Тема 7. ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ

7.1. Фізичні властивості матеріалів

7.2. Механічні властивості матеріалів

7.3. Мінеральні в'яжучі речовини

7.3.1. Повітряні в'яжучі речовини

7.3.2. Гідравлічні в'яжучі речовини

Для кращого використання будівельних матеріалів необхідно вивчити їх основні фізичні й механічні властивості. Фізичні властивості матеріалів: густина, питомий об’єм, питома маса, морозостійкість, теплопровідність, теплоємність і ін. Механічні властивості: міцність, твердість, стиранність, пластичність, крихкість. Крім того, розрізняють і інші властивості матеріалів, які розглядаються в спеціальних курсах.

7.1. Фізичні властивості матеріалів

Густина — величина, яка вимірюється відношенням маси речовини до об’єму, який вона займає:

,

де — маса речовини, кг; V — об’єм речовини, м³.

Вважаючи у формулі V=1, отримаємо. Отже, густина речовини дорівнює масі, що міститься в одиниці об'єму. Одиницею вимірювання густини є кілограм на метр кубічний (кг/м³).

Питомий об’єм — величина, яка вимірюється відношенням об’єму речовини до його маси:

де V — об’єм речовини, м³; — маса речовини, кг.

Отже, величина питомого об’єму речовини є величиною, оберненою густині. Одиницею вимірювання питомого об’єму є метр кубічний на кілограм (м³/кг).

Питома вага — величина, яка вимірюється відношенням сили тяжіння (ваги тіла) до його об’єму:

де Р — сила ваги, Н; V — об’єм, м³.

Одиницею вимірювання питомої ваги є Ньютон на метр кубічний (Н/м³).

Вологість — ваговий вміст води в матеріалі, виражений у відсотках:

,

де G_B — маса вологого матеріалу; С_C — маса сухого матеріалу.

Для визначення вологості зразок зважують спочатку у вологому, а потім в абсолютно сухому стані. Висушують матеріал до повного видалення вологи в лабораторних умовах (у сушильній шафі) при температурі 110⁰C.

Матеріал, вологість якого дорівнює 0, називається абсолютно сухим. Матеріал, між вологістю якого й вологістю навколишнього його повітря встановлюється рівновага, називається повітряно-сухим.

Водопроникність - здатність матеріалу пропускати воду під тиском. Величина водопроникності виміряється кількістю води, що пройшла через 1 см² поверхні матеріалу протягом 1 год при постійному тиску. Особливо щільні матеріали (бітум, скло, сталь і ін.), а також досить щільні матеріали із дрібними порами (наприклад, спеціальний бетон) практично водонепроникні, інші - водопроникні. Це властивість матеріалів викликає додаткові роботи при будівництві гідротехнічних споруд, резервуарів, зведенні стін підвалів і т.п.

Морозостійкість - здатність матеріалу в насиченому водою стані витримувати багаторазове й поперемінне заморожування й відтавання. Морозостійкість виражається числом циклів поперемінного заморожування й відтавання, що зразок матеріалу може витримати, не руйнуючись і не знижуючи значно своєї міцності. Припустима втрата міцності після випробування на морозостійкість на кожний матеріал встановлюється ДСТ. Для визначення морозостійкості зразок матеріалу насичують водою й заморожують у морозильній камері при температурі – 15 – 17°, а потім він відтає при кімнатній температурі. Після заданого числа циклів поперемінного заморожування й відтавання визначають міцність і морозостійкість матеріалу. За кількістю циклів заморожування, і відтавання , що витримуються розрізняють наступну морозостійкість матеріалів: Мрз 10, Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35, Мрз 50, Мрз 100, Мрз 150, Мрз 200. Матеріали вважаються морозостійкими, якщо вони після випробування не мають викрашувань, тріщин, розшаровування, втрати маси більше 5% і міцності більше 25%.

Теплопровідність - здатність матеріалу передавати тепло через свою товщу від однієї поверхні до іншої. За одиницю кількості теплоти прийнятий 1 Джоуль (Дж).

Теплоємність - кількість теплоти, що потрібно для нагрівання якого-небудь тіла на 1 К (Кельвін). Відповідно до визначення теплоємність тіла виражається в Дж/К. Для характеристики теплових властивостей речовини необхідно знати теплоємність одиничної маси речовини, з якого складається тіло, тобто питому теплоємність.

Питома теплоємність - величина, чисельно рівна кількості теплоти, необхідної для нагрівання одиниці маси речовини на 1 К. За одиницю питомої теплоємності приймається така питома теплоємність, при якій для нагрівання 1 кг речовини затрачається 1 Дж енергії.

Вогнестійкість - здатність матеріалу витримувати без руйнування дії високих температур і води (при пожежах). За вогнестійкістю матеріали діляться на три групи: не згоряючі, важкозгоряючі та згоряючі.

До незгоряючих відносять мінеральні матеріали, які при впливі на них вогню або високої температури не запалюються, не жевріють і не обвуглюються (сталь, бетон, цегла). Важкозгоряючими називаються матеріали, які під впливом вогню або високої температури важко запалюються, жевріють і обвуглюються. До них відносять органічні матеріали у поєднанні з мінеральними (фіброліт, асфальтовий бетон, деревина, просочена незгоряючими сполуками). До згоряючих відносяться органічні матеріали, які горять відкритим полум'ям (дерево, пластмаса, руберойд).

Вогнетривкість - здатність матеріалу зберігати форму й розміри при впливі високих температур. Вогнетривкість матеріалу характеризується температурою розм'якшення й визначається за допомогою стандартних піроскопічних конусів у лабораторних умовах.

7.2. Механічні властивості матеріалів

Міцність - властивість матеріалу пручатися руйнуванню при дії навантажень або інших факторів. Міцність матеріалу характеризується межею міцності.

Межею міцності називається напруження, що відповідає навантаженню, яке викликало руйнування зразка матеріалу. Межу міцності визначають навантаженням випробуваних зразків матеріалу до їхнього руйнування на пресах або розривних машинах. Крихкі матеріали випробовують головним чином на стиск, пластичні - на розтягання.

Багато будівельних матеріалів характеризуються в технічних умовах так званими марками, що збігаються по величині з межами міцності (при стиску). Наприклад, важкий бетон буває марок (М) 100, 150, 200, 300, 400, 500 і 600; цегла - 50, 75, 100, 125, 150 і т.д.

Твердість - здатність матеріалу пручатися проникненню в нього іншого, більш твердого тіла. Твердість матеріалу не завжди відповідає його міцності. Матеріали з різними межами міцності можуть мати однакову твердість.

Застосовуються різні способи визначення твердості матеріалів. Наприклад, твердість однорідних кам'яних матеріалів визначають по спеціальній шкалі твердості, що включає десять мінералів, розташованих по ступеню зростання їхньої твердості, шляхом дряпання по випробовуваному матеріалі мінералами шкали.

Твердість металів, бетону й деревини визначають шляхом вдавлення в них (певним навантаженням) сталевої кульки. По глибині вдавлення або діаметру відбитка й установлюють твердість матеріалу. Крім того, твердість матеріалу визначають свердлінням і іншими способами.

Стиранність - здатність матеріалу зменшуватися в масі й об’ємі під дією стираючих зусиль. Стиранність матеріалів випробовують у лабораторних умовах на спеціальних машинах.

Пружність - властивість матеріалу змінювати свою форму під дією навантаження й відновлювати її після зняття навантаження. Відновлення первісної форми може бути повним і частковим. При неповному відновленні форми в матеріалі будуть бути так звані залишкові деформації.

Пластичність - здатність матеріалу змінювати свою форму під дією навантаження й зберігати її після зняття навантаження без утворення тріщин. Пластичні властивості матеріалів широко використовують у технології матеріалів (кування, прокатка, штампування). До пластичних матеріалів відносять м'яку сталь, свинець, нагрітий бітум.

Крихкість - властивість матеріалу руйнуватися під дією навантаження без попередніх деформацій. До крихких матеріалів відносять чавун, бетон, цегла. Вони легко руйнуються при ударах і не витримують високих місцевих напружень, даючи тріщини. Тому їх не застосовують для будівельних конструкцій, які можуть бути піддані що розтягують і згинають зусиллям.

7.3. Мінеральні в'яжучі речовини

В'яжучі речовини поділяються на мінеральні й органічні.

Мінеральні в'яжучі речовини при змішуванні з водою або іншим затворювачем здатні переходити з рідкого (тістоподібного) у каменеподібний стан. Мінеральні в'яжучі речовини у свою чергу поділять на повітряні й гідравлічні. Повітряні в'яжучі речовини (повітряне вапно, гіпс, магнезіальні в'яжучі, рідке скло, кислототривкий цемент) можуть переходити у твердий стан і довгостроково зберігати або підвищувати свою міцність тільки на повітрі, у вологих умовах вони знижують або втрачають свою міцність. Гідравлічні в'яжучі речовини (гідравлічне вапно, портландцемент, глиноземистий цемент і ін.) можуть переходити у твердий стан і довгостроково підвищувати й зберігати свою міцність не тільки на повітрі, але й у воді.

На відміну від повітряних гідравлічні в'яжучі мають більш високу міцність, тому їх більш широко застосовують у будівництві.

7.3.1. Повітряні в'яжучі речовини

Повітряне вапно одержують шляхом випалювання вапняків або інших гірських порід, що містять вуглекислий кальцій. Випалювання вапняку проводять у печах, переважно у вертикальних шахтах різної системи. Вапняк разом з вугіллям безупинно завантажується зверху в шахту печі й переміщується вниз назустріч руху повітря. Гартований матеріал послідовно проходить зони підігріву, випалювання й охолодження.

У результаті випалювання одержують продукт у вигляді шматків білого або сірого кольору, що називається негашеним вапном. Негашене вапно хімічно з'єднується з водою й утворює гашене (гідратне) вапно. При гашенні вапна обмеженою кількістю води воно розпадається в тонкий порошок, що називається пушонкою. При гашенні більшою кількістю води або при змішуванні пушонки з водою отримують вапняне тісто, а при розведенні тіста водою - вапняне молоко. Повітряне вапно є одним з основних повітряних в'яжучих речовин. У будівництві повітряне вапно широко використовують для приготування штукатурних розчинів, розчинів для кладки, вапняних фарб, виготовлення силікатних виробів, цегли, блоків, каналізаційних труб. Істотний недолік повітряного вапна - невисока міцність і низька стійкість у вологих умовах.

Будівельний гіпс одержують шляхом теплової обробки гіпсового каменю при температурі 150-170⁰С. Існує кілька способів виробництва будівельного гіпсу: у сушильних барабанах, у казанах для варіння і в шахтних млинах.

Основними властивостями гіпсу є міцність, тонкість помолу, терміни схоплювання. На міцність гіпсу впливає тонкість помолу, кількість уживаної води, вологість навколишнього середовища. На відміну від багатьох інших в'яжучих речовин гіпс має малий термін схоплювання (твердіння): початок - через 4 - 5 хв, закінчення - через 6 - 30 хв із моменту затворювання гіпсового порошку водою. Відмінною рисою гіпсу є також значне (до 1%) збільшення його об’єму при твердінні.

Найцінніші властивості гіпсу - швидке схоплювання й можливість одержання гладких поверхонь штукатурки й виробів, крім того, гіпс має білий колір, що дозволяє отримувати з нього кольоровий гіпс.

Недоліки гіпсу - мала водостійкість, зниження активності із часом (після трьох місяців його активність знижується до 30%).

Будівельний гіпс застосовують для виготовлення різних виробів, приготування розчинів, одержання форм. В якості гіпсових виробів в будівництві широко використовують перегородкові плити, гіпсобетонні плити, санітарно-технічні кабіни, листи сухої штукатурки, архітектурні деталі. Гіпсові вироби виготовляють із одного гіпсу (гіпсового тіста) або із суміші гіпсу й заповнювачів (шлаків, тирси). Застосування заповнювачів скорочує витрати гіпсу, зменшує масу виробів і знижує їх вартість.

Різновидом будівельного гіпсу є формувальний гіпс, що відрізняється більш тонким полом і білизною. Його застосовують в основному для виготовлення різних декоративних виробів.

Магнезіальні в'яжучі речовини. Розрізняють два види магнезіальних в'яжучих: каустичний магнезит і каустичний доломіт.

Каустичний магнезит одержують шляхом випалювання гірської породи (магнезиту) з наступним помолом у тонкий порошок. Випалювання магнезиту здійснюють у шахтних обертових печах при температурі 800 - 850°С, помол – частіше в кульових млинах. Каустичний доломіт одержують шляхом випалювання при температурі 650—750°С і наступного помолу гірської породи доломіту.

Магнезіальні в'яжучі являють собою тонкомолоті порошки білого або жовтуватого кольору. Затворювачами є розчини хлористого магнію (найпоширеніший), сірчанокислого магнію, залізного купоросу. Початок схоплювання - не раніше 20 хв, кінець - не пізніше 6 год від початку затворювання.

Магнезіальні в'яжучі застосовують у будівництві, головним чином, у поєднанні з органічними заповнювачами (деревною стружкою й тирсою), тому що вони не викликають розкладання органічних речовин і дають із ними гарне зчеплення. Їх використовують для виробництва фіброліту, ксилоліту й ксилолітових виробів. Фібролітові вироби одержують із суміші магнезіальних в'яжучих з деревною стружкою, ксилолітові - із суміші магнезіальних в'яжучих з тирсою.

Розчинне (рідке) скло. Сировиною для виготовлення рідкого скла є мелений чистий кварцовий пісок і сода (або сульфат натрію). Ця суміш після ретельного змішування надходить у скловарену піч, сплавляється, а потім при підвищенні температури до 1300-1400°С розріджується. Після осадження домішок на дні печі рідке скло випускають із печі в яму, де внаслідок швидкого охолодження воно розпадається на шматки.

Рідке скло відрізняється від звичайного хімічним складом і здатністю розчинятися у воді (особливо під дією пари високого тиску й підвищеної температури).

На виробництві його звичайно застосовують у рідкому вигляді. До розчинення рідке скло являє собою прозорі шматки або брили синюватого, зеленуватого або жовтуватого кольору, після розчинення - рідина різної густини. Розчиняють скло звичайно в гарячій воді в меленому вигляді. Рідке скло має гарні в'яжучі (клеючі) властивості, не горить, не загниває, твердіє на повітрі. Для прискорення твердіння його нагрівають і додають каталізатор - кремнієфтористий натрій.

Рідке скло застосовують для затворювання кислототривкого цементу й бетону, захисту кам'яних поверхонь від вивітрювання, виготовлення вогнезахисних фарб і замазок, зміцнення слабких ґрунтів (спосіб силікатизації).

Кислототривкий цемент одержують шляхом спільного помолу або ретельного змішування мелених чистого кварцового піску й кремнієфтористого натрію.

Кислототривкий цемент затворюють рідким склом. Початок схоплювання цементного тіста повинне наступати не раніше ніж через 30 хв, кінець - не пізніше ніж через 6 год після затворювання.

Його використовують для приготування кислототривких розчинів, бетонів, виробів з них, а також кислототривких обмазок при захисті апаратури й будівельних конструкцій на хімічних заводах.

7.3.2. Гідравлічні в'яжучі речовини

Гідравлічне вапно одержують шляхом випалювання не до спікання мергелевих вапняків, що містять 6 – 20% глинистих домішок, у шахтних або обертових печах при температурі 900 – 1000°С. Після випалювання здійснюють перемелювання або гасіння вапна в порошок (пушонку).

Гідравлічне вапно повинне мати властивість рівномірно змінювати об’єм. Розчини на гідравлічному вапні поміщати у воду відразу після виготовлення не можна, тому що вони можуть розмиватися й втрачати міцність. На початку твердіння розчини повинні перебувати протягом 7 - 21 дня на повітрі, після чого їх можна зволожити.

Гідравлічне вапно застосовують для приготування штукатурних розчинів, розчинів для кладки, бетону низьких марок, шлакобетонних каменів. Кладку конструкцій (фундаментів, стін підвалу) на розчинах з гідравлічного вапна в сирих місцях протягом перших 7 - 14 днів необхідно охороняти від безпосереднього впливу води.

Портландцемент одержують шляхом тонкого помолу обпаленої до спікання суміші глини й вапняку, що називається цементним клінкером. Розрізняють два основних способи виробництва портландцементу - мокрий і сухий. Частіше застосовують мокрий спосіб, технологія якого полягає в наступному. Глину попередньо перетворюють в апараті в рідкий глиняний шлам, після чого подають у сировинний млин, куди одночасно надходить дроблений вапняк. Глину й вапняк подають у млин у строго певній пропорції. Після помолу сметаноподібна суміш вапняку (~75%), глини (~25%) і води направляється в шламбасейн, де відбувається коректування хімічного складу шламу й ретельне його перемішування. З басейну шлам надходить у випалювальну обертову піч. Для підвищення продуктивності шлам при подачі в піч підсушують і влаштовують у печі ланцюгові завіси для кращого зіткнення суміші з гарячими димовими газами. Після зони випалювання клінкер у вигляді сірих дуже твердих спечених кульок надходить у холодильник, де прохолоджується потоком, що рухається назустріч йому, холодного повітря. Охолоджений клінкер відправляють на склад для витримування протягом 1 - 2 тижнів.

Після витримування клінкер перемелюють разом з гіпсом і активними мінеральними добавками. Гіпс застосовують для регулювання термінів схоплювання портландцементу в кількості 1,5 - 3,5%, мінеральні добавки (трепел, діатоміт, доменні шлаки) - для одержання спеціальних властивостей портландцементу, а також зниження його вартості в кількості до 15% по масі.

При виробництві портландцементу сухим способом сировинні матеріали спочатку висушують, потім подрібнюють і ретельно перемішують у спеціальних силосах. Із сировинного борошна виготовляють гранули (зерна до 40 мм), а потім їх обпалюють в обертовій або шахтній печі. Сухий спосіб виробництва портландцементу є більше трудомістким, хоча й вимагає меншої витрати палива.

Портландцемент затворюють водою. Початок схоплювання портландцементу (втрата рухливості цементного тіста) повинно наступати не раніше ніж через 45 хв, а кінець (перехід цементного тіста в камінь) - не пізніше ніж через 12 г. При твердінні портландцементний камінь змінюється в об’ємі: на повітрі об’єм зменшується, у воді збільшується. По міцності портландцемент ділиться на марки: 300; 400; 500 і 600. На міцність портландцементу впливає тонкість помолу.

Наявність ряду позитивних властивостей (високої міцності, здатності твердіти на повітрі й у воді, відносно невисокої вартості) робить портландцемент універсальною в'яжучою речовиною, що має широке застосування в будівництві. Портландцемент - це основний вид цементу, що застосовується для виготовлення збірних бетонних і залізобетонних конструкцій і деталей, а також закріплення монолітних бетонних і залізобетонних конструкцій будинків і споруд. Найбільш широко портландцемент застосовують для приготування штукатурних розчинів, розчинів для кладки, що використовуються для наземних, підземних і підводних конструкцій. Його використовують також для захисту сталевих конструкцій, сталевих закладних деталей і зварених з'єднань збірних залізобетонних конструкцій від вогню й корозії при монтажі будинків і споруд.

Портландцемент не рекомендується застосовувати для конструкцій, які піддаються дії морської, мінералізованої або прісної води, що омиває конструкцію під напором.

Глиноземистий цемент одержують шляхом випалювання до сплавлення або до спікання суміші вапна й бокситів (гірська порода, що містить алюміній) з наступним її помолом у тонкий порошок. Випалювання до плавлення проводять в електричних печах при температурі 1400 – 1500°.

Випалювання суміші до спікання проводять в обертових печах при температурі 1200 – 1300°С. Після випалювання суміші перемелюють отриманий клінкер в тонкий порошок (цемент). Існують і інші способи одержання глиноземистого цементу.

Глиноземистий цемент є в'яжучою речовиною, яка дуже швидко твердіє. Уже через 24 год після затворювання цементний камінь має міцність до 90% марочної. Початок схоплювання не раніше ніж через 45 хв, кінець не пізніше ніж через 12 год з моменту затворювання цементу водою. По міцності цемент поділяють на марки 300, 400 і 500. Глиноземистий цемент має високу корозійну стійкість проти дії прісних і сульфатних вод. Він добре твердіє у вологому середовищі при температурі 15 – 20°С. При підвищенні температури міцність глиноземистого цементу знижується. Тому на відміну від портландцементу цей цемент не можна штучно нагрівати (пропарювати).

Висока вартість (в 3 рази вище портландцементу) обмежує широке застосування глиноземистого цементу. Його застосовують у спеціальних спорудах, при аварійних будівельних і монтажних роботах, при роботах у зимовий час, у морських спорудах, у спорудах, що перебувають у мінералізованих водах. Висока сульфатостійкість глиноземистого цементу дозволяє застосовувати його для виготовлення колекторів стічних вод ряду хімічних і металургійних підприємств. Його використовують також у якості в'яжучого при виготовленні жаротривких бетонів.

Пуцолановий цемент одержують шляхом спільного помолу або ретельного змішування портландцементу з активними мінеральними добавками. Останні поліпшують стійкість цементу в агресивних водах. Як такі добавки застосовують природні і штучні породи. Природні породи - діатоміт, трепел, туф і ін.; штучні – доменні шлаки, зола, обпалена глина і ін. Кількість застосовуваних добавок залежить від властивостей цих добавок, а також від вимог до якості одержуваного цементу й коливається в межах від 20 до 50% від маси суміші.

Пуцолановий цемент світліше звичайного портландцементу, має меншу об'ємну масу, дає більшу щільність розчину й бетону, внаслідок чого вони виходять більш водонепроникними. Тонкість помолу й терміни схоплювання пуцоланового цементу такі ж, як і для портландцементу; швидкості твердіння трохи менше, ніж у портландцементу, особливо в перші дні його твердіння. При твердінні пуцолановий цемент виділяє менше тепла, ніж портландцемент, що дає можливість застосовувати його в масивних бетонних конструкціях (тому що в них не відбувається утворення тріщин), але утрудняє зимове бетонування (потрібен штучний прогрів бетону).

Відмінною рисою пуцоланового цементу є те, що, будучи добре затверділим, він не вилуговується прісною водою й не руйнується під дією морських та інших мінералізованих вод. Однак цей цемент так само, як і портландцемент, піддається шкідливій дії вільних кислот (наприклад, вугільної) і концентрованих розчинів магнезіальних солей. Для пуцоланового цементу встановлені наступні марки: 200, 300, 400 і 500.

Пуцолановий цемент в основному застосовують у тих випадках, коли необхідна підвищена фізико-хімічна стійкість бетону; у каналізаційних і водопровідних спорудах; при зведенні гідротехнічних споруд у морській і прісній воді (набережних, гребель, шлюзів); для кладки фундаментів і стін підвалів цивільних і промислових будинків, а також інших підземних споруд, якщо вони перебувають під дією ґрунтової води, що містить шкідливі для портландцементу домішки. Отже, пуцолановий цемент використовують для приготування розчинів і бетонів, виготовлення збірних і монолітних бетонних і залізобетонних конструкцій, які повинні експлуатуватися в умовах дії агресивних вод (морських, мінералізованих).

Пуцолановий цемент не можна застосовувати в спорудах, що перебувають у перемінних умовах зволоження й висихання, заморожування й відтавання.