Материалы, предназначенные для устройства несущих конструкций, должны обладать каким-то запасом долговечности. Вообще, долговечность - это свойство конструкции, а не материала. Но для материалов тоже есть критерии оценки применимости для устройства ответственных зданий с большим расчетным сроком службы.

Для определения долговечности металлических конструкций применяют понятие коррозионной стойкости. Для металлов предусматривают способы защиты от коррозии: покрытия, легирование, защитные слои бетона вокруг арматурных стержней. Для полимеров иногда нормируют стойкость к деполимеризации и охрупчиванию. Однако полимеры в качестве элементов несущих конструкций почти не применяются, поэтому их долговечность на безопасную эксплуатацию влияет мало. Для каменных конструкций в качестве критерия долговечности используют марку по морозостойкости материала наружного слоя кладки.

Основной механизм старения камней - исчерпание ресурса морозостойкости внешними слоями кладки, подвергающимися воздействию дождей и мороза. Нормируется морозостойкость материала наружных 12 см однослойной каменной кладки или морозостойкость наружного слоя слоистой стены, а также морозостойкость материала верхней части каменных фундаментов - на всю толщину кладки (требования изложены в СП 15.13330.2012 «Каменные и армокаменные конструкции»).

Если каменная конструкция спроектирована правильно - с учетом недопустимости влагонакопления в толще стены в отопительный период - то морозостойкость слоев, не подвергающихся прямому воздействию осадков, становится не важным фактором.

Нормируется морозостойкость через марку по морозостойкости. Для стен жилых и офисных зданий с расчетным сроком эксплуатации 100 лет и более, морозостойкость камня должна быть не ниже марки F35. Для зданий, которые строятся на побережье Северного Ледовитого океана - не ниже F50. Для тонких каменных облицовок требования жестче - F75.

Что такое марка по морозостойкости? Это количество лабораторных циклов замораживания водонасыщенного материала до температуры –18 °С с последующим оттаиванием без высушивания, при котором не происходит снижения эксплуатационных свойств материала. Критерии проверки качества циклически промороженных материалов отличаются. У бетонов проверяется потеря прочности (должна быть не более 15%). У кирпича проверяется сохранение внешнего вида.

Для оценки применимости материалов и долговечности конструкций из них следует понимать, что численное значение марки никак не связано с ожидаемым количеством лет безаварийной эксплуатации. Просто в первой половине ХХ века, когда разрабатывали методы оценки применимости камней для кладки ответственных конструкций, определили опытным путем, что камни, в лаборатории показывающие 35 циклов, в натурных условиях европейской части России обеспечивают более ста лет неизменности свойств наружных стен.

Для примера возьмем знакомые нам здания из массовой застройки Ленинграда: кирпичные 12 этажные точечные дома со стенами в 2 щелевых кирпича, строившиеся в 1970-х гг., построены из кирпича морозостойкостью по большей части F25–35; газобетонные панельные «корабли» серии 600.11 - из газобетона марки F25. И те и другие эксплуатируются по полвека без признаков разрушения. Их ресурс далек от исчерпания.

Заключение: практически все каменные материалы, из представленных на современном рынке, обладают достаточной морозостойкостью для строительства домов, которые прослужат не одному поколению жильцов. Важно обеспечивать их грамотную эксплуатацию: водоотвод с подоконников и парапетов, наружная отделка, не запирающая влагу в толще стены, нормальный влажностный режим помещений, ограждаемых каменными стенами или пароизоляция на их внутренней поверхности.

Морозостойкостью называют свойство насыщенного водой материала выдерживать многократное поперемен­ное замораживание и оттаивание без признаков разру­шения и значительного снижения прочности.

По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания (степени морозостойкости) материалы подразделяют на марки Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более.

Если образцы после замораживания не имеют следов разрушения, то степень морозостойкости устанавливают определением коэффициента морозостойкости по формуле:

Для морозостойких материалов величина К Мрз должна быть не менее 0,75. Плотные материалы, не имеющие пор, или материа­лы с незначительной открытой пористостью, водопоглощение которых не превышает 0,5%, обладают высокой морозостойкостью. Материал признают морозостойким, если после задан­ною числа циклов замораживания и оттаивания потеря и весе образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5% и прочность снижается не более чем на 25%.

Задача 1. При испытании образцов-кубов бетона на морозостойкость прочность их после испытания составила R сж = 15 МПа, до испытания прочность на сжатие образцов в водонасыщенном состоянии 18 МПа. Установить, морозостоек ли бетон?

Решение. Из формулы (19):

, т.к К Мрз >0,75, то бетон – морозостоек.

_____________________________________________________________________

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Теплопроводностью называют свойство материала передавать через толщу тепло при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Показателем теплопроводности материала служит коэффициент теплопроводности λ , ккал/м ч град .

Если представить себе однородную плоскую стену из данного материала толщиной δ, м и площадью F, м 2 , температура внутренней поверхности которой t 1 , анаружной поверхности t 2 , причем t 1 >t 2 , то через стену будет проходить постоянный поток тепла.

Количество тепла Q , ккал ,проходящего через стену за z ч,прямо пропорционально разности температур на поверхностях стены, площади стены, времени и обратно пропорционально толщине стены:

Теплопроводность материалов учитывается при теп­лотехнических расчетах толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при определении требуемой толщины тепловой изоляции горячих поверхностей и холодильников. Она связана с термическим сопротивлением слоя материала R (м 2 °С/Вт), которое определяется по формуле:

Т а б л и ц а 3

Теплопроводность некоторых строительных материалов

Задача 1. Наружная поверхность кирпичной стены толщиной а = 51 см имеет температуру t=-33°С, внутренняя t=+18°С. Какое количество тепла проходит через каждый 1м 2 поверхности стены за 1ч? Коэффициент теплопроводности кирпича λ=0,8 Вт/м °С.

Решение. Из формулы (20):

______________________________________________________________________

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ

Способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения плотности. Разрушение происходит в связи с тем, что вода, находящаяся в порах, при замерзании увеличивается в объеме примерно на 9 %. Наибольшее расширение воды при переходе в лед наблюдается при температуре -4°С, дальнейшее понижение температуры не вызывает увеличения объема льда. При замерзании воды стенки пор испытывают значительное давление и могут разрушаться. При полном заполнении водой всех пор разрушение материала может произойти даже при однократном замораживании. При насыщении пористого материала водой заполняются в основном макрокапилляры, микрокапилляры заполняются водой частично и служат резервными порами, куда отжимается вода в процессе замораживания. Следовательно, морозостойкость строительных материалов определяется величиной и характером пористости и условиями их эксплуатации.

Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность материала при растяжении. Плотные материалы морозостойки. Из пористых материалов морозостойкостью обладают только те материалы, у которых в основном имеются закрытые поры или вода. Занимает менее 90 % пор. Материал считается морозостойким, если после установления числа циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии прочность его снизилась не более чем на 15-25 %, а потери в массе в результате выкрашивания не превысили 5 %. Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при -15, -17°С и оттаивания при температуре 20°С. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении и от климатических условий. По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания, и оттаивания (степени морозостойкости) материалы подразделяются на марки Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более. В лабораторных условиях замораживание производят в холодильных камерах. Один-два цикла замораживания в холодильной камере дают эффект, близкий к 3-5-годичному действию атмосферы.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Свойство материала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1 м площадью 1 м2 в течение 1 секунды при разностях температур на противоположных поверхностях материала в 1°С. Теплопроводность материала находится в прямой зависимости от его химического состава, пористости, влажности и температуры, при которой происходит передача тепла. Волокнистые материалы имеют разную теплопроводность в зависимости от направления теплоты по отношению к волокнам (у древесины, например, теплопроводность вдоль волокон в два раза больше, чем поперек волокон). Мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами обладают большей теплопроводностью, чем крупнопористые материалы и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос теплоты конвекцией, что и повышает суммарную теплопроводность.

С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, поскольку вода имеет теплопроводность в 25 раз большую, чем воздух. Еще больше возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, поскольку теплопроводность льда в несколько раз больше, чем теплопроводность воды. Теплопроводность материала имеет огромное значение при устройстве ограждающих конструкций зданий - стен, потолков, полов, крыш. Легкие и пористые материалы мало теплопроводны. Чем выше объемный вес материала, тем выше его теплопроводность. Например, коэффициент теплопроводности тяжелого бетона объемным весом 2400 кг/м3 равен 1,25 ккал/м-ч-град, а пенобетона объемным весом 300 кг/м3 всего 0,11 ккал/м-ч-град.

ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. При последующем охлаждении материалы с высокой теплоемкостью выделяют больше теплоты. Поэтому при использовании материалов с повышенной теплоемкостью для стен, полов, потолков и других частей помещения температура в комнатах может сохраняться устойчивой длительное время.

Коэффициент теплоемкости - количество теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на ГС. Строительные материалы имеют коэффициент теплоемкости меньше, чем у воды, которая обладает наибольшей теплоемкостью (4,2 кДж/(кг°С)). С увлажнением материалов их теплоемкость возрастает, но вместе с тем возрастает и теплопроводность.

Теплоемкость материала имеет значение в тех случаях, когда необходимо учитывать аккумуляцию тепла, например при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий с целью сохранения температуры в помещении без резких колебаний при изменении теплового режима, при расчете подогрева материала для зимних работ, при расчете устройства печей. В некоторых случаях приходится рассчитывать размеры печи, используя объемную удельную теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагревания 1 м3 материала на ГС.

ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ

Свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном с ней соприкосновении. Характеризуется количеством воды, поглощаемой сухим материалом, погруженным полностью в воду, и выражается в процентах от массы (водопоглощение по массе).

Количество поглощенной образцом воды, отнесенное к его объему, - водопоглощение по объему. Водопоглощение по объему отражает степень заполнения пор материала водой. Так как вода проникает не во все замкнутые поры и не удерживается в открытых пустотах, объемное водопоглощение всегда меньше истинной пористости. Объемное водопоглощение всегда меньше 100 %, а водопоглощение по массе может быть более 100 %.

Водопоглощение строительных материалов изменяется главным образом в зависимости от объема пор, их вида и размеров.

В результате насыщения водой свойства материалов значительно изменяются: увеличиваются плотность и водопроводность, у некоторых материалов (например, древесины, глины) увеличивается объем. Вследствие нарушения связей между частицами материала и проникающими частицами воды понижается прочность строительных материалов.

КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМЯГЧЕНИЯ

Отношение предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии. Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала. Для легко размокаемых материалов, например глины, коэффициент размягчения равен 0. Для материалов, которые полностью сохраняют свою прочность при действии воды (металл, стекло и т.п.), коэффициент размягчения равен 1. Материалы с коэффициентом размягчения более 0,8 относятся к водостойким. В местах, подверженных систематическому увлажнению, применять строительные материалы с коэффициентом размягчения менее 0,8 не разрешается.

ВЛАГООТДАЧА

Свойство, характеризующее скорость высыхания материала при наличии условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха). Влагоотдача характеризуется количеством воды, которое материал теряет за сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20°С. В естественных условиях вследствие влагоотдачи, через некоторое время после окончания строительных работ, устанавливается равновесие между влажностью строительных конструкций и окружающей средой. Такое состояние равновесия называют воздушно-сухим или воздушно-влажным равновесием.

ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ

Способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 секунды через 1 м2 поверхности материала при давлении 1 МПа. Плотные материалы (сталь, стекло, большинство пластмасс) водонепроницаемы. Методика определения водопроницаемости зависит от разновидности строительного материала. Водопроницаемость находится в прямой зависимости от плотности и строения материала - чем больше в материале пор и чем они крупнее, тем больше водопроницаемость. При выборе кровельных и гидротехнических материалов чаще всего оценивается не водопроницаемость, а водонепроницаемость, характеризуемая периодом времени, по истечению которого появляются признаки просачивания воды под определенным давлением или предельной величиной давления воды, при котором вода не проходит через образец.

ВОЗДУХОСТОЙКОСТЬ

Способность материала длительно выдерживать многократное систематическое увлажнение и высыхание без значительных деформаций и потери механической прочности. Изменение влажности влечет у многих материалов изменение их объема - разбухают при увлажнении, дают усадку при высыхании, трещины и т.д. Разные материалы по-разному ведут себя по отношению к действию переменной влажности. Бетон, например, при переменной влажности склонен к разрушению, так как цементный камень при высыхании сжимается, а заполнитель практически не реагирует - в результате возникает растягивающее напряжение, цементный камень отрывается от заполнителя. Для повышения воздухостойкости строительных материалов применяют гидрофобные добавки.

ВЛАЖНОСТНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ

Изменение размеров и объема материала при изменении его влажности. Уменьшение размеров и объема материала при высыхании называют усадкой или усушкой, увеличение - разбуханием.

Усадка возникает и увеличивается в результате уменьшения слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Набухание связано с тем, что полярные молекулы воды, проникая между частицами или волокнами, утолщают их гидратные оболочки. Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (например, ячеистый бетон 1-3 мм/м; тяжелый бетон 0,3-0,7 мм/м; гранит 0,02-0,06 мм/м; кирпич керамический 0,03-0,1 мм/м.

Под морозостойкостью понимают способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения, т. е. без образования трещин, выкрашивания, расслаивания и без значительной потери прочности и веса.

Вода, находящаяся в порах материала, превратившись в лед, увеличивается в объеме примерно на 10%. При этом в материале возникают большие внутренние напряжения, которые постепенно его разрушают. Поэтому необходимо наружные поверхности стен и крыш делать из морозостойких материалов.

Морозостойкими являются материалы плотные или с малым водопоглощением (до 0,5%).

Морозостойкость материалов зависит не только от водопоглощения, но и от коэффициента размягчения. Материалы с коэффициентом размягчения ниже 0,7 практически неморозостойки.

Для определения морозостойкости материал замораживают до температуры — 15 °С, а затем погружают в воду комнатной температуры для оттаивания. Число циклов попеременного замораживания и оттаивания материала при условии, что прочность его в результате этого понизится не более чем на 30%, и характеризует морозостойкость материала.

«Материаловедение для штукатуров,
плиточников, мозаичников»,
А.В.Александровский

В строительстве понятие вязкости употребляется только применительно к материалам, находящимся в жидком состоянии. Вязкость — это свойство жидкостей оказывать сопротивление при перемещении одной их части относительно другой. Вязкость любой жидкости зависит от ее температуры и давления. С понижением температуры она резко возрастает, так же как и при повышении давления до нескольких сотен атмосфер. Вязкость принято…

Теплопроводность — это способность материала передавать тепло от одной своей поверхности к другой. Величина теплопроводности учитывается при подборе материалов для ограждающих конструкций — наружных стен, верхнего перекрытия жилых зданий. В жилых помещениях с наружными стенами из теплопроводных материалов зимой будет холодно, а стены промерзнут, будут мокнуть и отделка (штукатурка, окраска) разрушится. Чтобы избежать этого, стены…

Теплоемкость — свойство материала поглощать определенное количество тепла при нагревании и выделять его при охлаждении. Теплоемкость характеризуется коэффициентом теплоемкости (обозначается латинской буквой с), который равен количеству тепла, необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 °С. В таблице приведены значения коэффициентов теплоемкости для некоторых материалов. Коэффициент теплоемкости некоторых материалов Наименование материала Коэффициент теплоемкости в ккал…

Звукопроводность — это свойство материала пропускать звук. Для изоляции помещений от шумов важно, чтобы строительные конструкции имели низкую звукопроводность. Оштукатуривают стены, в частности, и для того, чтобы уменьшить их звукопроводность. Различают два рода шумов, передаваемых стенами и перекрытиями: ударные и воздушные. Ударные шумы хорошо поглощаются пористыми материалами, для погашения воздушных шумов (от радиоприемников, громкой речи)…

Прочность — это способность материала сопротивляться разрушению под влиянием внутренних напряжений, возникающих в результате действия внешних нагрузок или других факторов. Внешние воздействия, которым подвергаются строительные материалы, могут вызывать у них напряжения сжатия, растяжения, изгиба, сдвига. Чаще всего строительные материалы работают на сжатие или изгиб. Прочность строительных материалов при сжатии, растяжении и т. п. характеризуется пределом…

От водонасыщения бетона зависит его прочность и устойчивость к деформации. Также на эти параметры влияют воздействия температур воздуха и её перепады. Если в бетоне есть излишнее содержание воды, то при низкой температуре она кристаллизуется. Льду некуда деваться, в результате чего образуется избыточное внутреннее давление.
Оно приводит к предельному растягивающему напряжению в стенках пор. Такие изменения способствуют снижению прочности бетона. После оттаивания образовавшегося льда в порах, это приведёт к снижению прочности бетона только в случаях переизбыточного содержания воды.
Снижение прочности бетона также может произойти при неравномерном распределении воды в порах при изготовлении или при замерзании образовавшегося в нем водных паров. С увеличением насыщения водой бетона прочность охлаждённых образцов до 400 и до 600 сначала возрастает до определённой величины, а затем значительно снижается. Максимальным значением прочности бетона является функция степени понижения температуры и количества воды, содержащейся в порах. Отметим, что после оттаивания прочность бетона снижается. Также стоит подчеркнуть, что длительное воздействие низких температур (даже при их колебаниях) приводит к постепенной потере прочности бетона. Известно, что если бетон обладает меньшей влажностью и большей прочностью перед замораживанием, то при длительном воздействии низких температур в зимний период сопротивляемость бетона гораздо выше. Возможность водонасыщения бетона зависит от его строения, точнее от образовавшейся в пространстве цементного камня системы капилляров. Улучшить структуру бетона можно за счёт уменьшения пористости бетона и формирования закрытой системы пор. Опыты показали, что микротрещины, которые возникли при предварительной нагрузке, при цикле оттаивания и замораживания значительно ускоряют разрушение бетона.
Бетон высокой прочности изготавливается по определённой технологии, и имеет более ровную структуру, благодаря чему обладает повышенной морозостойкостью. Понижение водопроницаемости такого бетона достигается за счёт уменьшения пористости. В бетонную смесь добавляют органические структурообразующие добавки в виде смолы, которые нейтрализованы воздухововлекающей СНВ. Благодаря применению ГКЖ-94 воздух вовлекается в бетонную смесь, и образуются замкнутые поры очень малого диаметра.
Искусственное образование таких пор значительно увеличивает прочность бетона при многократном размораживании и замораживании. Применение добавок повышает водопроницаемость и морозостойкость, но уменьшает прочность бетона. Бетоны с добавкой СНВ и ГКЖ-94 используются в суровых климатических условиях. Такой бетон обладает повышенной прочностью и морозостойкостью.