Классификация строительных материалов по назначению. Основные свойства строительных материалов.

Материаловедение.

Материаловедение - это наука, изучающая связь состава, строения и свойств материалов, закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и др. воздействиях.

Строительные материалы оказывают решающее влияние на технико-экономическую эффективность, безопасность строительства и эксплуатацию зданий и сооружений. Строительные материалы составляют более 50 % сметной стоимости объектов.

Данная дисциплина является первой инженерной дисциплиной, которая закладывает базу для изучения специальных дисциплин – строительных конструкций, технологии строительного производства, экономики, управления и организации строительства, архитектуры и др.

Каждый материал имеет название, структуру, показатели качества или свойства, их численные значения, способы производства, условия и особенности применения и т.д. Всё это надо знать, чтобы считать себя настоящим строителем.

Концепция безопасности по отношению к строительным материалам обозначает обеспечение функциональных свойств, экологической чистоты, пожаробезопасности и безвредности материалов в течение всего их срока службы. Это относится к конечной строительной продукции – конструкции, здания, сооружения, которые сделаны из строительных материалов. Поэтому для обеспечения безопасности необходимо знать функциональное назначение, условия эксплуатации конечной продукции при изучении, выборе и разработке строительного материала, что обеспечивает стабильность его показателей во время эксплуатации.

Любой строительный объект должен отвечать условиям безопасности, быть функционален и экономически состоятелен. Необходимо также учитывать желание заказчика.

Исходя из условий работы материала в сооружениях, строительные материалы можно разделить классифицировать по назначению и технологическому признаку на 2 группы:

Строительные материалы:

1 группа:

конструкционные материалы, которые воспринимают и передают нагрузки (природные каменные материалы, бетоны, растворы, керамика, стекло, ситаллы, металлы, полимеры, древесина, композиты и др.);

2 группа:

строительные материалы специального назначения - теплоизоляционные, акустические, гидроизоляционные, герметики, кровельные, отделочные, антикоррозионные, огнеупорные материалы, материалы для радиационной защиты и т.д.

Теплоизоляционные:

• основное назначение -свести до минимума перенос теплоты через ограждающие конструкции и тем самым обеспечить необходимый тепловой режим помещения при оптимальных затратах энергии.

Акустические:

• (звукопоглощающие и звукоизоляционные) – снижающие уровень «шумового загрязнения» помещения.

Гидроизоляционные и кровельные:

• для создания водонепроницаемых слоев на кровле, подземных сооружениях и других конструкциях, которые необходимо защищать от воздействия воды или водяных паров.

Герметизирующие:

• для заделки стыков в сборных конструкциях.

Отделочные:

• для улучшения декоративных качеств строительных конструкций, а также для защиты конструкционных, теплоизоляционных и других материалов от внешних воздействий.

Специального назначения:

• (огнеупорные, кислотоупорные и т.д.), применяемые при возведении специальных сооружений.

Классификация.

В основу классификации по технологическому признаку положены вид сырья, из которого получают материал и способ изготовления.

Эти два фактора во многом определяют свойства материала и соответственно область его применения.

По способу изготовления различают материалы, получаемые:

- спеканием (керамика, цемент);

- плавлением (стекло, металлы);

- омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетоны, растворы);

- механической обработкой природного сырья (природный камень, древесные материалы).

Свойства

Свойства материалов имеют названия и оцениваются численными значениями, которые устанавливаются путем стандартных испытаний.

Надежность.

• это комплексное свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров при выполнении требуемых функций в заданных условиях эксплуатации и технического обслуживания. Она складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Долговечность.

• свойство объекта (изделия) сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта (срок службы).

Например, для железобетонных и каменных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности: I – соответствует сроку не менее 100 лет; II – 50 лет; III – 20 лет.

Безотказность - свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт.

Отказом - называют событие, при котором система, элемент или изделие полностью или частично теряют работоспособность.

Ремонтопригодность.

• свойство объекта (изделия) к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния при техническом обслуживании и ремонте.

Сохраняемость

• свойство объекта (изделия) сохранять в заданных пределах эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования установленного технической документацией.

Состав и строение материалов.

Основные свойства строительных материалов (физические, механические, химические) определяются их химическим составом и строением.

В зависимости от химического состава строительные материалы принято делить на:

- органические (древесина, битум, пластмассы);

- неорганические (минеральные) (природный камень, бетон, керамика);

- металлические ( сталь, чугун, цветные металлы).

Химический состав.

неорганических веществ удобно выражать количеством содержащих в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны между собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойства материала.

Минеральный состав

• показывает, какие минералы и в каком количестве содержаться в строительном материале.

Фазовый состав

это наличие твердого вещества, образующее стенки пор т.е. «каркас» материала и поры, заполненные воздухом, газом или водой. Причем, если поры материала заполнены водой, то его, например, теплофизические свойства существенно изменяются, так же, как и влажностные деформации. Если вода в порах замерзает, то она изменяет свое фазовое состояние и возникают большие напряжения, которые весьма изменяют механические и деформативные свойства материала..

Вещественный состав

• составляют вещества, входящие в материал: например, многокомпонентные цементы и др.).

Состав

От состава материала зависит его структура или строение, которые, в свою очередь, влияют на его свойства.

В материаловедении принято использовать термин строение материала. Существует научно доказанная взаимосвязь между тремя составляющими выражения: «состав – структура – свойства».

Строение материала изучают на 3-х уровнях:

1. Макроструктура материала – строение, видимое невооруженным глазом.

2. Микроструктура материала – строение видимое в оптический микроскоп.

3. Внутреннее строение материалов – изучаемое на молекулярно-ионном уровне методами рентгенофазового анализов, рентгеноструктурного и электронной микроскопии.

Макроструктура:

• конгломератная (бетоны);

• ячеистая (газобетоны и пенобетоны, ячеистые пластмассы);

• мелкопористая (керамика);

• волокнистая (древесина, стеклопластики, минеральная вата);

• слоистая (фанера, слоистые пластики);

• рыхлозернистая (заполнители для бетона, наполнители для цементов, пластмасс и др.);

• макроструктура природных каменных материалов.

Микроструктура:

может быть кристаллическая и аморфная.

Кристаллическая форма всегда более устойчивая. Она имеет постоянную температуру плавления и определенную геометрию кристаллов (кристаллический кварц), составляющих материал. Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это механическая прочность, теплопроводность, скорость растворения, электропроводность. Явление анизотропии является следствием особенностей внутреннего строения кристаллов.

Внутреннее строение материалов:

может быть в виде кристаллических решеток. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе или различных элементов как SiO₂); ионами (разноименно заряженных, как в СaCO₃, или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда).

От внутреннего строения зависят основные свойства материалов. Оно может изучаться методами рентгеноструктурного анализа, на сканирующем, растровом микроскопах-микроанализаторах и др.

Основные свойства строительных материалов.

В строительстве применяют разнообразные материалы. Чтобы облегчить изучение их особенностей, технические свойства материалов удобно свести в следующие группы: физические, механические, физико-химические и химические.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Параметры состояния

К ним относятся свойства, которыми обладает материал в естественном состоянии.

Истинная плотность

ρ(г/см³, кг/м³) – масса (m) единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии - V_a:

ρ = m/V_a

Средняя плотность

ρ_m(г/см³, кг/м³) – масса (m) единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами) - V_е:

ρ_m = m /V_е

Относительная плотность

dвыражает среднюю плотность материала по отношению к плотности воды (безразмерная величина):

d = ρ_m /ρ_{в, где}

плотность воды ρ_в = 1г/см³

Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности.

Насыпная плотность

ρ_н(г/см³, кг/м³) – масса (m) единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов - V_н(цемента, песка, щебня, минеральной ваты и др.):

ρ_н = m/V_н

Структурные характеристики.

Почти все строительные материалы имеют поры. Объем пористого материала V (см³; м³) в естественном состоянии (то есть вместе с порами) слагается из объема твердого вещества V_а и объема порV_п:

V = V_а +V_п

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием, ртутью или другой средой. Для сравнения в табл. 1 приводятся параметры состояния некоторых строительных материалов.

Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности (%) высушенного материала:

П = (1 – ρ_m / ρ) · 100 , (%)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах от 0 (стеклопластик) до 98% (вспененный полимер).

Коэффициент плотности.

К_пл. – степень заполнения объема материала твердым веществом

К_пл. = ρ_m / ρ

ρ_m- средняя плотность, (г/см³, кг/м³);

ρ – истинная плотность(г/см³, кг/м³).

В сумме П+К_пл. =1 (или 100%), т.е. высушенный материал можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечивающего прочность, и воздушных пор.

Пористый материал обычно содержит открытые и закрытые поры. Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой, могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения (погружении в ванну с водой).

Пористость.

Открытая пористость

равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой (Vводы), к объему материала (Vсух).

П_о = Vводы = (m2 – m1 )_{· 100%}

m₁ и m₂ масса образца соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии.

Закрытая пористость

Закрытая пористость П_з соответственно равна

П_з = П - П_о

Пористый материал обычно содержит и открытые и закрытые поры. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах умышленно создаются открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии.

Гидрофизические свойства

Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения подвергаются действию воды или водяных паров, находящихся на воздухе. При этом их свойства существенно изменяются. При увлажнении материалов их повышается теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства.

Гигроскопичность

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из окружающего воздуха. Такой процесс называют сорбцией. Он обратим. А влага, которую получает материал во время этого процесса, называется сорбционной влажностью. Гигроскопичность и сорбционная влажность измеряются в %. К сильно гигроскопичным материалам относятся древесина, вяжущие вещества.

Капиллярное всасывание

Это способность материала всасывать и передавать по своей толще влагу с помощью тонких капиллярных пор. Так грунтовые воды могут подниматься по бетонным, железобетонным и кирпичным стенам на значительную высоту. Для защиты конструкций от увлажнения в результате капиллярного всасывания необходимо тщательно изолировать материал от источника увлажнения с помощью гидроизоляционных материалов.

Эти процессы увеличивают влажность строительных материалов, которая бывает по объему и по массе.

Влажность

называется количество влаги внутри материала по отношению к его объему (V) или массе (m_с) высушенного материала. (Относительное содержание влаги в материале). Единица измерения – %. Это свойство можно отнести к параметрам состояния.

Влажность

Влажность по объему: Влажность по массе:

Водопоглощение

Водопоглощение – способность материала поглощать и удерживать воду. Единица измерения – %. Водопоглощение определяют по объёму и массе.

Очень важным свойством является водопоглощение строительных материалов. Особенно это касается стеновых материалов: бетонов, кирпича, древесины.

Водопоглощение определяется выдерживанием образца в воде до постоянной массы.

по массе:

W_m (%) определяют по отношению к массе сухого материала

W_m = (mнас – mсух) · 100

Mсух

m_нас. -массаобразца материала,насыщенного водой (г);

m_с -массаобразца материала в сухом состоянии(г)

по объему:

W_о (%) – степень заполнения объема материала водой:

W_о= Vн₂о = (m_нас - m_сух )· ρ_m