1. Строение и свойства материалов

20.01.2025 | Категория: Материаловедение

Материаловедение. Общие сведения. Обучение на строительную профессию.

Для бетонщика, монтажника железобетонных конструкций, арматурщика, строительных профессий.

1. Строение твердого тела

В зависимости от давления, и температуры вещество может находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Строительные материалы в процессе строительства находятся в твердом или реже в жидком состоянии, а во время эксплуатации — в твердом состоянии. Поэтому свойства строительных материалов в большинстве случаев изучают в их твердом состоянии. Оно характеризуется фиксированным положением мельчайших составляющих (атомов, молекул, ионов) элемента или вещества в пространстве. Расстояние между двумя соседними атомами в твердом теле остается неизменным.

По взаимному расположению атомов твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные.

Кристаллическими называются тела, в которых атомы или молекулы расположены в правильном геометрическом порядке. Минимальное количество атомов, которое при многократном повторении позволяет получить в пространстве подобную кристаллическую решетку, называется элементарной кристаллической ячейкой (рис. 3.)

Существует 6 видов простых кристаллических решеток (рис. 3, а). Кроме того, известны плотно упакованные (рис. 3, б, в, г), из которых состоят все металлы.

Каждому элементу и веществу соответствует определенная кристаллическая решетка со своими параметрами, т. е. расстояниями между центрами соседних атомов и узлами кристаллической решетки. Так, железо и алюминий имеют сложную кубическую кристаллическую решетку. Некоторые элементы и вещества могут при изменении температуры изменять кристаллическую решетку, например железо. Существование одного элемента в нескольких кристаллических формах называется аллотропией, а существование соединений в нескольких кристаллических формах — полиморфизмом.

Аморфным и называются тела, в которых атомы расположены не в геометрической последовательности, беспорядочно. Такие строительные материалы как битум, стекло относятся к аморфным телам.

2. Физические свойства материалов

К физическим свойствам относят характеристики физического состояния материалов (плотность, показатели плотности п пористости, влажность) и отношение материала к различным физическим процессам (поглощению воды при погружении в нее материала, поглощению влаги из воздуха, фильтрации воды, передаче тепла и т. д.).

Плотность материала характеризуется количеством его массы в единице объема. Плотность р вычисляют по формуле:

Плотность одного и того же пористого материала увеличивается с повышением влажности материала.

Поэтому стандартами устанавливают, в каком состоянии необходимо определять плотность материала. Так, плотность бетонов (ГОСТ 12730) вычисляют в состоянии естественной влажности или воздушно-сухом. Плотность природных каменных материалов (ГОСТ 8269 и 8735) и ячеистых (ГОСТ 12852) бетонов определяют на образцах материала, высушенного до постоянной массы.

Многие строительные материалы применяют в виде зерновой смеси. Плотность такой смеси называют насыпной. Она характеризуется величиной массы материала, заполняющей единицу объема.

Насыпную плотность ρн вычисляют по той же формуле, что и плотность сплошных материалов и деталей. Насыпная плотность возрастает с увеличением степени уплотнения материала. Поэтому для каждого сыпучего материала стандарты предусматривают степень его уплотнения прн определении насыпной плотности, а также объем мерного сосуда, применяемого при испытаниях.

В табл. 1 приведены плотности некоторых строительных материалов, применяемых при сооружении конструкций из бетона и железобетона.

Плотности некоторых строительных материалов.

Свойства строительных материалов во многом зависят от показателя плотности. Для материала одного и того же состава с увеличением показателя плотности увеличиваются прочность, теплопроводность, водонепроницаемость.

У всех абсолютно плотных материалов — стали, высокосортного стекла, битума, пластических масс (кроме пенопласта и поропластов) показатель плотности равен единице.

Материалы, у которых показатель плотности меньше единицы, называют пористыми.

Пористость — степень заполнения объема материала порами. Поры разделяют на открытые и замкнутые (рис. 4.) Отношение объема всех пор к объему материала называют обшей пористостью, которая характеризуется показателем общей пористости, определяемым по формуле

Открытой пористостью называется отношение объема пор, сообщающихся с атмосферой, ко всему объему материала. Открытую пористость определяют экспериментальным путем. Для этого заполняют поры, сообщающиеся с атмосферой, какой-либо жидкостью (водой, керосином) и по объему заполнившей поры жидкости судят об объеме открытых пор. Заполнить весь объем открытых пор жидкостью практически невозможно. Поэтому экспериментально определенная открытая пористость является величиной условной и соответствие ее фактической зависит от метода испытаний.

Для определения открытой пористости строительных материалов их высушивают до постоянной массы, насыщают жидкостью, чаще всего водой, и взвешивают. Разность масс сухого и водонасыщенного материала дает массу воды, заполнившей поры материала. Так как масса 1 м3 воды составляет 1000 кг, то величину массы воды, заполнившей поры, принимают за объем открытых пор.

Показатель открытой пористости Пот определяют по формуле

Открытые поры оказывают большое влияние на свойства материалов. Материал со структурой, представленной на рис. 4, а, водонепроницаемый. Материал со структурой, представленной на рис. 4, б, тем более водопроницаем, чем больше в нем пор, сообщающихся с атмосферой и между собой.

Влажностью называется отношение массы содержащейся в материале воды к массе сухого материала или к его объему в естественном состоянии, выраженное в процентах.

Влажность материала оказывает влияние на их свойства. Так, материал с заполненными водой порами обладает более низкой прочностью, чем сухой материал. При повышении влажности снижаются теплозащитные свойства материалов.

Водопоглощением называется способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду.

Различают массовое и объемное водопоглощение. Массовое водопоглощение Wm определяют отношением массы поглощенной воды при погружении в нее материала к массе сухого материала и вычисляют по формуле

Чем меньше диаметры пор и капилляров в материале, тем при более низкой влажности воздуха они способны конденсировать влагу. Гигроскопичность — процесс обратимый. При понижении влажности и повышении температуры воздуха материалы отдают воду.

Водопроницаемостью называется способность материала пропускать через себя воду под давлением. Только абсолютно плотные материалы являются водонепроницаемыми Вода фильтруется через материал по порам, сообщающимся между собой и поверхностью материала. Фильтрация идет тем медленнее, чем меньше открытая пористость материала и чем меньше диаметр пор. Водопроницаемость определяется количеством воды, проходящей через единицу площади материала в единицу времени при разности давлений в 1 кгс/см2 на поверхностях, расстояние между которыми равно единице длины.

В строительстве применяют материалы, не являющиеся абсолютно водонепроницаемыми и в то же время обеспечивающие определенные условия эксплуатации. Эти материалы не должны пропускать воду под определенным давлением в течение установленного ГОСТом времени. Поэтому для строительных материалов устанавливают марки по их водонепроницаемости, характеризуемые условными величинами, получаемыми экспериментальным путем.

При цикличном замораживании и оттаивании увеличивается количество поглощенной материалом воды и он постепенно разрушается. Чтобы разрушить материал в конструкции или образцах, при испытаниях на морозостойкость требуется от десятков до сотен циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Под воздействием низких температур материал разрушается тем быстрее, чем больше его открытая пористость, водопоглощение и ниже прочность. На морозостойкость материала большое влияние оказывают размеры пор. Чем меньше диаметр капилляров, тем ниже температура, при которой замораживается заполнившая его вода. Установлено, что в тончайших капиллярах вода не замерзает при температуре до —78° С. Для большинства строительных материалов замерзание основного объема поглощенной ими воды происходит при температуре минус 15—18° С. Поэтому строительные материалы испытывают на морозостойкость путем попеременного замораживания водонасыщенных образцов на воздухе при температуре —15° С и оттаивания в воде при температуре 18° С.

Образцы замораживают в специальных камерах. Время замораживания и оттаивания зависит от материала и размеров образца. Одно замораживание и оттаивание принимается за один цикл испытания. Число циклов испытаний регламентируется СНиПом или ГОСТом в зависимости от назначения сооружения, климатического пояса, где оно расположено, и условий эксплуатации. Критерием оценки морозостойкости бетона (ГОСТ 4800 и 10060) служит изменение прочности и массы при испытаниях.

Теплопроводностью называется способность материала проводить тепло через свою толщу. Степень теплопроводности материала характеризуется коэффициентом теплопроводности λ (греческая буква лямбда).

Коэффициент теплопроводности показывает количество тепла в ккал, которое проходит в течение 1 ч через материал толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур на двух его противоположных поверхностях в 1 °С. Размерность коэффициента теплопроводности — ккал/м*град*ч.

Коэффициент теплопроводности зависит от ряда факторов и в первую очередь от атомно-молекулярного строения вещества. Так, как для различных абсолютно плотных материалов λ равняется: у меди — 300; стали—50; мрамора — 3,00; льда — 2,00; воды — 0,5 ккал/м-град-ч.

Коэффициент теплопроводности материала уменьшается с уменьшением объемной массы (т. е. с увеличением пористости). Так, для тяжелого бетона λ = 1,10 ккал/м-град-ч; для легких бетонов с пористым заполнителем 0,25—0,6 ккал/м • град • ч; для пено- и газобетона 0,15—0,35 ккал/м-град-ч.

Снижение коэффициента теплопроводности материала объясняется тем, что λ воздуха, заполняющего поры, незначительная — порядка 0,025—0,03 ккал/м-град-ч. Чем больше таких малотеплопроводных включений, тем теплопроводность материала (бетона) меньше.

Для одного и того же пористого материала коэффициент теплопроводности повышается с увеличением влажности материала. Это вызвано тем, что при заполнении пор водой теплопередача увеличивается примерно в 20 раз, так как коэффициент теплопроводности воды равен 0,5 ккал/м*град*ч.

Особенно сильно снижаются теплозащитные свойства материала при замерзании воды в порах, так как в .этом случае при коэффициенте теплопроводности льда, равном 2,0 ккал/м*град*ч, теплопередача через поры увеличивается в 80 раз.

Теплоемкостью называется способность материала поглощать определенное количество тепла при нагревании и отдавать его при охлаждении. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость материала с, определяющая количество тепла в ккал, которое необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг материала на 1 °С. Размерность удельной теплоемкости — ккал/кг• град.

Коэффициент удельной теплоемкости различных видов бетона колеблется незначительно — от 0,18 до 0,22 ккал/кг*град. С увеличением влажности материала увеличивается удельная теплоемкость материала, так как по сравнению с материалами, применяемыми в строительстве, вода обладает большей удельной теплоемкостью— 1 ккал/кг*град. Из строительных материалов наименьшей удельной теплоемкостью обладает асбест — 0,05 ккал/кг*град, наибольшей — древесина 0,6 ккал/кг*град. У стали с = 0,115 ккал/кг*град.

Тепловое расширение твердых тел характеризуется коэффициентами линейного α и объемного β расширения.

Газопроницаемостью или воздухопроницаемостью называется способность материала пропускать газ (воздух) от поверхности с большим давлением к поверхности с меньшим давлением.

Воздухопроницаемость различных материалов характеризуется коэффициентом воздухопроницаемости и, определяемым опытным путем. Коэффициент воздухопроницаемости зависит от открытой пористости материала: чем больше пористость, тем выше воздухопроницаемость. С увеличением влажности материала коэффициент воздухопроницаемости снижается.

Разность давлении воздуха возникает в результате многих причин. Например, в жилых домах разность давлений возникает из-за неодинаковой плотности нагретого (внутри помещения) воздуха и холодного (на улице), а также в результате действия ветра. В последнем случае с наветренной стороны будет создаваться давление, с подветренной — разрежение.

Акустические свойства строительных материалов характеризуются звукопоглощением и звукопроницаемостью. Звукопоглощение — способность материала поглощать звук. Степень поглощения звука различными материалами характеризуется коэффициентом звукопоглощения α.

Звукопоглощение материалов зависит от их структуры. Материалы с сообщающимися открытыми порами лучше поглощают звук, чем материалы с замкнутыми порами. Для увеличения звукопоглощения в материале делают ряд мелких отверстий (перфорацию).

Звукопроницаемость — способность материала пропускать звуковую волну. Звукопроницаемость оценивают коэффициентом звукопроницаемости, величина которого характеризует относительное уменьшение силы звука при прохождении его через материал. Наилучшим звукоизолирующими свойствами обладают многослойные изделия и конструктивные детали с чередующимися слоями пористых и плотных материалов.

Огнестойкостью называется способность материала сохранять определенное время прочность и форму под воздействием огня. Снижение прочности, потеря формы пли разрушение могут происходить в результате химического разложения материала под действием высокой температуры, плавления материала, неодинаковых коэффициентов линейного расширения составляющих материала и т. д.

Примером химического разложения может служить разложение известняка, мрамора, доломита под действием высокой температуры. Алюминиевые конструкции под действием температуры свыше 600 °С плавятся.

По возгораемости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Трудносгораемые под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются, тлеют пли обугливаются. После удаления источника огня горение и тление прекращаются. Сгораемые под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

Огнеупорность — способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не изменяя формы и требуемых свойств.

Материалы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию выполненных из них конструкций при температурах выше 200 °С, называются жаростойкими. Они подразделяются на жароупорные, эксплуатируемые при температуре до 1580 °С, и огнеупорные, эксплуатируемые при температуре выше 1580 °С.

Последние согласно ГОСТ 4385 делятся на огнеупорные (температура плавления 1580—1770°), высокоогнеупорные (температура плавления 1770—2000°) и высшей огнеупорности (температура плавления выше 2000° С).

Огнеупорность материалов определяется путем нагрева образцов испытываемого материала в виде трехгранной пирамидки. За температуру огнеупорности принимается та температура, при которой вершина пирамидки вследствие размягчения и оплавления материала коснулась пода печи, в которой пирамидка нагревалась.

Термическая стойкость материала характеризуется способностью материала выдерживать резкое изменение температуры, не разрушаясь при этом. Термическая стойкость материалов зависит главным образом от величины коэффициента линейного расширения. Чем выше величина этого коэффициента, тем менее термически стоек материал. Так, изделия из плавленого кварца вследствие малого коэффициента линейного расширения (равного 0,0000005) можно нагреть до 1200°С, а затем быстро опустить в холодную воду, и они при этом не потрескаются.

При одинаковом коэффициенте линейного расширения термическая стойкость повышается у материалов с более высокой пористостью.

Температура плавления и отвердевания чистых металлов имеет одну постоянную величину. Так, температура плавления и отвердевания ртути равна —39 °С, олова + 232 °С, свинца +327 °С, алюминия +658 °С, меди +1083 °С, железа +1539 °С, вольфрама +3370 °С.

Одной постоянной температурой плавления и отвердевания характеризуется также ряд кристаллических веществ и элементов неметаллов. Так, температура плавления и отвердевания гелия минус 272 °С, воды 0 °С, углерода +3800 °С.

Переход из твердого состояния в жидкое и наоборот протекает во времени. За весь период перехода температура остается постоянной, равной температуре плавления.

Металлические сплавы плавятся в интервале температур — от начала плавления до температуры конца плавления. Значение этих температур зависит от количественного соотношения между составляющими сплава. За температуру плавления сплавов принимается температура начала плавления. Так, сталь, содержащая 0.5% углерода. имеет температуру плавления ≈ + 1450 °С. содержащая 2,14% углерода — температуру плавления ≈ + 1147°С.

Электропроводность материалов оценивается по величине их электрического сопротивления и электрической приводимости. Электрическое сопротивление проводника пе зависит от величины напряжения в сети. Это свойство выражается законом Ома

Электрическое сопротивление материала, из которого изготовлен проводник, оценивается величиной удельного электрического сопротивления. Эта величина характеризует сопротивление в ОМах проводника из данного материала длиной 1 м с площадью поперечного сечения в 1 мм2.

Из материалов наименьшим удельным электрическим сопротивлением обладает серебро — р=0,016 Ом*мм2/м, незначительно больше удельное электросопротивление у меди — р = 0,017 Ом*мм2/м, у алюминия и железа, применяемых в электросварочном оборудовании, удельное электросопротивление соответственно равно 0,028 и 0,098 Ом*мм2/м.

2 Удельная электрическая проводимость в СИ имеет размерность сименс на метр (См/м). Один См/м больше гл/См-мм2 в 1 000 000 раз.

Влияние оказывают примеси в металлах, а также деформирование металла в холодном состоянии (наклеп). Наибольшей удельной проводимостью обладают чистые металлы. Примеси, так же как и наклеп, снижают электропроводность.

Магнитные свойства материалов характеризуются величинами магнитной проницаемости, остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы.

Магнитная проницаемость показывает способность материала к намагничиванию. Величина магнитной проницаемости, изменяется в зависимости от напряженности магнитного поля, в которое помещен материал.

Остаточная магнитная индукция показывает величину индукции материала после полного его насыщения путем повышения напряженности магнитного поля и последующего размагничивания путем снижения напряженности магнитного поля до нуля. Остаточная индукция выражается в гауссах (гс).

Магнитомягкие сплавы применяют в трансформаторах (в том числе и сварочных), электрических машинах, электромагнитах. Магнитомягкпми материалами являются чистое железо, карбонильное железо, сплав железа с кремнием, содержание которого достигает 4%.

3. Механические свойства материалов

Механическими свойствами называют способность материала сопротивляться изменению формы и разрушению от действующих нагрузок.

Нагрузки, действующие на строительные конструкции, делятся на статические и динамические.

Статические нагрузки не вызывают в конструкции значительных инерционных сил. Примером статической нагрузки может служить воздействие спета на фермы крыши.

Динамические нагрузки характеризуются быстрым, зачастую мгновенным, возрастанием их до конечной величины. При этом возникают инерционные силы, которые оказывают дополнительное воздействие на конструкцию. Примером динамической нагрузки может служить воздействие поезда на балки моста.

Механические свойства характеризуются деформатнзностью, прочностью, твердостью, истираемостью, размягчаемостью и т. д.

Деформативностью называют способность тела изменять форму и объем при действии на него нагрузки. Она характеризуется величинами абсолютной А/ и относительной е деформаций.

Абсолютная деформация выражается в линейных единицах и показывает, насколько изменились размеры тела в процессе его нагружения.

Относительной деформацией ε называют отношение абсолютной деформации Δl к начальному размеру конструкций или испытываемого образца l. ε = (Δl/l)*100%

В зависимости от вида изменения формы тела различают деформации сжатия, растяжения, изгиба, сдвига, кручения и т. д. В бетонных и железобетонных конструкциях от воздействия эксплуатационных и монтажных нагрузок наиболее часто возникают деформации сжатия, растяжения, изгиба.

Деформации разделяют на упругие и пластичные. Упругие деформации исчезают после снятия нагрузки, пластичные остаются. Пластичные деформации называют также остаточными.

Характеристикой деформативности материалов служат величины относительных остаточных деформаций в момент разрушения.

Так, в характеристики механических свойств арматурных сталей входит величина остаточного относительного удлинения после разрушения, обозначаемая δ.

В зависимости от величины остаточной деформации, накопленной к моменту разрушения, материалы делят на хрупкие и пластичные.

Хрупкие материалы к моменту разрушения не накапливают значительных остаточных деформаций, пластичные материалы — наоборот.

К хрупким материалам относятся природные каменные материалы, чугун, высокоуглеродистые стали, к пластичным— малоуглеродистые (мягкие) стали, алюминий, медь.

Прочностные характеристики материалов установлены для статических и для динамических нагрузок. Прочность при статическом нагружении характеризуется величинами напряжений в материале при резких изменениях его состояния в процессе нагружения (нарушении упругих свойств, резком возрастании деформаций, разрушении).

Напряжением называют величину внутреннего усилия в теле, возникшего под действием внешних нагрузок и приходящегося на единицу площади сечения тела. Величины напряжений, соответствующие резким изменениям состояния тела, называют пределами прочности, текучести. Для определения их величин из материалов изготовляют образцы, конфигурация и размеры которых установлены ГОСТом. На рис. 7 приведены образцы для определения прочности бетона по ГОСТ 10180 и 4800. Образцы нагружают с определенной скоростью на гидравлических или механических испытательных прессах, изгибающих пли разрывных машинах.

Так, при испытании арматурной стали эта скорость установлена ГОСТ 12004 не более 1 кгс/мм2. В процессе испытаний фиксируются нагрузки и соответствующие нм относительные деформации.

График зависимости между деформациями и напряжениями в материале при нагружении образцов. Такие графики называют диаграммами деформации при растяжении пли сжатии.

На рис. 10 приведены диаграммы деформаций растяжения для пластичного и хрупкого материала.

На диаграмме деформаций при растяжении пластичных материалов (рис. 10, а) выделяют характерные точки, которые показывают резкие изменения, происходящие в материале при нагружении, которые служат характеристиками прочностных свойств.

Предел упругости σу (точка а) — максимальное напряжение, после снятия которого в материале не наблюдается остаточных деформаций. Предел упругости практически для арматурных сталей совпадает с пределен пропорциональности σп, участок диаграммы от точки 0 до точки а представляет собой прямую линию, т. е. деформации растут прямо пропорционально напряжениям.

Предел текучести σт (точка б)—напряжение, при котором материал деформируется без увеличения нагрузки. Материал как бы течет. Текучесть материала после достижения деформацией какой-го определенной величины прекращается.

Предел прочности σв (точка в) — максимальное напряжение, при котором еще не происходит разрешения материала. Пределы прочности пластичных материалов при сжатии и растяжении практически одинаковы. Для металлов предел прочности называют также временным сопротивлением разрыву и выражают в кгс/мм2.

Хрупкие материалы испытывают на сжатие, реже па растяжение и изгиб. Механические свойства хрупких материалов характеризуются пределом прочности. Величина предела прочности при сжатии у хрупких материалов в несколько раз больше предела прочности при растяжении и изгибе этих же материалов. Характеристикой механических свойств углеродистых сталей, применяемых для изготовления арматуры железобетонных конструкций, является, кроме предела прочности при растяжении, еще предел текучести. Как видно из рис. 10, б, у хрупких материалов нет площадки текучести. Поэтому предел текучести в этом случае является условной величиной. Так, за условный предел текучести высокоуглеродистой проволоки принимают такое напряжение, при котором остаточное удлинение равно 0,2%.

В конструкциях можно допустить напряжение от воздействия эксплуатационных нагрузок и собственной массы сооружения, составляющее лишь часть от предела прочности или предела текучести материала.

Величина допускаемых напряжений зависит от материала, условий эксплуатации конструкций, эксплуатационных требований к конструкциям и т. д. Это обусловлено следующими причинами.

В процессе изготовления арматурных изделий проволока претерпевает ряд изгибов и перегибов в различных плоскостях (при наматывании ее в бухту, разматывании, выпрямлении, анкеровке).

Проволоку испытывают, перегибая ее последовательно на 180° п фиксируя, на каком из них (по счету) произойдет излом.

Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Твердость пластичных материалов определяют, вдавливая в них под действием постоянной силы шарик определенных размеров из более твердого металла, алмазный конус, алмазную пирамиду или алмазную призму.

Определение твердости по методу Бринелля заключается в следующем. В поверхность образца металла вдавливают прессом шарик диаметром 2,5; 5 или 10 мм из стали, упрочненной термической обработкой. Величина нагрузки н время ее приложения установлены ГОСТ 9012. После снятия нагрузки замеряют диаметр отпечатка и вычисляют его площадь.

Отношение приложенной к шарику нагрузки в кгc к площади отпечатка в см2 называется числом твердости по Бринеллю и обозначается НВ.

Число твердости по Бринеллю: для олова — 5; алюминия— 20; железа — 80, стали марки СтЗ — 125; углеродистой стали с содержанием углерода 0,8% —160; вольфрама — 290.

Истираемость материалов (тяжелого бетона, естественных каменных материалов, клинкерного кирпича) проверяют в тех случаях, когда конструкции в процессе эксплуатации подвержены истиранию, например, автодорожные и аэродромные покрытия, гидротехнические сооружения, тротуары, полы, лестничные марши и площадки.

Истираемость бетона (ГОСТ 13087) определяют на образцах с ребром 7,07 см или цилиндрах высотой и диаметром 7,07 см. Образец замеряют, взвешивают и устанавливают на чугунный круг с равномерно насыпанным на него абразивным порошком. Нагружают образец из расчета 0,6 кгс/см2 и приводят круг во вращение. Через каждые 110 оборотов образец поворачивают на 90°. После 440 оборотов образец вновь замеряют и взвешивают. По потере массы и уменьшению высоты образца судят о сопротивляемости бетона истиранию.

Размягчаемость (водостойкость) — степень снижения прочности влажного материала по отношению к сухому.

При поглощении материалом воды прочность его снижается за счет следующих факторов: растворения твердых веществ, входящих в его состав; набухания глинистых минералов, если они входят в состав материала; растворения менее стойкого к действию воды вещества в местах срастания отдельных кристаллов; расклинивающего действия слоя воды, прилегающего к поверхностям материала.

Для многих строительных материалов — бетона, естественных каменных материалов, если их эксплуатация протекает в водонасыщенном состоянии, характеристики механических свойств устанавливают испытаниями материалов в водонасыщенном состоянии.

4. Химические свойства материалов

Химические свойства материалов характеризуются способностью материала к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми данный материал находится в соприкосновении, или при изменении физических условий состояния материала (температуры, солнечной радиации и т. д.).

Химические превращения строительных материалов протекают при технологическом процессе строительства, при эксплуатации построенного сооружения. Так, в состав бетонных смесей входят вода и вяжущие вещества. В результате их химического взаимодействия и последующих физико-химических процессов образуется искусственный каменный материал — бетон. При взаимодействии воды, содержащей соли серной кислоты (сульфаты), с бетоном, приготовленным на портландцементе, бетон разрушается.

В результате солнечной радиации происходят химические превращения в битумах и дегтях, снижающие их технологические свойства. К химическим свойствам материалов, применяемых для изготовления бетона и железобетона, в первую очередь относятся растворимость, кристаллизация, выделение и поглощение тепла при химических реакциях, коррозионная стойкость.

Растворимость — способность материала образовывать с жидкостью однородную систему, имеющую во всей массе одинаковый химический состав и физические свойства.

Различные материалы обладают различной растворимостью. Так, в одном литре воды при температуре 18° С может раствориться 2 г природного гипса CaSО4*2H2О, 10 г строительного гипса CaSO4-0,5H2O, 1,3 г гидрата окиси кальция Са(ОН)2. С изменением температуры изменяется растворимость веществ.

Кристаллизация — свойство вещества (материала) образовывать кристаллы при переходе из одного физического состояния (жидкого) в другое (твердое).

Выделение и поглощение тепла — свойство материала, проявляющееся при протекании химических реакций. Реакции, сопровождающиеся выделением тепла, называются экзотермическими, поглощением — эндотермическими. Количество выделяющегося или поглощаемого тепла выражается числом калорий, выделившихся пли поглощенных в результате реакции 1 г вещества. При длительно протекающих реакциях определяют количество выделившегося или поглощенного тепла за определенный отрезок времени.

Так, за 28 суток твердения в результате протекающих реакций с водой 1 г глиноземистого цемента выделяет до 120 кал тепла, 1 г портландцемента — до 90 кал.

Коррозионная стойкость — свойство материала не разрушаться под воздействием агрессивных сред.

Агрессивной средой называется контактирующая среда, при взаимодействии с веществами которой изменяются свойства материала, что приводит к снижению его прочности и преждевременному разрушению конструкции.

Агрессивная среда может быть газообразной, жидкой и твердой. Основными средами, в которых развивается коррозия строительных материалов, являются водная и воздушная. Так, при омывании бетона на портландцементе водой, содержащей сульфаты или свободную кислоту, бетон разрушается. Воздух, содержащий влагу и особенно сернистый газ SО2, вызывает коррозию (ржавление) металла и т. д.

Металлы и сплавы корродируют при воздействии сред, не проводящих электрический ток, например, газов при высоких температурах, нефти и нефтепродуктов, а также при воздействии сред, проводящих электроток, водных растворов солей, кислот, щелочей. Первый вид коррозии металлов называется химической, второй, наиболее часто встречаемый у металлов строительных конструкций, электрохимической.

Степень коррозионной стойкости материала характеризуется скоростью коррозии при действии агрессивной среды. Один и тот же вид агрессивной среды по-разному действует на различные материалы. Так, грунтовые воды, содержащие соли сульфатов, вызывают коррозию бетона на портландцементе и в то же время не являются агрессивными по отношению к бетону на глиноземистом цементе, а также к битумам. Растворы щелочей слабой концентрации не агрессивны к углеродистым сталям и в то же время вызывают коррозию алюминия. Поэтому необходимо руководствоваться строительными нормами СНиП II-28 по определению агрессивности среды для различных материалов, а также по антикоррозионной защите строительных конструкций.