Дорожно-строительные материалы в период эксплуатации в сооружении (дорожная одежда, искусственные сооружения и другие) подвергаются воздействию внешних механических сил и физико-химических факторов окружающей среды. К внешним механическим воздействиям относят ударные и статические нагрузки транспортных средств, механическую работу воды, ветра и другие. К физико-химическим факторам относят колебания температуры воздуха, инсоляцию, атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды.
В зависимости от того, в каком элементе дорожной конструкции работают материалы, они по-разному подвергаются воздействию внешних сил и физико-химическим процессам окружающей среды. Так, атмосферные воды, попадая в отдельные слои дорожной одежды, могут нарушать структурные связи в материале, растворять и вымывать некоторые вещества. Минерализованные воды постепенно разрушают такие материалы, как грунтоцемент, цементобетон и др. Колебания температуры периодически изменяют внутренние напряжения в материалах, а также изменяют их состояние, что приводит к ослаблению структурных связей, появлению микротрещин, сдвигов под воздействием транспортных средств. С течением времени, под влиянием сложного комплекса механических, физических и химических факторов, строительные материалы в дорожных конструкциях постепенно разрушаются. Интенсивность разрушения определяется особенностями внешних воздействий, конструкцией дорожной одежды и свойствами материалов - объективными признаками, проявляющимися при производстве, применении и работе материалов в конструкциях. Пригодность материалов для конкретных условий определяют по их свойствам. Свойства материалов многообразны, что обусловлено, главным образом, их вещественным составом.
Физические свойства
Физические свойства характеризуют физическое состояние материала, а также определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. При этом физические процессы в материале не изменяют строение его молекул. Обычно к таким свойствам относят истинную плотность (удельный вес), среднюю плотность (объемную массу), насыпную плотность (насыпная масса), пористость, пустотность, влажность, водопоглощение, водонасыщение, усадку, огнеупорность, огнестойкость, светостойкость.
Истинная плотность - масса вещества материала в единице объема (без пор и пустот). Истинную плотность rи выражают отношением массы материала в сухом состоянии к объему материала в абсолютно плотном состоянии. Истинную плотность выражают в кг/м3. Для определения истинной плотности хрупких материалов, обладающих пористостью, их тонко размельчают, получая частицы размером менее 0,25 мм. Истинная плотность основных дорожно-строительных материалов колеблется от 2500 до 3300 кг/м3.
Средняя плотность (объемная масса) - масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами, пустотами, микротрещинами и т.д.). Средняя плотность строительных материалов меньше истинной плотности. Чем меньше пористость материала, тем ближе значение средней плотности к истинной плотности.
Насыпная плотность (насыпная масса) - масса единицы объема материала в рыхлом состоянии, Насыпная плотность включает, кроме пор, пустот и трещин в зернах материала, пустоты между зернами. Чем больше средняя плотность материала, тем меньше его пористость и лучше он проводит тепло, звук и т.д.
Таблица 6.1.1
Плотность строительных материалов
| Материал | Истинная плотность, кг/м3 | Средняя плотность, кг/м3 | Насыпная плотность, кг/м3 |
| Гранит | 2600...2800 | 2500...2700 | - |
| Известняк плотный | 2400...2600 | 1800...2400 | - |
| Кирпич глиняный | 2900...3100 | 1600...1800 | - |
| Древесина | 1500...1600 | 500...1000 | - |
| Битум | 1000...1200 | - | |
| Сталь | 7800...7900 | 7 800...7900 | - |
| Щебень гранитный | 2600...2800 | - | 1400...1600 |
| Песок кварцевый | 2600...2700 | - | 1350...1600 |
| Портландцемент | 2900...3300 | - | 1200...1300 |
Пористость характеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала
(6.1.1)
где rс - средняя плотность материала, кг/м3;
rи - истинная плотность материала, кг/м3.
Пористость в значительной мере обуславливает физические, механические и другие свойства материалов. Чем больше пористость, тем меньше прочность и теплопроводность, больше водо- и газопроницаемость. Опытный инженер по пористости ориентировочно может определить многие свойства материалов.
Пустотность - характеризует объем пустот между зернами рыхлого материала
V пуст = (1 - r н / r и)·100, (6.1.2)
где rн - насыпная плотность материала, кг/м3;
Влажность - содержание воды в единице объема или массы в процентах:
W о = (m в - mc)/ V ·100 или Wm =(m в - mc)/ m в ·100, (6.1.3)
где mв и mc - масса влажного и сухого образца материала, г;
V - объем материала, см3.
Природная влажность материала зависит от его гигроскопичности, т.е. способности материала поглощать водяной пар из влажного воздуха за счет адсорбации пара на внутренней поверхности пор и капилляров. Чем больше внутренняя поверхность материала, тем больше гигроскопичность, а следовательно, и природная влажность. Для древесины она - 12...18 %, для стеновых каменных материалов - 4...7% по массе.
Водопоглощение - количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать его молекулярными и капиллярными силами при атмосферном давлении.
Средняя плотность (объемная масса) материала одного и того же состава зависит от влажности и пористости материала (рис. 6.1.1). С увеличением пористости, а следовательно и влажности, средняя плотность увеличивается.
Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении. В этом случае из открытых пор вытесняется воздух, вследствие чего материал насыщается водой больше, чем при атмосферном давлении. Водопоглощение и водонасыщение изменяются в пределах: у гранита от 0,02 до 0,7, у асфальтобетона - от 2 до 5, у кирпича - от 8 до 15 %.
Рис. 6.1.1. Зависимость средней плотности известняков rср от их водопоглощения W
Усадка - изменение размеров материала при его высыхании.
Набухание - увеличение объема материала при насыщении его водой.
Многократное высыхание и увлажнение материала ускоряет его разрушение.
Водонепроницаемость - способность материала не пропускать воду. Водонепроницаемость тесно связана с естественной влажностью материала, водопоглощением и водонасыщением.
Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникший вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Коэффициент теплопроводности колеблется от 0,06 (минеральная вата) до 58 (сталь), для кирпича он равен 0,82, для бетона - 1,28...1,55, для гранита - 2,92.
Механические свойства
Механические свойства - способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил.
Нагрузки вызывают в материалах нормальные (растягивающие, сжимающие) и касательные напряжения, обуславливающие процессы деформирования материала. К основным показателям, характеризующим механические свойства, относят: прочность, упругость, пластичность, хрупкость, ползучесть.
Прочность - важнейшее свойство материала, в большинстве случаев, определяет возможность его использования в строительной конструкции. Показатели прочности в значительной степени являются условными. Они зависят от размера и формы образца, скорости его нагружения и других факторов. Поэтому методика определения прочности строительных материалов строго регламентируется нормативно-техническими документами. Прочность материала измеряется мегапаскалями (МПа).
Прочность при сжатии стандартного образца в форме куба определяют по формуле
R к = Р /а2, МПа, (6.1.4)
где Р - разрушающее усилие, кг;
а - размер ребра куба (для бетона 15 ´15 ´15), см.
Прочность при сжатии стандартного образца в виде цилиндра
R ц = 4 P / p d 2, (6.1.5)
где d - диаметр цилиндра (для испытания бетона принять цилиндр диаметром d = 15 см и высотой h = 30 см).
Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150...500 МПа), прочность гранита при сжатии - 120...150 МПа, при растяжении - менее 10 МПа. Прочность бетона при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10...15 раз меньше. Прочность асфальтобетонов при сжатии - 5...7 МПа (температура при испытании - 20...25°С).
Предел прочности бетона на растяжении при изгибе определяют на балочке в виде призмы размером 15 ´15 ´60 см по формуле
R р.и. = pl / bh 2, МПа, (6.1.6)
где l, b, h - соответственно, длина, ширина и высота балочки, см.
Упругость выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил.
Вязкость - свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации. Абсолютно упругих и абсолютно вязких материалов нет, все дорожно-строительные материалы обладают в той или иной степени упругостью и вязкостью.
Упругость и вязкость материала характеризуется, соответственно, модулем упругости и коэффициентом вязкости:
Е = s / e, (6.1.7)
h = s: d e /d t, (6.1.8)
где Е, h - модуль упругости и коэффициент вязкости;
s - напряжение, МПа;
e, d e / d t - относительная деформация и скорость изменения относительной деформации, С-1.
Пластичность - способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).
Хрупкость - свойства материалов под влиянием внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов зависят от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке, пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре. Хрупкие материалы плохо сопротивляются напряжению, динамическим и повторным нагрузкам.
Ползучесть - способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей - хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон).
Химические свойства
Химические свойства материала определяют его способность вступать в химические взаимодействия с веществами среды, в которой он находится, при этом появляются новые вещества. К химическим свойствам можно отнести: растворимость, коррозийную стойкость, атмосферостойкость, твердение, адгезию и др.
Химические свойства учитывают при оценке пригодности материала для тех или иных целей в строительстве.
Растворимость - способность образовывать истинные растворы в результате взаимодействия материала с водой или с другими растворителями. Строительные материалы, в большинстве случаев, должны быть нерастворимы в условиях их эксплуатации.
Коррозийная стойкость - свойства материала не разрушаться в агрессивных средах. Наиболее стойкими по отношению к агрессивным средам являются керамические материалы. Неустойчивы в кислой среде известняки, доломиты, древесина, портландцементы; к щелочной среде - древесина, битумы.
Атмосферостойкость - свойство материала не разрушаться под воздействием климатических условий. С атмосферостойкостью материала часто связана его склонность к старению вследствие протекания в нем физико-химических процессов и ухудшения свойств. Старение характерно для битумов, асфальтобетонов.
Твердение - свойство материалов затвердевать в результате химических и физико-химических процессов и приобретать ряд новых свойств - сопротивляемость различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды. Твердение обычно оценивают показателями прочности и их изменением во времени.
Адгезия - свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Измеряют адгезию прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Адгезия имеет важное значение в технологии изготовления материалов и конструкций.