Група 31 27.10 Урок 3-4  з предмету матеріалознавство

Тема 2.: Основні властивості будівельних матеріалів

Тема уроку 3,4.: Фізичні властивості будівельних матеріалів. Механічні властивості будівельних матеріалів

Мета: вивчення цієї теми дозволить Вам знати:

   •  поняття про тверде тіло і колоїдно-дисперсні системи

      • характеристику фізичних властивостей матеріалів;

     • характеристику механічних властивостей матеріалів;

Поняття про тверде тіло і колоїдно-дисперсні системи

Тверде тіло — це характеристика фізичного стану речовини.

Розглянемо основні властивості твердих тіл.

1.     Тверде тіло має визначену форму.

2.     Тверді тіла бувають кристалічними та аморфними.

3.     У кристалічних тілах взаємне розташування утворюючих їх часток (атомів, молекул, іонів) — упорядковане, а в аморфних тілах — хаотичне.

4.   Кристалічні речовини мають певну температуру плавлення й отвердіння.

5.     Аморфні речовини не мають чітко визначеної температури плавлення й отвердіння — вони поступово розм'якшуються і переходять у рідкий стан.

У малярних роботах використовують тверді сипучі й комові матеріали.

Сипучі (пігменти, сухі фарби, пісок, цементи та ін.).

Комові (каолін, крейда, шпаклівки, замазки).

Дуже часто маляр у своїй роботі крім рідких і твердих матеріалів застосовує колоїдно-дисперсні системи, розчини, суміші, сполуки.

Дисперсні системи — утворення з 2-х і більшої кількості фаз. Одна з фаз - дисперсна — розподіляється в іншій фазі - дисперсному середовищі.

Дисперсна фаза — дрібні частки (кристалики, краплі, пузирі).

Дисперсне середовище - газ, рідина, тверде тіло.

Дисперсні системи характеризуються дисперсністю, тобто розміри твердих часток і крапель рідини виміряються у мікронах (мкр). Чим дрібніші частки, тим більша дисперсність.

У малярних роботах використовують такі дисперсні системи, як суспензії, емульсії, колоїди, власне розчини.

Суспензія — система, де частки твердої дисперсної фази зважені в рідкому дисперсному середовищі (готові фарби, шпаклівки, підмазочні пасти тощо).

Емульсія складається з 2-х нерозчинних одна в одній рідин (вода—оліфа), одна з яких (дисперсна фаза) розподілена в іншій (дисперсному середовищі).

 Колоїди — проміжні системи між власне розчинами і грубо-дисперсними системами; бувають рідкими — золі - й твердими, драглистими — гелі.

Золі — тваринні клеї, білок, крохмаль, мило — колоїди, які за тривалої взаємодії з водою утворили колоїдні розчини.

Гелі — тваринні клеї типу галерта.

Власне розчин — дисперсна однорідна система, яка складається з 2 і більше компонентів. Власне розчинами вважають розчини мідного купоросу, галуну, каустичної соди, кислоти, спирту, барвників.

Тестове завдання

1. У якому фізичному стані знаходяться речовини, застосовувані в малярних роботах:

а)   твердому;

б)   рідкому;

в)   газоподібному;

г)   плазменному?

2. У чому відмінність кристалічних речовин від аморфних:

      а)мають упорядковане взаємне розташування утворюючих часток;

б) мають хаотичне розташування часток;

в)  температура плавлення дорівнює  температурі тверднення;

г) немає чітко визначеної температури плавлення?

3. Що таке дисперсність:

а) вага часток;

б) розміри часток;

в) обсяг часток?

4. Що таке дисперсна фаза:

а) кристали;

б) газ;

в) краплі?

5.  У яких одиницях вимірюється дисперсність:

а) у міліметрах (мм);

б) у мікронах (мкр);

в) у міліграмах (млг)?

6. Як називають рідкі колоїди:

а) золі;

б)  гелі;

        в)   розчини?

     7. Що таке емульсія:

а)  система, в якій частки твердої фази зважені в рідкому середовищі;

б)  система, що складається з 2-х рідин, нерозчинних одна в одній;

в)  система, що складається з часток твердої фази, розчинених у рідкому середовищі?

Фізичні властивості будівельних матеріалів

Фізичні властивості характеризують фізичний стан матеріалу, а також його спроможність реагувати на зовнішні чинники, які не впливають на хімічний склад матеріалу.

Фізичні властивості умовно поділяють на якісні (міцність, колір тощо) та кількісні (маса, густина тощо).

Розрізняють такі фізичні властивості будівельних матеріалів: густина; шпаристість; водопроникність; водостійкість; водовбирність; гігроскопічність; морозостійкість; вологість; теплопровідність; теплоємність; звукопоглинання; звукопроникність.

Густина матеріалу або речовини — це маса одиниці його об'єму. Залежно від того, чи береться до розрахунку тільки об'єм речовини або весь об'єм матеріалу разом зі шпарами та пустотами, розрізняють справжню та середню густину.

Справжня густина р — це маса одиниці об'єму матеріалу, коли до розрахунку береться тільки об'єм твердої речовини (без шпар та пустот); її обчислюють у г/м³; кг/м³; т/м³ за формулою:

р = т/V _тв.

де: т — постійна маса матеріалу, г, кг, т; V _тв. — об'єм твердої речовини без шпар та пустот, см³, м³.

Середня густина (об'ємна вага) — відношення маси матеріалу до його об'єму в природному стані (разом зі шпарами і пустотами).

Середню густину р_т у г/см³; кг/м³; т/м³ обчислюють за формулою:

р   = т/V

      де: т — маса матеріалу у сухому стані, г (кг, т); V — об'єм матеріалу в природному стані, м³.

Середню густину матеріалів необхідно знати для розрахунку їхньої шпаристості, теплопровідності та теплоємності, для розрахунку міцності конструкцій (враховуючи власну масу) та розрахунку вартості перевезення матеріалів. Для кожного матеріалу

стандарти встановлюють вологість, за якої визначають середню густину. Для сипких матеріалів (цемент, пісок, гравій, щебінь) визначають насипну густину: до об'єму матеріалів входять не лише шпари у самому матеріалі, але й пустоти між часточками матеріалу.

Для прикладу в табл. 1 наведені показники густини різних будівельних матеріалів.

 Таблиця 1

Матеріал	Густина кг/м3
	справжня	середня
1.   Вапно 2.   Портландцемент 3.   Пісок 4.   Плитка керамічна 5.   Пінопласт 6.   Вода (+4°С) 7.   Конопляна оліфа 8.   Скипидар	3100-3200 3000-3200 2500-2700 2500 950-1200         1000         930         870	1600-2900  1000-1800  1400-1800  1400-1700  20-100          1000          930          870

Шпаристість — ступінь заповнення об'єму матеріалу шпарами. Шпари — це комірки в матеріалі, заповнені парою або водою; пустоти — це заповнений повітрям простір між частками матеріалів. Шпаристість розраховують за формулою:

Ш_п = [(р-р_m)/р_m]х100%,

          де: Ш_п - шпаристість матеріалу, %; р - справжня густина, кг/м³; р_т — середня густина, кг/м³.

Шпаристість будівельних матеріалів коливається від 0 (скло, сталь) до 98 % (міпора). Шпаристість визначає такі властивості матеріалів, як міцність, теплопровідність, морозостійкість, водовбирність тощо. Чим менша шпаристість матеріалу, тим більші міцність, морозостійкість, теплопровідність і менша водопроникність.

Шпари в будівельних матеріалах бувають:

• відкриті, тобто з'єднані між собою;

     • закриті, не сполучені між собою та з поверхнею.
Водовбирність — властивість матеріалів вбирати та утримувати у своїх шпарах вологу — залежить від шпаристості матеріалу та характеризується кількістю води, яку може поглинути абсолютно сухий матеріал. Водовбирність може бути визначена відносно маси сухого матеріалу:

•  щодо маси W_ш;

•  щодо природного об'єму матеріалу — W_о.

Розраховують водовбирність за формулами (%):

W_m = [(m₂ - m₁)/ m₁ ] х   ₁₀₀ %;

W_о = [(m₂ - m₁)/ V ] х  ₁₀₀ %;

де: т₁ — маса сухого матеріалу, г;

т₂ — маса насиченого водою матеріалу, г;

V — об'єм сухого матеріалу, см³.

Поділивши  W_о на W_m  маємо:

W_о /W_m = р_m

Вологість — величина, яка вказує кількість води в матеріалі на даний момент по відношенню до його сухої маси, тобто насиченість сухого матеріалу водою. Вологість позначається у відсотках і може змінюватися від 0 (абсолютно сухий матеріал) до значення повного водовбирання.

Гігроскопічність — здатність матеріалу поглинати водяну пару з повітря. Вона залежить від хімічного складу матеріалу та його шпаристості. До гігроскопічних матеріалів належать деревина та гіпс.

Гігроскопічність матеріалів можна зменшити, якщо покрити поверхню матеріалу гідрофобними (водовідштовхувальними) речовинами. Наприклад, деревину лакують або фарбують. Під час зберігання шпаристі будівельні матеріали захищають від зволоження.

Водопроникність — властивість матеріалу пропускати крізь себе воду під тиском. Ступінь водопроникності залежить  від будови і пористості матеріалу. Чим більше в матеріалі незамкнених пор і пустот, тим більша його водопроникність. Водопроникність характеризуються кількістю води, яка пройшла крізь 1 см² матеріалу за 1 годину під постійним тиском при певній товщині зразка. Для зменшення водопроникності матеріалів їхні поверхні фарбують сумішами.

Морозостійкість - властивість матеріалу в насиченому водою стані витримувати багаторазове заморожування та відтавання без появи ознак руйнування.

Вода в шпарах матеріалу при замерзанні збільшується в об'ємі майже на 10 %. У результаті стінки деяких шпар руйнуються та за повторного зволоження вода глибше проникає в матеріал. Такі циклічні повторення заморожування та відтавання поступово руйнують матеріал.

Морозостійкість матеріалу залежить від його шпаристості та водовбирності. Густі матеріали (шпаристість 0 %), а також матеріали із закритими шпарами, тобто з невеликою водовбирністю, мають високу морозостійкість. Матеріали з відкритими

шпарами — низьку морозостійкість. Морозостійкість матеріалу характеризується кількістю циклів заморожування (за і;⁰ не вище —17°С) і відтавання у воді, які він витримує без зниження міцності й втрати маси до показників, зазначених у стандарті на відповідний матеріал.

     Теплоємність – властивість матеріалу поглинати при нагріванні і віддавати при охолодженні певну кількість тепла. Показники теплоємності є питома теплоємність, яка дорівнює кількості тепла, потрібної для нагрівання 1 кг матеріалу на один градус.

Теплове розширення — здатність матеріалу розширюватись при нагріванні. Його характеризують коефіцієнтом лінійного розширення (С⁰)^-1 , що показує, на яку частку початкової довжини розширюється матеріал при підвищенні температури на 1⁰ С. Для сталі – (11-11,9)х10^-6 , для бетону – (10-14)х10^-6 , для деревини – (3-5)х10^-6 .

Теплопровідність – здатність матеріалу передавати через свою товщу тепловий потік, який виникає внаслідок різниці температур на протилежних поверхнях. Залежить від будови, пористості і характеру пор, від вологості і температури, при якій відбувається передача тепла.

Повітря-газо-паропроникність – властивість матеріалу пропускати через свою товщу відповідно повітря, газ і пару. Залежать від будови матеріалу і дефектів його структури.

Звукопровідність — акустична властивість матеріалу, пов'язана із взаємодією матеріалу і звуку.

Звукопоглинання – здатність матеріалу поглинати звукові хвилі, що падають на нього. Оцінюється коефіцієнтом звукопоглинання, який набуває значень від 0 до 1.Звук, або звукові хвилі — це механічні коливання, що поширюються в твердих, рідких та газоподібних середовищах. У будівельній справі необхідно враховувати, якою мірою матеріал поглинає і відбиває звукову хвилю, тобто звукопоглинання.

Звукопровідність залежить від маси матеріалу та його будови. Матеріал тим менше проводить звук, чим більшою є його маса. Якщо маса матеріалу значна, то енергії звукових коливань не вистачає, щоб проникнути через нього.

Щоб проникнути через матеріал, звук повинен передати йому свою енергію, тобто змусити матеріал до коливання. Погано проводять звук шпаристі та волокнисті матеріали, тому що звукова енергія поглинається і розсіюється поверхнею матеріалу, перетворюючись на теплову енергію.

Звукопоглинання залежить від характеру поверхні матеріалу. Матеріали з гладкою поверхнею відбивають більшу частину звукових хвиль (ефект дзеркала), тому в приміщеннях з гладкими стінами звук, багаторазово відбитий від них, утворює постійний шум, стіни зі шпаристою поверхнею поглинають звук.

Вогнестійкість – здатність матеріалу витримувати без руйнування дію високих температур, полум’я і води в умовах пожежі. За вогнестійкістю розрізняють: вогнетривкі, важко спалимі і спалимі матеріали.

Тест

1.   За якою формулою обчислюється істинна густина?

а)   р  = т/ V;

б) р = m/V_тв.;

в)   Ш_п = [(р - р_т/)р] х 100?

2.   Чи залежать фізичні властивості матеріалу від хімічного складу?

3.   Чи залежить істинна густина від шпар і порожнин речовин?

4.   Які властивості матеріалів визначає шпаристість:

а) міцність, теплопровідність;

б) морозостійкість;

в) водопоглинання?

5.  Чи потрібно знати середню густина матеріалу для розрахунку шпаристості, теплопровідності?

6.  Чи залежить середня густина від вологості матеріалу?

7.  Чи залежить гігроскопічність матеріалів від хімічного складу, шпаристості?

8.  Чи бувають у будівельних матеріалах відкриті шпари?

9. Що називається вологістю матеріалів;

а) величина, що показує, скільки води на даний момент знаходиться в матеріалі стосовно його сухої маси;

б) здатність матеріалу вбирати й утримувати у своїх шпарах вологу;

в) маса насиченого водою матеріалу?

10.   Чим менше шпаристість матеріалу, тим більше водопроникність?

11.   Чи може бути визначено водовбирність щодо природного об'єму матеріалу?

12.   Чи залежить морозостійкість від шпаристості й водовбирності?

13.   Чи мають матеріали з відкритою шпаристістю високу морозостійкість?

14. Чи залежить теплопровідність від хімічного і молекулярного складу речовини?

 Механічні властивості будівельних матеріалів

Механічні властивості характеризують здатність матеріалу чинити опір дії зовнішніх механічних сил, що спричинюють у ньому стискування, вигин, сколення, зріз, крутіння, стирання.

Основні механічні властивості будівельних матеріалів: міцність, деформативність (пружність, пластичність), твердість, стійкість проти спрацювання.

Міцність — властивість матеріалу в певних умовах і межах сприймати навантаження чи інші дії, які викликають у ньому внутрішні напруження, без руйнування. Якщо до будь-якого зразка матеріалу застосувати зовнішню силу Р, наприклад, розтягальну, то її дія рівномірно розподілиться на всі ділянки матеріалу. Матеріал перебуває в напруженому стані. Напруження викликає зміни відстаней між частинками матеріалу, і він починає деформуватися (розтягуватися) (рис. 53).

 Для визначення механічного напруження а, тобто внутрішніх сил, які припадають на одиницю площі поперечного перетину матеріалу, спочатку знаходять поперечний перетин зразка (а—а).

Щоб утворені половинки зразка (І і II) залишилися врівноваженими, зовнішній силі Р має протидіяти така сама внутрішня сила — σ; тобто F = σS, де: S— площа поперечного перетину зразка матеріалу, м². Звідси:

σ = F /S

Якщо зовнішня сила збільшується, напруження в матеріалі також зростає і може перевищити силу зчеплення частинок, тобто матеріал зруйнується.

Міцність матеріалу характеризується значенням межі міцності R — напруженням у випробуваному зразку матеріалу на момент його руйнування.

Залежно від характеру застосованої зовнішньої сили F і виду напружень, що виникають, розрізняють міцність на стискування, розтягування, вигину, згину.

Межу міцності (R) матеріалу визначають на зразках, форму і розміри яких визначають відповідні стандарти. Так, для оцінки міцності на стискування затверділого розчину як зразки взято куби з ребром 150 мм.

Межа міцності бетону за стискування (R_ст) звичайно становить 5—50 МПа. Щоб зруйнувати зразок розміром 150x150x150 мм з і R_ст = 10 МПа, треба застосувати силу  F = R_ст S_р = 10 х 10⁶(0,015 х 0,015) = 225 кН. Тому для випробування матеріалу застосовують спеціальні машини, гідравлічні преси, спроможні розвивати силу від 106 Н.

Руйнівне зусилля  F  дорівнює значенню зафіксованого тиску на площині поршня преса.

Межі міцності розраховуються за відповідними формулами.

Межа міцності при стискуванні розраховується за формулою:

R_ст = F_р/S

де: S — площа поперечного перетину зразка, м².

Формули визначення меж міцності при розтягуванні, вигині, сколюванні мають інший вигляд.

Міцність за стискування, розтягування, вигину в одного й того самого матеріалу дуже відрізняється. У кам'яних матеріалів міцність на стискування у 5—15 разів вища, ніж за вигину і розтягування. У деревини міцність за вигину вища, ніж за стискування (у 1,5—2 рази).

Міцність деревини на стискування вздовж волокон наближається до міцності бетону. А за вигину міцність бетону майже у десять разів менша, ніж у деревини.

Пружність і пластичність. Якщо взяти дві кульки, гумову і глиняну, і почати їх стискувати, то обидві вони під дією застосованої сили деформуються. З припиненням дії сили гумова кулька відновлює свою форму, а глиняна залишається деформованою.

Матеріали, які, подібно до гумової кульки, відновлюють свою форму після припинення навантаження, називаються пружними. Матеріали, які, подібно до глини, зберігають деформації після припинення навантаження, називають пластичними.

Відповідно, оборотні деформації називають пружними, а необоротні — пластичними. До пружних матеріалів належать гума, деревина. До пластичних — бітуми, певні види пластмас, свинець, глиняне тісто.

Крихкість — властивість матеріалу швидко руйнуватися під дією зовнішніх сил без попередніх деформацій. До крихких матеріалів відносять природні камені, керамічні матеріали, скло, чавун, бетон тощо.

Твердість — здатність матеріалів чинити опір проникненню в них інших матеріалів. Найпростіше визначити твердість за шкалою твердості. До цієї шкали входять 10 мінералів, розташованих за зростаючою твердістю, починаючи від тальку (твердість 1) і завершуючи алмазом (твердість 10). Твердість досліджуваного матеріалу визначають, послідовно дряпаючи його матеріалами (мінералами), які входять до шкали твердості.

Висока міцність матеріалу не завжди свідчить про його твердість. Деревина за міцністю під час стискування дорівнює бетону, а за вигину й розтягування перевищує його, але значно поступається бетону в твердості.

Знос – здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією одночасної дії стирання та ударів.

Стиранність — це властивість матеріалу зменшуватись за масою і об’ємом при спільній дії абразивного матеріалу та стиральних зусиль.. Залежить від твердості матеріалу і характеризується зменшенням маси на одиницю площі зразка, що стирається. Показник стиральності має вирішальне значення під час підбору матеріалів для підлог, дорожніх покриттів, тощо.

Тест

1. Яка сила має протидіяти зовнішній силі, щоб можливо було визначити напруження σ:

а) поперечна;

б) рівнодіюча внутрішня;

в) поздовжня?

2.   Чим характеризується межа міцності R:

а) деформацією;

б) напругою на момент руйнування;

в) силою?

3.   Чи зруйнується матеріал, якщо зчеплення між його частками порушиться?

4.  Чи може висока міцність свідчити про високу твердість матеріалу?

5.    Чи можна віднести до пружних матеріалів цеглу?

6.    Чи можна віднести до пластичних матеріалів розчинну суміш?

7.    Деревина по твердості перевищує метали?

8.    Затверділий цементний розчин міцніший на вигин чи на стискування?

9.  В яких випадках потрібно враховувати зносостійкість матеріалів:

а) при виборі стінових матеріалів;

б) при виборі покриття підлоги;

в) при виборі покриття даху?