Текст книги "Металлические строительные материалы и изделия"

Прочность. Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под влиянием внутренних напряжений, возникающих в результате действия на материал внешних нагрузок или других факторов. В построенном здании почти все конструкции испытывают нагрузки (вес частей здания, вес оборудования, вес мебели и др.), вследствие чего в материалах конструкций возникают напряжения, противодействующие внешним силам.

Основными показателями, характеризующими прочность материала, являются сопротивление сжатию, растяжению, изгибу. Прочность материала при сжатии и растяжении характеризуется его пределом прочности. Предел прочности, или временное сопротивление, – напряжение в материале образца, соответствующее нагрузке, при которой он разрушается.

Предел прочности различных материалов при сжатии и растяжении меняется в широких пределах – от 0,5 до 1000 МПа и более. Для многих материалов предел прочности при сжатии резко отличается от предела прочности при растяжении. Одинаково хорошо сопротивляются сжатию и растяжению такие материалы, как сталь, древесина. Плохо сопротивляются растяжению каменные материалы: природный камень, кирпич, бетон и т.п.

Примером прочности конструкции при изгибе может служить мост, доска через канаву, а также балка, на которую опираются плиты перекрытия, стропила крыши.

Твердость. Твердость – это способность материалов сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Существуют несколько способов определения твердости. Например, твердость каменных материалов оценивают шкалой Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим материалом.

1 Тальк или мел (легко чертится ногтем).

2 Гипс или каменная соль (чертится ногтем).

3 Кальцит или ангидрит (легко чертится стальным ножом).

4 Плавиковый шпат (чертится стальным ножом под небольшим нажимом).

5 Апатит (сталь) (чертится стальным ножом под большим нажимом).

6 Полевой шпат (слегка царапает стекло, стальным ножом не чертится).

7 Кварц (легко чертит стекло, стальным ножом не чертится).

8 Топаз.

9 Корунд.

10 Алмаз.

Износ. Износ – это разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергаются материалы дорожных покрытий, полов промышленных предприятий, аэродромов и др.

Сопротивление удару. Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в дорожных покрытиях и полах. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе – копре.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться тому или иному виду обработки. Так, древесина хорошо обрабатывается инструментами. Технологические свойства некоторых полимерных материалов включают способность сверлиться, обтачиваться, свариваться, склеиваться. Глиняные, бетонные и иные смеси обладают пластичностью, вязкостью, которые обеспечивают заполнение определенного объема.

Вязкость. Вязкость – это сопротивление жидкости передвижению одного ее слоя относительно другого. Когда какой-либо слой жидкости приводится в движение, то соседние слои также вовлекаются в движение и оказывают ему сопротивление, величина которого зависит от температуры и вещественного состава. Вязкостные свойства важны при использовании органических вяжущих веществ, природных и синтетических полимеров, красочных составов, масел, клеев. При нагревании вязкость этих материалов снижается, при охлаждении – повышается.

Упругость. Упругость является свойством материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считается напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины.

Пластичность – способность материала деформироваться без разрыва сплошности под влиянием внешнего механического воздействия и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы закончится. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и др.

Акустические свойства проявляются при действии звука на материал. Акустические материалы по назначению могут быть звукопоглощающие, звукоизолирующие, вибропоглощающие и виброизолирующие.

Звукопоглощающие материалы. Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения шумового звука. Их акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству звуковой энергии, падающей на поверхность материала в единицу времени. Как правило, такие материалы имеют большую пористость или шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук. Строительные материалы, у которых коэффициент звукопоглощения выше 0,2, называют звукопоглощающими.

Звукоизолирующие материалы. Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Звукоизоляционные материалы оценивают по двум показателям: относительной сжимаемости под нагрузкой в процентах и динамическому модулю упругости.

Вибропоглощающие и виброизолирующие материалы предназначены для предотвращения передачи вибрации от машин и механизмов к строительным конструкциям.

Ниже приводятся некоторые свойства строительных материалов.

Химические свойства характеризуют способность материалов реагировать на внешние воздействия, ведущие к изменению химической структуры, а также воздействовать в этом отношении на другие материалы. Основные химические свойства: растворимость и стойкость к коррозии (кислотостойкость, щелочестойкость, газостойкость).

Растворимость. Растворимость – это способность материала растворяться в жидких растворителях: воде, керосине, бензине, масле и других, образовывая новые растворы. Растворимость зависит от химического состава веществ, давления и температуры. Показателем растворимости является произведение растворимости, представляющее собой предельное содержание растворенного вещества в граммах на 100 мл раствора при нормальном давлении и заданной температуре.

Стойкость к коррозии. Стойкость к коррозии является свойством материала сохранять свои качества в условиях агрессивной среды. Такой средой могут быть вода, газы, растворы солей, щелочей, кислот, органические растворители, а также биологические организмы (бактерии, водоросли и т.п.). Древесина, пластмассы, битумы и некоторые другие органические материалы при обычных температурах относительно стойки к действию кислот и щелочей средней и слабой концентрации.

Адгезия. Адгезия представляет собой соединение, сцепление твердых и жидких материалов по поверхности. Это свойство обусловлено межмолекулярным взаимодействием. Адгезионные силы сцепления очень важны при получении строительных материалов, состоящих из многих компонентов, например железобетон.

Кристаллизация. Кристаллизия представляет собой процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов при электролизе и химических реакциях, который сопровождается выделением тепла.

Долговечность. Долговечность представляет собой способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Старение – это процесс постепенного изменения, ухудшения свойств материалов в условиях эксплуатации.

Знание этих и других свойств позволяет сравнивать материалы между собой и определять область их применения с учетом технико-экономической целесообразности. Так, в условиях эксплуатации гидротехнических сооружений строительные материалы, изделия и конструкции, из которых они построены, подвергаются периодическому или постоянному воздействию воды и агрессивных сред, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по водостойкости, морозостойкости, водонепроницаемости, корроизонной стойкости и др.

Многие материалы под влиянием водопоглощения ярко проявляют повышенные пластические свойства. Практика строительства показывает, что выбор технически целесообразного материала обосновывают не только его прочностные характеристики, но стойкость к воздействию внешней среды, в которой работает конструкция. Обычно эта стойкость материала во времени (долговечность) неразрывно связана с его химическими и физико-химическими свойствами. Физико-химические в свою очередь тесно связаны со структурой материала и зависят от ее изменения под влиянием внешних и внутренних факторов.

Вследствие проникновения химических реагентов из внешней среды внутренние химические реакции с образованием новых соединений могут значительным образом отразиться на структуре. Изменение структуры (микроструктуры и макроструктуры) в первый период может привести к псевдоупрочнению, а в дальнейшем – к сокращению долговечности материала. Применяемый в строительстве материал обычно подвергают технологической обработке. Cпособность поддаваться такой обработке является порой решающим показателем при выборе материала. Так, при массовой заготовке щебня для бетонных работ учитывается способность горной породы дробиться без образования плоских щебенок, поэтому при выборе материалов всегда учитывают его способность реагировать на отдельные или взятые в совокупности следующие факторы: физические, механические, внешнюю среду, температуру и ее колебания, химические реагенты, технологические операции и т.д. Эта способность материала реагировать на указанные факторы определяется его свойствами.

Оценить технические свойства и сравнить материалы между собой возможно по показателям, которые получают при испытании материалов в полевых, производственных или лабораторных условиях. Полученные знания основных технических свойств строительных материалов и изделий дают возможность рационально их использовать в строительстве. Например, по известным значениям истинной и средней плотности строительных материалов можно рассчитать, какой плотностью (или пористостью) обладают эти материалы, и составить достаточно полное представление о прочности, теплопроводности, водопоглощении и других важных характеристиках строительных материалов, чтобы в дальнейшем на этом основании решать вопрос об их применении в тех или иных сооружениях и конструкциях.

Для расчета нагрузок при определении массы сооружений для транспортных расчетов и выбора емкости складских помещений необходимо знать величину средней плотности строительных материалов. Без данных о прочности применяемых материалов невозможны расчеты прочности и устойчивости сооружений и конструкций. Прогноз их долговечности невозможен без знания таких свойств материала, как отношение к влаге, воздействию окружающей среды, смене температур и др.

Свойства материалов не остаются постоянными, а изменяются во времени в результате механических, физико-химических и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется строительная конструкция или изделие. Эти изменения могут протекать и медленно (разрушение горных пород), и быстро (вымывание из бетона растворимых веществ). Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию изделия или конструкции.

Знание основных свойств строительных материалов необходимо также для выполнения расчетов, позволяющих оценить их качество, соответствие техническим требованиям, возможность применения в конкретных условиях эксплуатации.

Употребляемые в строительстве материалы должны удовлетворять определенным требованиям, которые устанавливаются государственными стандартами (ГОСТами). В строительстве соответствие поступающих материалов требованиям ГОСТа проверяют специальные лаборатории.

Любой вид продукции обладает определенными свойствами, представляющими интерес для потребителей. Для строительных материалов важны такие качества, как прочность, плотность, теплопроводность, морозостойкость, стойкость по отношению к действию воды, агрессивных сред и др. Качеством называется сумма свойств, определяющих пригодность материала и изделия для использования по назначению. Так, для кровельных материалов оценка их качества производится по сумме таких свойств, как водостойкость, водонепроницаемость, термостойкость, прочность на изгиб, атмосферостойкость и др.

Контроль качества строительных материалов и изделий проводят по разработанным нормам, требованиям и правилам. В зависимости от контролируемого производственного этапа различают контроль входной, технологический и приемочный.

Входной контроль включает проверку соответствия поступающих материалов и изделий установленным требованиям. Например, на предприятиях сборного железобетона проверяют качество поступающих исходных материалов: заполнителей и цемента для бетона, арматурной стали, закладных деталей, отделочных и других материалов.

Технологический контроль состоит в проверке соответствия установленным требованиям температуры, давления, времени выдерживания, тщательности перемешивания и других показателей технологического процесса.

Приемочный контроль заключается в проверке соответствия готовых изделий требованиям стандартов или технических условий.

Все материалы и изделия выпускают по государственным и межгосударственным стандартам – ГОСТ, СТ СЭВ, ИСО, СТБ, СНБ. Деятельность стандартизации существует для повышения качества продукции, безопасности ее получения и безопасности. Методы испытаний также стандартизированы. Кроме этого, в строительстве существуют «Строительные нормы» и «Технические нормативные правовые акты», представляющие собой объединенные нормативные документы по проектированию, строительству и строительным материалам.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Металлами называются вещества, обладающие металлическим блеском, пластичностью, высокой прочностью, электропроводностью, теплопроводностью, ковкостью, свариваемостью и другими свойствами. Эти свойства обусловлены крупнокристаллическим строением и абсолютной плотностью этих материалов. У металлов много достоинств. Металлические элементы составляют почти 3/4 всех существующих в природе элементов, но не все находят широкое применение в строительстве. Некоторые из них встречаются очень редко. Из наиболее ценных и важных для строительства и техники лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий, железо, магний, титан и др. В строительстве металлы применяются в виде металлопроката и металлических изделий. Свойства металлов и сплавов делятся на физические, механические, технологические, химические.

К физическим свойствам металлов относят:

– плотность;

– температуру плавления;

– цвет;

– блеск;

– непрозрачность;

– теплопроводность;

– электропроводность;

– тепловое расширение.

По плотности металлы разделяются на легкие и тяжелые. По температуре плавления – на легкоплавкие (температура плавления не превышает 700 0С) и тугоплавкие – свыше 900 градусов. К легкоплавким – относятся олово, кадмий, свинец, цинк, магний и алюминий. К тугоплавким – относятся серебро, золото, медь, никель, железо, самым тугоплавким считается вольфрам.

Каждый металл или сплав обладает присущим ему цветом. Иногда для обогащения цвета применяют не сам металл, а его оксиды или другие химические соединения. Оксидирование позволяет получить различные оттенки желтых, зеленых, синих, голубых, фиолетовых, красных, коричневых, черных цветов, достаточно прочных и стойких к внешним воздействиям.

При применении металлов в строительстве, конструировании и производстве изделий большое значение имеют их механические свойства, которые характеризуются прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью и выносливостью.

Свойство металлов выдерживать различные нагрузки, не разрушаясь, представляют прочность или крепость металлов. Наибольшее напряжение, которое может выдержать металл не разрушаясь, называется пределом прочности или временным сопротивлением. Образцы для измерения прочности подвергают испытанию на специальной разрывной машине, которая постепенно с возрастающей силой растягивает образец до полного разрыва.

Упругость представляет собой свойство металла принимать свою первоначальную форму после снятия нагрузки. Наибольшее напряжение металла, после которого по окончанию испытаний на разрывной машине он возвращается к своей первоначальной длине, называется пределом нагрузки. Наибольшей упругостью обладает хромоникелевая закаленная сталь. Алюминий и медь упругостью не обладают.

Свойство металлов под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму, размеры и сохранять остаточные пластические деформации после устранения этих сил называется пластичностью. Пластичность металла характеризуется удлинением образца за время испытания. Это свойство металлов имеет большое значение при прокатке, волочении и штамповке. Почти совершенно отсутствует это свойство у чугуна.

Твердость является способностью металлов сопротивляться проникновению в них другого тела под действием внешней нагрузки. От этого свойства зависит возможность обработки металла тем или иным инструментом. Испытания металлов на твердость проводят на специальных твердомерах несколькими способами. Наиболее распространены способы Бриннеля, Роквелла, Шора.

Способ Бриннеля заключается в том, что в испытуемый металл при помощи специального пресса вдавливают под определенной нагрузкой закаленный шарик диаметром 2,5, 5 или 10 мм и выдерживают в течение 30 секунд. Число твердости, которое обозначается буквами НВ, есть отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Способом Роквелла определяют твердость путем вдавливания в металла алмазной призмы или стального шарика, но отсчет ведется не по площади, а по разнице глубины отпечатка между глубиной от стандартной нагрузки, равной 10 кг, и заданной. Число твердости показывает индикатор. Способом Шора твердость определяют при помощи склерометра. В этом случае на испытуемый металл с определенной высоты падает стальной боек. Твердость металла характеризуется высотой, на которую отскакивает боек. Чем тверже металл, тем больше высота отскока. Этот способ удобен тем, что не портит поверхности и может применяться к готовым изделиям.

Выносливость представляет собой способность металлов выдерживать, не разрушаясь, большое количество повторяющихся переменных нагрузок.

Механические свойства металлов зависят от вида нагрузки, условий ее действия и температуры окружающей среды. При нагревании прочность металлов понижается, а пластичность в большинстве случаев увеличивается. На холоде у некоторых металлов резко падает пластичность, и они становятся хрупкими. Хладоломкими металлами являются сталь некоторых марок, цинк и его сплавы; нехладоломкими – алюминий, медь; хрупкими – металлы, обладающие хрупкостью и при нормальных условиях, например, серый чугун.

Под технологическими свойствами металлов понимают способность металлов обрабатываться различными приемами и методами без особых затруднений. Наиболее существенными для металлов являются следующие свойства:

– жидкотекучесть;

– густоплавкость;

– литейная усадка;

– ковкость;

– спекаемость;

– свариваемость;

– обрабатывание резанием;

– способность шлифоваться и полироваться.

Спекаемость представляет собой свойство, в результате которого образуется металлокерамика. При этом металлы, предварительно измельченные в порошок, смешивают как с металлами, так и неметаллами, запрессовывают в специальные формы и подвергают действию высокой температуры до спекания. Таким способом производят особо твердые стойкие сплавы. Свариваемость – это способность металла прочно соединяться путем местного нагрева и расплавления свариваемых кромок изделия. Чистые металлы свариваются легче, сплавы – труднее. Легко свариваются изделия из малоуглеродистой стали. Чем выше процент содержания в стали углерода, тем свариваемость ее хуже. Наиболее трудной считается сварка высокоуглеродистых легированных сталей и чугуна.