Материалы для основных конструктивных элементов зданий. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (Илья Мельников, 2011)

В настоящее время с возрастанием экономического потенциала страны строительству и строительным материалам уделяется очень много внимания. Современное строительство характеризуется высоким развитием научно-технической базы, обеспечивающей быстрый рост разработки новых эффективных строительных материалов, совершенствования технологии их производства, стремлением перенести значительную часть строительных процессов в условия производства, что позволяет значительно облегчить и улучшить условия труда, сократить его затраты и снизить стоимость продукции. Чем шире ассортимент, выше качество и ниже стоимость строительных материалов, тем успешнее осуществляется строительство. В процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений строительные материалы, изделия и конструкции, из которых они возводятся, подвергаются различным физико-механическим, технологическим и химическим воздействиям. Поэтому от специалиста требуется умение со знанием дела правильно выбирать строительные материалы, изделия или конструкции, обладающие достаточной стойкостью, надежностью и долговечностью в конкретных условиях эксплуатации. Для этого необходимы специальные знания используемых материалов и изделий, перечень контролируемых свойств, их показатели, виды и классификации выпускаемой продукции.

Чтобы легче разобраться в многообразии материалов, применяемых в строительстве, их классифицируют (разделяют) на группы, обладающие одним общим признаком. В основном применяют классификацию по технологическому признаку. В основу такой классификации положены вид сырья, из которого изготовляют материалы и производственная технология, обеспечивающая получение материала. Строительные материалы классифицируют:

– по назначению (отделочные, конструкционные, гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические, герметизирующие, антикоррозионные);

– по виду материала (древесные, каменные, полимерные, металлические, стеклянные, керамические и др.);

– по способу получения (природные и искусственные).

Природные строительные материалы добывают в местах их естественного образования (горные породы), или роста (древесина). Состав и свойства этих материалов в основном зависят от происхождения исходных пород и способа их обработки и переработки.

Искусственные строительные материалы изготавливают из природного минерального и органического сырья (песка, глины, нефти, газа, известняка и т.д.) и промышленных отходов (шлаков, золы и др.) по специальной технологии. Полученные искусственные материалы приобретают новые свойства, отличные от свойств исходного сырья.

Возможность использования материалов в строительных конструкциях и изделиях в значительной степени определяется его свойствам. Свойства материалов определяются составом и структурой материала. Структуру материала изучают на микроуровне при помощи микроскопов и на макроуровне – визуально.

Микроструктура зависит от состава и может быть нестабильной, оцениваемой по вязкости и пластичности (лакокрасочные материалы, цементное тесто). Со временем она переходит в более устойчивую структуру: аморфную (стекло), характеризующуюся однородностью и хаотичным расположением молекул, или стабильную – кристаллическую (металлы, камень).

Кристаллическая структура представляет собой кристаллическую решетку со строго определенным расположением атомов. Одним из основных показателей кристаллических решеток является прочность. На свойства материалов большое влияние оказывают форма, размеры и расположение кристаллов. Мелкокристаллические более однородны и стойки к внешним воздействиям. Крупнокристаллические материалы, например металлы, имеют большую прочность. Слоистое расположение кристаллов, как у сланцев, обеспечивает легкое раскалывание по плоскостям, что используется при получении отделочных плиточных материалов.

Микроструктуру искусственно полученных материалов можно целенаправленно регулировать в зависимости от задаваемых свойств и назначений изделий.

Макроструктура материала зависит от технологии получения материала и сырья. Так, стекло обладает плотной макроструктурой, пеносиликат – ячеистой, пластики – слоистой, песок и гравий – рыхлозернистой. Однако, имея одно и то же основное исходное сырье, например, глину, и изменяя технологию, можно получить облицовочные плитки плотной структуры, стеновой мелкопористый кирпич и теплоизоляционный ячеистый материал – керамзит.

Свойства материалов условно разделяют на физические, механические, химические и технологические.

Физические свойства характеризуют вещество и структуру материала, а также его способность реагировать на внешние воздействия, не вызывающие изменения химического состава и структуры материала. Основными из них являются:

– общефизические свойства: плотность (истинная, средняя, насыпная), объемная масса, относительная плотность, пористость (общая, открытая, замкнутая);

– гидрофизические свойства: влагоотдача, водопоглощение, морозостойкость, воздухостойкость, гигроскопичность, гидрофобность, гидрофильность, межзерновая пустотность, гидрофобность, влажность, водонепроницаемость, водостойкость, фильтрационная способность (водопроницаемость);

– теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, термостойкость, жаростойкость, огнеупорность, огнестойкость;

– акустические свойства: звукопоглощение, звукоизоляция, виброизоляция, вибропоглощение;

– механические свойства: предел прочности на сжатие, растяжение, изгиб, твердость, износ, сопротивление удару, упругость, истираемость;

– химические свойства: коррозионная стойкость, химическая активность, растворимость, кристаллизация;

– технологические свойства: вязкость, пластичность, ковкость, свариваемость, гвоздимость, набухание и усадка, хрупкость и др.

Кроме того, физические свойства включают и механические свойства, которые характеризуют поведение материала при действии на него различных нагрузок. К механическим свойствам относятся: сопротивление материала сжатию, растяжению, изгибу, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Физические свойства строительных материалов

Плотность. Плотность может быть истинной, средней, насыпной, относительной. Под истинной плотностью (кг/м куб.) понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала без трещин, пор и пустот. Истинная плотность (кг/м куб.) для основных строительных материалов следующая: сталь, чугун 7800…7900; портландцемент 2900…3100; гранит 2700…2800; песок кварцевый 2600…2700; кирпич керамический 2500…2800; стекло 2500…3000; известняк 2400…2600; древесина 1500…1600.

Средняя плотность – это масса единицы объема материла или изделия в естественном состоянии, то есть с пустотами и порами. Средняя плотность одного и того же материала может быть разной в зависимости от пористости и пустотности. Сыпучие материалы (цемент, щебень, песок и др.) характеризуются насыпной плотностью – отношением массы зернистых и порошкообразных материалов в свободном без уплотнения насыпном состоянии ко всему занимаемому ими объему, включая пространство между частицами.

От плотности материала в значительной степени зависят его прочность, теплопроводность и другие свойства. Этими данными пользуются при определении толщины ограждающих конструкций отапливаемых зданий, размера строительных конструкций, расчетах транспортных средств и др. Значения средней плотности строительных материалов находятся в широких пределах.

Средняя плотность (кг/м куб.) для некоторых строительных материалов следующая: сталь – 7800…7850; гранит – 2600…2800; бетон тяжелый – 1800…2500; кирпич керамический – 1600…1800; песок – 1450…1650; вода – 1000; бетон легкий – 500…1800; керамзит – 300…900; сосна – 500…600; минеральная вата – 200…400; поропласты – 20…100.

Плотность материала зависит от его пористости и влажности. С увеличением влажности плотность материала увеличивается.

Относительная плотность – это степень заполнения веществом объема материала. Относительную плотность выражают отвлеченным числом или в процентах.

Пористость. Пористость материала характеризует объем, занимаемый в нем порами – мелкими ячейками, заполненными воздухом. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. По величине пористости можно судить о примерной прочности, плотности, водопоглощении, долговечности и др. Для конструкций, от которых требуется высокая прочность или водонепроницаемость, используют плотные материалы, для стен зданий используют материалы со значительной пористостью. Такие материалы обладают хорошими теплоизоляционными и звукопоглощающими свойствами.

Для рыхлых материалов при расчетах учитывают насыпную объемную массу. Пористость и относительная плотность в значительной степени определяют эксплуатационные качества материалов (прочность, водопоглощение, морозостойкость, теплопроводность). Значение показателя пористости строительных материалов колеблется от 0 (стекло, сталь) до 90 % (минеральная вата).

Пустотность. Пустотность представляет собой количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпного материала. Выражается в процентах по отношению ко всему занимаемому объему. Этот показатель важен для керамзита, песка, щебня при изготовлении бетона. В некоторых строительных материалах (кирпич, панели) имеются полости, также образующие пустоты. Пустотность пустотелого кирпича составляет от 15 до 50 %, песка и щебня – 35…45 %.

Гидрофизические свойства материалов

Гигроскопичность. Гигроскопичность представляет собой свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей поверхности. Она зависит от вида, количества и размера пор, от природы материала, от температуры воздуха и его относительной влажности. Когда влажность снижается, часть гигроскопичной влаги испаряется. Чем мельче поры, тем больше общая площадь поверхности, и следовательно, выше гигроскопичность. Материалы, притягивающие своей поверхностью воду, называют гидрофильными; материалы, отталкивающие воду называют гидрофобными.

Водопоглощение. Водопоглощение является способностью материала впитывать и удерживать воду. Величина водопоглощения характеризуется разностью между массой образца, насыщенного водой и массой сухого образца. Водопоглощение строительных материалов изменяется в зависимости от объема пор, их размеров и вида. Различают объемное водопоглощение, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

Массовое водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах. Так, массовое поглощение обыкновенного кирпича составляет от 8 до 20 %, бетона – 2 – 3 %, торфоплит – 100 % и больше. Вода, попавшая в поры материала, увеличивает его объемную массу и теплопроводность, уменьшает морозостойкость и прочность. Некоторые материалы, в частности, затвердевшие глиняные растворы, разрушаются в воде.

Водопроницаемость. Водопроницаемость является свойством материала, характеризующим его способность пропускать воду под давлением. Она характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 м кв. площади испытуемого материала при давлении 1 МПа. Это свойство учитывают при строительстве дамб, мостов, плотин и других гидротехнических сооружений. Сталь, стекло, большинство пластмасс, битум и другие плотные материалы водонепроницаемы.

Влагоотдача. Влагоотдача представляет собой способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности между влажностью материала и относительной влажностью воздуха. Чем разность больше, тем интенсивнее происходит высушивание. На влагоотдачу влияют свойства самого материала, характер его пористости, природа вещества. Материалы с крупными порами, а также гидрофобные материалы легче отдают воду, чем гидрофильные и мелкопористые. Влагоотдача строительного материала в естественных условиях характеризуется интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 0С.

Воздухостойкость. Воздухостойкостью называется способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Бетон, керамика и другие природные и искусственные каменные материалы, а также надводные части гидросооружений, дорожные покрытия, сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются из-за возникновения растягивающих напряжений.

Теплофизические свойства

Теплопроводность материала. Теплопроводностью называют свойство материала пропускать тепло через свою толщину. Теплопроводность материала принято характеризовать величиной коэффициента теплопроводности. Этот коэффициент показывает количество тепла в в килокалориях, проходящего за 1 ч через 1 м кв. материала толщиной 1 м при разности температур на ее противоположных поверхностях в 1 0С. Как правило, коэффициент теплопроводности выше для плотных материалов и ниже для пористых. Влажность материала резко (до 10 раз) увеличивает его теплопроводность, что объясняется значительной теплопроводностью воды. Когда влажные материалы замерзают, их теплопроводность возрастает еще значительнее.

Морозостойкость. Под морозостойкостью понимают способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения, то есть не образуя трещин, выкрашивания, расслаивания, не теряя значительно прочности и массы. Вода, находящаяся в порах материала, превратившись в лед, увеличивается в объеме примерно на 10 %. При этом в материале возникают большие внутренние напряжения, которые постепенно его разрушают. Способность материала противостоять морозному разрушению зависит от присутствия в его структуре определенного объема замкнутых пор, в которые под давлением растущих кристаллов льда вода отжимается.

Морозостойкость материала в строительстве количественно оценивается маркой F – числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживают образцы без снижения прочности на 5…25 % и массы на 3…5 % в зависимости от назначения материала. По морозостойкости установлены следующие марки: тяжелый бетон – F50…F500, легкий бетон – F25…F500, стеновые керамические камни, кирпич – F15…F100.

Морозостойкими являются плотные или с малым водопоглощением (до 0,5 %) материалы. Морозостойкость характеризуется количеством циклов попеременного замораживания материала до температуры – 15 0С и оттаивания его в воде при температуре 20 0С. Прочность материала в результате этого понизиться не должна более чем на 20 %, а потеря массы – превысить 5 %.

Огнестойкость. Огнестойкость является способностью материала выдерживать, не разрушаясь, воздействие огня и воды в условиях пожара. К строительным материалам (стены, перекрытия, колонны и др.) предъявляют требования по огнестойкости, которые зависят от категории здания по пожаробезопасности. Огнестойкость оценивают по показателю возгораемости. Этот показатель основан на нескольких признаках предельного состояния: потере несущей способности, которая выражается в снижении прочности и увеличении деформаций, а также теплоизолирующих свойств и сплошности.

Предел огнестойкости материалов и конструкций характеризуется временем, выраженном в часах с начала теплового воздействия и до появления одного из признаков предельного состояния. По степени огнестойкости различают сгораемые, трудносгораемые и несгораемые материалы.

Сгораемыми называют материалы, которые под действием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня (например, древесина, рубероид).

Трудносгораемыми являются материалы, способные гореть, тлеть и обугливаться только при непосредственном действии на них источника огня или высокой температуры и прекращающие гореть после удаления этого источника (например, фибролит).

Несгораемыми считаются материалы, которые не воспламеняются под действием огня или высокой температуры, а только разрушаются. К ним относятся бетоны, строительные растворы, кирпич, стеклянные и керамические плитки.

Огнеупорность является свойством материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности строительные материалы подразделяют на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. К огнеупорным относятся материалы, выдерживающие продолжительное воздействие температуры от 1580 0С и выше. Тугоплавкие выдерживают температуру 1350 – 1580 0С, огнеупорность легкоплавких материалов ниже 1350 0С.

Жаростойкость. Жаростойкость – это способность материала выдерживать без разрушений определенное количество резких колебаний температуры – теплосмен. Теплосмены являются единицей измерения этого свойства.

Механические свойства строительных материалов