя лёгких пористых материалов (пемзы, перлита, керамзита, шлака).


ЛЕКЦИЯ №5

Обычный бетон на гидротационных вяжущих веществах.

  1. Материалы для обычного (тёплого) бетона.

  2. Проектирование состава бетонной смеси.

Бетон – искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания бетонной смеси, состоящий в отдозированных в определённом соотношении гидротационных вяжущих веществ (цементирующих), мелких (песок) и крупных (щебень, гравий) заполнителей, воды и в необходимых случаях добавок.

Цемент. При приготовлении бетонной смеси применяемый вид цемента и его марка зависят от условий работы будущей бетонной конструкции или сооружения, их назначения, способов производства работ.

Вода. Для приготовления бетонной смеси применяют обычную питьевую воду, не содержащую вредных примесей, препятствующих твердению цементного камня. Запрещается применять для приготовления бетонной смеси сточные, производственные, или бытовые воды, болотные воды.

Мелкий заполнитель. В качестве мелкого заполнителя применяют природный или искусственный песок. Размер зёрен от 0,14 до 5 мм истинная плотность более ρ>1800кг/м3. Искусственный песок получают путём дробления плотных, тяжёлых горных пород. При оценке качества песка определяют его истинную плотность, среднюю насыпную плотность, межзерновую пустотность, влажность, зерновой состав и модуль крупности. Кроме того, следует исследовать дополнительные качественные показатели песка – форму зёрен (остроугольность, окатаимость… ), шероховатость и др. Зерновой или гранулометрический состав песка должен отвечать требованиям ГОСТ 8736-77. Его определяют путём просеивания просушенного песка через набор сит с отверстиями размером 5,0; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,14 мм. В результате просеивания навески песка через этот набор сит на каждом из них остаётся остаток, называемый частным ai. Его находят как отношение массы остатка на данном сите mi к массе всей навески песка m:

Кроме частных остатков находят полные остатки А, которые определяют как сумму всех частных остатков в % на вышележащих ситах + частный остаток на данном сите:

По результатам просеивания песка определяют его модуль крупности:

где А – полные остатки на ситах, %.

По модулю крупности различают песок крупный (Мк>2,5), средний (Мк=2,5…2,0), мелкий (Мк=2,0…1,5), очень мелкий (Мк=1,5…1,0) .

Путём нанесения кривой просеивания песка на график допускаемого зернового состава определяют пригодность песка для изготовления бетонной смеси.


1- кривая лабораторного просеивания соответственно для песка и крупного заполнителя.

Большое значения в подборе песка для бетонной смеси имеет его межзерновая пустотность Vп(%), которую определяют по формуле:



ρн.п – насыпная плотность песка, г/см3;

ρ – истинная плотность песка, г/см3;

В хороших песках межзерновая пустотность составляет 30…38%, в разнозернистых – 40…42%.

Крупный заполнитель. В качестве крупного заполнителя бетонной смеси применяют природный или искусственный щебень либо гравий с крупностью зёрен от 5 до 70мм.

Чтобы обеспечить оптимальный зерновой состав крупный заполнитель делят на фракции в зависимости от наибольшей крупности зёрен Днаиб.; При Днаиб=20мм крупный заполнитель имеет две фракции: от 5 до 10 мм и от 10 до 20 мм;

При Днаиб=40мм – три фракции: от 5 до 10 мм; от 10 до 20 мм и от 20 до 40 мм;

При Днаиб=70мм – четыре фракции: от 5 до 10 мм; от 10 до 20 мм; от 20 до 40 мм; от 40 до 70 мм. Большое влияние на расход цемента при приготовлении бетонной смеси имеет показатель межзерновой пустотности крупного заполнителя Vп.кр(%), которую определяют с точностью до 0,01% по формуле:

ρн.кр – средняя насыпная плотность крупного заполнителя.

ρк.кус – средняя плотность крупного заполнителя в куске.

Показатель межзерновой пустотности должен быть минимальным. Меньшим его значение можно получить путём подбора оптимального зернового состава крупного заполнителя.

Зерновой состав крупного заполнителя устанавливают в результате просеивания просушенного крупного заполнителя набором сит с отверстиями размером 70; 40; 20; 10; 5 мм с учётом его максимальной Днаиб и минимальной Днаим крупности.

Щебень – обычно искусственный рыхлый материал с неокатанными шероховатыми зёрнами, получаемый путём дробления горных пород, крупного природного гравия или искусственных камней. Для определения пригодности щебня необходимо знать: истинную плотность горной породы, среднюю плотность щебня, среднюю насыпную плотность щебня, относительную межзерновую пустотность и влажность щебня

Гравий – рыхлый природный материал с окатанными, гладкими зёрнами, образовавшийся в процессе физического выветривания горных пород. К гравию предъявляют те же требования что и к щебню.

Добавки. Введение добавок в цемент, растворную или бетонную смесь является простым и удобным способом повышения качества цемента, растворного камня и бетона. Позволяющим значительно улучшить не только их свойства но и технические, эксплуатационные показатели. Добавки используют при производстве вяжущих веществ, приготовлении строительных растворов и бетонных смесей. Они позволяют изменить качество бетонной смеси и самого бетона; воздействуя на удобоукладываемость, механическую прочность, морозостойкость, трещиностойкость, водостойкость, водонепроницаемость, теплопроводность, стойкость к окружающей среде.


К основным свойствам бетонной смеси относят связность (способность сохранять её однородность, не расслаиваясь при транспортировке, выгрузке), однородность, водоудерживающую способность (значительную роль играет в образовании структуры бетона, приобретении им прочности, водонепроницаемости и морозостойкости), удобоукладываемость (способность её быстро с минимальной затратой энергии приобретать необходимую конфигурацию и плотность, обеспечивая получение бетона высокой плотности).

Свежеприготовленная бетонная смесь должна быть хорошо перемешана (однородна), пригодна к транспортировке на место укладки с учётом погодных условий, при этом сопротивляться водоотделению и расслоению.


В задачу проектирования и подбора состава бетонной смеси входит выбор необходимых материалов (вяжущего вещества и др. компонентов) и установление их оптимального количественного соотношения. На основе этого получают бетонную смесь с заданными технологическими свойствами, а также максимально экономичный и долговечный бетон, отвечающий проектным и эксплуатационным требованиям при минимально возможном расходе цемента. Следовательно, бетонная смесь запроектированного состава должна обладать нерасслаивоемостью, необходимой удобоукладываемостью, связностью, а бетон, изготовленный из этой смеси – требуемыми свойствами: плотностью, прочностью, морозостойкостью, водонепроницаемостью.

Наиболее простой способ проектирования состава бетонной смеси – расчёт по абсолютным объёмам, в основе которого принято, что приготовленная, уложенная и уплотнённая бетонная смесь не должна иметь пустот.

Проектирование состава выполняют с использованием действующих рекомендаций и нормативных документов в такой последовательности:

  1. Назначают для заданной марки бетона Rб рациональную марку цемента Rц.

  2. Определяют водоцементное отношение В/Ц , для обычного бетона с В/Ц ≥0,4: В/Ц=А·Rц/(Rб+0,5А·Rц); где Rц – марка цемента; Rб – марка бетона; А – коэффициент учитывающий качество используемых компонентов.

  3. Назначают ориентировочный расход воды на 1м3 бетонной смеси. Расход воды, необходимый для получения бетонной смеси заданной подвижности, зависит не только от вида и наибольшей крупности заполнителя, но и от формы и шероховатости зёрен.

  4. Рассчитывают расход цемента (кг на 1м3 бетона) по найденному отношению В/Ц и принятому ориентировочному расходу воды: ;

  5. Вычисляют расход заполнителей исходя из условия, чтобы сумма абсолютных объёмов всех составляющих материалов бетона была равно 1м3 уложенной и уплотнённой бетонной смеси:

Ц, В, П, Кр – расходы цемента, воды, песка, крупного заполнителя на 1м3 смеси, кг.

ρц, ρв, ρп, ρкр – плотность этих материалов, кг/м3;

- их абсолютные объёмы, м3.

Формулы для определения расхода заполнителей (кг на 1м3 бетона):

крупного заполнителя:

r – коэф. раздвижки зёрен крупного заполнителя, принимается ориентировочно (табличные данные)

Пкр – пустотность крупного заполнителя.

Ρн.кр – насыпная плотность крупного заполнителя.

мелкого заполнителя (песка):

  1. Вычисляют расчётную среднюю плотность бетонной смеси:

и коэффициент выхода бетона:

Коэффициент выхода бетона β должен быть в пределах 0,55…0,75.

Запроектированный состав бетонной смеси уточняют на пробных замесах. На них же проверяют подвижность бетонной смеси. Если подвижность бетонной смеси окажется больше требуемой, то в замес небольшими порциями добавляют воду и цемент, сохраняя при этом постоянным отношение В/Ц до тех пор, пока подвижность бетонной смеси станет равной заданной. Если подвижность окажется больше заданной то в неё добавляют песок и крупный заполнитель (порциями по 5% первоначального количества), сохраняя выбранное отношение В/Ц. По результатам пробных замесов вносят коррективы в запроектированный состав бетонной смеси, учитывая что в производственных условиях используемые песок и крупный заполнитель находятся во влажном состоянии, а крупный заполнитель имеет некоторое водопоглащение, расход (л) требуемой воды на приготовление 1м3 бетонной смеси уточняют по формуле:


Случайные файлы

Файл
58225.rtf
27825.rtf
157110.rtf
123078.rtf
PS-RF.DOC