Лекция 1 Тема Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара

• Название: Лекция 1 Тема Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара
• Дата: 28.03.2022
• Размер: 53.85 Kb.
• Имя файла: Lektsia_1_Svoystva_stroitelnykh_materialov.docx
• Тип: Лекция; #421960

Лекция №1

Тема: «Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара»

Цель:

1 Знать виды строительных материалов и их классификацию. Факторы, влияющие на поведение строительных материалов в условиях пожара. Определения и классификацию основных свойств строительных материалов.

2 Уметь прогнозировать влияние свойств материалов на поведение их в условиях пожара.
Содержание:

1. 
   Виды строительных материалов и их классификация.
   
2. 
   Классификация основных свойств строительных материалов.
   

Виды строительных материалов и их классификация
Чтобы легче ориентироваться в многообразии строительных материалов, их классифицируют по назначению, исходя из условий работы материалов в сооружениях или по технологическому признаку, учитывая вид сырья, из которого получают материал и способ изготовления.

По назначению материалы можно условно разделить на две группы:

конструкционные и материалы специального назначения.

Конструкционные материалы, применяемые главным образом для несущих конструкций, различают следующие:

1. 
   Природные каменные материалы.
   
2. 
   Неорганические вяжущие.
   
3. 
   Искусственные каменные, получаемые:
   

1. 
   омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетон, железобетон, растворы);
   
2. 
   спеканием (керамические материалы);
   
3. 
   плавлением (стекло).
   

3. 
   Металлы (сталь, чугун, алюминий, сплавы).
   
4. 
   Полимеры и пластмассы.
   
5. 
   Древесина.
   
6. 
   Композиционные (асбестоцемент, стеклопластик, …).
   

Строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных воздействий среды или повышения эксплуатационных свойств и создания комфорта, следующие:

1. 
   Теплоизоляционные.
   
2. 
   Акустические.
   
3. 
   Гидроизоляционные, кровельные, герметизирующие.
   
4. 
   Отделочные.
   
5. 
   Антикоррозионные.
   
6. 
   Огнеупорные.
   
7. 
   Материалы для защиты от радиации и др.
   

Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств, определяющих область его применения и возможность сочетания с другими материалами.

Известно, что свойства строительных материалов определяют область их применения. Только при правильной и качественной оценке свойств материалов, могут быть получены прочные и долговечные строительные конструкции зданий и сооружений.

Свойство — способность материала определенным образом реагировать на отдельный или чаще всего действующий в совокупности с другими внешний или внутренний фактор.Действие того или другого фактора обу­словлено как составом и строением материала, так и эксплуатационными условиями материала в конструкции зданий и сооружений.


ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОВЕДЕНИЕ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА



Эксплуатационные факторы:
Чтобы здание или сооружение выполняло свое назначение, и было долговечным, необходимо отчетливо представлять те эксплуатационные условия, в которых будет работать каждая изготовленная ими конструкция. Зная эти условия, можно установить, какие свойства должен иметь материал, предназначенный для изготовления данной конструкция.

Например, главным требованием к материалам, из которых изготовляются несущие конструкции, является их способность хорошо сопротивляться изменению формы и разрушению под действием нагрузок, а также в ряде случаев низкие теплопроводность и звукопроницаемость (например, для ограждающих конструкций).
К эксплуатационным факторам относятся:

1. 
   Область применения материала.
   
2. 
   Внешняя нагрузка.
   
3. 
   Условия эксплуатации.
   

Факторы пожара:

1. 
   Температурный режим и продолжительность пожара.
   
2. 
   Средства пожаротушения.
   
3. 
   Агрессивная среда при пожаре (токсичность продуктов горения, разрушающая материалы).
   

Классификация основных свойств строительных материалов


Основные свойства строительных материалов можно классифицировать на следующие группы:

Первая группа – физические свойства: объемная масса, плотность, пористость, гигроскопичность, водопоглащение

Вторая группа – механические свойства: прочность, твердость, пластичность, упругость

Третья группа – свойства, характеризующие отношение материалов к действию тепла (теплофизические свойства): теплопроводность, теплоемкость, огнеупорность, морозостойкость

Четвертая группа – свойства, характеризующие поведение материалов в условиях пожара: критическая температура, горючесть, воспламеняемость и т.д.

Физические свойства.
К физическим свойствам относятся весовые характеристики материала, его плотность, проницаемость для жидкостей, газов, тепла, радиоактивных излучений, а также способность материала сопротивляться агрессивному действию внешней эксплуатационной среды.

Под истинной плотностью понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала:



где, m - масса материала, кг; V - объем материала в плотном состоянии, м³.
Под средней плотностью понимают массу единицы объема материала в естественном состоянии (с пустотами и порами):

С
редняя плотность одного и того же вида материала может быть разной в зависимости от пористости и пустотности.

Сыпучие материалы (песок, щебень, цемент и др.) характеризуются насыпной плотностью – отношением массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами. От плотности материала зависят его технические свойства, например, прочность, теплопроводность. Плотность зависит от пористости и влажности материала. С увеличением влажности плотность материала увеличивается.
Таблица 1.1

Плотность некоторых строительных материалов

Материал	Средняя плотность 0, кг/м3	Истинная плотность , кг/м3	Пористость П, %
Пенополистирол	15-20	1050	86…81
Древесина:	-	1550	-
Сосна	400-600	-	74-61
Дуб	700-900	-	55-42
Бетоны:		не более 3000
Ячеистые	500-1200		84-60
Легкие	500-1800		84-40
Тяжелые	1800-2500		40-17
Асбестоцемент	1400-2200	2750	25-40
Красный кирпич	1600-1900	2500	36-24
Стекло оконное	2500	до 2500	0
Металлы:
Сталь Ст3	7800	7800	0
Алюминиевые сплавы	не более 2850	не более 2850	0

Пористостью (%) материала называют степень заполнения его объема порами:

Поры – мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой. Поры бывают открытые и закрытые, мелкие и крупные. По величине пористости можно судить приближенно, судить о других важных свойствах материала: плотности, прочности, водопоглощении, долговечности и др.

Пустотность - количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпанного материала (песка, щебня и т.п.) или имеющихся в некоторых изделиях.

Некоторые материалы способны поглощать воду при увлажнении и отдавать ее при высушивании. Насыщение материала водой может происходить при на него воды в жидком состоянии или в виде пара. В связи с этим соответственно различают два свойства материала: гигроскопичность и водопоглощение.

Гигроскопичность - свойство материала поглощать водяные пары и воздуха и удерживать их. Она зависит от температуры воздуха, его относительной влажности, вида, количества и размера пор, а также от природы вещества.

Водопоглащение - способность материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется оно количеством воды, поглощаемой сухим материалом, погруженным полностью в воду, и выражается в процентах от массы.

О
тношение предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой (R нас.) к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии (R сух.) называется коэффициентом размягчения:

Этот коэффициент характеризует водостойкость материала. Для легкоразмокаемых материалов (глина) k =0, для материалов (металл, стекло), которые полностью сохраняют свою прочность при действии воды, k =1. Материалы с k > 0,8 относят к водостойким; материалы с k < 0,8 в местах, подверженных систематическому увлажнению, применять не разрешается.

Влагоотдача - способность материала отдавать влагу.

Воздухостойкость - способность материала длительно выдерживать многократное систематическое увлажнение и высушивание без значительных деформаций и потери механической прочности.

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, прошедшей в течении 1ч через 1 м² площади испытуемого материала при давлении 1 МПа. Плотные материалы (сталь, стекло) водонепроницаемы.
Механические свойства.

Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться сжатию, растяжению, удару, вдавливанию в него постороннего тела и другим видам воздействий на материал с приложением силы.

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Материалы, находясь в сооружении, мо­гут испытывать различные нагрузки - сжатие, растяже­ние, изгиб, удар.

Прочность строительных материалов характеризу­ется пределом прочности. Пределом прочности (Па) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вы­зывающей разрушение образца материала:

R=N/A,

где N – разрушающая сила, H; A – площадь попереч­ного сечения образца до испытания, м².

Твердость - способность материала сопротив­ляться проникновению в него другого более твердого тела. Это свойство важно при обработке, а также при использовании его для полов, дорожных покрытий.

Деформация – изменение размеров и формы мате­риалов под нагрузкой.

Упругость – свойство материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры.

Пластичность – свойство материала изменять свою форму под нагрузкой без появления трещин и со­хранять эту форму после снятия нагрузки. Все мате­риалы делятся на пластичные и хрупкие. Хрупкие ма­териалы разрушаются внезапно без значительной де­формации. Хруп­кие материалы хорошо сопротивля­ются только сжатию и плохо – растяжению, изгибу, удару.

Таблица 1.2

Прочность некоторых строительных материалов

Материал	Предел прочности, МПа
	при сжатии Rc	при растяжении Rt	при изгибе Rw
Торфоплаты	0,5	-	0,25-0,28
Бетон обыкновенный	5-30	0,6-2	-
Бетон высокопрочный	40-80	2,5-7	-
Кирпич глиняный	7,5-30	-	1,5-3,5
Древесина (усредненные данные)
Вдоль волокон	50	130	100
Поперек волокон	6,5	6,5	75
Стеклопластик СВАМ	420	450-470	410-460
Гранит	100-120	2-4,4	-
Сталь	380-450	380-450	-

Теплофизические свойства
Теплопроводность – способность материала пропускать тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхности образца (изделия).

Коэффициент теплопроводности  однородного материала равен количеству тепла в Дж, проходящему через стенку из данного материла толщиной в 1 м, площадью в 1 м² за время 1 с, при разности температур на противоположных поверхностях стены в 1 К.



 зависит от многих факторов:

• 
  химического состава;
  
• 
  структуры (пористости);
  
• 
  температуры;
  
• 
  влажности материала.
  

С ростом температуры  изменяется (для большинства материалов).

_t = ₀  _t

₀ - при 0С; t – температура материала, С
Таблица 1.3

Теплопроводность некоторых строительных материалов

Наименование материала	Теплопроводность Вт / (м С)	Наименование материала	Теплопроводность Вт / (м С)
Сталь	58	Вода	0,59
Гранит	2,9...3,3	Бетон легкий	0,35...0,8
Бетон тяжелый	1,0...1,6	Бетон теплоизоляционный	0,08...0,3
Кирпич керамический	0,8...0,9	Газостекло	0,06...0,08

Теплоемкость – способность материала поглощать при нагревании определенное количество тепла.

С – удельная теплоемкость (коэффициент теплоемкости) – это количество теплоты в Дж, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1 К.



При увеличении температуры (для большинства материалов):

С_t = C₀ + _Ct

С₀ – при 0С, t – температура материала, С
Таблица 1.4

Теплоемкость некоторых строительных материалов

Материал	С, кДж/кгК
Воздух	0,97
Дерево	2,51
Кирпич	0,8
Вода	4,2
Тяжелый бетон	0,8
Сталь	0,42
Гранит	0,8

Важным теплофизическим свойством материалов является коэффициент температуропровод­ности, характеризующий скорость изменения температуры в материале:



Т.к. l, С – зависят от температуры, то a также изменяется с увеличением температуры.

Для тяжелого бетона aс ростом температуры уменьшается.

Для тяжелого бетона класса В55 при t=450С - a= 1,3  10^-3 м²/с.

Для упрощения расчета прогрева бетона, используют постоянный приведенный коэффициент температуропроводности a_red, вычисленный при t=450С и учитывающий влияние влажности на скорость прогрева (будет применятся в расчета при дальнейшем изучении дисциплины).


Морозостойкость - способность материала насыщенного водой выдерживать многократное попеременнное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Огнеупорность - свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур не деформируясь и не расплавляясь. Материалы по степени огнеупорности подразделяют на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие.
Свойства, характеризующие поведение материалов в условиях пожара.
Согласно СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружении», материалы подразделяют на горючие и негорючие.

Для негорючих строительных материалов другие показатели пожарной опасности не определяются и не нормируются.

Горючие строительные материалы подразделяются на четыре группы по горючести:

• 
  Г1 (слабогорючие);
  
• 
  Г2 (умеренногорючие);
  
• 
  Г3 (нормальногорючие);
  
• 
  Г4 (сильногорючие).
  

Горючесть и группы строительных материалов по горючести устанавливают по ГОСТ 30244 – 94.
Горючие строительные материалы по воспламеняемости подразделяются на три группы:

• 
  В1 (трудновоспламеняемые);
  
• 
  В2 (умеренновоспламеняемые);
  
• 
  В3 (легковоспламеняемые).
  

Группы строительных материалов по воспламеняемости устанавливают по ГОСТ 30402 – 96.

Горючие строительные материалы по распространению пламени по поверхности подразделяются на четыре группы:

• 
  РП1 (нераспространяющие);
  
• 
  РП2 (слабораспространяющие);
  
• 
  РП3 (умереннораспространяющие);
  
• 
  РП4 (сильнораспространяющие).
  

Группы строительных материалов по распространению пламени устанавливают для поверхностных слоев кровли и полов, в том числе ковровых покрытий, по ГОСТ 30444 – 97 (ГОСТ Р 51032 – 97).
Горючие строительные материалы по дымообразующей способности подразделяются на три группы:

• 
  Д1 (с малой дымообразующей способностью);
  
• 
  Д2 (с умеренной дымообразующей способностью);
  
• 
  Д3 (с высокой дымообразующей способностью).
  

Группы строительных материалов по дымообразующей способности устанавливают по 2.14.2 и 4.18 ГОСТ 12.1.044 – 89.
Горючие строительные материалы по токсичности продуктов горения подразделяются на четыре группы:

• 
  Т1 (малоопасные);
  
• 
  Т2 (умеренноопасные);
  
• 
  Т3 (высокоопасные);
  
• 
  Т4 (чрезвычайноопасные).
  

Группы строительных материалов по токсичности продуктов горения устанавливают по 2.16.2 и 4.20 ГОСТ 12.1.044 – 89.

Литература:

Основная:

2. 
   Мосалков И.Л., Плюснина Г.Ф., Фролов А.Ю. Огнестойкость строительных конструкций. –М.: ЗАО «СПЕЦТЕХНИКА», 2001. –496 с., ил.
   
3. 
   Баратов А.Н., Корольченко А.Я., Андрианов Р.А. и др. Пожарная опасность строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1988.- 380с., ил. (изучить с.17...23).
   
4. 
   Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. – М.: Высшая школа, 1986.- 688с. (изучить с. 8 ... 44), (можно пользоваться аналогичными учебниками других авторов. Например, Шейкин А.Е., Рыбьев И.А., Горчаков Г.И., Комар А.Г., Хигерович М.И.).
   

Дополнительная:

1. 
   СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений».
   
2. 
   ГОСТ 30244 - 94. Методы испытания на горючесть
   
3. 
   ГОСТ 30402 - 96. Метод испытания на воспламеняемость
   
4. 
   ГОСТ 30444 - 97. (ГОСТ Р 51032 - 97). Материалы строительные. Метод испытания на распространение пламени
   
5. 
   ГОСТ 12.1.044 – 89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их опрделения.
   

Вопросы для самоконтроля:

1 Классификация строительных материалов.

2 Факторы, влияющие на поведение строительных материалов в условиях пожара.

3 Заполнить таблицу

№ п/п	Название группы свойств	Свойство	Определение свойства