Энергоэффективные материалы ограждающих конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра энергофизики

Реферат

Энергоэффективные материалы ограждающих конструкций

Строительные материалы

студента Марудо Алексея Владимировича

Преподаватель Федотов Александр Кириллович

Минск 2013

Содержание

Введение

• 1. Общие сведения о строительных материалах
• 2. Бетон. Его основные свойства и характеристики

2.1 Строение и химический состав

2.1.1 Цемент

2.1.2 Вода

• 2.1.3 Мелкий заполнитель

2.1.4 Крупный заполнитель

2.1.5 Добавки

2.2 Физические и механические свойства

2.2.1 Деформативные свойства бетона

2.2.2 Упруго-пластичные свойства

2.2.3 Плотность бетона

2.2.4 Проницаемость бетона

2.2.5 Морозостойкость бетона

2.2.6 Теплофизические свойства

2.3 Уход за свежеуложенным бетоном и контроль его качества

• 3. Железобетон. Его основные свойства и характеристики
• 4. Кирпич. Его основные свойства и характеристики

4.1 Состав кирпича

4.2 Физико-механические свойства

4.2.1 Визуальные и геометрические характеристики

4.2.2 Водопоглощение

4.2.3 Морозостойкость

4.2.4 Определение предела прочности при изгибе

4.2.5 Определение предела прочности при сжатии

• 5. Древесина. Основные свойства и характеристики

5.1 Химический состав древесины

5.2 Физические свойства

5.2.1 Внешний вид

5.2.2 Влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением

5.2.3 Теплофизические свойства

5.2.4 Акустические свойства

5.3 Механические свойства

5.3.1 Прочность при сжатии

5.3.2 Деформативность

5.3.3 Эксплуатационные и технологические свойства

Заключение

• Список литературы

Введение

• Всем известно, что материалы для строительства должны обладать высокими конструктивными и эксплуатационными характеристиками, большое значение имеют и теплофизические свойства. Кроме того, не маловажную роль имеет и экономическая сторона вопроса. Мировые цены на энергоносители стремятся вверх, и цивилизованное человечество пытается экономно расходовать энергоресурсы. При такой ситуации ждать в ближайшее время увеличения тепловых мощностей не приходится. Поэтому все актуальнее становится проблема энергосбережения. Уже к концу ХХ в. вопрос экономии энергоресурсов встал перед многими развитыми странами Европы. В Германии в конце 70-х гг. взялись за энергосбережение за счет экономии тепла и электроэнергии в эксплуатируемых зданиях. И без того бережливым немцам удалось уменьшить расходы в этом направлении на треть. В Англии правительству Маргарет Тэтчер, пришедшему к власти в самый канун 80-х гг. после развала экономики лейбористами, удалось вывести страну из кризиса во многом за счет жесткой экономии энергоресурсов. Пришла и наша очередь бороться с потерями энергии. Один из путей -- экономить на отоплении зданий, сберегая тепло. Энерго- и ресурсосбережение -- генеральное направление технической политики в области строительства. В энергосбережении большое значение отводится повышению теплозащиты ограждающих конструкций зданий.
• 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 требуется со знанием дела правильно выбрать материалы, изделия или конструкции, которые обладают достаточной стойкостью, надёжностью и долговечностью для конкретных условий эксплуатации.
• 1. Общие сведения о строительных материалах
• 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. [1].

Основными видами строительных материалов и изделий являются: каменные природные строительные материалы; 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 дорог (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы выдержать нагрузки от транспорта [1].

Классифицируя материалы и изделия, необходимо помнить, что они должны обладать хорошими свойствами и качествами [1].

Свойство -- характеристика материала, проявляющаяся в процессе его обработки, применения или эксплуатации [1].

Качество -- совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением [1].

Свойства строительных материалов и изделий классифицируют на четыре основные группы: физические, механические, химические, технологические [1].

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 [1].

Физические свойства: средняя, насыпная, истинная и относительная плотности; пористость, влажность, влагоотдача, теплопроводность [1].

Механические свойства: пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге; упругость, пластичность, жёсткость, твёрдость [1].

Технологические свойства: удобоукладываемость, теплоустойчивость, плавление, скорость затвердевания и высыхания [1].

2. Бетон. Его основные свойства и характеристики

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 [1].

Рисунок 2.1 -- Основные типы макроструктуры бетона: 1 -- плотная, 2 -- плотная с пористым заполнением, 3 -- ячеистая, 4 -- зернистая; R_б -- средняя прочность структуры, R₁, R₂ -- прочность составляющих бетона

2.1 Строение и химический состав

2.1.1 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 [1].

2.1.2 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 [1].

2.1.3 Мелкий заполнитель

В качестве мелкого заполнителя применяют природный или искусственный песок. Размер зёрен от 0,14 до 5 мм, истинная плотность более 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 a_i. Его находят как отношение массы остатка на данном сите m_i к массе всей навески песка m:

.

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

По результатам просеивания песка определяют его модуль крупности:

,

где А - полные остатки на ситах в %.

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

Путём нанесения кривой просеивания песка на график допускаемого зернового состава определяют пригодность песка для изготовления бетонной смеси [1].

Рисунок 2.2 -- Кривая лабораторного просеивания соответственно для а -- песка и б -- крупного заполнителя

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

,

где с_н.п -- насыпная плотность песка, г/см³, с -- истинная плотность песка, г/см³ [1]. В хороших песках межзерновая пустотность составляет 30…38%, в разнозернистых -- 40…42% [1].

2.1.4 Крупный заполнитель

В качестве крупного заполнителя бетонной смеси применяют природный или искусственный щебень либо гравий с крупностью зёрен от 5 до 70мм [1]. Чтобы обеспечить оптимальный зерновой состав, крупный заполнитель делят на фракции в зависимости от наибольшей крупности зёрен Д_наиб. При Д_наиб =20мм крупный заполнитель имеет две фракции: от 5 до 10 мм и от 10 до 20 мм; При Д_наиб =40мм -- три фракции: от 5 до 10 мм; от 10 до 20 мм и от 20 до 40 мм; При Д_наиб =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 V_п.кр (%), которую определяют с точностью до 0,01% по формуле:

,

где с_н.кр -- средняя насыпная плотность крупного заполнителя, с_к.кус -- средняя плотность крупного заполнителя в куске [1].

Показатель межзерновой пустотности должен быть минимальным. Меньшим его значение можно получить путём подбора оптимального зернового состава крупного заполнителя [1].

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 Д_наиб и минимальной Д_наим крупности [1].

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 [1]. 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 [1].

2.1.5 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 [1].

2.2 Физические и механические свойства

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).

бетон кирпич древесина механический

2.2.1 Деформативные свойства бетона

В процессе изготовления изделий из бетона, в ходе их эксплуатации бетон претерпевает объемные изменения, величина которых зависит от структуры бетона, свойств его составляющих, особенностей технологии и др. Деформации, происходящие при подобных объемных изменениях, учитывают при проектировании конструкций, поскольку они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и железобетонных сооружений.[2]

Условно деформации бетона можно разделить:

-- на собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка) и бетона (усадка и набухание);

-- деформации под действием механических нагрузок (кратковременные и длительные);

-- температурные деформации [2].

Рисунок 2.3-- Зависимость первоначальной усадки от времени, прошедшего с момента укладки бетона литой(1) и подвижной смеси(2)

После укладки бетонной смеси в опалубку и уплотнения в ней может происходить седиментационное осаждение твердых частиц и постепенное дополнительное уплотнение. Наиболее заметно оно в пластичных и литых смесях и сопровождается, иногда заметным даже на глаз, водоотделением смеси [2].

Деформации интенсивно развиваются в первый момент после укладки и уплотнения бетонной смеси и постепенно затухают уже через 30-90 минут (рисунок 2.3) [2].

Водоотделение литых смесей достигает максимума через 10-20 минут, а затем начинается постепенное всасывание воды вглубь бетона вследствие интенсивного протекания процесса контракции цементного теста [2].

Первоначальная усадка уменьшается со снижением водосодержания бетонной смеси и уменьшения расхода цементного теста, при применении тонкомолотых добавок, хорошо удерживающих воду (трепел, диатомит, метиллцеллюлоза), при высоком содержании крупного заполнителя, формующего жесткий скелет в смеси. Однако внутри такого скелета смеси с большим расходом воды в ходе седиментационного процесса увеличивается доля скрытой усадки, протекающей в отдельных микрообъемах и вызывающей расслоение и ухудшение качеств бетонной смеси [2].

При прессовании бетонных смесей в них проявляется упругое последействие. Вследствие этого материал несколько расширяется. Большое влияние на величину сжимаемости оказывает вовлеченный воздух: чем его больше, тем больше сжимаемость [2].

На величину первоначальной усадки могут оказать влияние форма, арматурный каркас и производственные факторы. Густое армирование и узкая форма будут препятствовать появлению первоначальной усадки [2].

Все эти факторы необходимо учитывать при формовании изделий, так как они влияют на окончательные размеры изделия и качество его поверхности [2].

Процесс твердения бетона в атмосферных условиях сопровождается уменьшением его объема -- усадкой. При твердении бетона в воде или во влажных условиях возможно даже незначительное его расширение.[2]

Усадка вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении и изменении его влажности. Она складывается из влажностной, контракционной и карбонизационной деформаций, названных так по виду определяющих факторов [2].

Влажностная усадка вызывается испарением влаги из образовавшегося скелета цементного камня. Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона. Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Эта усадка развивается в период интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой и, сохраняя внешне размеры образца, изменяет поровую структуру материала. Обычно она развивается в период затвердевания бетона, когда он еще достаточно пластичен и поэтому не сопровождается растрескиванием. Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидрооксида кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину [2].

Влажностная и карбонизационная усадки происходят в уже затвердевшем бетоне и могут привести к возникновению трещин в бетоне, что резко сокращает долговечность конструкций [2].

Величина усадки бетона зависит от его состава и свойств использованных материалов. Она увеличивается при повышении содержания цемента и воды, применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых заполнителей [2].

Быстрое высыхание бетона приводит к значительной и неравномерной усадке (более высокой в поверхностных слоях) и может вызвать появление усадочных трещин [2]. Поскольку самым важным компонентом деформации являются влажностные деформации, протекающие при испарении влаги из микрокапилляров, наиболее интенсивно она развивается при влажности окружающей среды W>60 % и через полгода стабилизируется [2].

2.2.2 Упруго-пластичные свойства

Бетон не обладает совершенной упругостью, и полная его деформация в результате приложения к нему внешней нагрузки за некоторое время ее действия складывается из двух слагаемых:

.

На характер нарастания деформаций под действием нагрузки влияют скорость ее приложения, размеры образца, температурно-влажностное состояние бетона и окружающей среды, длительность действия нагрузки и другие факторы (рисунок 2.4) [2].



Рисунок 2.4 -- Зависимость деформации от скорости приложения нагрузки: 1 -- при мгновенном нагружении, 2 -- через 5с, 3 -- через 15с, 4 -- через 30с, 5 -- через 60с

О деформативных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его модулю деформации, т.е. по отношению напряжения к относительной деформации, вызываемой его действием (рисунок 2.5) [3].

Рисунок 2.5 -- Диаграмма деформации бетона: и соответственно пластическая и упругая деформации

Чем выше модуль деформации, тем менее деформативен материал. Поскольку диаграмма сжатия бетона криволинейна, то обычно определяют либо начальный модуль деформации бетона , когда преобладают упругие деформации, либо модуль деформации при определенном значении , так как для расчета железобетонных конструкций важнее зависимость модуля деформаций от прочности бетона, предложен ряд формул для определения средних значений модуля деформаций [2].

Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под нагрузкой имеют величины предельных деформаций, при которых начинается разрушение бетона [2].

Предельная сжимаемость бетона составляет 0,0015-0,003, увеличиваясь при повышении прочности бетона, а предельная растяжимость в 15-20 раз меньше [2].

При длительном воздействии нагрузки модуль деформации бетона уменьшается. Это объясняется тем, что полные деформации бетона растут быстрее, чем напряжения, вследствие накопления деформаций ползучести [2].

Под ползучестью бетона понимают процесс развития деформаций под действием постоянной статической нагрузки. Рост остаточный деформаций бетона под действием постоянной нагрузки продолжается длительное время (рисунок 2.6) [2].

Ползучесть бетона обусловлена ползучестью цементного камня, определяемой его строением (наличием субмикрокристаллов гидросиликатов кальция со сложной структурой кристаллической решетки, удерживающих межплоскостную и пленочную воду). Эта гелевая составляющая обладает свойством вязкого течения под нагрузкой [4]. Затухающий характер ползучести объясняется уменьшением доли геля и увеличением доли кристаллического каркаса, а также увеличением вязкости геля. Конечные деформации ползучести бетона тем меньше, чем меньше расход цемента и водоцементное отношение и чем больше возраст бетона к моменту загружения [2].



Рисунок 2.6 -- Рост деформации ползучести бетона во времени

Для оценки ползучести удобно пользоваться мерой ползучести С, под которой понимается ползучесть бетона при единичной нагрузке:

.

Арматура уменьшает ползучесть железобетона в тем большей степени, чем выше процент армирования.

2.2.3 Плотность бетона

Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и затвердевшего бетона. Бетонная смесь может быть почти совершенно плотной (имеется в виду плотность с учетом содержащейся в смеси воды), если она правильно рассчитана и плотно уложена. Плотность такой смеси довольно точно совпадает с теоретической, рассчитанной по сумме абсолютных объемов материалов, если она не содержит вовлеченного воздуха [2].



Рисунок 2.7 -- Влияние относительной степени уплотнения бетона на его прочность при сжатии

Качество уплотнения бетонной смеси обычно оценивается коэффициентом уплотнения

,

где и действительная и расчетная плотность бетонной смеси.

Обычно стремятся получить , но вследствие воздухововлечения в бетонную смесь при вибрации и других факторах он составляет 0,96-0,98 (рисунок 2.7) [2].

Плотность затвердевшего бетона зависит, главным образом, от плотности заполнителей. Применяя заполнители различной пористости и плотности, можно получать бетоны с плотностью до 2600 кг/м³ [2].

В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии. Остальная (свободная) вода остается в порах или испаряется. Поэтому затвердевший бетон никогда не бывает абсолютно плотным. Пористость, в %, бетона можно определить по формуле

,

где В и Ц -- расходы воды и цемента, -- содержание химически связанной воды, доля от массы цемента, обычно для бетона в возрасте 28 суток, принимаемая равной 0,15 [2].

Относительная плотность бетона может быть повышена тщательным подбором зернового состава заполнителей; применением цементов, присоединяющих при гидратации возможно больше воды (высокопрочный портландцемент, глиноземистый и расширяющийся цементы) или цементов, занимающих больший абсолютный объем (пуццолановый портландцемент); уменьшением водоцементного отношения с использованием пластифицирующих добавок; уплотнением совершенными способами. Относительная плотность бетона является его важнейшим свойством, в значительной мере определяющим его прочность, морозостойкость, непроницаемость и долговечность [2].

2.2.4 Проницаемость бетона

Проницаемость в конечном итоге определяет способность материала сопротивляться воздействию увлажнения и замерзания, влиянию различных атмосферных факторов и агрессивных сред [2].

Проницаемость зависит от общей пористости, структуры пор, свойств вяжущего и заполнителей, вида флюида. Для гидротехнических бетонов наибольшее значение имеет водонепроницаемость [2].

Бетон является капиллярно-пористым материалом, пронизанным сеткой мельчайших пор и капилляров размером до 10^-5 мм, к которым относятся и поры цементного геля, практически непроницаемые для воды. Микропоры и капилляры размером более 10^-5 мм доступны для фильтрации воды, которая происходит вследствие перепада давлений [2]. Объем макропор в бетоне колеблется от 0 до 40 %. Макропористость бетона уменьшается при понижении В/Ц, увеличением степени гидратации цемента, уменьшением воздухововлечения в бетонную смесь, с использованием химических добавок, уплотняющих структуру бетона [5].

Проницаемость бетона можно оценить коэффициентом проницаемости, который измеряется количеством воды В, прошедшей через 1 см² образца в течение 1 часа при постоянном давлении:

,

где А -- площадь образца, t -- время, р₁-р₂ -- градиент давления [2].

Зависимость проницаемости от В/Ц на практике подтверждается достаточно редко, так как при одинаковом В/Ц макропористость зависит от вида и расхода цемента, степени уплотнения и ряда других факторов, которые оказывают заметное влияние на проницаемость бетона [2].

Микрокапилляры за счет связывания в них воды поверхностными силами как бы закупориваются и могут пропускать воду только при большом давлении. Поэтому плотные бетоны обычно не фильтруют воду, и для их оценки используют другое понятие -- марка по водонепроницаемости [2].

Для тяжелых бетонов, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозийной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости. Установлены следующие марки по водонепроницаемости W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18; W20 [2].

Эта характеристика определяется испытаниями и показывает, до какого давления бетон является непроницаемым для воды [2].

При испытании с одной стороны образца, соприкасающегося с водой, создают давление, медленно его повышая. Наблюдая за другой стороной образца, отмечают, при каком давлении на поверхности бетона появляются влажные пятна. Это давление определяет марку бетона по водонепроницаемости [2]. За счет нахождения в макрокапиллярах продуктов гидратации цемента водопроницаемость бетона со временем снижается (рисунок 2.8) [2].

В ряде случаев водопроницаемость (в силу растворения в воде солей, кислот и других веществ) может сопровождаться физико-химическими процессами взаимодействия продуктов гидратации цемента и заполнителей с фильтрующей жидкостью, что приводит к повышению проницаемости бетона (иногда продукты реакции могут снижать проницаемость) [2].

Рисунок 2.8 -- Влияние возраста бетона на его водопроницаемость (за 100% принята водопроницаемость в возрасте 30 сут.)

Введение добавок или специальных веществ при приготовлении бетона является сравнительно простым и достаточно эффективным мероприятием. Проницаемость также существенно может быть уменьшена путем пропитки бетона жидким стеклом, серой и другими веществами, кольматирующими поры и капилляры бетона. Практически непроницаемыми являются полимербетоны [2].

2.2.5 Морозостойкость бетона

Под морозостойкостью бетона понимают способность в насыщенном водой состоянии поддерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание [2]. Основной причиной, вызывающей разрушение бетона, является давление на стенки пор и устья микротрещины, создаваемое замерзающей водой. При замерзании вода увеличивается в объеме на 9 %. Расширению препятствует жесткий каркас бетона, в котором возникают высокие напряжения. Многократно повторяемые замораживания и оттаивания разрушают структуру бетона, постепенно разупрочняют ее, и материал начинает разрушаться [2].

Это явление усиливается гидростатическим давлением воды, еще не успевшей перейти в лед и различием в коэффициентах температурного расширения составляющих бетона [2].

Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря в массе образца менее 5 %, и снижением прочности не превышает 5 %. Это количество циклов и определяет марку бетона по морозостойкости. Для тяжелых бетонов назначают марки по морозостойкости F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000 [2].

Морозостойкость бетона зависит от его строения, особенно от характера пористости, так как объем пор будет определять объем и распределение льда в теле бетона при отрицательных температурах, т.е. интенсивность воздействий на бетон [2].

В микропорах бетона связанная вода не переходит в лед при температурах -70 ^оС и ниже, поэтому и в данном случае микропоры не оказывают влияния на свойства бетона.

Морозостойкость бетона повышается с уменьшением объема макропор за счет снижения В/Ц, применения гидрофобирующих или кольматирующих добавок, создания резервного объема воздушных пор с помощью воздухововлекающих добавок, формулирующих особую структуру пор бетона, незаполняемых водой, но доступных для проникания в них воды под давлением, возникающим при замерзании (рисунок 2.9) [2].



Рисунок 2.9 -- Зависимость морозостойкости бетона от капиллярной пористости П₁

Рисунок 2.10 -- Зависимость морозостойкости М_рз обычного бетона (1) и бетона с вовлеченным воздухом (2) от В/Ц

Для обеспечения повышенной морозостойкости необходимо добиться получения в бетоне такого большого количества мельчайших пузырьков, чтобы расстояние между ними не превышало 0,025 см. Обычно в таком бетоне удельная поверхность пор, характеризующая их размеры, составляет 1000-2000 см²/см³, размеры пор 0,005-0,1 см, а расстояние действительно не превышает 0,025 см (рисунок 2.10) [2].

2.2.6 Теплофизические свойства

Теплофизические свойства материала (теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации) ограждающих конструкций определяют тепловую защиту зданий, поведение конструкций при пожаре и воздействии других факторов [2]. Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Она характеризуется количеством тепла (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м² поверхности при разности температур в 1К в течение 1 с [2].

Коэффициент теплопроводности бетона колеблется в широких пределах от 0,08 до 1,74 Вт/(мЧК) и несколько увеличивается с повышением его температуры. Бетон с очень мелкими закрытыми порами имеет наиболее низкую теплопроводность за счет уменьшения количества тепла, передаваемого излучением и массопереносом в теле бетона. Однако при насыщении пор водой теплопроводность резко возрастает [2].

Теплоёмкостью С называют количество теплоты, необходимое для того чтобы нагреть 1кг материала на 1⁰С. Она характеризует способность материала аккумулировать тепло.

Теплоемкость бетона, используемая в технических расчетах, зависит от его состава, структуры и плотности и может изменяться в пределах 0,75-1,1 кДж/(кгЧК). Вода имеет более высокую теплоемкость 4,19 кДж/(кгЧК), поэтому с повышением содержания воды в бетоне (или его влажности) теплоемкость бетона возрастает [2].

2.3 Уход за свежеуложенным бетоном и контроль его качества

Бетонные смеси приготавливают на стационарных бетонных заводах или в передвижных бетоносмесительных установках. На качество бетонной смеси (однородность) влияет качество её перемешивания в процессе приготовления. Продолжительность перемешивания составляет несколько минут. Допускается повторное перемешивание бетонной смеси в пределах 3…5 часов от момента её приготовления. Важнейшее условие приготовления бетонной смеси -- тщательное дозирование составляющих материалов. Отклонение в дозировке допускается не более ±1% по массе для цемента и воды, и не более ±2% для заполнителей. Приготовленную бетонную смесь доставляют к месту укладки специальными транспортными средствами. Продолжительность транспортировки готовой бетонной смеси к месту укладки не должна превышать 1 час. В настоящее время бетонную смесь укладывают механизировано с помощью бетоноукладчиков, бетонораздатчиков. Уплотнение бетонной смеси во время укладки обеспечивает качественное заполнение смесью всех промежутков [2].

Наиболее распространённый способ уплотнения бетонной смеси -- вибрирование(рисунок 2.11). При вибрировании бетонной смеси уменьшается трение между её составляющими, увеличивается текучесть, смесь переходит в состояние тяжёлой вязкой жидкости и под действием собственного веса уплотняется.

В процессе уплотнения из бетонной смеси удаляется воздух и бетон приобретает хорошую плотность. Чтобы улучшить структурообразовывающие бетона, повысить его прочность, морозостойкость, водонепроницаемость применяют повторное вибрирование бетонной смеси через 1,5-2ч. с момента первого вибрирования [2].

Рисунок 2.11 -- Зависимость прочности бетона R_б от продолжительности вибрирования t

Для получения высококачественного бетона необходим соответствующий уход за свежеуложенным бетоном. Отсутствие ухода за свежеуложенным бетоном может привести к получению низкокачественного бетона. Основные мероприятия по уходу за бетоном -- укрытие хорошо увлажненной мешковиной, песком, опилкой, покрытие плёнкообразующим составом. Укрывать следует не позднее чем через 30 минут после уплотнения бетонной смеси [2].

3. Железобетон. Его основные свойства и характеристики

Железобетон -- строительный композиционный материал, состоящий из бетона и стали [7].

Бетон, как показывают испытания, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению. Бетонная балка (без арматуры), лежащая на двух опорах и подверженная поперечному изгибу, в одной зоне испытывает растяжение, в другой сжатие; такая балка имеет малую несущую способность вследствие слабого сопротивления бетона растяжению. Та же балка, снабженная арматурой, размещенной в растянутой зоне, обладает более высокой несущей способностью, которая значительно выше и может быть до 20 раз больше несущей способности бетонной балки. Железобетонные элементы, работающие на сжатие, например колонны, также армируют стальными стержнями. Поскольку сталь имеет высокое сопротивление растяжению и сжатию, включение ее в бетон в виде арматуры заметно повышает несущую способность сжатого элемента. Совместная работа бетона и стальной арматуры обусловливается выгодным сочетанием физико-механических свойств этих материалов: 1) при твердении бетона между ним и стальной арматурой создают значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах под нагрузкой оба материала деформируются; 2) плотный бетон (с достаточным содержанием цемента) защищает заключенную в нем стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет арматуру от непосредственного действия огня; 3) сталь и бетон обладают близкими по значению температурными коэффициентами линейного расширения, поэтому при измененных температуры в пределах 100 °С в обоих материалах возникают несущественные начальные напряжения; скольжения арматуры в 6етоне не наблюдается. Железобетон получил широкое распространение в строительстве благодаря его положительным свойствам: долговечности, огнестойкости, высокой сопротивляемости нагрузкам, малым эксплуатационным расходам на содержание зданий и сооружений и др. Вследствие почти повсеместного наличия крупных и мелких заполнителей, в больших количествах идущих на приготовление бетона, железобетон доступен к применению практически на всей территории страны. По сравнению с другими строительными материалами железобетон более долговечен. При правильной эксплуатации железобетонные конструкции могут служить неопределенно длительное время без снижения несущей способности, поскольку прочность бетона с течением времени в отличие от прочности других материалов возрастает, а сталь в бетоне защищена от коррозии. Огнестойкость железобетона характеризуется тем, что при пожарах средней интенсивности продолжительностью до нескольких часов железобетонные конструкции, в которых арматура установлена с необходимым защитным слоем бетона, начинают повреждаться с поверхности и снижение несущей способности происходит постепенно. Для железобетонных конструкций, находящихся под нагрузкой, характерно образование трещин в бетоне растянутой зоны. Раскрытие этих трещин при действии эксплуатационных нагрузок во многих конструкциях невелико и не мешает их нормальной эксплуатации. Однако на практике часто, в особенности при применении высокопрочной арматуры, возникает необходимость предотвратить образование трещин или ограничить ширину их раскрытия, тогда бетон заранее, до приложения внешней нагрузки, подвергают интенсивному обжатию -- обычно посредством натяжения арматуры. Такой железобетон называют предварительно напряженным. Относительно высокая масса железобетона -- качество в определенных условиях положительное, но во многих случаях нежелательное. Для уменьшения массы конструкций применяют менее материалоемкие тонкостенные и пустотные конструкции, а также конструкции из бетона с пористым заполнителем [6].

4. Кирпич. Его основные свойства и характеристики

Кирпич -- искусственный камень правильной формы, используемый в качестве строительного материала, произведённый из минеральных материалов, обладающий свойствами камня, прочностью, водостойкостью, морозостойкостью. Наиболее известны три вида кирпича: керамический кирпич -- из обожжённой глины, силикатный, состоящий из песка и извести и гиперпрессованный кирпич [7].

4.1 Состав кирпича

Главным компонентом в составе керамического кирпича является глина. Для придания блоку дополнительных свойств, в глину вводятся определенные добавки, например шамот при изготовлении огнеупорного кирпича. Обычный строительный кирпич практически на 100% состоит из глины. Именно она определяет качество изделия. Глина состоит из чрезвычайно мелких частиц алюмосиликатов, размер которых не превышает 20 мкм, а у основной их части -- 2 мкм. Чем меньше частицы, тем качественнее получается изделие. В состав кирпича обычно входит глина, в структуре которой частицы размером менее 2 мкм составляют 15-50% [7].

Вторым фактором, от которого зависит качество кирпича, является минералогическая однородность глины. Чем равномернее ее состав, тем единообразнее по цвету получаются кирпичи. Данное обстоятельство особенно важно при изготовлении облицовочного кирпича [7].

Силикатный кирпич формуют на специальных прессах из тщательно приготовленной однородной смеси чистого кварцевого песка (92…95%), воздушной извести (5…8%) и воды (7…8%). После прессования кирпич запаривают в автоклавах в среде, насыщенной парами, при 175°С и давлении 0,8МПа. [1].

4.2 Физико-механические свойства

4.2.1 Визуальные и геометрические характеристики

Внешний осмотр полученных изделий позволяет установить качество обжига (недожог, пережог), количество и характер трещин и искривлений, посторонних и крупных включений. Недожжённые изделия отличаются низкой механической прочностью, повышенным водопоглощением, неустойчивы против влияния отрицательной температуры и воды, легко разрушаются от механического и атмосферного воздействия, пережжённые -- искривленными поверхностями и гранями, оплавленными местами и иногда вспученностью [9].

Трещины сверх допускаемых стандартом снижают физико-механические свойства изделия; посторонние и крупные включения, искривления ухудшают их товарный вид, а включения известняка приводят к разрушению обожжённых изделий. Разрушение происходит за счёт увеличения в объёме образовавшегося из СаСО₃ оксида кальция СаО и превращающегося с увеличением в объёме в Са(ОН)₂ при поглощении из воздуха паров воды. Недожог или пережог устанавливают, сравнивая изготовленный кирпич с эталонами нормального обожжённого кирпича [9].

Обмер кирпича и камней выполняют с помощью измерительных инструментов: металлической линейки, штангенциркуля и угольника. Измерения производят с погрешностью до 1 мм. Искривления граней и рёбер определяют, прикладывая рёбра линейки или угольника и замеряя максимальные прогибы и выпуклости. Отбитые углы и рёбра выявляют, устанавливая разность между необходимыми размерами кирпича и целой частью каждого ребра, составляющего угол [9].

Определение средней плотности кирпича и камней сводится к нахождению объёма и массы. Объём вычисляют путём измерения стальной линейкой габаритных размеров с погрешностью до 1 мм. Массу определяют, взвешивая на технических весах образец, предварительно высушенный до постоянной величины, с погрешностью до 1 г. Среднюю плотность пустотелого, пористо-пустотелого кирпича и керамических камней вычисляют по формуле:

с_m=m/V,

где m -- масса образца (изделия), высушенного до постоянной массы, кг; V -- объём образца, м³ [9].

4.2.2 Водопоглощение

Для определения водопоглощения кирпич или камни высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105...110°С . Высушенные образцы взвешивают на технических весах с погрешностью до 1 г и полученную величину записывают в журнал. Эти же образцы укладывают в сосуд с водой температурой 15 ... 20 °С. Образцы располагают в один ряд на подкладки так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов на 2...10 см. В таком положении их выдерживают 48 ч, после чего вынимают, немедленно обтирают влажной мягкой тканью и каждый образец взвешивают. Массу воды, вытекшей из пор на чашку весов, следует включать в массу насыщенного водой образца [9].

Водопоглощение кирпича вычисляют как среднее арифметическое из результатов определения водопоглощения трёх образцов по формуле:

W=[(m₁-m)/m]·100,

где m₁ -- масса, насыщенного водой образца, m -- масса сухого образца [9].

Для ускорения определения водопоглощения керамических материалов допускается насыщать образцы водой в течение 2 ч. Процесс насыщения водой такой же, как при насыщении в течение 48 ч [9].

Водопоглощение образца W, %, по массе в этом случае вычисляют по формуле

W=а[(m₁-m)/m]·100,

где a -- коэффициент, учитывающий кратковременное насыщение [9].

Каждое предприятие устанавливает коэффициент а предварительным сравнительным определением водопоглощения кирпича или камней в течение 2 или 48 ч, а затем оформляет это актом [9].

Водопоглощение и морозостойкость определяют по методике, регламентированной ГОСТ 7025-78 [9].

4.2.3 Морозостойкость

Морозостойкость -- это способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности [9].

По морозостойкости изделия подразделяют на марки F2, F5, F35, F50, F75, F100 [9].

Определение морозостойкости кирпича и камней производят при объёмном либо одностороннем замораживании [9].

Объёмное замораживание изделий выполняют в морозильной камере при температуре -15...-20°С. Продолжительность одного замораживания для кирпича и камней, насыщенных водой, не менее 4 ч, перерыв в процессе одного замораживания не допускается. После окончания замораживания образцы полностью погружают в сосуд с водой температурой 15...20°С [9].

Продолжительность одного оттаивания образцов в воде не менее половины продолжительности замораживания. Цикл одного замораживания и оттаивания не должен превышать 24 ч [9]. Изделие считается выдержавшим испытание на морозостойкость, если после установленного стандартом количества циклов попеременного замораживания и оттаивания ни на одном из пяти образцов не будет обнаружено видимых повреждений (отколов, отслаиваний , шелушений , трещин ) и потеря прочности и массы не превышает требований стандарта [9].

При одностороннем замораживании морозостойкость определяют в теплоизолирующей кассете с уложенными образцами, которую загружают в морозильную камеру. При испытании кирпича продолжительность одного замораживания 8 ч. После цикла замораживания теплоизолирующую кассету с образцами выгружают из морозильной камеры, образцы вынимают из кассеты и оттаивают в воде [9].

В случае оценки морозостойкости по потере прочности на сжатие и потере массы кирпичи, установленные в теплоизолирующей кассете, разрезают на две равные части. Половинки образцов подвергают воздействию отрицательной температуры. Вторые половинки -- контрольные [9].

4.2.4 Определения придела прочности при изгибе

Определение предела прочности при изгибе заключается в испытании целого кирпича, уложенного на двух опорах с расстоянием между ними 200 мм, сосредоточенной нагрузкой, приложенной посередине пролета (рисунок 4.2). Постели кирпича, отобранного для испытания на изгиб, в местах опирания и приложения нагрузки выравнивают слоем цементного или гипсового раствора толщиной не более 3 мм и шириной 25...30 мм. При использовании цементного раствора образцы выдерживают в помещении не менее 3 суток, при использовании гипсового - не менее 2 ч. Допускается вместо цементных или гипсовых полосок выравнивать постели в местах опирания образца на опоры и в месте приложения нагрузки шлифованием [9].

Образцы пустотелого кирпича с несквозными пустотами испытывают, располагая их в растянутой зоне. На боковых гранях образцов, подготовленных к испытанию, отмечают центры опирания образца и приложения нагрузки [9].

Для испытания образцов на изгиб используют гидравлический пресс, позволяющий регистрировать разрушающую нагрузку с погрешностью не более 100 Н, и приспособление для испытаний, состоящее из подвижного и неподвижного опорных катков и катка для передачи нагрузки от пресса на кирпич. Диаметр катков должен быть не более 20 мм, длина катков -- не менее ширины кирпича. Допускаемая погрешность -- до 1 мм. Высоту определяют как среднее арифметическое значение двух измерений боковых граней и ширину как среднее арифметическое значение двух измерений верхней и нижней граней. Для испытаний на изгиб образцы укладывают на опоры. Нагрузку на образец передают непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение не ранее чем через 20 с после начала испытания [9].

Рисунок 4.2 -- Схема испытания кирпича на изгиб: 1 -- верхняя плита пресса, дающая нагрузку, 2 -- опоры, 3 -- кирпич, 4 -- неподвижный каток для передачи нагрузки

Предел прочности при изгибе R_изг, кН/см² (МПа), отдельного образца вычисляют по формуле

,

где l -- расстояние между осями опор в м; b -- ширина образца в м; h -- высота образца по середине пролёта без выравнивающего слоя в м; Р -- разрушающая нагрузка в кН [9].

Предел прочности при изгибе образцов в партии вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний установленного количества образцов. Допускаемая погрешность -- до 0,1 МПа. Если при испытании образцов данной партии в ней окажутся образцы с отклонением от среднего арифметического значения результатов испытаний всех образцов, то образцы с наибольшим отклонением не учитывают и в этом случае средний предел прочности при изгибе образцов данной партии вычисляют как среднее арифметическое значение результатов испытаний без этого образца. Показатель этого образца не является основанием для снижения марки кирпича данной партии [9].

4.2.5 Определения придела прочности при сжатии

Предел прочности при сжатии определяют в такой последовательности: кирпич пластического и полусухого прессования обыкновенный, лицевой, пустотелый толщиной 65 и 88 мм испытывают в образцах, состоящих из двух целых кирпичей, уложенных постелями один на другой. В соответствии с ГОСТ 8462-85 полнотелый кирпич допускается испытывать в образцах, состоящих из двух равных половинок, наложенных постелями одна на другую. Поверхности разреза половинок кирпича должны быть направлены в противоположные стороны [9].

В соответствии с ГОСТ 8462-62 для определения этого показателя кирпичи, отобранные для испытания, распиливают по ширине ножовкой или дисковой пилой на две равные части и погружают в воду не менее чем на 5 минут. Обе половинки накладывают одна на другую поверхностями распила в противоположные стороны. Шов между этими половинками заполняют тестом из портландцемента марки не ниже 400 слоем не более 5 мм [9].

Для соединения и выравнивания поверхностей образцов применяют цементный раствор, состоящий из равных частей портландцемента марки не ниже 400 и песка крупностью не более 1 мм. Водоцементное отношение должно быть в пределах 0,34...0,36. Половинки кирпича накладывают друг на друга на металлической плите, установленной строго горизонтально уровню. Поверхность кирпича предварительно смачивают водой. Цементное тесто кладут на стекло, покрытое смоченной бумагой, с таким расчётом, чтобы толщина слоя не превышала 3-5 мм. Затем одну половинку кирпича укладывают на цементное тесто и слегка прижимают, после чего верхнюю поверхность покрывают тем же тестом и на неё укладывают вторую половинку кирпича, слегка прижимая. Вторую поверхность второй половинки кирпича также покрывают цементным тестом и прижимают стеклом, покрытым смоченной бумагой [9]. Приготовленные таким образом образцы, близкие по форме к кубу, должны иметь поверхности, взаимно параллельные и перпендикулярные боковым граням. Образцы до испытания выдерживают на воздухе в закрытом помещении в течение 3-4 суток при температуре 15±5°С и его относительной влажности 90…95% [9].

Для испытания образцов на сжатие применяют следующую аппаратуру и инструменты: гидравлический пресс, штангенциркуль, измерительную металлическую линейку, поверочную лекальную линейку, щуп для замера зазора. Перед испытанием образцы осматривают и обмеряют. Допускаемые погрешности -- не более 1 мм. Каждый линейный размер образца вычисляют как среднее арифметическое результатов трёх измерений: двух измерений параллельных рёбер, лежащих в плоскости одной грани, и средней прямой, лежащей между этими рёбрами [9]. При испытании образец устанавливают в центр опорной плиты и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей грани образца (рисунок 4.3). Нагрузка на образец при испытании должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20...60 с после начала испытания. Разрушающая нагрузка должна составлять не менее 10% предельно развиваемого прессом усилия. Предел прочности при сжатии R_сж, МПа, отдельного образца вычисляют по формуле

,

где Р -- наибольшая сжимающая нагрузка, установленная при испытании образца; F -- площадь образца, вычисляемая как среднее арифметическое площадей верхней и нижней граней.

Средний предел прочности при сжатии в партии вычисляют как среднее арифметическое значение результатов испытаний. Погрешность 0,1 МПа. В этом случае не учитывают образцы, предел прочности которых более чем на 40% превышает среднее значение предела прочности всех образцов. При вычислении предела прочности образцов из двух кирпичей толщиной 88 мм или из двух их половинок результаты испытаний умножают на коэффициент K=1,2 [9].