Реферат: Конспект лекций по предмету Строительные материалы специальности Мосты и транспортные тоннели

Основные свойства строительных материалов

Все свойства строительных материалов можно разделить на 4группы:

Физические свойства Механические свойства Химические свойства Технологические свойства

Физические свойства:

Истинная плотность материала (ρ)- это масса единицы объема в абсолютно плотном состоянии без пор и пустот

ρ =/>

Измеряется в г/см3,кг/м3

Для твердых материалов ρопределяется пикнометрическим способом.

                Для жидких материалов ρ определяетсяпри помощи ареометра

Средняя плотность (γ)- это масса единицы объема в естественном состоянии, с порами и пустотами

γ =/>/>

                Измеряется в г/см3, кг/м3

                γ < ρ

Пористость (П)- это степень заполнения материала порами.

П=/>

Водопоглощение — это способность материала впитывать и удерживать в себе влагу. Водопоглощение по массе:

         mнас-mсух

Вм=---------------------*100%

              mсух

 

                       

·    Водопоглощение по объему:

          mнас-mсух

Во=---------------------*100%

              V

Морозостойкость — это способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без значительной потери прочности и массы.

Измеряется в циклах.

Потеря прочности при испытании наморозостойкость не должна превышать 15-20%, потеря массы- 5%

Теплопроводность — это способность материала передавать тепло через свою толщу.

λ- коэффициенттеплопроводности, зависит от пористости.

Измеряется в Вт/м * оС

λвоздуха=0,002Вт/м * оС

λбетона=0,6-0,8Вт/м * оС

Теплоемкость — это способность материала поглощать и удерживать в себе тепло.

С- коэффициенттеплоемкости

Измеряется вкДж/кг * оС

Огнеупорность — это способность материала не разрушаться под действием высоких температур.

Делятся на 3 группы:

·    Огнеупорные материалы, выдерживают температуру свыше 1580 оС

·    Тугоплавкие материалы, выдерживают температуру от 1350 оСдо 1580 оС

·    Легкоплавкие материалы, выдерживают температуру до 1350 оС

Огнестойкость — это способность материала не возгораться.

Делятся на 3 группы:

·    Сгораемые материалы (дерево, битум)

·    Трудносгораемые материалы (минеральная вата)

·    Несгораемые материалы (бетон)

Механические свойства:

Прочность — это способность материала не разрушаться под воздействие внутренних напряжений, возникающих при наложении нагрузки или изменении температуры.

Характеризуется пределамипрочности (R)

Измеряются в Мпа, кгс/см2

            P

Rсж=-------

            F

, где P-разрушающая нагрузка, F- площадь

/>

P

  Изгиб:

/>

                3Pl

Rизг=---------

                2bh2

Упругость — это способность материала восстанавливать свою форму и размеры после снятия нагрузки.Пластичность — это способность материала изменять свою форму после снятия нагрузкиТвердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него другого материала.

Для каменных материалов твердостьопределяется по шкале Мосса (определение производится путем нанесенияцарапины любым каменным материалом на определяемом материале, при отсутствиицарапины испытуемый материал тверже). Шкала состоит из 10 наименований твердыхкаменных материалов. Самый твердый материал в шкале- алмаз, самых мягкий-тальк.

Для металлов твердостьопределяется путем вдавливания стального шарика в металл (твердость поБрюнелю)

Истираемость

Измеряется в г/см2

Хрупкость — определяется с помощью хопров.

Коэффициенты:

ККК — коэффициент конструктивного качества

Rсухсж

ККК=-------------

                γ

Км — коэффициент морозостойкости

Во

Км=-----------

                П

                Если Км>0.85, значит, материалморозостойкий

Кразм — коэффициент размягчения

Rнас

Кразм=----------

                Rсух

Химические свойства:

Характеризуют способность материала не разрушаться подвоздействием кислот, щелочей, растворов солей, агрессивных газов.

Технологические свойства:

Характеризуют способность материала обрабатываться.

Горные породы.

Горная порода- это минеральная масса, состоящая из одногоили нескольких минералов.

Минерал- это природное тело с определенными химическими ифизическими свойствами.

Классификация горных пород:

Магматические Осадочные Метаморфические Глубинные Изверженные Обломочные

Химические

осадки

Органогенные

Механические

осадки

Гранит

Габбро

Диорит

(щелоче- и  кислотостойкие)

Порфир

Диабаз

Базальт

Вулканический

пепел

Пемза

Гипс

Ангидрит

Кальцит

Магнезит

Доломит

Мел

Ракушечник

Щебень

Гравий

Глина

Песок

Сланцы

Мрамор

Гнейсы

Изверженные магматические породы образуются врезультате быстрого охлаждения магмы и имеют полукристаллическое строение.Отличаются высокой прочностью, плотностью. Применяются для облицовочных работ,при каменном литье.

Обломочные магматические породы образуются приизвержении вулканов и быстрого охлаждения. Имеют пористую структуру. Небольшаяплотность и прочность.

Глубинные горные породы образуются на большой глубинес постепенным остыванием магмы. Имеют кристаллическое строение.

Химические осадочные горные породы образуются врезультате наслаивания друг на друга отживших микроорганизмов.

Механические осадочные горные породы образуются врезультате выветривания.

Метаморфические горные породы образуются измагматических и осадочных горных пород в процессе их перекристаллизации безплавления.

Минеральные вяжущие вещества (неорганические).

Минеральные вяжущие вещества — это тонко измельченныепорошки, которые при затворении с водой образуют пластичное тесто, а современем переходят в камневидное состояние.

Классификация минеральных вяжущих веществ.

Воздушные Применение Гидравлические Применение Автоклавного твердения Применение

Гипсовые вяжущие вещества

Воздушная известь

Магнезиальные вяжущие вещества

Кислотоупорный цемент

Строительство домов

Силикатный цемент

Алюминатный цемент

Гидравлическая известь

Роман-цемент

Строительство мостов, тоннелей

Известково-кремнеземистые вяжущие вещества

Известково-шлаковые вяжущие вещества

Нефелиновый цемент

Производство кирпичей

Воздушные вяжущие вещества.

Способны твердеть, набирать и сохранять свою прочностьтолько на воздухе.

Гидравлические вяжущие вещества.

Способны твердеть, набирать и сохранять свою прочность какна воздухе, та и в воде.

Автоклавного твердения вяжущие вещества.

Это вяжущие вещества, которые переходят в твердое состояниеи сохраняют свою прочность в условиях повышенных температуры и давления.

Воздушные вяжущие вещества.

Гипсовые вяжущие вещества.

 

Бывают низкообжиговые и высокообжиговые.

Низкообжиговые.

Обыкновенный строительный гипс (алебастр), формовочный гипс,медицинский гипс, высокопрочный гипс.

Сырье- гипсовый камень.

                         130-180 oC 

CaSO4*2H2O----------------->CaSO4*0.5H2O  +  1.5H2O

                                              Вяжущее вещество

Высокообжиговые.

Ангидритовое вяжущее вещество, экстрих-гипс.

                             800 oC      

CaSO4*2H2O----------------->CaSO4  +  2H2O

Ангидритовое вяжущее вещество.

Начало схватывания не ранее 30 минут, конец схватывания непозднее 24 часов.

Марки: М-50, М-100, М-150, М-200.

Ангидритовое вяжущее вещество затворяют не водой, арастворами сульфатных солей, в частности раствором MgSO4.

Экстрих-гипс.

                >1000 oC

CaSO4-----------------> CaO +SO3

Экстрих-гипс можно затворить водой, т.к. CaO-катализатор твердения.

Гипсовые вяжущие вещества применяют для приготовлениярастворов и бетонов, сухих шпаклевочных смесей, гипсокартонных игипсоволоконных листов, акустических плиток и т.д.

Воздушная известь.

Воздушная известь — это продукт, получаемый обжигомниже температуры спекания известково-карбонатной пород, мела, кальцита,известняка-ракушечника и т.д.

Классификация воздушной извести:

По внешнему виду: Комовая негашеная Молотая негашеная Известь-пушенка Известковое тесто (известь-пушенка с водой) Известковое молоко В зависимости от содержания CaO известь делится на сорта:

1 сорт- >90%

2 сорт-> 80%

3 сорт- >70%

В зависимости от температуры гашения различают высокоэкзотермическую (температура гашения более 70 оС) и низкоэкзотермическую (температура гашения менее 70 оС) воздушные извести.В зависимости от скорости гашения различают извести: Быстрогасящуюся (время гашения менее 6 минут) Среднегасящуюся (время гашения от 6 минут до 20 минут) Медленногасящуюся (время гашения более 20 минут)

Процесс гашения извести:

1)   CaO + H2O ------> Ca(OH)2+ Q↑

2)   Ca(OH)2 + CO2 ----->CaCO3 + H2O

Производство извести.

Состоит из стадий:

1.   Добыча сырья

2.   Подготовка сырья (дробление, рассев по фракциям)

3.   Обжиг

Применение извести.

1.   Изготовление известковых растворов и бетонов

2.   Изготовление силикатного кирпича и силикатных бетонов

3.   Окрасочный материал (побелка стен, потолков)

Магнезиальные вяжущиевещества.

Сырье- MgCO3 (магнезит), MgCO3*CaCO3

                                               800 oC

1)   MgCO3 ----------> MgO + CO2

2)   MgCO3*CaCO3 ------->MgO + CO2 + CaCO3

   ввиде балласта

Магнезиальные вяжущие вещества затворяют не водой, а растворамимагнезиальных солей.

Применение:

1.   Наливные полы

2.   Стеновые каменные блоки

Кислотоупорный цемент.

Состоит из трех компонентов:

кислотоупорный наполнитель (тонкоизмолотый кварц, гранит) жидкое стекло (натриевое Na2O*nSiO2 или калиевое K2O*mSiO2, где n=2-3, m=1.5-2) интенсификатор твердения (кремнефтористый натрий, 6-8% от массы жидкого стекла)

Гидравлические вяжущие вещества.

Портланд-цемент.

 

Изобретен в 1824 году английским каменщиком.

Портланд-цемент — это гидравлическое вяжущее вещество,получаемое тонким помолом портланд-цементного клинкера с небольшим количествомгипса.

Портланд-цементный клинкер- это зерна серого илизеленого цвета, диаметром от 5 до 30 мм, получаемые обжигом сырьевой смеси,состоящей из известняков и глины (75% CaCO3,25% глины)

Гипс в количестве до 5% добавляют к клинкеру длярегулирования сроков схватывания.

Химический и минералогический состав портланд-цемента:

CaO – 57-63%     известняк

SiO2 – 25-30%      составнаяглины

Al2O3– 4-10%      составная глины

Fe2O3– 4-8%        составная глины

Минералы:

3CaO*SiO2или C3S – алит(45-60%)

2CaO*SiO2или C2S –двукальциевый силикат (белит, 20-30%)

3CaO*Al2O3 или C3A – трехкальциевый силикат (4-10%)

4CaO*Al2O3*Fe2O3или C4AF – 10-20%

/> <td/>

R

 

t

 

C3S

 

C2S

 

C3A

 

C4AF

  />

, где R- прочность, t-время.

Процесс производства портланд-цемента:

Добыча известняка и глины Приготовление сырьевой смеси (дробление, помол, корректировка состава сырья) Обжиг Помол клинкера совместно с гипсом Магазинирование

В зависимости от способа подготовки сырья существует триспособа производства цемента:

Сухой Мокрый Комбинированный

Сухой способ производства портланд-цемента.

Известняк и глина измельчаются при влажности 2-4%.Измельчение проводится в шаровых дробилках (шаровых мельницах).

/>

Мокрый способ.

Известняк и глину измельчают в мокром состоянии при влажности50-60%

Комбинированный способ.

Сырьевые компоненты измельчаются в мокром состоянии, а передобжигом высушиваются.

Обжиг сырьевой смеси.

Осуществляется во вращающихся печах длиной 70-240 метров идиаметром 3-4 метра.

/>

Стадии твердения.

Растворение компонентов цемента в воде Образование пересыщенного раствора или геля Кристаллизация

При твердении цемента образуются:

/>Гидросиликаты Гидроаллюминаты Гидроферриты кальция Гидроксид кальция

Разновидности портланд-цемента.

Быстротвердеющий пртланд-цемент (БТЦ, ОБТЦ)

Отличия от обыкновенного цемента:

/>Повышенное содержание C3S (>60%) Повышенная тонкость помола Повышенная удельная поверхность S=3500 см2/г  (у обыкновенного S=2500 см2/г)

Имеет нормированную прочность натретьи сутки.

Пластифицированный портланд-цемент.

Обладает пониженнойводопотребностью за счет введения небольшого количества (до 3%)пластифицирующих добавок.

Добавки:

·    ССБ- сульфитно-спиртовая барда

·    АДБ- сульфитно-дрожжевая бражка

·    ЛСТ- лигно-сульфанат технический

·    Продукты переработки древесины на ЦБК

Гидрофобный портланд-цемент

Гидрофобные добавки:

·    Асидол

·    Мылонавт

·    Олеиновые кислоты

Томпонажный портланд-цемент

Для гидроизоляции нефтяных игазовых скважин.

Белый и цветные портланд-цементы.

Белый цемент получают путемобжига беложгущихся глин.

Делится на три сорта по белизне:

·    Белый

·    Менее белый

·    Еще менее белый

На основе белых цементов можнополучить цветные путем введения щелочестойких пигментов.

Цветные цементы используются дляизготовления полов.

Пуццолановый портланд-цемент.

Содержит до 60% активныхминеральных добавок (АМД).

Активные минеральные добавкисвязывают гидрат окиси кальция в нерастворимые соединения.

Такой цемент лучше работает подводой, нежели на воздухе.

Шлако-портланд-цемент.

Содержит до 40% тонкомолотогодоменного гранулированного шлака.

Расширяющийся портланд-цемент.Напрягаемый портланд-цемент.Безусадочный портланд-цемент

Коррозия цемента.

В процессе эксплуатации цементныйкамень может достаточно быстро разрушаться под воздействием растворов кислот,солей, агрессивных газов и других активно-влияющих химичесих соединений.

Виды коррозии:

1.    Разрушениепроисходит за счет вымывания составляющих цемента, в основном гидроксидакальция, мягкими водами.

2.    Разрушениецемента под воздействием растворов кислот и солей с образованием легкорастворимых соединений.

3.    Образуютсясоединения, конечный объем которых в несколько раз превышает суммарный объемисходных компонентов.

При коррозии третьего вида надо использовать сульфатостойкийпортланд-цемент.

 

Органические вяжущие вещества.

 

Органические вяжущие вещества — это смесивысокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных.

К органическим вяжущим веществам относятся битумы и дегти.

Битумы бывают природные и искусственные.

Дегти- только искусственные.

Органические вяжущие вещества при нагревании размягчаются,при охлаждении затвердевают.

Для них характерны следующие свойства:

Нерастворимость в воде и водонепроницаемость Атмосферная стойкость. Хорошее сцепление с поверхностью каменных материалов Кислото- и щелочестойкость Растворимость в бензоле, хлорофилле, четырехфтористом углероде.

Химический состав органических вяжущих веществ:

Углерод                                80% Водород               10% Кислород             5% Азот                       3% Сера                      2%

Битумы состоят из следующих групп углеводородов:

/>Масла- это жидкости с высокомолекулярной массой (300-500) Смолы- это вязкие вещества с молекулярной массой 500-1000 Асфальтены- это твердые вещества с молекулярной массой 1000-5000

Структурный состав битумов:

/>

Масла придают битумам текучесть, смолы- вязкость, аасфальтены- твердость и температурную стойкость.

Дегти содержат кроме вышеперечисленных веществ еще фенолы исвободный углерод.

Искусственные битумы получают путем переработки нефти. Взависимости от способа получения искуссвенные битумы бывают:

Остаточные Окисленные Крекинговые Компаундированные

Дегти получают путем деструктивной переработки твердоготоплива, напр., каменного угля, торфа, древесины.

Битумы и дегти подразделяются на марки, которые определяютсяпо следующим свойствам:

Пенетрация Дуктильность Температура размягчения Температура хрупкости (определяется по прибору Фрааса)

Применение битумов:

Примерно 80% органических вяжущих веществ используется в дорожном строительстве (асфальтовые бетоны, асфальтовые раствор) Кровельные материалы (в виде рулонных, листовых материалов и в виде мастик) Стеклорубероид (основой рубероида является стеклоткань, а не картон) Фольгаизол (на фольгу с одной стороны наносят слой битума) Изол, бризол (наполнитель автопокрышки)

Гидроизоляционные материалы.

Служат для изоляции стен, фундаментов, труб.

Выделяют:

Лакокрасочные материалы (черные лаки, краски) Гидроизоляционные материалы для наклейки линолеума, плиток ПВХ.

Бетоны.

Бетон- это искусственный каменный материал, получаемый врезультате твердения рационально подобранной смеси вяжущего вещества, крупного(щебня или гравия), мелкого (песка) наполнителей и воды.

Классификация бетонов.

По средней плотности (γ): Особо тяжелые γ>2500 кг/м3 Тяжелые γ=2200-2500 кг/м3 Облегченные γ=1800-2200 кг/м3 Легкие γ=500-1800 кг/м3 Особо легкие γ<500 кг/м3 По виду вяжущего вещества:

·    Известковые

·    Гипсовые

·    Полимерцементные

·    Полимербетоны (на основе полимерных вяжущих веществ)

·    На основе шлако-щелочных вяжущих веществ

·    Асфальтобетоны (на основе органических вяжущих веществ)

По назначению: Конструкционные (изготовление колонн, балок) Гидротехнические (плотины, мосты, дамбы, набережные) Теплоизоляционные Дорожные (бетоны для полов) Специальные (жаростойкие, кислотостойкие и др.) По виду наполнителя:

·    На плотных наполнителях

·    На пористых наполнителях

Материалы для бетона и требованияк ним.

Цемент.

Для бетонов разрешается применятьпортланд-цемент и все его разновидности с учетом того, что марка цемента должнабыть выше марки бетона

Rб 50 100 150 200 300 400 500 600 Rц 300 300 300-400 400 400-500 500 550 600 Вода.

Для бетонов разрешается применятьпитьевую воду (pH>4). Нельзя применять для бетона:болотные и сточные воды, воды горных рек (содержание солей в воде должно бытьне более 2500 мг/л, содержание сульфатных солей не более 2200 мг/л).

Вода для бетона не должнасодержать в себе масел, сахара, органических примесей, ила и т.д. все этоснижает прочность бетона.

Песок- рыхлая смесь зерен размерами от 0,14 до 5 мм.

Для бетона допускается применениеречных, морских, овражных, дюнных, барханных песков. Содержание пылевидных иглинистых примесей в песке должно быть не более 1%.

Важное значение для бетона имеетзерновой состав песка.

Зерновой состав пескаопределяется путем просеивания через набор сит.

5 100 2,5 100 1,25 100 0,63 100 0,316 100 0,16 50

Просеивают вначале определенныйчастный остаток на сите А.

               

                mi

A=----------------*100%

                mобщ

                100

А2,5=------------*100%=10%

                1000

               

                Полный остаток на сите А=Аi+SА(вышестоящие сита)

                А0,63=10%+40%=50%

                Модуль крупности песка Мк

                А2,5+А1,25+А0,63+А0,316+А0,16

Мк=-------------------------------------------

                                  100

Мк Мк>2.5 Крупный песок 2<Мк<2.5 Песок средней крупности 1.5<Мк<2 Мелкий песок Мк<1.5 Очень мелкий песок

Для бетона высокой прочностидопускается применение только крупных и средних песков.

Кривая просеивания песка

/>

Крупный заполнительный элемент- это рыхлая смесь зерен размерами от 5 до 70 мм (гравий, щебень)

Гравий имеет окатанную формузерна, щебень же- угловатую.

Определение зернового состава длящебня.

70 40 20 10 5

/>

Содержание пыли и глины в щебнеили гравии должно быть не более 2%. Содержание пластинчатых и игольчатых зеренв крупном заполнителе не должно превышать 30%.

Прочность щебня должна быть в 2-4раза выше прочности бетона.

Прочность щебня оценивают попоказателям дробления. Через сито определяют, сколько раздробилось и определяютплотность по показателям дробления.

Свойства бетонной смеси.

·    Смесь компонентов до начала процесса твердения и схватывания

Бетонная смесь-вязко-упруго-пластичное тело.

·    Бетонная смесь обладает тиксотропией- это способность материаларазжижаться при приложении нагрузки и отвердевать при ее снятии.

·    Бетонная смесь должна обладать удобоукладываемостью иводоудерживающей способностью. Удобоукладываемость характеризуется подвижностьюи жесткостью. Подвижность определяется с помощью стандартного конуса.

Если осадка конуса более 10-12см, то смесь литая, от 7 до 10 см- подвижная смесь, от  до 6 см- малоподвижнаясмесь, 0 см- жесткая смесь.

В строительства применяют жесткиесмеси.

·    Водоудерживающая способность- это способность бетонной смеси нерасслаиваться.

Свойства бетона.

·    Прочность- характеризуется маркой бетона или классом.

Марка бетона- это прочностьстандартных образцов размерами 15Х15Х15 см, хранящихся при нормальной температуре (20о) и влажности (90-100%). Определение в возрасте 28суток.

Класс бетона- определяется на техже образцах по пределу прочности.

Прочность бетона зависит от 5факторов.

Факторы, влияющие на прочность бетона.

Качество применяемых материалов Активность цемента Rц Водоцементное отношение В/Ц Степень уплотнения (прессование, вибрирование) Условия твердения (температура и влажность), при понижении температуры в минус твердение не происходит.

Формула Паламея-Семортаева.

Rб28=ARц(Ц/В±0,5)

Rб28 — марочнаяпрочность бетона

А- коэффициент качества заполнения

Rц- активность, марка цемента

Ц/В- цементно-водное отношение

0,5-эмпирический коэффициент