К естественным строительным материалам относятся такие материалы, которые применяются в строительстве, не проходя сложную, т.е. химическую или тепловую обработку. Это естественные каменные материалы, полученные разработкой и последующей механической обработкой: дробление, шлифовка, распиловка и т.д. Это гранит, мрамор, известняк, песчаник, ракушечник, туф. породы или дробят на мелкие камни – щебень, или обрабатывают и делают из них облицовочные плиты, кирпичи или камни для дорог.

Искусственные материалы получаются в результате более сложной переработки – обжига, плавки, пропаривания или сушки исходного сырья. В результате такой переработки существенно изменяются химический состав продукта и его свойства. К таким материалам относятся: керамика – полученная из глины при помощи обжига; цемент – получают тонким измельчением клинкера с гипсом – материалом, полученным обжигом тонкоизмельченной смеси известняка с глиной; шлаковая вата – распылением шлакового расплава; известь – получаемая из известняковых пород.

Основные свойства

Состав и строение материалов

Химический состав. В зависимости от хим. состава принято выделять органические и неорганические вещества.

Органические вещества - соединения углерода с другими элементами. все органические вещества ведут свое начало от продуктов фотосинтеза растений (глюкозы, крахмала и т.д.), т.е. все органические вещества представляют собой не окисленные как минеральные (каменные) вещества, а восстановленные вещества, аккумулирующие энергию солнца и отдающие ее при окислении (горении, гниении).

Среди строительных материалов из органических веществ чаще всего применяется древесина и битум.

органические вещества имеют серьезные недостатки:

1) при температурах выше 200-300⁰С большинство органических соединений горит (горение – это процесс окисления, протекающий очень быстро и сопровождается концентрированным выделением теплоты);

2) при развитии на органических материалах грибов или микроорганизмов происходит гниение – ферментативное окисление этих материалов.

сущность процесса горения и гниения одна и та же – это окисление, но протекающее с разной скоростью и при разных температурах.

долговечность органических материалов невелика\положительные свойства органических материалов (невысокая плотность, относительно высокая прочность, легкость обработки и др.)

Неорганические (минеральные) вещества, применяемые в строительстве (керамика, природный камень и др.), представляют собой соединения уже окисленных химических элементов. Например, песок – оксид кремния SiO₂; глина – водный алюмосиликат Al₂O₃ nSiO₂ mH₂O; стекло – вещество, состоящее из оксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и некоторых других оксидов. Будучи уже в окисленном состоянии, они не способны окисляться, т.е. гнить и гореть. В этом отношении они устойчивее (долговечнее) органических веществ. Однако их переработка в изделия, как правило, более трудоемка и энергоемка, чем переработка органических материалов.

Кристаллические и аморфные тела. В зависимости от степени упорядоченности расположения атомов (или молекул) твердых веществ различают кристаллические и аморфные (стеклообразные) тела.

Кристаллические тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непосредственной близости друг от друга (ближний порядок), так и на значительном расстоянии (дальний порядок).

Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в более или менее упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.

Поры – один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов – представляют собой воздушные ячейки в материале размером от долей микрона до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во много определяют свойства материала. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное, легкое (плавает в воде) и может распиливаться обычной пилой.

Крупные поры размером более 5 мм и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.

В зависимости от формы и размера частиц и их строения различают: зернистые, волокнистые и слоистые материалы.

Структурные характеристики и параметры состояния материала

Основные структурные характеристики материала, во многом определяющие его технические свойства, - это плотность и пористость; важнейший параметр состояния - влажность.

Плотность – физическая величина, определяемая массой единицы объема вещества (или материала).

1 Истинная плотность – масса единицы объема абсолютно плотного материала:

,

Таким образом, истинная плотность характеризует не материал, а вещество, из которого состоит материал.

2 Средняя плотность – масса материала в естественном состоянии (вместе с порами). Среднюю плотность вычисляют по формуле:

, (г/см³, кг/м³) (2)

Определяется средняя плотность на образцах, имеющих правильную или неправильную форму. Объем образца неправильной формы определяется методом гидростатического взвешивания, для этого материал насыщают жидкостью, затем взвешивают на воздухе и в жидкости.

3 Насыпная плотность – масса единицы объема материала в свободнонасыпанном состоянии:

, (3)

4 Пористость – степень заполнения объема материала порами.

По величине пористость является дополнением к плотности, пористость изменяется от 0 до 100%.

- средняя плотность,

- истинная плотность.

Поры бывают открытые и закрытие. Открытые поры – это поры, сообщающиеся с внешней средой. Открытая пористость определяется по объему поглощенной жидкости. Закрытая пористость определяется как разность между общей пористостью и открытой пористостью.

П_з = П - П_о. (5)

По величине воздушных пор материалы разделяют на :

1. мелкопористые (поры имеют размеры в сотые и тысячные доли мм);

2. крупнопористые (размеры пор от десятых долей мм до 1-2 мм).

Наиболее крупные поры в изделиях и полости между кусками рыхлого материала называют пустотами.Пористость материалов колеблется в широких пределах, например, 0,2-0,8% - гранит, 75-85% - пенобетон. От пористости зависят такие важные свойства материала как прочность, водопоглощение, морозостойкость.

Влажность – содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии. Влажность Wm (%) определяют по формуле:

, (6)

Физические свойства

Гидрофизические свойства.

Гидрофильность и гидрофобность – свойства поверхности материала по отношению к воде. Мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью вещества, из которого состоит материал.

Гидрофильные (от греч. рhileo – люблю) материалы имеют высокую степень связи с водой. На гидрофильной поверхности капля воды растекается, а капиллярные поры гидрофильных веществ способны втягивать воду и поднимать ее на значительную высоту.

Гидрофобные (от греч. рhobos – страх) материалы имеют низкую степень связи с водой. На их поверхности капли воды почти не растекаются, а в капиллярные поры вода проникает на минимальную глубину или вообще не проникает.

Гигроскопичность – способность материала изменять свою влажность при изменении влажности воздуха. При увеличении влажности воздуха поглощает и конденсирует водяной пар на своей поверхности, в том числе и на поверхности пор. Этот процесс называется сорбцией.

Капиллярное всасывание – способность материала всасывать и передавать по своей толще влагу с помощью тонких капиллярных пор. Происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так грунтовая вода может подниматься по капиллярам и увлажнять нижние части стен здания.

Характеризуется высотой подъема воды в материале, количеством поглощенной влаги и интенсивностью всасывания.

Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюрена:

, (7)

где - поверхностное натяжение,

- краевой угол смачивания,

– радиус смачивания,

- плотность жидкости,

- угол свободного падения.

Поры в бетоне и других строительных материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула пригодна для качественного рассмотрения явления, высоту всасывания определяют по изменению электропроводности материала.

Объем воды, поглощенной материалом путем всасывания за время , в начальной стадии подчиняется параболическому закону: , где - константа всасывания.

Уменьшение интенсивности всасывания, т.е. , отражает улучшение структуры материала и повышает его морозостойкость.

Водопоглощение – интегральный показатель способности материала поглощать влагу и удерживать ее в своих порах.

Водопоглощение характеризуется максимальным количеством воды, поглощаемым образцом материала при выдерживании его в воде, отнесенным к массе сухого образца (водопоглощение по массе W_m) или к его объему (водопоглощение по объему W_o).

Водопоглощение по Wm и Wo (%) определяют по формулам:

, (8)

, (9)

V_О – объем материала в сухом состоянии, см³;

Ρ_m – средняя плотность материала, г/см³;

ρ_Н2О – плотность воды, равная 1 г/см³.

Коэффициент размягчения k_Р – отношение прочности материала, насыщенного водой R_В, к прочности сухого материала R_C:

. (10)

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Материал считается неводостойким, если коэффициент размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением, характеризуемое коэффициентом фильтрации k_Ф, м/ч:

, (11)

где V_В – количество воды, м³, проходящей через стенку площадью S = 1 м за время t = 1 ч при разности гидростатического давления на границах р₁ – р₂ = 1 м вод. ст.

Чем ниже коэффициент фильтрации, тем выше марка по водонепроницаемости материала.

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

при увлажнении материал разбухает, при высыхании дает усадку, иногда коробление материала. Это вызывает напряжения в материале и со временем приводит к разрушению. Повысить Воздухостойкость можно введением гидрофобных добавок.

Газо- и паропроницаемость – способность материала пропускать газ или пар через толщу при наличии разности давления на поверхностях.

, г/м²Па. (12)

Газо- и паропроницаемость зависят от строения материала, средней плотности, пористости.

Влагоотдача – способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20⁰С и относительной влажности 60%.

Влажностные деформации. \

Усадкой вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание ( Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.

Морозостойкость – способность материала, насыщенного водой, выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного снижения прочности.

Для испытания материала на морозостойкость обычно применяют метод попеременного замораживания и оттаивания. Температура замораживания должна быть не выше -17⁰С, т.к. в капиллярах вода замерзает только при этой температуре. К морозостойким относятся те материалы, которые после установленного для них числа циклов замораживания и оттаивания не имеют трещин, расслоения и не теряют в массе более 5%, а прочность не должна снижаться более чем на 25%.

Приблизительно оценить морозостойкость можно по коэффициенту насыщения.

. (17)

Если К_НАС < 0,6 – морозостойкий материал.

Ускоренный метод испытания: материал помещают в насыщенный раствор Na₂SO₄*10H₂O и затем высушивают при t = 105⁰С, повторяя это испытание 5 раз. Кристаллы Na₂SO₄ давят на стенки поры гораздо сильнее, чем вода. Такое испытание является довольно жестким. И если материал его не выдержал, делают обычное замораживание и оттаивание.