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

Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением размера пор по их диаметрам или радиусам и их удельной поверхностью.

Пористость.

Степень заполнения объема материала порами

П = V_п/ Vе

Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за 1, или в % от объема.

Определение пористости.

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%}

Vсух. Vе · ρн2о

где

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

V_ест ρн₂о m_сух

W_{о =} W_m · ρ_m= W_m · d

Н2о

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства строительных материалов, увеличивается плотность, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.

Водопоглощение используют для оценки структуры материала, используя коэффициент насыщения пор водой.

Коэффициент насыщения пор водой

равен отношению водопоглощения по объёму к пористости:

• К_н =W_о/П

• По коэффициенту насыщения пор водой можно достаточно косвенно оценивать морозостойкость материала:

• если К_н < 0,6, то можно считать, что материал морозостойкий;

• если 0,6 < К_н < 0,8,то материал имеет сомнительную морозостойкость,

• а если К_н > 0,8,то материал неморозостойкий.

Коэффициент насыщения пор водой

• Эти утверждения основаны на рассуждениях о величине заполнения пор водой: чем больше пор заполнены водой, тем вероятность разрушения материала больше после замерзания в порах воды.

• Материалы наружных несущих ограждающих конструкций после дождей насыщаются водой. Для обеспечения безопасности требуется знать, будет ли снижаться прочность материала стены.

Водостойкость

• способность материала, насыщенного водой, сохранять свою прочность.

• Степень понижения прочности материала характеризуется коэффициентом размягчения - К_р, который связывает прочность материала, насыщенного водой - R_ви прочность материала в сухом состоянии - R_с.

Коэффициент размягчения

• равен отношению предела прочности материала в водонасыщенном состоянии, к пределу прочности в сухом состоянии:

• К_р = R_нас / R_сух

• Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала:

• если К_р > 0,8,то материал водостойкий и снижение прочности после водонасыщения не превышает 20 %;

• если 0,6 < К_р < 0,8,то материал имеет сомнительную водостойкость;

• если К_р < 0,6, то можно считать, что материал неводостойкий и после увлажнения потеря прочности составляет 40 и более процентов.

Водопроницаемость.

• это свойство материала пропускать воду под давлением.

• Коэффициент фильтрации К_ф(м/ч – размерность как у скорости) характеризует водопроницаемость материала:

• К_{ф =} V_в· а / [S (p1 – p2) t],

• где К_ф = V_в- количество воды (м³), проходящей через стенку площадью S=1 м², толщиной а = 1м за время t = 1чпри разности гидростатического давления на границах стенки p1 – p2 = 1м вод. ст.

Водонепроницаемость.

• это способность материала сопротивляться фильтрации воды под давлением (МПа).

• Это свойство очень важно для бетонов. Оно характеризуется маркой по водонепроницаемости при одностороннем гидростатическом давлении, при котором образец не пропускает воду. Существуют марки по водонепроницаемости: W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже коэффициент фильтрации, тем выше марка по водонепроницаемости. Водонепроницаемость не допускают при строительстве гидротехнических сооружений. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои.

Газо- и паропроницаемость.

• Паропроницаемость и газопроницаемость - способность материала пропускать через свою толщу водяной пар или газы (воздух). Величина, численно равная количеству водяного пара (в мг), проходящего за 1 ч через слой материала площадью 1 м² и толщиной 1м при условии, что температура воздуха у противоположных сторон слоя одинаковая, а разность парциальных давлений водяного пара равна 1 Па.

• V_ρ = K_r S t Δp/a

• Коэффициент газопроницаемости:

• K_r = a V ρ / S t Δp (г /м · ч ·Па)

Морозостойкость.

• способность материала сопротивляться разрушению под действием многократного попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. Морозостойкость материала количественно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости.

• За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов (F от слова frost – мороз) попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15% и потери массы – не более 5%. Морозостойкость напрямую связана с водопоглощением материала: чем выше водопоглощение, тем ниже морозостойкость.

Теплофизические свойства.

• Главным теплофизическим свойством для строительных материалов – термическое сопротивление ограждающей конструкции теплопередаче R.

Термическое сопротивление теплопередаче.

• способность конструкции противостоять движению тепла через нее. В настоящее время оно устанавливается в СНиП для каждого региона. Для условий Москвы оно установлено 2,5 (м² · ^оС)/Вт. На основании этого показателя происходит теплотехнический расчет конструкции стены. Требуемое значение термического сопротивления теплопередаче R_о или термического сопротивления делают толщину стен достаточно большой, поэтому в индустриальном строительстве применяют двух- и трехслойные ограждающие конструкции с использованием эффективного утеплителя (минераловатных плит, плит из пенопласта).

Теплотехнический расчет конструкции стены:

• R_о/r – (1/α_в + 1/α_н) = ∑ δ_i/λ _i

• r – коэффициент однородности стены:

• для однослойной стены r = 0,9; для двухслойной стены r = 0,8;

• для трехслойной и более стены r = 0,7;

• α_в и α_н – теплоотдача внутренней и наружной поверхности стены;

• δ_i – толщина каждого слоя стены, м;

• λ _i – теплопроводность каждого слоя стены, Вт/(м · ^оС).

• По этой формуле находится толщины каждого слоя и всей стены, так как все остальные значения известны.

• Теплопроводностью – λназывают способность материала передавать теплоту от одной поверхности другой. Она зависит от влажности материала: чем выше влажность, тем больше теплопроводность.

Теплопроводность.

• Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты, которое способен передать материал через 1м² поверхности при толщине 1м и разности температур на противоположных поверхностях 1 ^оС.

• На практике удобно судить о теплопроводности по плотности материала.

• Известна формула В.П. Некрасова, связывающая теплопроводность λВт/(м · ^оС) с относительной плотностью d:

• _____________________

• λ = √( 1,16· 0,0196 + 0,22·d ² ) - 0,16

Теплоемкость.

• это способность материала аккумулировать тепло при нагревании и отдавать его при остывании.

Удельная теплоемкость.

• это количество теплоты - Q кДж/(кг ·^оС) , которое необходимо сообщить 1 кг материала - m, чтобы повысить его температуру на 1 ^оС - Δt, Иными словами –

• c = Q / m · Δt

• Существуют различные условия, где строительные материалы могут работать при повышенных температурах. При этом они должны обладать тугоплавкостью или огнеупорностью.

Тугоплавкость.

• Тугоплавкостью называют способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры от 1350 до 1580^оС. Единица измерения – ^оС.

Огнеупорность.

• Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие температуры более 1580^оС, не размягчаясь и не деформируясь. Единица измерения – ^оС.

Огнестойкость.

• способность материала при пожаре выдерживать в течение времени соприкосновение с огнем до начала серьезных деформаций и обрушения конструкций. Огнестойкость имеет категории. Единица измерения – часы, ч. При пожаре развиваются высокие температуры: около 1000 ^оС; при

• горении полимеров – до 2000 ^оС; при горении алюминия – 3000 ^оС.

• Не сгораемые материалы – это бетон, керамический кирпич.