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

Конспект лекций по предмету «Строительные материалы» специальности «Мосты и транспортные тоннели»

Основные свойства строительных материалов

Все свойства строительных материалов можно разделить на 4 группы:

1. Физические свойства
2. Механические свойства
3. Химические свойства
4. 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 ρ определяется пикнометрическим способом.

Для жидких материалов ρ определяется при 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=

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

m_нас -m_сух

Вм=---------------------*100%

m_сух

· Водопоглощение по объему:

m_нас -m_сух

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 на морозостойкость не должна превышать 15-20%, потеря массы- 5%

Теплопроводность - это способность материала передавать тепло через свою толщу.

λ- коэффициент теплопроводности, зависит от пористости.

Измеряется в Вт/м * ^о С

λ_{воздуха} =0,002 Вт/м * ^о С

λ_бетона =0,6-0,8 Вт/м * ^о С

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

С- коэффициент теплоемкости

Измеряется в кДж/кг * ^о С

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

Делятся на 3 группы:

· Огнеупорные материалы, выдерживают температуру свыше 1580 ^о С

· Тугоплавкие материалы, выдерживают температуру от 1350 ^о С до 1580 ^о С

· Легкоплавкие материалы, выдерживают температуру до 1350 ^о С

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 пределами прочности (R)

Измеряются в Мпа, кгс/см²

P

Rсж=-------

F

, где P- разрушающая нагрузка, F- площадь

3Pl

Rизг=---------

2bh²

Упругость - это способность материала восстанавливать свою форму и размеры после снятия нагрузки.

Пластичность - это способность материала изменять свою форму после снятия нагрузки

Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого материала.

Для каменных материалов твердость определяется по шкале Мосса (определение производится путем нанесения царапины любым каменным материалом на определяемом материале, при отсутствии царапины испытуемый материал тверже). Шкала состоит из 10 наименований твердых каменных материалов. Самый твердый материал в шкале- алмаз, самых мягкий- тальк.

Для металлов твердость определяется путем вдавливания стального шарика в металл (твердость по Брюнелю )

Истираемость

Измеряется в г/см²

Хрупкость - определяется с помощью хопров.

Коэффициенты:

ККК - коэффициент конструктивного качества

R_{сух сж}

ККК=-------------

γ

Км - коэффициент морозостойкости

Во

Км=-----------

П

Если Км>0.85, значит, материал морозостойкий

Кразм - коэффициент размягчения

Rнас

Кразм=----------

Rсух

Химические свойства:

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

Технологические свойства:

Характеризуют способность материала обрабатываться.

Горные породы.

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

Минерал- это природное тело с определенными химическими и физическими свойствами.

Классификация горных пород:

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

Обломочные магматические породы образуются при извержении вулканов и быстрого охлаждения. Имеют пористую структуру. Небольшая плотность и прочность.

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

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

Механические осадочные горные породы образуются в результате выветривания.

Метаморфические горные породы образуются из магматических и осадочных горных пород в процессе их перекристаллизации без плавления.

Минеральные вяжущие вещества (неорганические).

Минеральные вяжущие вещества - это тонко измельченные порошки, которые при затворении с водой образуют пластичное тесто, а со временем переходят в камневидное состояние.

Классификация минеральных вяжущих веществ.

Воздушные вяжущие вещества.

Способны твердеть, набирать и сохранять свою прочность только на воздухе.

Гидравлические вяжущие вещества.

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

Автоклавного твердения вяжущие вещества.

Это вяжущие вещества, которые переходят в твердое состояние и 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 ^o C

CaSO₄ *2H₂ O-----------------> CaSO₄ *0.5H₂ O + 1.5H₂ O

Вяжущее вещество

Высокообжиговые.

Ангидритовое вяжущее вещество, экстрих-гипс.

800 ^o C

CaSO₄ *2H₂ O-----------------> CaSO₄ + 2H₂ O

Ангидритовое вяжущее вещество.

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

Марки: М-50, М-100, М-150, М-200.

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

Экстрих -гипс .

>1000 ^o C

CaSO₄ -----------------> CaO + SO₃

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

Гипсовые вяжущие вещества применяют для приготовления растворов и бетонов, сухих шпаклевочных смесей, гипсокартонных и гипсоволоконных листов, акустических плиток и т.д.

Воздушная известь.

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

Классификация воздушной извести:

1. 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 ^о С) и низкоэкзотермическую (температура гашения менее 70 ^о С) воздушные извести.

1. 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 + H₂ O ------> Ca(OH)₂ + Q↑

2) Ca(OH)₂ + CO₂ -----> CaCO₃ + H₂ O

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 вяжущие вещества.

Сырье- MgCO₃ (магнезит), MgCO₃ *CaCO₃

800 ^o C

1) MgCO₃ ----------> MgO + CO₂

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

в виде балласта

Магнезиальные вяжущие вещества затворяют не водой , а растворами магнезиальных соле й.

Применение:

1. Наливные полы

2. Стеновые каменные блоки

Кислотоупорный цемент.

Состоит из трех компонентов:

1. кислотоупорный наполнитель (тонкоизмолотый кварц, гранит)
2. жидкое стекло (натриевое Na₂ O*nSiO₂ или калиевое K₂ O*mSiO₂ , где n=2-3, m=1.5-2)
3. 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 количеством гипса.

Портланд-цементный клинкер- это зерна серого или зеленого 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 для регулирования сроков схватывания.

Химический и минералогический состав портланд-цемента:

CaO – 57-63% известняк

SiO₂ – 25-30% составная глины

Al₂ O₃ – 4-10% составная глины

Fe₂ O₃ – 4-8% составная глины

Минералы:

3CaO*SiO₂ или C₃ S – алит (45-60%)

2CaO*SiO₂ или C₂ S – двукальциевый силикат (белит, 20-30%)

3CaO*Al₂ O₃ или C₃ A – трехкальциевый силикат (4-10%)

4CaO*Al₂ O3*Fe₂ O₃ или C4AF – 10-20%

,где R- прочность, t- время.

Процесс производства портланд-цемента:

1. Добыча известняка и глины
2. Приготовление сырьевой смеси (дробление, помол, корректировка состава сырья)
3. Обжиг
4. Помол клинкера совместно с гипсом
5. Магазинирование

В зависимости от способа подготовки сырья существует три способа производства цемента:

1. Сухой
2. Мокрый
3. 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 влажности 50-60%

Комбинированный способ.

Сырьевые компоненты измельчаются в мокром состоянии, а перед обжигом высушиваются.

Обжиг сырьевой смеси.

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

Стадии твердения.

1. Растворение компонентов цемента в воде
2. Образование пересыщенного раствора или геля
3. Кристаллизация

При твердении цемента образуются:

1. Гидросиликаты
2. Гидроаллюминаты
3. Гидроферриты кальция
4. Гидроксид кальция

Разновидности портланд-цемента.

Быстротвердеющий пртланд-цемент (БТЦ, ОБТЦ)

Отличия от обыкновенного цемента:

1. Повышенное содержание C₃ S (>60%)
2. Повышенная тонкость помола
3. Повышенная удельная поверхность S=3500 см² /г (у обыкновенного S=2500 см² /г)

Имеет нормированную прочность на третьи сутки.

Пластифицированный портланд-цемент.

Обладает пониженной водопотребностью 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 и газовых скважин.

Белый и цветные портланд-цементы.

Белый цемент получают путем обжига беложгущихся глин.

Делится на три сорта по белизне:

· Белый

· Менее белый

· Еще менее белый

На основе белых цементов можно получить цветные путем введения щелочестойких пигментов.

Цветные цементы используются для изготовления полов.

Пуццолановый портланд-цемент.

Содержит до 60% активных минеральных добавок (АМД).

Активные минеральные добавки связывают гидрат окиси кальция в нерастворимые соединения.

Такой цемент лучше работает под водой, нежели на воздухе.

Шлако-портланд-цемент.

Содержит до 40% тонкомолотого доменного гранулированного шлака.

Расширяющийся портланд-цемент.

Напрягаемый портланд-цемент.

Безусадочный портланд-цемент

Коррозия цемента.

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

Виды коррозии:

1. Разрушение происходит за счет вымывания составляющих цемента, в основном гидроксида кальция, мягкими водами.

2. Разрушение цемента под воздействием растворов кислот и солей с образованием легко растворимых соединений.

3. Образуются соединения, конечный объем которых в несколько раз превышает суммарный объем исходных компонентов.

При коррозии третьего вида надо использовать сульфатостойкий портланд-цемент.

Органические вяжущие вещества.

Органические вяжущие вещества - это смеси высокомолекулярных 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, а асфальтены- твердость и температурную стойкость.

Дегти содержат кроме вышеперечисленных веществ еще фенолы и свободный углерод.

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

• Остаточные
• Окисленные
• Крекинговые
• Компаундированные

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

Битумы и дегти подразделяются на марки, которые определяются по 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 в результате твердения рационально подобранной смеси вяжущего вещества, крупного (щебня или гравия), мелкого (песка) наполнителей и воды.

Классификация бетонов.

1. 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)

1. 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 требования к ним.

Цемент.

Для бетонов разрешается применять портланд-цемент и все его разновидности с учетом того, что марка цемента должна быть выше марки бетона

Вода.

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

Вода для бетона не должна содержать в себе масел, сахара, органических примесей, ила и т.д. все это снижает прочность бетона.

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

Для бетона допускается применение речных, морских, овражных, дюнных, барханных песков. Содержание пылевидных и глинистых примесей в песке должно быть не более 1%.

Важное значение для бетона имеет зерновой состав песка.

Зерновой состав песка определяется путем просеивания через набор сит.

Просеивают вначале определенный частный остаток на сите А.

m_i

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

m_общ

100

А_2,5 =------------*100%=10%

1000

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

А_0,63 =10%+40%=50%

Модуль крупности песка Мк

А_2,5 +А_1,25 +А_0,63 +А_0,316 +А_0,16

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

100

Для бетона высокой прочности допускается 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 форму зерна, щебень же- угловатую.

Определение зернового состава для щебня.

Содержание пыли и глины в щебне или гравии должно быть не более 2%. Содержание пластинчатых и игольчатых зерен в крупном заполнителе не должно превышать 30%.

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

Прочность щебня оценивают по показателям дробления. Через сито определяют, сколько раздробилось и определяют плотность 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 материала разжижаться при приложении нагрузки и отвердевать при ее снятии.

· Бетонная смесь должна обладать удобоукладываемостью и водоудерживающей способностью. Удобоукладываемость характеризуется подвижностью и жесткостью. Подвижность определяется с помощью стандартного конуса.

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

В строительства применяют жесткие смеси.

· Водоудерживающая способность- это способность бетонной смеси не расслаиваться.

Свойства бетона.

· Прочность- характеризуется маркой бетона или классом.

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

Класс бетона- определяется на тех же образцах по пределу прочности.

Прочность бетона зависит от 5 факторов.

Факторы, влияющие на прочность бетона.

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

Формула Паламея-Семортаева.

R_б ²⁸ =ARц(Ц/В±0,5)

R_б ²⁸ - марочная прочность бетона

А- коэффициент качества заполнения

Rц- активность, марка цемента

Ц/В- цементно-водное отношение

0,5-эмпирический коэффициент