Энергоэффективные материалы ограждающих конструкций

 

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра энергофизики

Реферат

Энергоэффективные материалы ограждающих конструкций

Строительные материалы

студента Марудо Алексея Владимировича

Преподаватель Федотов Александр Кириллович

Минск 2013

Содержание

Введение

. Общие сведения о строительных материалах

. Бетон. Его основные свойства и характеристики

.1 Строение и химический состав

.1.1 Цемент

.1.2 Вода

.1.3 Мелкий заполнитель

.1.4 Крупный заполнитель

.1.5 Добавки

.2 Физические и механические свойства

.2.1 Деформативные свойства бетона

.2.2 Упруго-пластичные свойства

.2.3 Плотность бетона

.2.4 Проницаемость бетона

.2.5 Морозостойкость бетона

.2.6 Теплофизические свойства

.3 Уход за свежеуложенным бетоном и контроль его качества

. Железобетон. Его основные свойства и характеристики

. Кирпич. Его основные свойства и характеристики

.1 Состав кирпича

.2 Физико-механические свойства

.2.1 Визуальные и геометрические характеристики

.2.2 Водопоглощение

.2.3 Морозостойкость

.2.4 Определение предела прочности при изгибе

.2.5 Определение предела прочности при сжатии

. Древесина. Основные свойства и характеристики

.1 Химический состав древесины

.2 Физические свойства

.2.1 Внешний вид

.2.2 Влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением

.2.3 Теплофизические свойства

.2.4 Акустические свойства

.3 Механические свойства

.3.1 Прочность при сжатии

.3.2 Деформативность

.3.3 Эксплуатационные и технологические свойства

Заключение

Список литературы

Введение

Всем известно, что материалы для строительства должны обладать высокими конструктивными и эксплуатационными характеристиками, большое значение имеют и теплофизические свойства. Кроме того, не маловажную роль имеет и экономическая сторона вопроса. Мировые цены на энергоносители стремятся вверх, и цивилизованное человечество пытается экономно расходовать энергоресурсы. При такой ситуации ждать в ближайшее время увеличения тепловых мощностей не приходится. Поэтому все актуальнее становится проблема энергосбережения. Уже к концу ХХ в. вопрос экономии энергоресурсов встал перед многими развитыми странами Европы. В Германии в конце 70-х гг. взялись за энергосбережение за счет экономии тепла и электроэнергии в эксплуатируемых зданиях. И без того бережливым немцам удалось уменьшить расходы в этом направлении на треть. В Англии правительству Маргарет Тэтчер, пришедшему к власти в самый канун 80-х гг. после развала экономики лейбористами, удалось вывести страну из кризиса во многом за счет жесткой экономии энергоресурсов. Пришла и наша очередь бороться с потерями энергии. Один из путей - экономить на отоплении зданий, сберегая тепло. Энерго- и ресурсосбережение - генеральное направление технической политики в области строительства. В энергосбережении большое значение отводится повышению теплозащиты ограждающих конструкций зданий.

В процессе строительства, эксплуатации и ремонта зданий и сооружений строительные изделия и конструкции, из которых они возводятся, подвергаются различным физико-механическим, физическим и технологическим воздействиям. От инженера требуется со знанием дела правильно выбрать материалы, изделия или конструкции, которые обладают достаточной стойкостью, надёжностью и долговечностью для конкретных условий эксплуатации.

1. Общие сведения о строительных материалах

Строительные материалы и изделия, применяемые при строительстве, реконструкции и ремонте различных зданий и сооружений, делятся на природные и искусственные, которые в свою очередь подразделяются на две основные категории: к первой категории относят: кирпич, бетон, цемент, лесоматериалы и др. Их применяют при возведении различных элементов зданий (стен, перекрытий, покрытий, полов). Ко второй категории - специального назначения: гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические и др. [1].

Основными видами строительных материалов и изделий являются: каменные природные строительные материалы; вяжущие материалы неорганические и органические; лесные материалы и изделия из них; металлические изделия. В зависимости от назначения, условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений подбираются соответствующие строительные материалы, которые обладают определёнными качествами и защитными свойствами от воздействия на них различной внешней среды. Учитывая эти особенности, любой строительный материал должен обладать определёнными строительно-техническими свойствами. Например, материал для наружных стен зданий должен обладать наименьшей теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защищать помещение от наружного холода; материал сооружения гидромелиоративного назначения - водонепроницаемостью и стойкостью к попеременному увлажнению и высыханию; материал для покрытия дорог (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы выдержать нагрузки от транспорта [1].

Классифицируя материалы и изделия, необходимо помнить, что они должны обладать хорошими свойствами и качествами [1].

Свойство - характеристика материала, проявляющаяся в процессе его обработки, применения или эксплуатации [1].

Качество - совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением [1].

Свойства строительных материалов и изделий классифицируют на четыре основные группы: физические, механические, химические, технологические [1].

К химическим относят способность материалов сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызывающие в них обменные реакции, приводящие к разрушению материалов, изменению своих первоначальных свойств: растворимость, коррозионная стойкость, стойкость против гниения, твердение [1].

Физические свойства: средняя, насыпная, истинная и относительная плотности; пористость, влажность, влагоотдача, теплопроводность [1].

Механические свойства: пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге; упругость, пластичность, жёсткость, твёрдость [1].

Технологические свойства: удобоукладываемость, теплоустойчивость, плавление, скорость затвердевания и высыхания [1].

2. Бетон. Его основные свойства и характеристики

Бетон - искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания бетонной смеси, состоящий в отдозированных в определённом соотношении гидротационных вяжущих веществ (цементирующих), мелких (песок) и крупных (щебень, гравий) заполнителей, воды и в необходимых случаях добавок [1].

Рисунок 2.1 - Основные типы макроструктуры бетона: 1 - плотная, 2 - плотная с пористым заполнением, 3 - ячеистая, 4 - зернистая; Rб - средняя прочность структуры, R1, R2 - прочность составляющих бетона

2.1 Строение и химический состав

.1.1 Цемент

При приготовлении бетонной смеси применяемый вид цемента и его марка зависят от условий работы будущей бетонной конструкции или сооружения, их назначения, способов производства работ [1].

2.1.2 Вода

Для приготовления бетонной смеси применяют обычную питьевую воду, не содержащую вредных примесей, препятствующих твердению цементного камня. Запрещается применять для приготовления бетонной смеси сточные, производственные, или бытовые воды, болотные воды [1].

2.1.3 Мелкий заполнитель

В качестве мелкого заполнителя применяют природный или искусственный песок. Размер зёрен от 0,14 до 5 мм, истинная плотность более 1800кг/м3. Искусственный песок получают путём дробления плотных, тяжёлых горных пород. При оценке качества песка определяют его истинную плотность, среднюю насыпную плотность, межзерновую пустотность, влажность, зерновой состав и модуль крупности. Кроме того, следует исследовать дополнительные качественные показатели песка - форму зёрен (остроугольность, окатаимость,…), шероховатость и др. Зерновой или гранулометрический состав песка должен отвечать требованиям ГОСТ 8736-77. Его определяют путём просеивания просушенного песка через набор сит с отверстиями размером 5,0; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,14 мм. В результате просеивания навески песка через этот набор сит на каждом из них остаётся остаток, называемый частным ai. Его находят как отношение массы остатка на данном сите mi к массе всей навески песка m:

.

Кроме частных остатков находят полные остатки А, которые определяют как сумму всех частных остатков (%) на вышележащих ситах + частный остаток на данном сите: .

По результатам просеивания песка определяют его модуль крупности:

,

где А - полные остатки на ситах в %.

По модулю крупности различают песок крупный (Мк>2,5), средний (Мк=2,5…2,0), мелкий (Мк =2,0…1,5), очень мелкий (Мк =1,5…1,0) [1].

Путём нанесения кривой просеивания песка на график допускаемого зернового состава определяют пригодность песка для изготовления бетонной смеси [1].

Рисунок 2.2 - Кривая лабораторного просеивания соответственно для а - песка и б - крупного заполнителя

Большое значения в подборе песка для бетонной смеси имеет его межзерновая пустотность Vп (%), которую определяют по формуле:

,

где ?н.п - насыпная плотность песка, г/см3, ? - истинная плотность песка, г/см3 [1]. В хороших песках межзерновая пустотность составляет 30…38%, в разнозернистых - 40…42% [1].

2.1.4 Крупный заполнитель

В качестве крупного заполнителя бетонной смеси применяют природный или искусственный щебень либо гравий с крупностью зёрен от 5 до 70мм [1]. Чтобы обеспечить оптимальный зерновой состав, крупный заполнитель делят на фракции в зависимости от наибольшей крупности зёрен Днаиб. При Днаиб =20мм крупный заполнитель имеет две фракции: от 5 до 10 мм и от 10 до 20 мм; При Днаиб =40мм - три фракции: от 5 до 10 мм; от 10 до 20 мм и от 20 до 40 мм; При Днаиб =70мм - четыре фракции: от 5 до 10 мм; от 10 до 20 мм; от 20 до 40 мм; от 40 до 70 мм.

Большое влияние на расход цемента при приготовлении бетонной смеси имеет показатель межзерновой пустотности крупного заполнителя Vп.кр (%), которую определяют с точностью до 0,01% по формуле:

,

где ?н.кр - средняя насыпная плотность крупного заполнителя, ?к.кус - средняя плотность крупного заполнителя в куске [1].

Показатель межзерновой пустотности должен быть минимальным. Меньшим его значение можно получить путём подбора оптимального зернового состава крупного заполнителя [1].

Зерновой состав крупного заполнителя устанавливают в результате просеивания просушенного крупного заполнителя набором сит с отверстиями размером 70; 40; 20; 10; 5 мм с учётом его максимальной Днаиб и минимальной Днаим крупности [1].

Щебень - обычно искусственный рыхлый материал с неокатанными шероховатыми зёрнами, получаемый путём дробления горных пород, крупного природного гравия или искусственных камней. Для определения пригодности щебня необходимо знать: истинную плотность горной породы, среднюю плотность щебня, среднюю насыпную плотность щебня, относительную межзерновую пустотность и влажность щебня [1]. Гравий - рыхлый природный материал с окатанными, гладкими зёрнами, образовавшийся в процессе физического выветривания горных пород. К гравию предъявляют те же требования что и к щебню [1].

2.1.5 Добавки

Введение добавок в цемент, растворную или бетонную смесь является простым и удобным способом повышения качества цемента, растворного камня и бетона. Позволяющим значительно улучшить не только их свойства но и технические, эксплуатационные показатели. Добавки используют при производстве вяжущих веществ, приготовлении строительных растворов и бетонных смесей. Они позволяют изменить качество бетонной смеси и самого бетона: воздействуя на удобоукладываемость, механическую прочность, морозостойкость, трещиностойкость, водостойкость, водонепроницаемость, теплопроводность, стойкость к окружающей среде [1].

2.2 Физические и механические свойства

К основным свойствам бетонной смеси относят связность (способность сохранять её однородность, не расслаиваясь при транспортировке, выгрузке), однородность, водоудерживающую способность (значительную роль играет в образовании структуры бетона, приобретении им прочности, водонепроницаемости и морозостойкости), удобоукладываемость (способность её быстро с минимальной затратой энергии приобретать необходимую конфигурацию и плотность, обеспечивая получение бетона высокой плотности).

бетон кирпич древесина механический

2.2.1 Деформативные свойства бетона

В процессе изготовления изделий из бетона, в ходе их эксплуатации бетон претерпевает объемные изменения, величина которых зависит от структуры бетона, свойств его составляющих, особенностей технологии и др. Деформации, происходящие при подобных объемных изменениях, учитывают при проектировании конструкций, поскольку они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и железобетонных сооружений.[2]

Условно деформации бетона можно разделить:

на собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка) и бетона (усадка и набухание);

деформации под действием механических нагрузок (кратковременные и длительные);

температурные деформации [2].

Рисунок 2.3- Зависимость первоначальной усадки от времени, прошедшего с момента укладки бетона литой(1) и подвижной смеси(2)

После укладки бетонной смеси в опалубку и уплотнения в ней может происходить седиментационное осаждение твердых частиц и постепенное дополнительное уплотнение. Наиболее заметно оно в пластичных и литых смесях и сопровождается, иногда заметным даже на глаз, водоотделением смеси [2].

Деформации интенсивно развиваются в первый момент после укладки и уплотнения бетонной смеси и постепенно затухают уже через 30-90 минут (рисунок 2.3) [2].

Водоотделение литых смесей достигает максимума через 10-20 минут, а затем начинается постепенное всасывание воды вглубь бетона вследствие интенсивного протекания процесса контракции цементного теста [2].

Первоначальная усадка уменьшается со снижением водосодержания бетонной смеси и уменьшения расхода цементного теста, при применении тонкомолотых добавок, хорошо удерживающих воду (трепел, диатомит, метиллцеллюлоза), при высоком содержании крупного заполнителя, формующего жесткий скелет в смеси. Однако внутри такого скелета смеси с большим расходом воды в ходе седиментационного процесса увеличивается доля скрытой усадки, протекающей в отдельных микрообъемах и вызывающей расслоение и ухудшение качеств бетонной смеси [2].

При прессовании бетонных смесей в них проявляется упругое последействие. Вследствие этого материал несколько расширяется. Большое влияние на величину сжимаемости оказывает вовлеченный воздух: чем его больше, тем больше сжимаемость [2].

На величину первоначальной усадки могут оказать влияние форма, арматурный каркас и производственные факторы. Густое армирование и узкая форма будут препятствовать появлению первоначальной усадки [2].

Все эти факторы необходимо учитывать при формовании изделий, так как они влияют на окончательные размеры изделия и качество его поверхности [2].

Процесс твердения бетона в атмосферных условиях сопровождается уменьшением его объема - усадкой. При твердении бетона в воде или во влажных условиях возможно даже незначительное его расширение.[2]

Усадка вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении и изменении его влажности. Она складывается из влажностной, контракционной и карбонизационной деформаций, названных так по виду определяющих факторов [2].

Влажностная усадка вызывается испарением влаги из образовавшегося скелета цементного камня. Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона. Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Эта усадка развивается в период интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой и, сохраняя внешне размеры образца, изменяет поровую структуру материала. Обычно она развивается в период затвердевания бетона, когда он еще достаточно пластичен и поэтому не сопровождается растрескиванием. Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидрооксида кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину [2].

Влажностная и карбонизационная усадки происходят в уже затвердевшем бетоне и могут привести к возникновению трещин в бетоне, что резко сокращает долговечность конструкций [2].

Величина усадки бетона зависит от его состава и свойств использованных материалов. Она увеличивается при повышении содержания цемента и воды, применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых заполнителей [2].

Быстрое высыхание бетона приводит к значительной и неравномерной усадке (более высокой в поверхностных слоях) и может вызвать появление усадочных трещин [2]. Поскольку самым важным компонентом деформации являются влажностные деформации, протекающие при испарении влаги из микрокапилляров, наиболее интенсивно она развивается при влажности окружающей среды W>60 % и через полгода стабилизируется [2].

2.2.2 Упруго-пластичные свойства

Бетон не обладает совершенной упругостью, и полная его деформация в результате приложения к нему внешней нагрузки за некоторое время ее действия складывается из двух слагаемых:

.

На характер нарастания деформаций под действием нагрузки влияют скорость ее приложения, размеры образца, температурно-влажностное состояние бетона и окружающей среды, длительность действия нагрузки и другие факторы (рисунок 2.4) [2].

Рисунок 2.4 - Зависимость деформации от скорости приложения нагрузки: 1 - при мгновенном нагружении, 2 - через 5с, 3 - через 15с, 4 - через 30с, 5 - через 60с

О деформативных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его модулю деформации, т.е. по отношению напряжения к относительной деформации, вызываемой его действием (рисунок 2.5) [3].

Рисунок 2.5 - Диаграмма деформации бетона: и соответственно пластическая и упругая деформации

Чем выше модуль деформации, тем менее деформативен материал. Поскольку диаграмма сжатия бетона криволинейна, то обычно определяют либо начальный модуль деформации бетона , когда преобладают упругие деформации, либо модуль деформации при определенном значении , так как для расчета железобетонных конструкций важнее зависимость модуля деформаций от прочности бетона, предложен ряд формул для определения средних значений модуля деформаций [2].

Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под нагрузкой имеют величины предельных деформаций, при которых начинается разрушение бетона [2].

Предельная сжимаемость бетона составляет 0,0015-0,003, увеличиваясь при повышении прочности бетона, а предельная растяжимость в 15-20 раз меньше [2].

При длительном воздействии нагрузки модуль деформации бетона уменьшается. Это объясняется тем, что полные деформации бетона растут быстрее, чем напряжения, вследствие накопления деформаций ползучести [2].

Под ползучестью бетона понимают процесс развития деформаций под действием постоянной статической нагрузки. Рост остаточный деформаций бетона под действием постоянной нагрузки продолжается длительное время (рисунок 2.6) [2].

Ползучесть бетона обусловлена ползучестью цементного камня, определяемой его строением (наличием субмикрокристаллов гидросиликатов кальция со сложной структурой кристаллической решетки, удерживающих межплоскостную и пленочную воду). Эта гелевая составляющая обладает свойством вязкого течения под нагрузкой [4]. Затухающий характер ползучести объясняется уменьшением доли геля и увеличением доли кристаллического каркаса, а также увеличением вязкости геля. Конечные деформации ползучести бетона тем меньше, чем меньше расход цемента и водоцементное отношение и чем больше возраст бетона к моменту загружения [2].

Рисунок 2.6 - Рост деформации ползучести бетона во времени

Для оценки ползучести удобно пользоваться мерой ползучести С, под которой понимается ползучесть бетона при единичной нагрузке:

.

Арматура уменьшает ползучесть железобетона в тем большей степени, чем выше процент армирования.

2.2.3 Плотность бетона

Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и затвердевшего бетона. Бетонная смесь может быть почти совершенно плотной (имеется в виду плотность с учетом содержащейся в смеси воды), если она правильно рассчитана и плотно уложена. Плотность такой смеси довольно точно совпадает с теоретической, рассчитанной по сумме абсолютных объемов материалов, если она не содержит вовлеченного воздуха [2].

Рисунок 2.7 - Влияние относительной степени уплотнения бетона на его прочность при сжатии

Качество уплотнения бетонной смеси обычно оценивается коэффициентом уплотнения

,

где и действительная и расчетная плотность бетонной смеси.

Обычно стремятся получить , но вследствие воздухововлечения в бетонную смесь при вибрации и других факторах он составляет 0,96-0,98 (рисунок 2.7) [2].

Плотность затвердевшего бетона зависит, главным образом, от плотности заполнителей. Применяя заполнители различной пористости и плотности, можно получать бетоны с плотностью до 2600 кг/м3 [2].

В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии. Остальная (свободная) вода остается в порах или испаряется. Поэтому затвердевший бетон никогда не бывает абсолютно плотным. Пористость, в %, бетона можно определить по формуле

,

где В и Ц - расходы воды и цемента, - содержание химически связанной воды, доля от массы цемента, обычно для бетона в возрасте 28 суток, принимаемая равной 0,15 [2].

Относительная плотность бетона может быть повышена тщательным подбором зернового состава заполнителей; применением цементов, присоединяющих при гидратации возможно больше воды (высокопрочный портландцемент, глиноземистый и расширяющийся цементы) или цементов, занимающих больший абсолютный объем (пуццолановый портландцемент); уменьшением водоцементного отношения с использованием пластифицирующих добавок; уплотнением совершенными способами. Относительная плотность бетона является его важнейшим свойством, в значительной мере определяющим его прочность, морозостойкость, непроницаемость и долговечность [2].

2.2.4 Проницаемость бетона

Проницаемость в конечном итоге определяет способность материала сопротивляться воздействию увлажнения и замерзания, влиянию различных атмосферных факторов и агрессивных сред [2].

Проницаемость зависит от общей пористости, структуры пор, свойств вяжущего и заполнителей, вида флюида. Для гидротехнических бетонов наибольшее значение имеет водонепроницаемость [2].

Бетон является капиллярно-пористым материалом, пронизанным сеткой мельчайших пор и капилляров размером до 10-5 мм, к которым относятся и поры цементного геля, практически непроницаемые для воды. Микропоры и капилляры размером более 10-5 мм доступны для фильтрации воды, которая происходит вследствие перепада давлений [2]. Объем макропор в бетоне колеблется от 0 до 40 %. Макропористость бетона уменьшается при понижении В/Ц, увеличением степени гидратации цемента, уменьшением воздухововлечения в бетонную смесь, с использованием химических добавок, уплотняющих структуру бетона [5].

Проницаемость бетона можно оценить коэффициентом проницаемости, который измеряется количеством воды В, прошедшей через 1 см2 образца в течение 1 часа при постоянном давлении:

,

где А - площадь образца, t - время, р1-р2 - градиент давления [2].

Зависимость проницаемости от В/Ц на практике подтверждается достаточно редко, так как при одинаковом В/Ц макропористость зависит от вида и расхода цемента, степени уплотнения и ряда других факторов, которые оказывают заметное влияние на проницаемость бетона [2].

Микрокапилляры за счет связывания в них воды поверхностными силами как бы закупориваются и могут пропускать воду только при большом давлении. Поэтому плотные бетоны обычно не фильтруют воду, и для их оценки используют другое понятие - марка по водонепроницаемости [2].

Для тяжелых бетонов, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозийной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости. Установлены следующие марки по водонепроницаемости W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18; W20 [2].

Эта характеристика определяется испытаниями и показывает, до какого давления бетон является непроницаемым для воды [2].

При испытании с одной стороны образца, соприкасающегося с водой, создают давление, медленно его повышая. Наблюдая за другой стороной образца, отмечают, при каком давлении на поверхности бетона появляются влажные пятна. Это давление определяет марку бетона по водонепроницаемости [2]. За счет нахождения в макрокапиллярах продуктов гидратации цемента водопроницаемость бетона со временем снижается (рисунок 2.8) [2].

В ряде случаев водопроницаемость (в силу растворения в воде солей, кислот и других веществ) может сопровождаться физико-химическими процессами взаимодействия продуктов гидратации цемента и заполнителей с фильтрующей жидкостью, что приводит к повышению проницаемости бетона (иногда продукты реакции могут снижать проницаемость) [2].

Рисунок 2.8 - Влияние возраста бетона на его водопроницаемость (за 100% принята водопроницаемость в возрасте 30 сут.)

Введение добавок или специальных веществ при приготовлении бетона является сравнительно простым и достаточно эффективным мероприятием. Проницаемость также существенно может быть уменьшена путем пропитки бетона жидким стеклом, серой и другими веществами, кольматирующими поры и капилляры бетона. Практически непроницаемыми являются полимербетоны [2].

2.2.5 Морозостойкость бетона

Под морозостойкостью бетона понимают способность в насыщенном водой состоянии поддерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание [2]. Основной причиной, вызывающей разрушение бетона, является давление на стенки пор и устья микротрещины, создаваемое замерзающей водой. При замерзании вода увеличивается в объеме на 9 %. Расширению препятствует жесткий каркас бетона, в котором возникают высокие напряжения. Многократно повторяемые замораживания и оттаивания разрушают структуру бетона, постепенно разупрочняют ее, и материал начинает разрушаться [2].

Это явление усиливается гидростатическим давлением воды, еще не успевшей перейти в лед и различием в коэффициентах температурного расширения составляющих бетона [2].

Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря в массе образца менее 5 %, и снижением прочности не превышает 5 %. Это количество циклов и определяет марку бетона по морозостойкости. Для тяжелых бетонов назначают марки по морозостойкости F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000 [2].

Морозостойкость бетона зависит от его строения, особенно от характера пористости, так как объем пор будет определять объем и распределение льда в теле бетона при отрицательных температурах, т.е. интенсивность воздействий на бетон [2].

В микропорах бетона связанная вода не переходит в лед при температурах -70 оС и ниже, поэтому и в данном случае микропоры не оказывают влияния на свойства бетона.

Морозостойкость бетона повышается с уменьшением объема макропор за счет снижения В/Ц, применения гидрофобирующих или кольматирующих добавок, создания резервного объема воздушных пор с помощью воздухововлекающих добавок, формулирующих особую структуру пор бетона, незаполняемых водой, но доступных для проникания в них воды под давлением, возникающим при замерзании (рисунок 2.9) [2].

Рисунок 2.9 - Зависимость морозостойкости бетона от капиллярной пористости П1

Рисунок 2.10 - Зависимость морозостойкости Мрз обычного бетона (1) и бетона с вовлеченным воздухом (2) от В/Ц

Для обеспечения повышенной морозостойкости необходимо добиться получения в бетоне такого большого количества мельчайших пузырьков, чтобы расстояние между ними не превышало 0,025 см. Обычно в таком бетоне удельная поверхность пор, характеризующая их размеры, составляет 1000-2000 см2/см3, размеры пор 0,005-0,1 см, а расстояние действительно не превышает 0,025 см (рисунок 2.10) [2].

2.2.6 Теплофизические свойства

Теплофизические свойства материала (теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации) ограждающих конструкций определяют тепловую защиту зданий, поведение конструкций при пожаре и воздействии других факторов [2]. Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Она характеризуется количеством тепла (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м2 поверхности при разности температур в 1К в течение 1 с [2].

Коэффициент теплопроводности бетона колеблется в широких пределах от 0,08 до 1,74 Вт/(м×К) и несколько увеличивается с повышением его температуры. Бетон с очень мелкими закрытыми порами имеет наиболее низкую теплопроводность за счет уменьшения количества тепла, передаваемого излучением и массопереносом в теле бетона. Однако при насыщении пор водой теплопроводность резко возрастает [2].

Теплоёмкостью С называют количество теплоты, необходимое для того чтобы нагреть 1кг материала на 10С. Она характеризует способность материала аккумулировать тепло.

Теплоемкость бетона, используемая в технических расчетах, зависит от его состава, структуры и плотности и может изменяться в пределах 0,75-1,1 кДж/(кг×К). Вода имеет более высокую теплоемкость 4,19 кДж/(кг×К), поэтому с повышением содержания воды в бетоне (или его влажности) теплоемкость бетона возрастает [2].

2.3 Уход за свежеуложенным бетоном и контроль его качества

Бетонные смеси приготавливают на стационарных бетонных заводах или в передвижных бетоносмесительных установках. На качество бетонной смеси (однородность) влияет качество её перемешивания в процессе приготовления. Продолжительность перемешивания составляет несколько минут. Допускается повторное перемешивание бетонной смеси в пределах 3…5 часов от момента её приготовления. Важнейшее условие приготовления бетонной смеси - тщательное дозирование составляющих материалов. Отклонение в дозировке допускается не более ±1% по массе для цемента и воды, и не более ±2% для заполнителей. Приготовленную бетонную смесь доставляют к месту укладки специальными транспортными средствами. Продолжительность транспортировки готовой бетонной смеси к месту укладки не должна превышать 1 час. В настоящее время бетонную смесь укладывают механизировано с помощью бетоноукладчиков, бетонораздатчиков. Уплотнение бетонной смеси во время укладки обеспечивает качественное заполнение смесью всех промежутков [2].

Наиболее распространённый способ уплотнения бетонной смеси - вибрирование(рисунок 2.11). При вибрировании бетонной смеси уменьшается трение между её составляющими, увеличивается текучесть, смесь переходит в состояние тяжёлой вязкой жидкости и под действием собственного веса уплотняется.

В процессе уплотнения из бетонной смеси удаляется воздух и бетон приобретает хорошую плотность. Чтобы улучшить структурообразовывающие бетона, повысить его прочность, морозостойкость, водонепроницаемость применяют повторное вибрирование бетонной смеси через 1,5-2ч. с момента первого вибрирования [2].

Рисунок 2.11 - Зависимость прочности бетона Rб от продолжительности вибрирования t

Для получения высококачественного бетона необходим соответствующий уход за свежеуложенным бетоном. Отсутствие ухода за свежеуложенным бетоном может привести к получению низкокачественного бетона. Основные мероприятия по уходу за бетоном - укрытие хорошо увлажненной мешковиной, песком, опилкой, покрытие плёнкообразующим составом. Укрывать следует не позднее чем через 30 минут после уплотнения бетонной смеси [2].

3. Железобетон. Его основные свойства и характеристики

Железобетон - строительный композиционный материал <#"209" src="doc_zip32.jpg" />

Рисунок 4.2 - Схема испытания кирпича на изгиб: 1 - верхняя плита пресса, дающая нагрузку, 2 - опоры, 3 - кирпич, 4 - неподвижный каток для передачи нагрузки

Предел прочности при изгибе Rизг, кН/см2 (МПа), отдельного образца вычисляют по формуле

,

где l - расстояние между осями опор в м; b - ширина образца в м; h - высота образца по середине пролёта без выравнивающего слоя в м; Р - разрушающая нагрузка в кН [9].

Предел прочности при изгибе образцов в партии вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний установленного количества образцов. Допускаемая погрешность - до 0,1 МПа. Если при испытании образцов данной партии в ней окажутся образцы с отклонением от среднего арифметического значения результатов испытаний всех образцов, то образцы с наибольшим отклонением не учитывают и в этом случае средний предел прочности при изгибе образцов данной партии вычисляют как среднее арифметическое значение результатов испытаний без этого образца. Показатель этого образца не является основанием для снижения марки кирпича данной партии [9].

4.2.5 Определения придела прочности при сжатии

Предел прочности при сжатии определяют в такой последовательности: кирпич пластического и полусухого прессования обыкновенный, лицевой, пустотелый толщиной 65 и 88 мм испытывают в образцах, состоящих из двух целых кирпичей, уложенных постелями один на другой. В соответствии с ГОСТ 8462-85 полнотелый кирпич допускается испытывать в образцах, состоящих из двух равных половинок, наложенных постелями одна на другую. Поверхности разреза половинок кирпича должны быть направлены в противоположные стороны [9].

В соответствии с ГОСТ 8462-62 для определения этого показателя кирпичи, отобранные для испытания, распиливают по ширине ножовкой или дисковой пилой на две равные части и погружают в воду не менее чем на 5 минут. Обе половинки накладывают одна на другую поверхностями распила в противоположные стороны. Шов между этими половинками заполняют тестом из портландцемента марки не ниже 400 слоем не более 5 мм [9].

Для соединения и выравнивания поверхностей образцов применяют цементный раствор, состоящий из равных частей портландцемента марки не ниже 400 и песка крупностью не более 1 мм. Водоцементное отношение должно быть в пределах 0,34...0,36. Половинки кирпича накладывают друг на друга на металлической плите, установленной строго горизонтально уровню. Поверхность кирпича предварительно смачивают водой. Цементное тесто кладут на стекло, покрытое смоченной бумагой, с таким расчётом, чтобы толщина слоя не превышала 3-5 мм. Затем одну половинку кирпича укладывают на цементное тесто и слегка прижимают, после чего верхнюю поверхность покрывают тем же тестом и на неё укладывают вторую половинку кирпича, слегка прижимая. Вторую поверхность второй половинки кирпича также покрывают цементным тестом и прижимают стеклом, покрытым смоченной бумагой [9]. Приготовленные таким образом образцы, близкие по форме к кубу, должны иметь поверхности, взаимно параллельные и перпендикулярные боковым граням. Образцы до испытания выдерживают на воздухе в закрытом помещении в течение 3-4 суток при температуре 15±5°С и его относительной влажности 90…95% [9].

Для испытания образцов на сжатие применяют следующую аппаратуру и инструменты: гидравлический пресс, штангенциркуль, измерительную металлическую линейку, поверочную лекальную линейку, щуп для замера зазора. Перед испытанием образцы осматривают и обмеряют. Допускаемые погрешности - не более 1 мм. Каждый линейный размер образца вычисляют как среднее арифметическое результатов трёх измерений: двух измерений параллельных рёбер, лежащих в плоскости одной грани, и средней прямой, лежащей между этими рёбрами [9]. При испытании образец устанавливают в центр опорной плиты и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей грани образца (рисунок 4.3). Нагрузка на образец при испытании должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20...60 с после начала испытания. Разрушающая нагрузка должна составлять не менее 10% предельно развиваемого прессом усилия. Предел прочности при сжатии Rсж, МПа, отдельного образца вычисляют по формуле

,

где Р - наибольшая сжимающая нагрузка, установленная при испытании образца; F - площадь образца, вычисляемая как среднее арифметическое площадей верхней и нижней граней.

Средний предел прочности при сжатии в партии вычисляют как среднее арифметическое значение результатов испытаний. Погрешность 0,1 МПа. В этом случае не учитывают образцы, предел прочности которых более чем на 40% превышает среднее значение предела прочности всех образцов. При вычислении предела прочности образцов из двух кирпичей толщиной 88 мм или из двух их половинок результаты испытаний умножают на коэффициент K=1,2 [9].

Рисунок 4.3 - Схема испытания кирпича на сжатие: 1, 3 - верхняя и нижняя плиты гидравлического пресса, 2 - половинки кирпича, 4 - растворные швы

5. Древесина. Основные свойства и характеристики

Древесина - материал, сохранивший природную физическую структуру и химический состав, получаемый из поваленных деревьев <#"justify">Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99% общей массы). Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49% углерода, 44% кислорода, 6% водорода, 0,1-0,3% азота. При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть - зола. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний и другие элементы [8].

Перечисленные химические элементы образуют основные органические вещества: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы [8].

Целлюлоза - природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой. Формула целлюлозы (C6H10O5)n, где n - степень полимеризации, равная 6000-14000. Это очень стойкое вещество, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета. Пучки макромолекул целлюлозы - тончайшие волоконца называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находится лигнин, гемоцеллюлозы, а также вода [8].

Лигнин - полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения молодой клеточной стенки. Лигнин химически нестоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и её кислых солей [8]. Гемицеллюлозы - группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C5H8O4)n и гексозаны (C6H10O5)n. Формула гексозанов на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60-200. Это свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой [8].

Кроме основных органических веществ, в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннидов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире [8].

5.2 Физические свойства

.2.1 Внешний вид

Он характеризуется следующими свойствами: цветом, блеском, текстурой и макроструктурой [8].

Под цветом древесины понимают определённое зрительное ощущение, которое зависит, в основном, от спектрального состава отражённого ею светового потока. Цвет - одна из важнейших характеристик внешнего вида древесины. Его учитывают при выборе пород для внутренней отделки помещений, изготовлении мебели, музыкальных инструментов, художественных поделок и т.д. [8].

Окраска древесины зависит от породы, возраста дерева, климата района произрастания. Древесина может изменять цвет при выдержке под влиянием воздуха и света, при поражении грибами, а так же при длительном нахождении под водой. Тем не менее, цвет многих пород настолько характерен, что может служить одним из признаков при их распознавании [8].

Блеск - это способность древесины направленно отражать световой поток. Наибольшим блеском из отечественных пород отличается древесина дуба, бука, белой акации, бархатного дерева; из иноземных - древесина атласного дерева и махагони (красного дерева) [8].

Текстурой называется рисунок, образующийся на поверхности древесины вследствие перерезания анатомических элементов (годичных слоёв, сердцевинных лучей, сосудов) [8].

Для оценки качества древесины по внешнему виду используют такие характеристики, как ширина годичных слоёв и содержание поздней древесины.

Ширина годичных слоёв - число слоёв, приходящихся на 1 см отрезка, отмеренного по радиальному направлению на торцевой поверхности образца.

Содержание поздней древесины определяется соотношением (в процентах) между суммарной шириной зон поздней древесины и общей протяжённостью (в радиальном направлении) участка измерения, включающего целое число слоёв [8].

5.2.2 Влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением

Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель - влажность. Под влажностью древесины понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе сухой древесины:

=(m-m0)/m0·100,

где m - начальная масса образца древесины, а m0 - масса образца абсолютно сухой древесины [8].

Измерение влажности осуществляется прямыми или косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины, например высушиванием. Эти методы простые, надёжные и точные, но имеют недостаток - довольно продолжительную процедуру. Этого недостатка лишены косвенные методы, основанные на измерении показателей других физических свойств, которые зависят от содержания воды в древесине. Наибольшее распространение получили кондуктометрические электровлагомеры, измеряющие электропроводность древесины. Однако и эти способы имеют свои недостатки: дают надёжные показания в диапазоне от 7 до 30% и лишь только в месте введения игольчатых контактов [8].

Различают две формы воды, содержащейся в древесине: связанную и свободную. Связанная вода находиться в клеточных стенках, а свободная содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах. Связанная вода удерживается в основном физико-химическими связями, изменение её содержания существенно отражается на большинстве свойств древесины. Свободная вода, удерживаемая только механическим связями, удаляется легче, чем связанная вода, и оказывает меньшее влияние на свойства древесины [8].

При испытаниях с целью определения показателей физико-механических свойств древесины её кондиционируют, приводя к нормализованной влажности. Если нет особых примечаний, то показатель равен 12%.

На практике по степени влажности различают древесину:

·мокрую, W>100%, длительное время находившуюся в воде;

·свежесрубленную, W=50-100%, сохранившую влажность растущего дерева;

·воздушно-сухую, W=15-20%, выдержанную на открытом воздухе;

·комнатно-сухую, W=8-12%, долгое время наход-ся в отапливаемом помещении;

·абсолютно-сухую, W=0, высушенную при температуре t=103±2°C.

Уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении из неё связанной воды называется усушкой. Удаление свободной воды не вызывает усушки. Чем больше клеточных стенок в единице объёма древесины, тем больше в ней связанной воды и выше усушка [8].

Усушка древесины не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5 - 2 раза больше, чем в радиальном [8].

Под полной усушкой, или максимальной усушкой Bmax понимают уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении всего количества связанной воды [8].

Формула для вычисления полной усушки, %, имеет вид:

max=(amax-amin)/amax·100,

где amax и amin - размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно-сухом состоянии, мм (мм3) [8].

Полная линейная усушка древесины наиболее распространённых отечественных пород в тангенциальном направлении составляет 8-10 %, в радиальном 3-7 %, а вдоль волокон 0,1-0,3 %. Полная объёмная усушка находится в пределах 11-17 % [8].

Усушка древесины учитывается при распиловке брёвен на доски (припуски на усадку), при сушке пиломатериалов и т.д. [8].

Внутренние напряжения возникают в древесине без участия внешних нагрузок. Они образуются в результате неодинаковых изменений объёма тела при сушке - сушильные напряжения, пропитке и в процессе роста дерева.

Полные сушильные напряжения удобно как совокупность двух составляющих - влажностных и остаточных напряжений [8].

Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В поверхностных зонах доски, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки возникают растягивающие напряжения, а внутри доски - сжимающие. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. Остаточные напряжения в отличие от влажностных не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после её полного завершения [8].

Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперёк волокон, появляются трещины. Так появляются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние в конце сушки [8].

Изменение формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также выпиловке и неправильном хранении называется короблением. Чаще всего коробление происходит из-за различая усушки по разным структурным направлениям. Различают поперечную и продольную покоробленность. Продольная покоробленность бывает: по кромке, по пласти и крыловатость [8].

Рисунок 5.1 - Виды покаробленности древесины: а - по пласти(простая), б - продольная по пласти(сложная), в - продольная по кромке, г - поперечная, д - крыловатость

Коробление может возникать при механической обработке сухих пиломатериалов: при несимметричном строгании, ребровом делении из-за нарушения равновесия остаточных напряжений [8]. Способность древесины вследствие её гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха называется влагопоглощением. Влагопоглощение практически не зависит от породы. Способность к поглощению влаги является отрицательным свойством древесины. Сухая древесина, помещённая в очень влажную среду, сильно увлажняется, что ухудшает её физико-механические характеристики, снижает биостойкость и т.д. Чтобы защитить древесину от влияния влажного воздуха, поверхность деревянных деталей и изделий покрывают различными лакокрасочными и плёночными материалами [8].

Увеличение линейных размеров и объёма древесины при повышении в ней содержания связанной воды называется разбуханием. Разбухание происходит при выдерживании древесины во влажном воздухе или воде. Это - свойство, обратное усушке, и подчиняется, в основном, тем же закономерностям. Полное разбухание, %, вычисляют по формуле:

max=(amax-amin)/amin·100,

где amax и amin - размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно сухом состоянии, мм (мм3). Так же, как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперёк волокон, а наименьшее - вдоль волокон [8].

Разбухание - отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, чанах, судах и т.д.) [8].

Способность древесины увеличивать свою влажность при непосредственном контакте с капельножидкой водой называется водопоглощением. Максимальная влажность, которой достигает погруженная в воду древесина, складывается из предельного количества связанной воды и наибольшего количества свободной воды. Очевидно, что количество свободной воды зависит от объёма полостей в древесине, поэтому, чем больше плотность древесины. Тем меньше её влажность, характеризующая максимальное водопоглощение.

Способность древесины поглощать воду, а также другие жидкости имеет значение в процессах варки древесины для получения целлюлозы, при пропитке её растворами антисептиков и антипиринов, при сплаве лесоматериалов и в других случаях [8].

Плотность. Это свойство характеризуется массой единицы объёма материала, и имеет размерность в кг/м3 или г/см3 [8].

а) Плотность древесинного вещества ?д.в. - плотность материала клеточных стенок, равная:

?д.в. = mд.в./Vд.в.,

где mд.в. и Vд.в. - соответственно масса, г, и объем, см3, древесинного вещества [8].

Этот показатель равен для всех пород 1,53 г/см3, поскольку одинаков химический состав клеточных стенок древесины [8].

б) Плотность абсолютно сухой древесины ?0 равна:

?0=m0/V0,

где m0, V0 - соответственно масса и объём древесины при W=0%.

Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, заполненные воздухом) [8].

Относительный объём полостей, заполненных воздухом, характеризует пористость древесины П:

П=(V0-Vд.в.)/V0·100,

где V0 и Vд.в. - соответственно объём образца и содержащегося в нём древесинного вещества при W=0%. Пористость древесины колеблется в пределах от 40 до 80% [8].

в) Плотность влажной древесины:

?w= mw/Vw,

где mw и Vw - соответственно масса и объём древесины при влажности W. Плотность древесины зависит от её влажности. При влажности W<Wпн плотность изменяется незначительно, а при увеличении влажности выше Wпн наблюдается значительный рост плотности древесины [8].

г) Парциальная влажность древесины ?`w характеризует содержание (массу) сухой древесины в единице объёма влажной древесины:

?`w=m0/Vw,

где m0 - масса абсолютно сухой древесины, г или кг; Vw - объем, см3 или м3, древесины при данной влажности W [8].

д) Базисная плотность древесины выражается отношением массы абсолютно сухого образца m0 к его объёму при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок Vmax:

?Б=m0/Vmax.

Этот основной показатель плотности, который не зависит от влажности, широко используется для оценки качества сырья в деревообработке, целлюлозно-бумажной промышленности и в других случаях [8].

По плотности древесины при 12% влажности породы делят на 3 группы: с малой (Р12<540), средней (550<P12<740) и высокой (P12>740)плотностью древесины [8].

Проницаемость характеризует способность древесины пропускать жидкости или газы под давлением.

Водопроницаемость древесины вдоль волокон значительно больше, чем поперёк волокон, при этом у древесины лиственных пород она в несколько раз больше, чем у хвойных [8].

5.2.3 Теплофизические свойства

Показателем способности древесины аккумулировать тепло является удельная теплоёмкость С, представляющая собой количество теплоты, необходимое для того чтобы нагреть 1 кг массы древесины на 1 0С и имеет размерность Дж/(кг·К). Удельная теплоёмкость для всех пород одинакова и для абсолютно сухой древесины составляет , где t - температура. С увеличением влажности теплоёмкость увеличивается [8].

Теплопроводность ? - свойство, характеризующее интенсивность переноса тепла в материале. Вследствие пористого строения древесины теплопроводность невысока. С увеличением плотности теплопроводность древесины возрастает. Так как теплопроводность воды при одинаковой температуре в 23 раза меньше теплопроводности воздуха, теплопроводность древесины в сильной мере зависит от влажности, увеличиваясь, с ее возрастанием. С увеличением температуры теплопроводность древесины возрастает, причем это увеличение в большей мере выражено у влажной древесины. Теплопроводность древесины вдоль волокон значительно больше, чем поперек волокон [8].

Температуропроводность характеризует способность древесины выравнивать температуру по объёму. Коэффициент температуропроводности ? характеризует скорость распространения температуры внутри тела при нестационарных тепловых процессах (нагревании, охлаждении). Размерность его м2/ч. Между тремя основными теплофизическими характеристиками существует следующая зависимость: ? =?/с? [8].

Рисунок 5.2 - Зависимость ? древесины от влажности: 1 - вдоль волокон, 2 - в радиальном, 3 - в тангенциальном направлении

Температуропроводность зависит главным образом от влажности древесины и в меньшей степени от температуры. С увеличением влажности температуропроводность древесины падает; это объясняется тем, что температуропроводность воздуха значительно больше, чем воды. На диаграмме (рисунок 5.2) показано влияние влажности на температуропроводность древесины сосны в трех направлениях. На диаграмме, кроме того, видно, что температуропроводность вдоль волокон значительно больше, чем поперек волокон, а между температуропроводностью в радиальном и тангенциальном направлениях разница оказывается очень небольшой. С повышением температуры температуропроводность древесины возрастает. Чем выше плотность древесины, тем ниже температуропроводность [8].

5.2.4 Акустические свойства

Одно из этих свойств - звукопроводность, показателем которой являются скорость звука. Скорость звука ?зв, м/с, в древесине можно определить по формуле:

?зв=(E/?)½,

где Е - динамический модуль упругости, Н/м2; ? - плотность древесины, кг/м3 [8].

Другой важный показатель, характеризующий способность древесины отражать и проводить звук - акустическое сопротивление, Па·с/м:

=p/?зв.

5.3 Механические свойства

Применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено способностью сопротивляться действию усилий, т.е. механическими свойствами [8].

Различают следующие свойства древесины, проявляющиеся под воздействием механических нагрузок: прочность - способность сопротивляться разрушению, деформативность - способность сопротивляться изменению размеров и формы, технологически и эксплуатационные свойства [8].

Показатели механических свойств древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина - анизотропный материал, т.е. материал с различными свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении) [8].

Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в ней возникают внутренние силы. Эти силы, отнесённые к единице площади сечения (1 см2) называются напряжениями. Максимальное напряжение, предшествующее разрушению тела, называют пределом прочности [8].

Предел прочности определяют на малых, чистых и не имеющих пороках образцах в лабораториях на испытательных машинах. Эти образцы имеют базисное сечение с размерами 20×20 мм и должны включать не менее 4-5 годичных слоёв. Некоторые виды испытаний производят на образцах, сечение которых отличается от указанного [8].

.3.1 Прочность при сжатии

Прочность при сжатии определяется на образцах призматической формы. Схема испытания на прочность при сжатии вдоль волокон показана на рисунке 5.3.

Образец постепенно нагружают до разрушения. Затем по силоизмерителю испытательной машины отсчитывают максимальную нагрузку Рмах, Н. Предел прочности ?, МПа, вычисляют по формуле:

?w=Pmax/(a·b),

где (a·b) - площадь сечения образца, мм2 [8].

В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности на сжатие вдоль волокон составляет около 50 МПа [8].

Прочность при сжатии поперёк волокон определяется по схеме на рисунке 5.3. Равнодействующая сил, которые либо равномерно распределены по всей поверхности образца, либо по всей ширине, но на части длины его (местное сжатие). И в том, и в другом случаях определяют условный предел прочности. В качестве этого показателя используют предел пропорциональности, т.е. величину напряжений, до которых наблюдают линейную зависимость между напряжениями и деформациями. В среднем для всех пород он составляет 1/10 предела прочности при сжатии вдоль волокон [8].

Рисунок 5.3 - Схема испытания на прочность при сжатии: а - вдоль волокон, б - поперек волокон(радиально), в - поперек волокон(тангенциально)

Испытания на прочность при растяжении проводятся на образцах другого вида(рисунок 5.4) [8].

Рисунок 5.4 - Схема испытания на прочность при растяжении

Такая форма образцов обусловлена стремлением обеспечить разрушение в тонкой рабочей части, а не в месте закрепления, под воздействием именно растягивающих напряжений [8].

В среднем для всех пород предел прочности при растяжении вдоль волокон равен 130 МПа, а предел прочности при растяжении поперёк волокон в 20 раз ниже. Поэтому при конструировании изделий из древесины избегают растягивающих нагрузок, направленных поперёк волокон [8].

Для испытания древесины на статический изгиб применяют образцы в форме бруска размерами 20×20×300 мм [8].

Предел прочности при статическом изгибе, МПа, вычисляют по формуле:

?w=(3/2)·((Pmax·l)/(b·h)),

где Pmax - максимальная нагрузка, Н; l - пролет, т.е. расстояние между центрами опор, равный 240 мм; b и h - ширина (в радиальном) и высота (в тангенциальном) направлениях, мм [8].

Рисунок 5.5 - Схема испытания на статический изгиб

В среднем предел прочности при статическом изгибе составляет 100 МПа [8].

При испытаниях на сдвиг, к образцу прикладывают две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости. Различают три вида испытаний на сдвиг: скалывание вдоль волокон, скалывание поперёк волокон и перерезание древесины поперёк волокон. Схемы действия сил при этих испытаниях показаны на рисунке 5.6 [8].

Рисунок 5.6 - Испытания на сдвиг: скалывание: а - вдоль волокон, б - поперек волокон; г - перерезание поперек волокон

Предел прочности при скалывании вдоль волокон определяют по формуле:

w=Pmax/(b·l),

где (b·l) - площадка скалывания, мм2 [8].

Предел прочности при скалывании поперёк волокон в 2 раза меньше, чем предел прочности при перерезании поперёк волокон и в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон [8].

5.3.2 Деформативность

При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после нагрузки исчезают. До определённого предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности - модуль упругости [8].

Модуль упругости вдоль волокон Е=12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперёк волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина [8].

С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины, жесткость её снижается. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в "замороженные" остаточные деформации. Они исчезают при нагревании или увлажнении [8].

Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, её деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других полимеров, изучаются на базе общей науки реологии. Эта наука рассматривает общие законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учётом фактора времени [8].

5.3.3 Эксплуатационные и технологические свойства

Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением её в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления ?д.с., который в среднем для всех видов нагрузки составляет примерно 0,5-0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях [8].

Показателем прочности при переменных нагрузках является предел выносливости, средняя величина которого составляет примерно 0,2 от статического предела прочности [8].

При проектировании деревянных конструкций в расчётах используют не пределы прочности малых образцов древесины, а в несколько раз меньшие показатели - расчётные сопротивления. Они учитывают большие размеры элементов конструкций, наличие пороков древесины, длительность действия нагрузки, влажность, температуру и другие факторы [8]. Удельная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. Ударная вязкость у древесины лиственных пород в среднем в 2 раза больше, чем у древесины хвойных пород [8].

Твёрдость характеризует способность древесины сопротивляться вдавливанию более твёрдого тела. Испытания на статическую твёрдость проводят по схеме, показанной на рисунке 5.7 [8].

Рисунок 5.7 - Схема испытания на статическую твердость

Для испытания на твёрдость используют приспособление, которое имеет пуансон с полусферическим наконечником. Его вдавливают на глубину радиуса. После испытания в древесине остаётся отпечаток, площадь проекции которого при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм2. Показателем статической твёрдости образца, Н/мм2, является усилие, отнесенное к этой площади. Статическая твёрдость торцевой поверхности выше, чем боковых поверхностей [8].

Все отечественные породы по твёрдости торцевой поверхности при влажности 12% делят на 3 группы: мягкие (твёрдость 40 Н/мм2 и менее), твёрдые (41-80) и очень твёрдые (более 80 Н/мм2) [8].

Ударную твёрдость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца, величина которого тем больше, чем меньше твёрдость древесины [8].

Износостойкость - способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Испытания на износостойкость древесины показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцевого разреза. С повышением плотности и твёрдости древесины износ уменьшился. У влажной древесины износ больше, чем у сухой [8].

Уникальным свойством древесины является способность удерживать крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдёргиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдёргивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперёк волокон. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдёргивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдёргивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву [8].

Технологическая операция гнутья древесины основана на её способности сравнительно легко деформироваться при действии избегающих усилий. Способность гнуться выше у кольцесосудистых пород - дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых - бука; хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу. Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. Это увеличивает податливость древесины и позволяет вследствие образования замороженных деформаций при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой зафиксировать новую форму детали [8]. Для сравнительной оценки качества древесины используют так называемые удельные характеристики механических свойств, т.е. показатели ее механических свойств, отнесенные к единице плотности [8].

Удельная прочность при сжатии и статическом изгибе у хвойных пород выше, чем у лиственных. Значительно выше у хвойных пород и удельная жесткость. По остальным свойствам удельные характеристики у древесины лиственных пород выше, чем у хвойных [8].

Заключение

В данной работе представлен обзор самых часто используемых строительных материалов: бетон, кирпич древесина. Даны их краткие физико-химические характеристики, на основе которых можно провести сравнительный анализ и выделить преимущества одного материала по сравнению с другим.

Список литературы

1.Домокеев, А.Г. Строительные материалы: учеб./ А.Г. Домокеев. -М.: Высш. школа,1982. - 383 с.

.Цилосани, З.Н. Усадка и ползучесть бетона / З.Н. Цилосани. - Тбилиси, 1952. - 215 с.

.Шейкин, А.Е. Структура и свойства цементных бетонов / А.Е. Шейкин, Ю.В. Чеховский, М.И. Бруссер. - М. : Стройиздат. 1979.

4.<http://stroykombinat.com/publ/stati/zhelezobeton/3-1-0-1>

.<http://ru.wikipedia.org>

.<http://www.wood.ru/ru/lpshim.html>

.Корчагина О.А. Материаловедение: оценка качества строительных материалов: лаб. практ./О.А. Корчагина, В.Г. Однолько. - Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра энергофизики Реферат Энергоэффектив

Больше работ по теме: