Экзаменационные вопросы

по курсу «Архитектурное материаловедение» (первая часть курса).

Осенний семестр 2023г.

Тема 1. Общие свойства строительных материалов.

1. Физические свойства материалов, их влияние на другие свойства.

Физические свойства материала характеризуют его строение или отношение к физическим процессам окру­жающей среды.

Физические свойства разделяются на:

1)удельные характеристики состояния и структурные характе­ристики (истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность; общая, открытая и закрытая пористость);

2)свойства материалов по отношению к действию воды, или гид­рофизические свойства (влажность, водопоглощение и другие), а также к одновременному действию воды и мороза (морозостой­кость) ;

3)свойства материалов по отношению к действию тепла или хо­лода, т.е. теплофизические свойства (теплопроводность, тепло­емкость, огнеупорность, огнестойкость и другие).

Масса— совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле

Истинная плотность— отношение массы к объему материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот.

Однако большинство строительных материалов име­ет поры, поэтому у них средняя плотность всегда меньше истинной плотности. Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума и некоторых других) истинная и средняя плотности практически равны, так как объем внутренних пор у них весьма мал.

Средняя плотность— физическая величина, определя­емая отношением массы образца материала ко всему за­нимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. Среднюю плотность р_т(кг/м3, г/см3) вычис­ляют по формуле:

где т — масса материала в естественном состоянии, кг или г; V — объем материала в естественном состоянии, м³ или см³.

Средняя плотность не является величиной постоянной и изменяется в зависимости от пористости материала

На величину средней плотности влияет влажность ма­териала: чем выше влажность, тем больше средняя плот­ность. Среднюю плотность материалов необходимо знать для расчета их пористости, теплопроводности, теплоем­кости, прочности конструкций (с учетом собственной массы) и подсчета стоимости перевозок материалов.

Для сыпучих материалов (цемент, песок, щебень, гра­вий и др.) определяют насыпную плотность. В объем та­ких материалов включают не только поры в самом материале, но и пустоты между зернами или кусками мате­риала.

Пористостью материала называют степень заполне­ния его объема порами. Пористость П дополняет плот­ность до 1 или до 100 % и определяется по формулам:

П=1- р_m/р

или )*100%

Плотность и пористость в значительной степени опре­деляют такие свойства материалов, как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, тепло­проводность и др.

Сыпучие и рыхлые материалы (песок, молотый мел, цемент, шлак) кроме пор имеют пустоты. Пустоты — это заполненное воздухом пространство между частицами материала, находящегося в насыпном состоянии. 

Пустотность — отношение суммарного объема пустот в рыхлом материале ко всему объему, занимаемому этим материалом.

Водопоглощение— способность материала впитывать воду и удерживать ее. Она рождается или степенью заполнения объёма материала водой, (водопоглощ. по объему Bv) или отношением количества поглощенной воды к массе сухого материала (водопоглощ. по массе Вm)

m _н – масса насыщенного водой образца, г; m_с – масса сухого образца, г.

г де V_о – объем образца, см³; ρ_в – плотность воды (1 г/см³).

Влажность материала определяется содержанием вла­ги, отнесенным к массе материала в сухом состоянии. Влажность материала зависит как от свойств самого ма­териала (пористости, гигроскопичности), так и от окру­жающей его среды (влажность воздуха, наличие контак­та с водой).

Влагоотдача— свойство материала отдавать влагу в окружающую среду

Величина влагоотдачи имеет большое значение для многих материалов и изделий, например стеновых пане­лей и блоков, мокрой штукатурки стен, которые в про­цессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в обычных условиях благодаря влагоотдаче высыхают: вода испаряется до тех пор, пока не устано­вится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха.

Гигроскопичностью это физ. Процесс поглощения (сорбции) материалом водяных паров из воздуха.

Древесина и некоторые теплоизоляционные материалы вследствие гигроскопичности могут поглощать большое количество воды, при этом увеличивается их масса, снижается проч­ность, изменяются размеры. В таких случаях для дере­вянных и ряда других конструкций приходится применять защитные покрытия.

Капиллярное всасывание – частный вид водопоглощ., наблюдающийся для материалов с узкими капиллярами, по которым за счет сил поверхностного натяжения воды происходи ей поднятие на опр. Высоту при соприкосновении материала с поверхностью воды

Усадкой (усушкой) называют уменьшение объёма и размеров мат-ла при его высыхании

Водостойкость – способность мат-ла сохр-ть в той или иной мере свои прочностные свой-ва прии увлажнении.

Характеризуется коэффициентом размягчения – отношение предела прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии К разм = Rнас /R сух

Водопроницаемость – способность мат-ла пропускать воду под давлением Водонепроницаемость - – способность мат-ла не пропускать воду под давлением

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

Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Паро- и газопроницаемость — свойство материала пропускать через свою толщу под давлением водяной пар или газы (воздух). Все пористые материалы при наличии незамкнутых пор способны пропускать пар или газ.

Воздухопроницаемость материалов следует учитывать при применении их в наружных стенах и покрытиях зданий, а газопроницаемость — при применении их в конст­рукциях специальных сооружений (например, газголь­дерах).

Теплопроводность— свойство материала передавать через толщу теплоту от одной поверхности к другой

Теплоемкость— свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении.

Огнестойкость— способность материала противосто­ять действию высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости строительные матери­алы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгора­емые.

Огнеупорностью называют свойство материала вы­держивать длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь. По степени огне­упорности материалы делят на огнеупорные, тугоплав­кие и легкоплавкие.

2. Средняя плотность pm. Способы определения средней плотности образцов правильной и неправильной форм. Связь средней плотности с другими свойс-твами.

Средней плотностью называют массу единицы объема материала в естественном состоянии, т.е. вместе с порами и пустотами. Средняя плотность определяется по формуле:

ρ = m/V [г/см3],

где m - масса образца, г;

V - объем образца в естественном состоянии, см3.

Для вычисления средней плотности материала определяют массу образца и его объем в естественном состояния. Одно и то же количество материала в естественном состояние занимает больший объем, чем в плотном. Поэтому средняя плотность каменных материалов всегда меньше истинной плотности.

В практике определения средней плотности твердого материала возможны два случая:

а) образец материала имеет правильную форму;

б) образец имеет неправильную форму.

Определение средней плотности образцов правильной формы

Образцы правильной геометрической формы должны иметь наименьшее измерение не менее 10 см, если материал пористый, и не менее 4 см, если материал плотный. Испытания проводят на 5-ти образцах кубической или цилиндрической формы. Образцы взвешивают на технических весах с точностью до 0,1 г, (если масса образца менее 500 г). Перед взвешиванием образцы должны быть высушены до постоянной массы.

Для определения объема образцы измеряют с помощью штангенциркуля с точностью до 0,1 мм. Например, если измеряемый образец имеет форму куба или параллелепипеда, то каждую грань измеряют в трех местах по длине, ширине, высоте (рис.3.1.). За окончательный размер каждой грани принимают среднее арифметическое трех измерений. Объем образца получают перемножением средних размеров трех граней образца.

Рис.3.1. Схема измерения образцов правильной геометрической формы

Среднюю плотность вычисляют по формуле:

₀= , [г/см³], (3.2)

Для обеспечения точности результатов среднюю плотность вычисляют как среднее арифметическое пяти определений.

Образец материала неправильной формы. . Для определения объёма используют метод гидростатического взвешивания, основанный на законе Архимеда: объём тела погруженного в воду равен объёму воды , вытесненной этим телом

Рис. 2 Весы для гидростатического взвешивания:

3. Водопоглощение по массе Вm и по объёму Вv. Способы определения. Влияние водопоглощения на физико-механические свойства и объемные изме-нения материалов.

Водопоглощение— способность материала впитывать воду и удерживать ее. Она рождается или степенью заполнения объёма материала водой, (водопоглощ. по объему Bv) или отношением количества поглощенной воды к массе сухого материала (водопоглощ. по массе Вm)

Вm – отношения веса к поглощенной материалом воды к его весу в сухом состоянии

Bv - – отношения веса к поглощенной материалом воды к объему материала в естественном состоянии.

Для определения водопоглощения высушенные до постоянной массы образцы взвешивают, помещают в емкость, наполненную водой комнатной температуры, так чтобы уровень воды был выше верха образца не менее чем на 20 мм. В таком положении образцы выдерживают в течение 48 часов. Затем их вынимают, обтирают влажной тканью и взвешивают. При этом масса воды, вытекающей из образца на чашку весов, должна включаться в массу образца.

4. Гигроскопичность и капиллярное всасывание, способы их снижения. Влаго-отдача.

Гигроскопичностью это физ. Процесс поглощения (сорбции) материалом водяных паров из воздуха.

Древесина и некоторые теплоизоляционные материалы вследствие гигроскопичности могут поглощать большое количество воды, при этом увеличивается их масса, снижается проч­ность, изменяются размеры. В таких случаях для дере­вянных и ряда других конструкций приходится применять защитные покрытия.

Капиллярное всасывание – частный вид водопоглощ., наблюдающийся для материалов с узкими капиллярами, по которым за счет сил поверхностного натяжения воды происходи ей поднятие на опр. Высоту при соприкосновении материала с поверхностью воды

• Для снижения влагопоглощения и разбухания древесину как обработанную щелочью, так и необработанную пропитывают дибутилфталатом (нормальный бутиловый эфир ортофталевой кислоты)

• Интенсивное капиллярное всасывание наблюдается у ипорки (мипоры), небитумизированных шлаковых плит, торфоплит, а также у плит из древесных опилок или волокон.  Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от ее наземной части.

5. Водостойкость, водонепроницаемость и водопроницаемость. Способы оценки. Области применения материалов с повышенными требованиями к этим свойствам.

 Водостойкость — способность материала сохранять свою прочность при насыщении водой: Она оценивается коэффициентом размягчения К_РАЗМ, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии R_В МПа, к пределу прочности сухого материала R_сух, МПа:

Количественно водостойкость оценивают обычно по массе воды (в %), поглощенной образцом (по т. наз. водопоглощению), или по относит. изменению к.-л. показателей (чаще всего линейных размеров, электрич. или мех. св-в) после определенного времени пребывания в воде. Как правило, водостойкость характеризуют коэфф. разупрочнения Кр (отношение величины прочности при растяжении, сжатии или изгибе насыщенного водой материала к соответствующему показателю его в сухом состоянии). Водостойкими считают материалы, у к-рых Кр больше 0,8. К ним относят, напр., многие металлы, спеченную керамику, стекло.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 с через 1 м2 поверхности материала при заданном давлении воды. Для определения водопроницаемости используют различные устройства, позволяющие создавать нужное одностороннее давление воды на поверхность материала. Методика определения зависит от назначения и разновидности материала. Водопроницаемость зависит от плотности и строения материала. Чем больше в материале пор и чем эти поры крупнее, тем больше его водопроницаемость.

Водонепроница́емость (англ. Water tightness) — характеристика материала, измеряемая в СИ в метрах или паскалях и показывающая, при достижении каких значений гидростатического давления этот материал теряет способность не впитывать и не пропускать через себя воду.

• -определение водонепроницаемости по «мокрому пятну»;основан на измерении максимального давления при котором через образец не просачивается вода ;

• -определение водонепроницаемости по коэффициенту фильтрации; основан на определении коэффициента фильтрации при постоянном давлении по измеренному количеству фильтрата и времени фильтрации;

• -ускоренный     метод     определения    коэффициента      фильтрации (фильтратометром);

• -ускор-ый метод определения водонепр-ти бетона по его воздухопр-ти.

6. Морозостойкость строительных материалов. Способы определения. Кон-струкции с повышенными требованиями по морозостойкости.

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

Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Испытания материалов на морозостойкость проводят методом попеременного замораживания и оттаивания образцов. Температура замораживания должна быть (-20± 2) °С. Оттаивание следует проводить в воде при температуре 15 – 20 °С. Для определения морозостойкости обычно применяют аммиачные холодильные установки.

Образцы-кубики или цилиндры размерами не менее 5 см (для однородных материалов 3 и неоднородных 5 штук) маркируют и с помощью лупы и стальной иглы проверяют, нет ли на их поверхности трещин, повреждений и т.д. Образцы насыщают водой до постоянной массы и взвешивают, затем помещают в холодильную камеру и выдерживают в ней при (-20   2)°С в течение 4 часов. По истечении этого времени их извлекают из холодильника и опускают для оттаивания в ванну с водой комнатной температуры на 4 часа. После оттаивания образцы осматривают для обнаружения повреждений. В случае появления трещин или отколов испытание прекращают. Если дефектов не наблюдается, испытание продолжают, вновь помещая образцы в холодильную камеру на 4 часа.

Последовательному замораживанию, оттаиванию и осмотру образцы подвергают столько раз, сколько предусмотрено нормативным документом для испытываемого материала.

После окончания испытаний образцы протирают влажной тканью и взвешивают. Потерю массы вычисляют по формуле, %:

 , (10)

где m – масса образца, высушенного до испытания, г;

m₁ – то же, после испытания, г.

Материал считается выдержавшим испытание, если после установлен­ного нормативным документом числа циклов замораживания и оттаивания он не имеет видимых признаков разрушения и теряет не более 5 % массы. Этот метод требует специального оборудования и больших затрат времени. Если необходимо быстро оценить морозостойкость материала, применяют ускоренный метод, используя раствор сернокислого натрия.

Ускоренный метод

Подготовленные образцы сушат до постоянной массы, взвешивают, маркируют и на 20 часов погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия при комнатной температуре. Затем их помещают на 4 часа в сушильный шкаф, в котором поддерживается температура 115 °С. После этого образцы охлаждают до нормальной температуры, снова на 4 часа погружают в раствор сернокислого натрия и опять помещают в сушильный шкаф на 4 часа. Такое попеременное выдерживание образцов в растворе сернокислого натрия и высушивание повторяют 3, 5, 10 и 15 раз, что соответствует 15, 25, 50 – 100 и 150 – 300 циклам замораживания и оттаивания. Этот метод основан на том, что насыщенный раствор сернокислого калия проникая в поры материала при высушивании, переходит в пересыщенный и кристаллизуется, увеличиваясь в объеме. При этом возникают напряжения, значительно превышающие напряжения, вызываемые замерзающей водой. Поэтому 1 цикл ускоренных испытаний приравнивается к 5 – 20 циклам обычных

ИЛИ ДРУГОЙ ВАРИАНТ:

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.

При выборе марки материала по морозостойкости учитывают вид строительной конструкции, условия ее эксплуатации и климат в зоне строительства. Климатические условия характеризуют среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного похолодания и потепления по данным многолетних метеорологических наблюдений. Мороз-сть легких бетонов, кирпича, керамических камней для наружных стен зданий находится обычно в пределах 15-35, бетона для строительства мостов и дорог-50-200, для гидротехнических сооружений - до 500 циклов. От морозостойкости зависит долговечность строит. материалов в конструкциях, подвергающихся действию атм. факторов и воды.

Конструкции с повышенными требовательными по морозостойкости: гидротехнические конструкции (сваи, мосты). Открытый бассейн, открытые сооруж водоснабжения, канализации

7. Основные теплотехнические свойства, их связь с другими свойствами.

Теплопроводность - передавать теплоту через свою толщу при наличии разности температур по обе стороны мат-ла. зависит от вида мат-ла, пористости, хар-ра пор, влажности и плотности, от ср Т, при кот-ой происх передача теплоты. характеризуется коэф-м тепло-сти λ, одной из гл характ стеновых и теплоизоляц мат-лов. Теплоемкость - поглощать при нагревании опред кол-во теплоты. характериз-ся коэф-м теплоемкости необходимо учитывать при теплотехнич расчетах ограждающих конструкций, при расчете степени подогрева мат-лов для зимних бетонных и каменных работ, при проектировании печей. Огнеупорность - противостоять длит воздействию высок Т, не деформируясь и не расплавляясь. огнеупорные (шамотные изделия) -Т от 1580 °С и выше, тугоплавкие (гжельский кирпич) 1360-1580 °С, легкоплавкие (обыкн керамич кирпич), ниже 1350 °С. Огнестойкость —сопротивляться действию огня при пожаре в течение опред времени. Оценивается сгораемостью материалов. 1. Несгораемые. Кирпич, асбест, металл, бетон. под действием высок Т не тлеют и не обугливаются 2. Трудносгораемые. тлеет около источника огня, без источника не горит. Некот пластмассы, мат-лы на осн-е битума, арболит, фибролит, асфальтобетон 3. Сгораемые. При удалении источника тепла продолжается горение. Древесина, картон, бумага.

8. Свойства материалов, связанные с действием высоких температур.

Теплопроводность —передавать теплоту через толщу от одной поверхности к др. зависит от химич состава и структуры, степени и характера пористости, влажности и Т Материал кристаллич строения более теплопроводен. зависит от величины пористости, размера и характера пор. Тепло-сть увелич с повыш Т. учитыв при расчетах толщины стен и перекрытий,

Теплоемкость —аккумулировать теплоту при нагревании. Повыш теплоемкость для стен, пола, перегородок и др Т в комнатах может сохр длит время. с увлажнением мат-лов теплоемкость возрастает, но вместе с тем возрастает и тепло-сть.

Коэф теплоемкости мат-лов исп при расчетах теплоустойчивости ограждающих констр (стен, перекрытий), подогрева мат-ла при зимних работах (бетонных, каменных и т. д.), при расчете печей.

Термич стойкость —выдерживать чередование резких тепловых изменений. зависит от однородности мат-ла и коэф теплового расширения составляющих его вещ-в. Чем меньше коэф и выше однородность мат-ла, тем выше термич стойкость, камен мат-лы из мономинеральных горн п (мрамор) более термостойки, чем породы, сложенные из неск мин-лов (гранит).

Огнестойкость —противостоять действию высок Т и воды в условиях пожара без значительной потери несущей способности. По степени огнестойкости на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. почти не деформируются (кирпич, черепица), др могут деформироваться, сильно (сталь) или растрескиваться (гранит). Трудносгораемые мат-лы с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но только в присутствии огня. При удалении огня процессы горения, тления и обугливания прекращаются (фибролит, асфальтовый бетон и др.). Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют и после удаления источника огня (древесина, войлок, битумы, смолы и др.).

Огнеупорность —выдерживать длительное действ высок Т, не деформируясь и не расплавляясь. огнеупорн, тугоплавк, легкоплавк. Мат-лы, которые способны длит время выдерживать воздействие Т до 1000 °С без потери прочности, относят к жаростойким (жаростойкие бетон, кирпич и др.)

9. Прочность при сжатии Rсж. (схемы испытания, форма, размеры образцов). Понятие «Класс прочности».

Прочность –сопротивляться разрушению под действием внутр напряжений, вызванных внеш силами или др факторами. Прочность материала оценивают пределом прочности R, определенном при данном виде деформации. Для хрупких материалов (прир камен мат-ов, бетонов, строит растворов, кирпича и др.) осн прочностной хар-кой явл предел прочности при сжатии. Поскольку строит мат-лы неоднородны, то предел прочности определяют как ср рез-т испытания среди образцов. Форма и размеры образцов, состояние их опорных поверхностей влияют на результаты испытания. -У кубиков малых размеров предел прочности при сжатии выше, чем у кубиков больших размеров из того же мат-ала. Призмы показывают меньшее сопротивление сжатию, чем кубы одинакового попереч сечения. при испытании кубов из хрупких мат-лов (бетона, раствора, камня и др.) получ характ форма разрушения: образ 2 усеченные пирамидки. Если смазать опорные грани куба и тем самым уменьшить силы трения, то под нагрузкой куб распадается на ряд слоев, разделенных вертикальными трещинами. Понятие «Класс прочности»

Класс прочности - установленное стандартом нормируемое значение физич или условногопредела текучести. Показатель прочности при сжатии опред, какая нагрузка м б приложена к мат-лу прежде, чем начнется его разрушение.Показатель напряжения при сжатии опред, какая нагрузка м б приложена к мат-лу прежде, чем его относ деформация достигнет опред величины. Чем выше значение, тем большую нагрузку может нести материал. это нагрузки от действия ветра, веса снега, почвы и др материалов, нагрузки, возникающие при перемещении в процессе установки (10 кПа = 1000 кг/м²).

10. Прочность при изгибе Rизг. и растяжении (схемы испытания, формы об-разцов). Влияние строения материалов на эти виды прочности.

Прочность характериз пределом прочности (при сжатии, изгибе, растяжении, срезе). Пределом прочности назыв напряжение, соответствующее нагрузке, при кот-ой происх разруш образца мат-ла. Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и того же мат-ла может различаться. У всех камен мат-лов прочность при сжатии в 5-15 раз выше, чем при изгибе и растяжении. Предел прочности при изгибе Rизг, МПа, вычисляют как отношение изгибающего момента M, к моменту сопротивления образца, мм3: лаба!

коэф конструктив кач-ва. условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R, МПа, к его относительной плотности:

к.к.к. = Материалы с более высоким коэффициентом конструктивного качества являются и более эффективными. испытание на растяжение проводят на разрывных машинах с гидравлич или механич системой нагружеия. Это прочностая хар-ка материалов

11. Ударная прочность и прочность при истирании. Виды конструкций и материалов, для которых необходимо их определение.