Основные характеристики конструкционных и декоративных материалов в средовом проектировании, их роль и место в средовой композиции

Настоящее время по праву называют временем новых технологий. Порошковая металлургия, компьютерные и лазерные технологии и новые материалы. Сегодня нас повсюду окружают изделия из металлосплавов, полиэтилена, полиуритана, полистирола и других различных соединений органической химии, композитов, делающих керамику прочнее металла, стекло - легким и небьющимся как пластик, а металл по теплопроводности таким же, как стекло и керамика.

Постоянное обновление палитры материалов дизайнера накладывает свой отпечаток на подход к формообразованию изделий.. Так, появление экологичных пластмасс, недорогих в производстве, положило начало производству разовых бытовых изделий: посуды, упаковки пищевых продуктов и прочего. При соответствующей организации процесса утилизации и переработки этот
материал может быть использован многократно. Пластифицирующие добавки к стеклу создали поколение небьющейся посуды, плафонов светильников и даже
новый вид мебели: столы, стулья, полки, гнутые и формованные из цельного листа стекла.

Большинство окружающих нас сегодня предметов быта представляют из себя рациональное сочетание материалов с различными прочностными свойствами. Так, современные хоккейные коньки, изготовленные из легких пластмасс, имеют лезвие из прочных сталей. В результате этого достигаются высокие эргономические показатели, безопасность в эксплуатации и экономичное производство: штампованный пластмассовый остов значительно проще в изготовлении металлической конструкции.

Аналогичный принцип функционального сочетания материалов лежит в основе конструирования различных типов ножей: кухонных, сапожных, макетных, ножей для выполнения художественных работ. Ручка-корпус у них выполнена из легких материалов - дерева, пластмасс, а лезвие из высокопрочных сталей. Принцип функционального сочетания различных материалов можно найти в дизайне большинства современных изделий.

Многие материалы, как природные, так и искусственные, по своим характеристикам имеют как ограничения в использовании, так и предпочтительные сферы применения. Так, использование такого современного отделочного материала, как гипсокартон невозможно при отделке помещений с повышенной влажностью, так как гипсокартон в таких условиях теряет свои прочностные свойства и эстетические качества.

Особо следует сказать о современных материалах покрытий. Палитру дизайнера дополнили разнообразные пластмассы для покрытия металлоконструкций, например, уличной мебели, синтетические покрытия типа "газон", полимерные смолы, для покрытия древесных плит (ламинирование), используемых в современной мебельной промышленности, напыление светоотражающих металлизированных покрытий на стекло, аннодирование поверхностей металлических конструкций. Они выполняют одновременно несколько функций: защита конструкций от негативного воздействий окружающей среды, организация комфортного и безопасного тактильного контакта с человеком, придание изделию высоких эстетических качеств.

Материалы покрытий могут дополнительно выполнять и специальные функции, связанные с протекающими здесь процессами. Например, звукорассеивающие и звукопоглощающие материалы в отделке студий звукозаписи, киноконцертных залов.

Другой пример - светорассеивающие и светоотражающие материалы в интерьерах фото- и киностудий, устройствах маяков, прожекторов, фар и других осветительных приборов, стекло односторонней видимости, используемое в некоторых видах специальных перегородок.

Материал в дизайне часто рассматривается как своеобразное средство украшения
промышленного изделия, придания ему выразительности. Фактура и текстура материала, умело используемые дизайнером, как особое художественное средство способно выделить изделие из ряда подобных. Специальная обработка поверхности материала наряду с функциональными и техническими требованиями играет и декоративную роль. Это шлифовка камня, покраска и пропитка кожи, дерева, полировка и насечка металла. Это особенно важно в тех видах дизайнерской деятельности, где внешний вид изделия играет особо важную роль - дизайн одежды, обуви, аксессуаров, арт-дизайн.

Особой выразительности изделия достигают дизайнеры различными композициями материалов в одном изделии, включая инкрустацию.

Классификация строительных материалов.

а) По сырью:

1. Природные каменные материалы – рыхлые (песок, щебень, гравий…), штучные материалы.

2. Неорганические вяжущие вещества – продукт обжига природного сырья или искусственных смесей с последующим измельчением (портландцемент, шлакопортландцемент, известь, гипс).

3. Бетоны и строительные растворы на основе неорганических вяжущих

4. Керамические материалы. Получают из глины путем формования, сушки, обжига. (кирпич, кафель, трубы).

5. Материалы из минеральных расплавов (стекло).

6. Теплоизоляционные и акустические материалы на органическом (мягкие двп, торфоплиты) и неорганическом (мин. вата, стекловата) вяжущем.

7. Органические вяжущие и материалы на их основе. (Битум, деготь, рубероид, толь).

8. Полимерные строительные материалы (стеклопластик, пенопласты

9. Лакокрасочные материалы.

10. Лесные материалы.

11. Металлические материалы.

б) По условиям работы:

1. Конструктивные С.М., материал, который воспринимает нагрузку – природные каменные, бетоны и строительные, керамические, полимерные, лесные, металлические, композиционные, полимербетон.

2. Материалы специального назначения – теплоизоляционные (пенопласты, мин. ваты), акустические (акменит), гидроизоляционные, кровельные, герметизирующие, огнеупорные (шамот), для радиационной защиты, антикоррозийные. Все С.М. по своим свойствам должны удовлетворять ГОСТу.

Состав, строение и свойства строительных материалов

Строительный материал характеризуется химическим, мине­ральным и фазовым составом. Химический состав определяется наличием оксидов в материале (SiO₂, Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃) и позволяет судить о свойствах материала (мел - мрамор). Основные и кислотные оксиды химически связаны и образуют минералы. Минеральный состав показывает наличие минералов и их количество в процентах. Пример (в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (3CaOSiO₂) cоставляет 45... 60%, причем при большем содержании этого минерала ускоряется процесс твердения и повышается прочность.) Фазовый состав (газ, жидкое, твердое состояние). Фазовые переходы воды, находящейся в его порах, оказывают большое влияние на свойства материала. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т.е. каркас и поры, наполненные воздухом или водой. Изменение содержания воды и ее состояния меняет свойства материала.

Свойства строительного материала определяются его струк­турой. Для получения материала заданных свойств следует создать его внутреннюю структуру, обеспечивающую необходимые технические характеристики. В конечном итоге знание свойств материалов необходимо для наиболее эффективного его исполь­зования в конкретных условиях эксплуатации.

Понятие структура материала:

Структуру строительного материала изучают на трех уровнях: Различают кристаллическую и аморфную структуру. Кристаллическая более прочная.

макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом;

микроструктура — строение, видимое через микроскоп;

внутреннее строение — вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования — электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ).

Все свойства строительных материалов можно разделить на следующие виды:

Физические свойства материалов.

Плотность (г/см³, кг/м³) – Степень заполнения объёма материала веществом.

Истинная плотность –масса единицы объема абсолютно плотного материала r=M/V_а.

Средняя плотность – масса единицы объема материала в естественном состоянии r=m/V, где V=V_a+V_п.

Насыпная плотность — отношением массы зернистых, порошкообразных или волокнистых материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами (r_н). характеризует сыпучие материалы (песок, щебень, цемент и др.).

Относительная плотность выражает плотность материала по отношению к плотности воды D=r/r_B (t=4⁰C, Р - атмосферное).

Пористость - Это степень заполнения объема материала порами (%)Поры – это ячейки в материале, заполненные воздухом или водой, бывют мелкие и крупные. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. Её можно определять экспериментально – расчетным методом П= V_п/V, где К_пл=r_m/r - коэф. плотности. П=(1-К_пл)*100%. Различают открытую и закрытую пористость. П=П_о+П_з; Закрытые поры способствуют повышению долговечности материала. От характера пористости зависят теплоизоляционные свойства материала.

Пустотность — количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпанного материала (песка, щебня и т. п.) или имеющихся в некоторых изделиях, например в пустотелом кирпиче, панелях из железобетона. Пустотность песка и щебня составляет 35... 45%, пустотелого кирпича — 15...50%.

Гидрофизические свойства материалов.

Гидрофизические свойства материалов – характеризуют отношение материала к воде.

Гигроскопичность – свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их вследствие капиллярной конденсации. Поглощение влаги (сорбция), Отдача (десорбция).

Капиллярное всасывание – происходит в случае, когда пористый материал находится в воде, а другая часть материала на воздухе.

Водопоглощение – это способность материала поглощать и удерживать воду, при его погружение в воду. Различают по объему и по массе: W₀=т_вл-т_с/V Wm= т_вл-т_с/ т_с, m_вл-масса насыщенного материала; m_c-масса сухого материала. W₀=W_m*d, где d – относительная плотность. К_р=R_вл/R_с - коэффициент размягчения, где– прочность материала от 0 до 1. Кр=0 (глина) Кр=1 (металлы, битум). Определяет морозостойкость и водостойкость.

Кн= W₀/П; Кн=0 – закрытая пористость. Кн=1 – открытая пористость.

Водопроницаемость – это свойство материала пропускать влагу под давлением (для гидротехнических сооружений).

Влагоотдача — способность материала отдавать влагу.

Газо и паропроницаемость – когда у поверхностей разное давление. (для стеновых материалов).

Усадка (усушка) – это уменьшение размеров при его высыхании. (от 30 до 100 мм/м)

Морозостойкость – свойство насыщенного водой материала выдерживать по переменное замораживание и оттаиванье без признаков разрушения и значительного сниже­ния прочности.. За марку материала по морозостойкости принимают максимальное число циклов по переменного замораживания – оттаивания, которые выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%.М_рз=50 .(50 раз замораживали и размораживали. Для стен =100; для гидро.тех. сооружений = 300)

Теплофизические свойства

Теплопроводность l - это свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. l(вт/м°с) – показывает какое количество тепла передается стенкой в 1м² на расстояние 1м, при разности температуры на 1 градус в единицу времени. (Вт=дж/с) Наиболее эффективные теплоизолирующие материалы у которых l имеете более низкое значение <0,1 вт/м°С

Теплоемкость – это количество тепла, которое необходимо сообщить одному килограмму материала, чтобы нагреть его на 1°С. Для органических материалов – С<0,7 кдж/кг°С. Для неорганических материалов С 0,75-0,95кдж /кг°С для воды С=1 кдж/кг°с

Огнеупорность – это свойство материала выдерживать длительное время действие высоких температур t>1580°C – огнеупорные, 1350…1580°C – тугоплавкие, < 1350°C – легкоплавкие.

Огнестойкость – это свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Огнестойкость зависит от сгораемости материала.

Термическая стойкость материала характеризуется его спо­собностью выдерживать определенное количество циклов резких тепловых изменений без разрушения.

Коэффициент линейного термического расширения – учитывают при проектировании и строительстве крупных зданий конструкций и установок. Сталь = 10*10^-6°С^-1; Древесина 20*10^-6°С^-1

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. подразделяются на две группы: деформативные и прочностные.

1. Деформативные:

– упругость, пластичность, модуль упругости (модуль Юнга), коэффициент Пуансона и ползучесть.

A. Упругость – это свойство тела деформироваться под действием нагрузки и самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки.

B. Пластичность – это свойство тела деформироваться под действием внешних сил не разрушаясь, при чем после снятия нагрузки первоначальное состояние и размеры не восстанавливаются.

C. Хрупкость – это свойство твердых тел разрушаться под действием мех. Или внешних сил без значительной пластической деформации. (стекло)

Основными характеристиками деформативных свойств является модуль упругости : Е=ζ/ Е

ζ (сигма) – напряжение сжатия или рассжатия ζ=Р/F

Р- разрушительная сила (кг). F – площадь сечения (м²)

Е – относительная деформация Е=∆l/l – абсолютная деформация.

Коэффициент Пуансона (коэффициент поперечного сжатия) Кп= - характеризует растяжение.

2. Прочностные свойства

Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением, определенным при данном виде деформации)

1. Для хрупких

Rсж; т.к.образцы не однородные количество образцов должно быть не меньше трех. На предел прочности влияет форма, размеры образцов, состояние поверхности опоры, скорость приложение нагрузки. В зависимости от прочности строительных материалы подразделяют на марки : кг/см²;чем выше марка тем выше качество.

В последнее время строительные материалы подразделяются на классы: (В) Мпа; класс по прочности учитывает коэффициент вариации по прочности. В 2,5; В 3,5 (округление 0,5) Rсж= кг/см²

Rраст-характерно для волокнистых материалов = ; В зависимости от отношения Rр (предел прочности) к Rсж (Rр/Rсж) различают три группы С.М.

Ø Rp>Rсж – для волокнистых материалов (дерево)

Ø Rp<Rсж – для хрупких металлов (природные камни, кирпич)

Ø Rp=Rсж – металлы и сплавы.

2. Придел прочности при изгибе.

Rизг= , где Р – разрушающая нагрузка (в кг) ; b –ширина образца; h –высота образца.

3. Ударная прочность (вязкость) – это способность материала сопротивляться при ударных нагрузках. (кдж/м³) кдж- характеризует работу; м – объем образца. Для материалов – половых.

Эффективность конструкционного материала характеризующаяся удельной прочностью (коэффициентом конструкционного качества) который представляет собой : ККК=R/d; равен отношению прочности к относительной плотности.

4. Твердость – это свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала. (по шкале Мооса – твердость природных материалов). Все другие материалы определяются по вдавливанию стального шарика или наконечника в виде конуса.

5. Истираемость – способность материала уменьшаться в весе и V под действием истирающих сил. Оценивается потерей массы к поверхности истирания. U= ; где m1-масса образца до истирания; m2-масса образца после; F-(граммах) площадь образца истирания. Важен для устройства полов.

Химические свойства оцениваются показателями стойкости материала при действии кислот, щелочей, растворов солей, вызывающих обменные реакции в материале и разрушение его. Химическая стойкость – способность материала сопротивляться воздействию кислот, щелочей, растворов солей и газов.

Технологические свойства— способность материала подвер­гаться обработке при изготовлении из него изделий. Эти свой­ства рассматриваются в соответствующих разделах курса приме­нительно к конкретному материалу.

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

Радиационная стойкость — свойство материала сохранять свою структуру и физико-механические характеристики после воздействия ионизирующих излучений.

Долговечность – способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Такими факторами могут быть: изменение температуры и влажности, действие различных газов, находящихся в воздухе или растворов солей, находящихся в воде, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей.