Природные каменные материалы

В России существуют природные запасы материалов, относящихся к горным породам, которые широко применяются в строительстве как строительные материалы и как сырье для их производства.

В зависимости от условий образования горные породы делятся на первичные (изверженные), вторичные (осадочные), видоизмененные (метаморфические).

Первичные (изверженные) породы образовались из магмы – огненно-жидкой массы, поднявшейся из глубин земли и затвердевшей при остывании. Они разделяются на глубинные породы, остывшие под землей, и излившиеся (вулканические), которые застывали на поверхности земли.

Изверженные глубинные породы остывали медленно под большим давлением и приобрели зернисто-кристаллическую структуру. Они обладают большой прочностью на сжатие и плотностью. К таким породам относятся гранит, сиенит, диорит и др.

Изверженные излившиеся (вулканические) породы остывали быстро и неравномерно и в зависимости от условий образования обладают плотной или пористой структурой. К плотным вулканическим породам относятся базальт, диабаз и т. п. К рыхлым – пемза, туфы, трасс; они имеют малый объемный вес вследствие большой пористости, обладают малой теплопроводностью и являются хорошим стеновым материалом.

Вторичные (осадочные) породы образовались в результате разрушения изверженных или других пород под влиянием атмосферных условий – действий воды, ветра, изменения температуры (выветривания). В результате выветривания образовались рыхлые породы – гравий, глина, пески, а также цементированные песчаники и другие. Выветривание сопровождалось не только механическим разрушением, но и химическими явлениями, в результате чего образовались такие осадки, как гипс.

Осадки, полученные в результате отмирания микроорганизмов в морских и пресных водах, образовали породы органического происхождения: известняки, мел, ракушечник и т. п. Среди осадочных пород наиболее распространены известняки, которые служат сырьем для производства извести и цемента.

Видоизмененные (метаморфические) породы образовались в результате последующих глубоких изменений изверженных и осадочных пород под влиянием высоких температур или больших давлений. К таким породам относятся мраморы, гнейсы, сланцы.

Горные породы содержат различные породообразующие минералы, представляющие собой химические соединения или их смеси. К ним относятся кварц (группа кремнеземов), полевые шпаты, слюда (группа силикатов). В составе осадочных пород, кроме того, весьма часто встречаются карбонаты (соли углекислоты).

Природные каменные материалы – древнейшие строительные материалы. В настоящее время они находят применение в строительстве в виде бутового камня, представляющего собой куски горной породы неправильной формы размером от 150 до 500 мм, булыжника, щебня, тесаного камня и плит.

Согласно Строительным нормам и правилам бутовый камень должен иметь предел прочности при сжатии не менее 25 кг/см². Такой прочностью обладают местные осадочные породы (известняки, доломиты, песчаники). Бутовый камень также может заготовляться из более крепких изверженных горных пород – гранита, сиенита и т. п.

Добыча камня производится в каменных карьерах обычно открытым способом. Предварительно снимают пласты породы, покрывающие полезное месторождение, производят вскрышные работы, после чего ведут разработку камня взрывным способом. Взрывчатое вещество размещают в шпурах, пробуренных в толще породы. Разработка разрушенной взрывами породы производится экскаваторами с погрузкой на транспортные средства.

Бутовый камень используется, главным образом, для кладки фундаментов, стен неотапливаемых зданий, подпорных стенок.
Булыжный камень получают раскалыванием крупных камней, добываемых в карьере, или отдельных природных камней-валунов. Он применяется для мощения мостовых и откосов, для производства щебня.

Щебень – продукт дробления в камнедробилках бутового или булыжного камня. Камень подвергается дроблению, разделению на фракции по крупности (сортировке), промывке водой с целью удаления примесей (обогащению). Дробильно-сортировочные установки располагаются вблизи каменных карьеров.

Размер щебня в поперечнике 3-70 мм, а для гидротехнического строительства – от 3 до 150 мм.
Из природного камня путем обтесывания или распиловки на станках изготовляют камни правильной формы и плиты. Эти изделия используются для устройства стен зданий, для облицовки монументальных сооружений. Для кладки наружных и внутренних стен применяются камни, выпиливаемые из ракушечника, пористого известняка и вулканического туфа размером 390х190х188 мм.

Природные камни, применяемые в строительстве, обладают различными свойствами.
Объемный вес камня в естественном состоянии колеблется в широких пределах. Так, граниты имеют объемный вес 2500-2900 кг/м³, плотные известняки 1800-2600 кг/м³, пористые ракушечники 900-1600 кг/м³.

От объемного веса камней зависит их теплопроводность: чем меньше объемный вес, тем ниже теплопроводность. Камни тяжелых пород имеют сравнительно большую теплопроводность. Легкие камни (ракушечник, пористые известняки, вулканические туфы) менее теплопроводны и находят широкое применение при возведении стен.

Камни тяжелых пород имеют марки до 1000 и выше. Марка камня определяется испытанием образцов в лаборатории, где они на прессах подвергаются сжатию до разрушения. Образцы выпиливают в виде кубиков размером 10×10х10 см или 7х7х7 см соответственно для пород средней и высокой прочности.

Большинство каменных горных пород, обладая значительной прочностью на сжатие, плохо сопротивляются растягивающим усилиям. Поэтому обычно каменные материалы работают в сооружениях на сжатие и очень редко – на изгиб.

Твердость камня характеризуется сопротивлением камня истиранию. Это свойство имеет существенное значение при использовании камней в дорожных покрытиях, для изготовления ступеней лестниц, плит для тротуаров, полов и т. д. Большой твердостью обладают камни горных пород изверженного происхождения (гранит, базальт), меньшей – осадочные породы (песчаники, известняки, ракушечники).

Природные камни обладают хорошей морозостойкостью.

Как уже указывалось, в результате естественных процессов (выветривания) природные каменные породы превращаются в обломочные, рыхлые породы – гравий, песок и глину, которые широко применяются в строительстве.

Гравий представляет собой мелкие окатанные обломки различных горных пород размером 5-150 мм. Он применяется для устройства дорожных покрытий и служит заполнителем при приготовлении бетонов.

Песок – это совокупность более мелких зерен выветрившихся горных пород размером 0,15-5 мм. Он широко используется в строительстве для приготовления растворов и бетонов.

Глина является продуктом выветривания изверженных полевошпатных горных пород и состоит из очень мелких частиц (мельче 0,005 мм). Отличительным свойством глины является пластичность, позволяющая во влажном состоянии придавать изделиям из глины любую форму. Из глины изготовляют глиняный кирпич и другие керамические изделия.

Рыхлые горные породы добываются открытым способом в карьерах с предварительным удалением пустой породы (вскрыши). Разработка карьера производится различными землеройными машинами с погрузкой на транспортные средства.

Песок из рек и озер может также добываться способом гидромеханизации. При помощи землесосов песок захватывается со дна водоема вместе с водой и подается в виде пульпы по трубам к месту отвала.

Вяжущие материалы

Некоторые материалы обладают свойством при затворении их водой переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное. Такие вещества называются вяжущими. Они используются для изготовления искусственных камней и приготовления строительных растворов. Все вяжущие вещества разделяются на две группы: воздушные, обладающие свойством твердеть на воздухе, и гидравлические, способные твердеть не только на воздухе, но и в воде.

К воздушным вяжущим относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие материалы.

Воздушной известью называется вяжущее, получаемое путем обжига в печах известняка или других горных пород, содержащих углекислый кальцин (CaCO₃). При температуре выше 900°С известняк разлагается и превращается в кусковой продукт, называемый негашеной известью, или кипелкой, и углекислый газ:

CaCO₃=СаО С0₂

При соединении с водой (гашении) кипелка (СаО) превращается в гашеную известь. При соединении с небольшим количеством воды получается порошок, называемый пушонкой, а при избытке воды – известковое молоко или тесто:

CaO H₂O = Ca (OH)₂

При гашении известь значительно увеличивается в объеме. Чистая, или так называемая «жирная», известь увеличивается в объеме в 3—3,5 раза и гасится быстро со значительным выделением тепла. «Тощая» известь, т. с. содержащая негасящиеся примеси, увеличивается в объеме в 1,5—2 раза и гасится менее энергично, чем жирная.

В строительстве известь применяется в виде известкового теста для приготовления растворов и в виде известкового молока для побелки стен и потолков. Свойство извести твердеть используется для изготовления искусственных камней. Процесс твердения известкового теста состоит в том, что свободно притекающий воздух отдает тесту углекислоту и уносит ее влагу, восстанавливая углекислую известь:

Са(ОН)₂ СО₂=СаСО_з Н₂О

Известь-кипелку перевозят навалом в крытых железнодорожных вагонах и в автомобилях с закрытыми кузовами, хранят ее в закрытых складах или под навесом во избежание преждевременного гашения.

Гипсовый вяжущий материал получают из природного камня (гипса) путем умеренного обжига и тонкого помола. При затворении порошка водой происходит быстрое схватывание.

Магнезиальные вяжущие вещества (каустический магнезит и каустический доломит) являются продуктами обжига горных пород магнезита и доломита с последующим измельчением. Затворяются они водными растворами солей хлористого или сернокислого магния.

К гидравлическим вяжущим относятся различные виды цементов и гидравлическая известь. Наиболее распространенный из них портландцемент представляет собой продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания при температуре до 1500°С природного сырья (мергеля) или смеси, состоящей из глины и карбонатных пород.

Портландцемент представляет собой порошок серовато-зеленого цвета, объемный вес его в зависимости от степени уплотнения 1100-1600 кг/м³. По государственному стандарту (ГОСТу) портландцемент выпускается пяти марок: 300, 400, 500, 600 и 700.

Марка цемента устанавливается по пределу прочности при сжатии образцов в виде кубиков размером 7,07×7,07х7,07 см, изготовленных тромбованием цементного раствора жесткой консистенции при соотношении веса цемента и песка (нормального вольского) 1:3, испытанных в возрасте 28 дней. В течение первых суток с момента изготовления образцы находятся во влажной воздушной среде, а затем до испытания хранятся в воде при температуре 20±3°С.

При затворении цемента водой в количестве 25-30% от веса вяжущего получается цементное тесто, обладающее свойством твердеть как на воздухе, так и в воде. После периода схватывания, в течение которого цементное тесто постепенно теряет пластичность, наступает период твердения и тесто превращается в цементный камень. Наиболее интенсивное твердение происходит в течение первого месяца. В дальнейшем прочность возрастает медленнее.

При схватывании и твердении портландцемента выделяется тепло и тем больше, чем выше его марка. Это свойство портландцемента используется при производстве работ зимой.

Портландцемент водостоек (в воде он приобретает большую прочность, чем на воздухе) и морозоустойчив. Он широко применяется в бетонных и железобетонных конструкциях.

Портландцемент транспортируется в бумажной таре по 50 кг или навалом. Он должен храниться в сухих складах с плотным полом, приподнятым на 30 см от поверхности земли. При хранении цемента навалом следует применять силосные или бункерные склады.

Для повышения устойчивости изделий из цемента против агрессивного действия грунтовых вод, содержащих вредные кислоты, щелочи и газы, применяются различные гидравлические добавки. При совместном помоле с цементным клинкером употребляют легкие осадочные породы (трепел, диатомит), легкие породы вулканического происхождения (туф, трасс), гранулированные (быстроохлажденные) доменные шлаки.

Сульфатостойкие портландцементы с гидравлическими добавками используются, главным образом, для бетонных и железобетонных подземных и подводных конструкций.

На основе гранулированных доменных шлаков с добавками-активизаторами изготавливают шлаковые цементы. Широко применяются в строительстве шлакопортландцементы, получаемые путем помола или тщательного смешиваний гранулированного шлака с цементным клинкером, измельченных в отдельности. Выпускаются они четырех марок: 300, 400, 500, 600. Прочность у шлакопортландцемента нарастает медленнее, чем у портландцемента. Шлакопортландцементы применяются как для надземных, так и для подземных конструкций, подвергающихся действию минерализованных агрессивных вод.

В строительстве применяется также глиноземистый цемент, получаемый в результате обжига и последующего тонкого помола смеси из высокоглинистых пород (бокситов) и известняков. Он способен быстро твердеть и приобретать высокую прочность в течение суток.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается быстрым нарастанием прочности, после 24 ч твердения предел его прочности на сжатие достигает 200 кг/см². Такой цемент получают соответствующим подбором химического состава клинкера, а также более тонким его помолом.

Гидрофобный цемент получают добавкой при помоле к цементному клинкеру не смачиваемого водой мылонафта. Гидрофобный цемент отличается свойством сохранять активность при длительном хранении даже в условиях влажности.

Пластифицированный цемент получается в результате введения при помоле клинкера специальных добавок (сульфитно-спиртовой барды), которые повышают пластичность смеси цемента с песком. Благодаря этому можно сократить потребное количество воды для затворения, повысить прочность и морозоустойчивость раствора и бетона.

Отделочные цементы – белые или цветные – получают из светлого цементного клинкера при помоле его с белыми гидравлическими добавками или с минеральными цветными пигментами. Белые и цветные цементы предназначаются для декоративной штукатурки, изготовления архитектурных деталей и скульптурных работ.

Расширяющийся цемент представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое в результате совместного помола клинкера глиноземистого цемента и специальных добавок. От других цементов расширяющийся отличается тем, что при твердении он расширяется, в то время как все другие, наоборот, имеют некоторую усадку, т. е. уменьшаются в объеме.

Кислотоупорный цемент получают из молотого кварцевого песка и кремнефтористого натрия. Затворяется он на жидком стекле и применяется для изготовления кислотоупорных бетонов для предприятий химической промышленности.

Самым дешевым гидравлическим вяжущим является гидравлическая известь. Получают ее при умеренном обжиге природного сырья (не доводимого до спекания) — мергелистых известняков, содержащих 8-20% глинистых веществ, или искусственных известняково-глинистых смесей. Объемный вес размолотой в порошок гидравлической извести равен 700-800 кг/м². При затворении водой порошкообразная гидравлическая известь гасится, образуя тесто, которое, начав твердеть на воздухе, продолжает затвердевать под водой без доступа воздуха. Предел прочности на сжатие раствора из смеси этой извести с песком состава 1:3 должен быть не менее 20 кг/см². Применяется гидравлическая известь для изготовления растворов при кладке как в сухих, так и во влажных местах.

К вяжущим веществам относятся также органические вяжущие материалы – битумные и дегтевые. Их называют черными вяжущими (по цвету). Битумные вяжущие представляют собой сложные смеси различных углеводородов и их производных. Во время нагревания эти материалы размягчаются, а при охлаждении вновь становятся вязкими или даже твердыми. Они почти нерастворимы в воде, но легко растворяются в некоторых органических растворителях (бензоле).

Битумы встречаются в природе в чистом виде (природные битумы), а также изготовляются при переработке нефти (нефтяные битумы).

Битумные вяжущие вещества применяются для устройства асфальто-бетонных покрытий дорог, асфальтирования тротуаров и полов, гидроизоляции, наклейки рулонных кровельных материалов и для других целей.

Дегтевые материалы получают при перегонке каменного угля. Жидкий продукт перегонки называется дегтем, твердый – пеком. Применяются они в дорожном строительстве, а также для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов.

Вы решили построить свой коттедж. С чего лучше всего начать? Конечно, с выбора и покупки земельного участка. К сожалению, не всегда можно купить именно такой земельный участок, который хочется. Тем не менее, следует осмотреть несколько участков и выбрать тот, который больше всего понравится. Желательно, чтобы участок был достаточно велик для размещения на нем не только дома и гаража, но хотя бы небольшого огородика или цветника, а может быть, вы захотите посадить несколько фруктовых деревьев или ягодных кустиков? В любом случае, дом без земли – не дом.

Итак, участок куплен. Следующим шагом должна быть разработка концепции вашего семейного гнездышка. К обсуждению проекта обязательно нужно привлечь всех членов семьи, включая детей. Пусть каждый из вас представит дом своей мечты: сколько комнат и каких будет в доме, куда будут выходить окна каждой из них, где будет располагаться гостиная и кухня (об этом лучше спросить хозяйку будущего коттеджа). Где должны находиться гараж, ванная комната и туалеты – все это следует хорошенько продумать. Все пожелания членов семьи следует по возможности учесть, но разработать настоящий, пригодный для воплощения проект дома все же следует доверить профессионалам.

Не пожалейте средств, чтобы нанять для создания проекта профессионального архитектора, имеющего достаточный опыт и знания, а также, что немаловажно, лицензию на осуществление проектной деятельности. Только настоящий мастер своего дела поможет вам правильно рассчитать нагрузку несущих конструкций, подобрать подходящие материалы для строительства внешних и внутренних стен, потолка, крыши и других элементов дома. Проект коттеджа должен соответствовать действующим строительным нормам и правилам. Экономия на проектировании в дальнейшем может обернуться значительными затратами на перестройку и переделку дома, на покупку лишних строительных материалов. И это еще в лучшем случае. В конечном счете, эти затраты могут оказаться значительно больше сэкономленных средств. Скупой платит дважды.

Еще следует учесть тот факт, что разрешение на строительство дома вы можете получить, только предоставив проект, созданный лицензированным лицом. Коттеджи – это не так просто, как может показаться на первый неискушенный взгляд.

Если же вы все же захотите сэкономить на проектировании дома, то делать это следует с умом. Вы можете выбрать один из готовых типовых проектов, которые предложит вам строительная компания, таких проектов у компании может быть достаточно, на любой вкус. Это будет дешевле, но при этом качество проекта будет по-прежнему высоким.

В строительстве при возведении зданий и сооружений применяются различные строительные материалы и изделия из них. Основными строительными материалами в промышленном и гражданском строительстве являются цемент, бетон, кирпич, камень, дерево, известь, песок, черные металлы, стекло, кровельные материалы, пластик и другие.

Материалы, которые не требуют дальних перевозок, добываются или вырабатываются вблизи района строительства, называются местными строительными материалами. К таким материалам обычно относятся песок, гравий, щебень, известь и т. д.

Источником производства строительных материалов служат природные ресурсы страны, которые в качестве строительных материалов могут использоваться в природном состоянии (камень, песок, древесина) или в виде сырья, перерабатываемого на предприятиях промышленности строительных материалов (полистирол, керамзит).

При изучении строительных материалов их можно классифицировать на такие виды: природные каменные материалы, вяжущие материалы, строительные растворы, бетоны и бетонные изделия, железобетонные изделия, искусственные каменные материалы, лесные материалы, металлы, синтетические материалы и т. д.

Все строительные материалы имеют ряд общих свойств, но качественные показатели этих свойств различны.

Физико-механические и механические свойства строительных материалов

Данную группу свойств составляют, во-первых, параметры физического состояния материалов и, во-вторых, свойства, определяющие отношение материалов к различным физическим процессам. К первым относят плотность и пористость материала, степень измельчения порошков, ко вторым — гидрофизические свойства (водопоглощение, влажность, водопроницаемость, водостойкость, морозостойкость), теплофизические (теплопроводность, теплоемкость, температурное расширение) и некоторые другие. Технические требования на строительные материалы приведены в Строительных нормах и правилах (СНиП).

Истинной плотностью, p_u называется масса единицы объема материала, взятого в плотном состоянии. Для определения удельного веса необходимо вес сухого материала разделить на объем, занимаемый его веществом, не считая пор. Вычисляется она по формуле:

p_u=m/V_a

где m — масса материала, V_a — объем материала в плотном состоянии.

Истинная плотность каждого материала — постоянная физическая характеристика, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Истинная плотность гранита 2,9 г/см³, стали – 7,85 г/см³, древесины – в среднем 1,6 г/см³. Так как большинство строительных материалов являются пористыми, то истинная плотность имеет для их оценки вспомогательное значение. Чаще пользуются другой характеристикой – средней плотностью.

Средней плотностью, p_c называется масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и содержащейся в них влагой. Средняя плотность пористого материала, как правило,  меньше истинной. Отдельные материалы, такие как сталь, стекло, битум, а также жидкие, имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности. Среднюю плотность вычисляют по формуле:

p_c=m/V_e

где m — масса материала, V_e — объем материала.

Среднюю плотность сыпучих материалов — щебня, гравия, песка, цемента и др. — называют насыпной плотностью. В объем входят поры непосредственно в материале и пустоты между зернами.

Эту характеристику необходимо знать при расчетах прочности конструкций с учетом их собственного веса, а также для выбора транспортных средств при перевозках строительных материалов.

Относительная плотность, d - отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4^оС, имеющая плотность 1000 кг/м³.

Пористостью, П называется отношение объема пор к общему объему материала. Пористость вычисляется по формуле

П=(1 – p_c/p_u)*100

где p_c, p_u — средняя и истинная плотности материала.

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах, начиная от 0 (сталь, стекло) до 95% (пенобетон).

Для сыпучих материалов определяется пустотность (межзерновая пористость). Истинная, средняя плотности и пористость материалов — взаимосвязанные величины. От них зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость и другие свойства материалов. Примерные значения их для наиболее распространенных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Водопоглощением материала называется его способность впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно определяется как разность весов образца материала в насыщенном водой и сухом состояниях и выражается в процентах от веса сухого материала (водопоглощение по массе) или от объема образца (водопоглащение по объему).

Водопоглощение определяют по следующим формулам:

W_M=(m_в- m_c)/m_c   и   W_o=(m_в- m_c)/V

где m_в — масса образца, насыщенного водой, m_c — масса образца, высушенного до постоянной массы, V — объем образца.

Между водопоглощением по массе и объему существует следующая зависимость:

W_o=W_M*p_c

Водопоглощение всегда меньше пористости, так как поры не полностью заполняются водой.

В результате насыщения материала водой его свойства существенно изменяются: уменьшается прочность, увеличивается теплопроводность, средняя плотность и т. п.

Влажность материала W определяется содержанием воды в материале в данный момент, поэтому процент влажности ниже, чем полное водопоглощение. Она определяется отношением воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала. Влажность вычисляется по формуле:

W=(m_вл- m_c)/m_c*100

где, m_вл, m_с— масса влажного и сухого материала.

Водопроницаемостью называется способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость материала зависит от его пористости и характера пор. С водопроницаемостью сталкиваются при возведении гидротехнических сооружений, резервуаров для воды.

Обратной характеристикой водопроницаемости является водонепроницаемость — способность материала не пропускать воду под давлением. Очень плотные материалы (сталь, битум, стекло) водонепроницаемы.

Морозостойкостью называется способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности.

Разрушение происходит из-за того, что объем воды при переходе в лед увеличивается на 9%. Давление льда на стенки пор вызывает растягивающие усилия в материале.

Морозостойкость материалов зависит от их плотности и степени заполнения водой.

Образцы испытываемого материала, в зависимости от назначения, должны выдержать от 15 до 50 и более циклов замораживания и оттаивания. При этом испытание считается выдержанным, если на образцах нет видимых повреждений, потеря в весе не превышает 5%, а снижение прочности не превосходит 25%.

Морозостойкость имеет большое значение для стеновых материалов, которые подвергаются попеременному воздействию положительной и отрицательной температуры, и измеряется в циклах замораживания и оттаивания.

Теплопроводностью называется способность материала проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал.

Чем больше пористость и меньше средняя плотность, тем ниже коэффициент теплопроводности. Такой материал имеет большее термическое сопротивление, что очень существенно для наружных ограждающих конструкций (стен и покрытий). Материалы с малым коэффициентом теплопроводности называются теплоизоляционными материалами (минеральная вата, полистирол, пенобетон, полистиролбетон и др.) Они применяются для утепления стен и покрытий. Наиболее теплопроводными материалами являются металлы.

Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды составляет 0,58 Вт/(м*^оС), а воздуха 0,023 Вт/(м*^оС), т.е. превышает его в 25 раз. Коэффициенты теплопроводности отдельных материалов приведены в таблице 1.

Огнестойкостью называется способность материалов сохранять свою прочность под действием высоких температур. Сопротивление воспламенению определяется степенью возгораемости. По степени возгораемости строительные материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К ним относятся каменные материалы (бетон, кирпич, гранит) и металлы.

Трудносгораемые воспламеняются с большим трудом, тлеют или обугливаются только при наличии источника огня, например фибролитовые плиты, гипсовые изделия с органическим заполнением в виде камыша или опилок, войлок, смоченный в глиняном растворе, и т. п. При удалении источника огня эти процессы прекращаются.

Сгораемые материалы способны воспламеняться и гореть или тлеть после удаления огня. Такие свойства имеют все незащищенные органические материалы (лесоматериалы, камыш, битумные материалы, войлок и другие).

Огнеупорностью называют свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не расплавляясь и не размягчаясь. По степени огнеупорности материалы подразделяют на следующие группы: огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огнеупорные выдерживают температуру 1580^оС и выше, тугоплавкие — 1350 — 1580^оС, легкоплавкие — менее 1350^оС. Огнеупорные материалы используются при сооружении промышленных печей, для обмуровки котлов и тепловых трубопроводов (огнеупорный кирпич, жаростойкий бетон и т. п.).

Механические свойства строительных материалов

К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др.

Прочностью называется свойство материала сопротивляться разрушению и деформации от внутренних напряжений под действием внешних сил или других факторов (неравномерная осадка, нагревание и т.д.). Прочность материала характеризуют пределом прочности или напряжением при разрушении образца. При сжатии это напряжение определяется делением разрушающей силы на первоначальную площадь образца.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр. Они определяются испытанием стандартных образцов на испытательных машинах.

Важнейшим свойством бетона является прочность. Лучше всего он сопротивляется сжатию. Поэтому конструкции проектируют таким образом, чтобы бетон воспринимал сжимающие нагрузки. И только в отдельных конструкциях учитывается прочность на растяжение или на растяжение при изгибе.

Прочность при сжатии. Прочность бетона при сжатии характеризуется классом или маркой (которые определяют чаще всего в возрасте 28 суток). В зависимости от времени нагружения конструкций прочность бетона может назначаться и в другом возрасте, например 3; 7; 60; 90; 180 суток.

В целях экономии цемента, полученные значения предела прочности не должны превышать предел прочности, соответствующей классу или марке, более чем на 15%. Класс представляет собой гарантированную прочность бетона в МПа с обеспеченностью 0,95 и имеет следующие значения: B_b1 — B_b60, с шагом значений 0,5. Маркой называется нормируемое значение средней прочности бетона в кгс/см² (МПа*10).

При проектировании конструкции чаще всего назначают класс бетона, в отдельных случаях — марку. Соотношения классов и марок для тяжелого бетона по прочности на сжатие приведены в таблице 3.

Таблица 3.

На прочность бетона влияет ряд факторов: активность цемента, содержание цемента, отношение воды к цементу по массе (В/Ц), качество заполнителей, качество перемешивания и степень уплотнения, возраст и условия твердения бетона, повторное вибрирование.

Истираемость — способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий.  Эта характеристика учитывается при назначении материалов для пола, лестничных ступеней и площадок дорог.

Строительные растворы

Строительные растворы представляют собой смесь из вяжущего вещества и мелкого заполнителя, затворенную водой. Благодаря наличию вяжущего они обладают свойством затвердевать. Растворы применяются для кладки и штукатурки. Основным назначением растворов в кладке является связывание камней и блоков в монолит, равномерная передача давления от вышележащих к нижележащим рядам кладки и предохранение стен от продувания и проникновения влаги.

По виду применяемых вяжущих различают простые растворы с одним вяжущим (цементные, известковые, гипсовые, глиняные) и смешанные, в состав которых входит несколько вяжущих веществ (цементно-известковые, цементно-глиняные, известково-гипсовые и другие).

По свойствам вяжущего растворы разделяются на воздушные и гидравлические. По роду заполнителей (песков) растворы разделяются на тяжелые с обыкновенными песками и легкие – с песками шлаковыми, пемзовыми и т. п. Тяжелые растворы имеют объемный вес 1500 – 2000 кг/м³, легкие – менее 1500 кг/м³.

Растворы, применяемые для кладки, должны иметь прочность, соответствующую напряжению в кладке.

Растворы различают также по составу. Состав раствора условно обозначается пропорцией в виде отношения количества вяжущего и заполнителя по объему, например 1:4. Такая запись означает, что на одну часть вяжущего требуется четыре части заполнителя по объему. Состав смешанных растворов записывается пропорцией из трех цифр, например, цементно-известковый раствор 1:1:9. Это означает, что на одну часть цемента требуется одна часть извести и девять частей заполнителя по объему. Состав раствора и дозировку воды для получения заданной марки раствора определяют по таблицам и проверяют в лаборатории пробными испытаниями.

Растворы марок 4 и 10 приготовляются преимущественно на извести. Растворы марок 10 и 25 приготовляются на местных вяжущих либо на портландцементах с введением значительного количества извести, активных минеральных добавок (вулканические пеплы, туф, пемза, доменные шлаки и др.). Растворы марки 50 и выше приготовляются на портландцементах с введением в отдельных случаях небольшого количества извести или активных минеральных добавок.

Ориентировочные составы растворов (цемент, известь или глиняное тесто, песок) для каменной кладки на различных цементах приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Свежеприготовленные растворы характеризуются подвижностью и удобоукладываемостью. Подвижность растворной смеси определяется глубиной проникновения в свежеприготовленный раствор металлического конуса СтройЦНИЛа с углом при вершине 30, весом 300 г и выражается в сантиметрах.

Подвижность растворов указывается в нормах в зависимости от их назначения. Так, например, для кирпичной кладки она должна соответствовать погружению конуса на 9 -13 см, для бутовой под лопатку – на 4 – 6 см, для вибрируемой бутовой кладки – на 2 – 3 см.

Удобоукладываемость   раствора – способность расстилаться тонким сплошным слоем на поверхности кладки. Для повышения удобоукладываемости раствора служат различные добавки, например глина, известь и другие, называемые пластификаторами.
Песок, применяемый для строительных растворов, не должен иметь крупных включений, препятствующих соблюдению нужной толщины шва при кладке и нанесению штукатурного слоя. Размер зерен песка в растворе не должен превышать для кирпичной кладки 2,5 мм, для штукатурки 1,5 – 2,5 мм. Для получения песка требуемой крупности его просеивают на виброситах.

Если в качестве заполнителя применяется шлаковый песок, то он подвергается предварительному дроблению.

Известь гасится механизированным способом и поступает для приготовления растворов в виде известкового молока или известкового теста. Для приготовления растворов применяется также молотая негашеная известь. По сравнению с обычной гашеной известью она обладает более высоким запасом тепловой энергии. В процессе ее гашения и твердения выделяется большое количество тепла, что ускоряет процессы схватывания и твердения известкового или смешанного вяжущего, а также позволяет вести кладку зимой, когда известковые растворы, приготовленные из известкового теста обычным способом, непригодны.

Материалы, составляющие раствор, дозируют по объему или по весу. Более совершенной, особенно в отношении цемента, является дозировка по весу. Для дозировки цемента применяют обычные или автоматические весы.

Раствор приготовляется механическим способом в растворосмесителях. Основной технической характеристикой растворосмесителя является емкость смесительного барабана, в котором производится перемешивание составных частей раствора; она измеряется в литрах и определяет то количество смеси, которое может быть загружено в смесительный барабан.

Растворосмесители работают по способу принудительного перемешивания: смесительный барабан во время приготовления раствора неподвижен, а внутри него вращается вал, снабженный лопастями. Продолжительность перемешивания обычных растворов 1,5 – 2,5 мин, легких – до 4 мин. Число замесов колеблется в пределах от 20 до 40 за I ч непрерывной работы растворомешалки.
Производительность растворосмесителя измеряется числом кубических метров приготовленного раствора за одну рабочую смену и зависит от емкости барабана растворомешалки, продолжительности перемешивания, загрузки и выгрузки. Объем готового раствора, получаемого после перемешивания одного замеса, составляет в среднем 0,85 от объема смеси; это число называется коэффициентом выхода раствора.

При небольших строительных и ремонтных работах применяются передвижные растворосмесители емкостью 50 или 80 л, барабан которых загружается вручную. Передвижные растворосмесители емкостью 150 и 325 л имеют подъемный ковш, который загружается составляющими материалами и опрокидывается в смесительный барабан .

На крупных централизованных растворных установках применяют растворомешалки стационарного типа емкостью 325, 750 и 1000 л. Материалы подаются в расходные бункера, расположенные на верхнем этаже установки, и для заданного состава раствора отмериваются дозаторами. Далее под действием собственного веса они поступают в сборный бункер, а из него – в растворосмеситель. Готовый замес раствора выгружается в раздаточный бункер, а из него на транспортные средства.

На основе органических вяжущих приготовляются асфальтовые растворы. Вяжущим в таких растворах служит смесь битума с тонкомолотыми добавками, заполнителем – песок или мелкий гравий. Смесь заполнителей и битума при непрерывном перемешивании нагревается в котлах до 170—180°С. Готовый раствор называется литым асфальтом и применяется в строительстве для устройства тротуаров, плоских крыш, полов и т. п.

Бетон

Бетоном называется искусственный камень, получаемый в результате твердения смеси вяжущего вещества, воды и заполнителей – мелкого (песка) и крупного (гравия или щебня). До затвердения эта масса называется бетонной смесью. Основными свойствами бетона, определяющими его пригодность для технических целей, является плотность, прочность и объемный вес. С течением времени прочность бетона нарастает, причем особенно интенсивно в первые 28 дней. В этом возрасте принято определять марку бетона.

Плотность бетона имеет существенное значение для повышения его морозостойкости и водонепроницаемости.

Объемный вес в значительной степени определяет область применения бетона. По объемному весу бетоны разделяются на тяжелые (1800 — 2500 кг/м³), легкие (500 — 1800 кг/м³) и теплоизоляционные (менее 500 кг/м³).

Прочность бетона зависит от количественного содержания цемента, от водоцементного отношения (отношение количества воды к количеству цемента в замесе по весу), активности (марки) цемента и от правильного подбора зернового состава заполнителей бетона. Она нарастает с повышением активности цемента и убывает при увеличении количества воды, взятой для затворения бетонной смеси при одной и той же активности цемента.

В зависимости от количества воды бетонные смеси бывают жесткие, пластичные и литые.

Основными свойствами бетонной смеси, укладываемой в конструкции, являются подвижность и удобоукладываемость.

Осадка конуса, при помощи которого определяется числовая характеристика подвижности бетонной смеси, для жестких бетонных смесей составляет 0 — 2 см, для пластичных 3 — 15 и для литых 15 — 22 см.

Для жестких бетонных  смесей  водоцементное отношение В/Ц = 0,3, для пластичных оно достигает 0,7.

Удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется продолжительностью вибрирования в секундах при заполнении формы установленного размера.

Жесткая бетонная смесь почти не дает осадки и ее необходимо тщательно уплотнять. Для уплотнения применяют вибраторы. Под действием вибрирования она растекается по форме и полностью заполняет ее. Жесткие бетонные смеси хуже укладываются, зато у них короче процесс твердения бетона, они достигают большой прочности и при их применении уменьшается расход цемента.

Пластичная бетонная смесь более подвижна и укладывается в форму значительно легче, а литая может укладываться без уплотнения.

Очень важно правильно подобрать состав бетонной смеси. Подбор состава заключается в определении водоцементного отношения и установлении соотношения между цементом, песком и крупным заполнителем по весу или объему. При расчете состава бетонной смеси исходят из заданной прочности, необходимой подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси, из качества и вида имеющихся заполнителей и условия максимальной экономии цемента.

Состав бетонной смеси записывается в виде отношения, например 1:2,5:4,5 при В/Ц=0,65. Это означает, что на одну часть цемента надо взять 2,5 части песка и 4,5 части щебня.

Состав бетонной смеси, рассчитанной для сухих материалов, в лабораторных условиях называется номинальным. Для производства он пересчитывается на рабочий состав, в котором учитывается естественная влажность имеющихся материалов.
Бетонная смесь приготовляется механизированным способом в бетоносмесителях периодического или непрерывного действия; в них перемешиваются составные части бетона, загружаемые в смесительный барабан.

В бетоносмесителе периодического действия каждый цикл работы состоит из загрузки дозированных материалов, перемешивания их и выгрузки готового замеса бетонной смеси.

В бетоносмесителях непрерывного действия загрузка материалов и выгрузка бетонной смеси производятся непрерывно.

Большое распространение получили бетоносмесители периодического действия, в которых перемешивание материалов производится по принципу свободного падения (гравитационные бетоносмесители). В таких смесителях на внутренней поверхности смесительного барабана укреплены лопасти. При вращении барабана материал увлекается лопастями, поднимается на некоторую высоту, затем падает вниз, перемешиваясь.

Объем готовой бетонной смеси, получаемой после перемешивания одного замеса, составляет в среднем 0,65 от суммы объемов сухих материалов. Это соотношение называется коэффициентом выхода бетона. Его надо знать при исчислении потребного количества материала для приготовления 1 м³ бетона.

Продолжительность перемешивания колеблется от 1 до 5 мин в зависимости от состава бетонной смеси и типа бетономешалки.

Выпускаются передвижные бетоносмесители периодического действия различных емкостей и самоходные, смонтированные на шасси автомашины.

Для приготовления жестких бетонных смесей на мелком заполнителе крупностью до 30 мм используется бетоносметель принудительного перемешивания. В таких бетоносмесителях материалы загружаются в горизонтально вращающуюся чашу, внутри которой в направлении, противоположном направлению вращения чаши, вращается вертикальный вал со смесительными лопастями.

По виду заполнителей различают керамзитобетон, полистиролбетон, пенобетон, перлитобетон, шлакобетон и др. Легкие бетоны можно приготовлять также на основе органических заполнителей – мелкой древесной стружки, рубленого камыша, кукурузной кочерыжки и др.

Легкие бетоны применяются для конструкций, которые должны иметь малую теплопроводность или малый объемный вес (стены, перекрытия). Из легкого бетона изготавливаются пустотелые мелкие камни и крупные блоки для кладки стен, а также армированные несущие конструкции (панели).

Особой разновидностью легких бетонов являются крупнопористые бетоны. Их приготовляют без мелкого заполнителя с одномерным крупным. При таком зерновом составе бетон имеет повышенную пустотность, не заполненную раствором. Благодаря пористому строению снижается объемный вес и теплопроводность этого материала.

Для тепловой изоляции применяются ячеистые бетоны с объемом пор до 95% от общего объема бетона. Приготовляются они смешиванием вяжущего с водой и пеной, получаемой при помощи различных пенообразующих веществ либо в одностадийных турбулентных смесителях.

В зависимости от вида вяжущего и режима твердения различают пенобетон и газобетон.

При твердении цементное тесто благодаря наличию пены образует замкнутые воздушные ячейки с тонкими стенками. Объемный вес пенобетона 300 – 1200 кг/м³. Пенобетон обладает огнестойкостью и малым влагопоглощением. Особенно ценным свойством его является малая теплопроводность. Пенобетон используется также как конструктивный материал, например в плитах покрытий. Для обеспечения прочности их армируют.
Газобетон автоклавного твердения приготовляется на цементном или известковом вяжущем в смеси с молотым кварцевым песком. В качестве газообразователя используют тонкоизмельченный алюминиевый порошок (пудру) в смеси с известью-пушонкой. Выделяющийся при химической реакции водород вспучивает цементное тесто, которое затем затвердевает, сохраняя пористую структуру.

Кроме цементных бетонов применяются бетоны, приготавливаемые на других вяжущих: известковые бетоны, гипсобетоны и асфальтобетоны.