Вступ. Загальні відомості

Будівельне матеріалознавство це наука, що встановлює існуючі взаємозв’язки між складом, будовою та властивостями будівельних матеріалів і вивчає закономірності їх змінювання під впливом зовнішніх чинників.

Будівельні матеріали – це різні за складом, структурою, формою та властивостями речовини, які застосовують безпосередньо для будівництва споруд або для виготовлення з них збірних елементів на спеціалізованих підприємствах. Вони виконують такі основні функції – створюють сприятливі умови експлуатації, сприймають механічні навантаження, забезпечують довговічність і покращують естетичність будівель і споруд.

Основу матеріалознавства складає знання про процеси, які відбуваються у матеріалах під дією різних факторів, про їх вплив на комплекс властивостей матеріалів, про способи контролю й керування ними. Тобто, задача сучасного матеріалознавства – отримання матеріалів з заздалегідь заданими властивостями. Властивості будівельних матеріалів визначаються хімічним складом та структурою, які є результатом отримання матеріалу та його подальшої обробки. Для розробки будівельних матеріалів та технологій необхідне знання фізичних та хімічних явищ та процесів, які відбуваються у матеріалі на різних стадіях його отримання, обробки та експлуатації, їх передбачення, описання та керування ними. Таким чином, знання теорії необхідне для створення керованих технологічних процесів, результатом яких буде матеріал з чітко визначеними значеннями робочих властивостей.

Будівельне матеріалознавство базується на використанні таких дисциплін, як загальна й фізична хімія, хімічна термодинаміка та процеси хімічної технології. Встановлення закономірностей фізико-хімічних процесів формування, руйнування та безпечної експлуатації матеріалів неможливе без застосування основ фізики та фізико-хімічної механіки.

Розвиток матеріалознавства відбувається при тісній взаємодії практики та теорії: виробничі технології дають нові факти, а теоретичні - приймають їх, збагачуючи на їх основі наукові знання новими узагальненнями, які використовують, в свою чергу, у розвитку виробництва.

Цілеспрямоване використання матеріалів для зведення будівель різного функціонального призначення відомо людству з древніх часів. На початкових етапах цивілізації застосовували такі матеріали, які не потребували значних зусиль й енергетичних витрат для надання їм заданої форми: лозу, очерет, деревину та природне каміння, необпалену глину.

Вже на початку людської історії у 50-70 тисячоліттях до н. е. перед людьми встали дуже непрості, але життєво важливі задачі: де й як сховатися від негоди або з яких невигадливих підручних матеріалів створити захисні огорожі від диких тварин. Пройдуть тисячоліття, однак проблеми будівництва домівки та облаштування життя будуть актуальними завжди.

Першим видом архітектурних споруд, які зводилися людиною, були житлові будинки. Ці будинки точніше буде назвати хижами, оскільки стіни і дах, вікна й двері були у сучасному розумінні достатньо умовні. Стіни, дах, крівля – представляли собою конструкції з дерев’яних балок, обтягнутих шкірами тварин. Як правило, будівництво домівок-хиж відбувалося у природних укриттях – в печерах, біля схилів пагорбів.

Умови будівництва на нашій планеті дуже різноманітні: вони багато у чому залежать від клімату. У південних країнах люди ховаються від пекучих променів сонця, шукають прохолоди і освіжаючого вітерцю, а в північних, навпаки, захищаються від холоду, пронизливого вітру і «ловлять» недовге сонце. Тому на півночі будівлі будують більш замкнутими, з товстими стінами, невеликими вікнами, які звернені на сонячну сторону. А для Крайньої Півночі, де ніч триває декілька місяців, навіть проектують дома з внутрішніми переходами і садками з штучним кліматом. Натомість на півдні намагаються розмістити приміщення вільніше, доступніше вітру. Стіни роблять тонкими, вікна великими і при цьому захищають їх від сонця жалюзями або декоративними рослинами. Будівлі оточують відкритими терасами з тіньовими навісами, у дворах саджають дерева і чаґарники. По-різному доводиться проектувати дома для великих міст і для сільської місцевості, для районів, де часті землетруси, і для тих районів, де їх не буває.

У залежності від кліматичних умов змінювалась як форма житла, так і матеріал, з якого будували домівки. У теплих місцях проживання древньої людини, будівництво домівки представляло собою скоріше зведення даху, оскільки домівки представляли собою навіси, які рятували від сонячних променів, і не являлися заслонами, що огороджували від негоди або хижаків.

А ось будівництво дерев’яних домівок було самим природнім та необхідним для людини. що живе у місцях, де холодний клімат і багато лісу. Велике значення при будівництві домівки мав рід життєдіяльності стародавньої людини. Дім землероба повинен був стати максимально стаціонарним, а помешкання кочівника-скотаря представляли собою збірні полегшенні конструкції.

Будівництво домів увійшло у повну силу в період урбаністичного розселення людини. Почалося будівництво кам’яних домів, храмів, палаців, зводилися громадські будівлі й стаціонарні воєнні споруди. У залежності від умов місцини, призначення будівлі та достатку хазяїна, дома набували той чи інший вид, використовувалися різні будівельні матеріали й інженерні конструкції.

Наприклад, у древніх державах Передньої Азії, на території яких майже не було рослинності, окрім пальм, дома простих людей будувалися вузькими та тісними. Привізна деревина – сосна або кедр – була дуже дорога і використовувалася виключно у домах заможних людей і палацах.

У Єгипті для зведення житлових будівель використовувалися цеглина-сирець, бита земля і дерево, а для будівництва культових споруд (пірамід) застосовувався грубосколотий камінь, завдяки чому до нас і дійшли архітектурні пам’ятки того часу. Давні греки також використовували цеглина-сирець і дерево, а в подальшому ці матеріали були витіснені каменем. А в Греції класичного періоду стіни та колони зводилися з мармуру. Давній Рим ввів у будівництво принципово нові матеріали - цегляно-бетоні конструкції, які дозволили вирішити проблему великих просторів й у багато разів прискорити будівництво. У часи Візантії (після розпаду Римської імперії) основними будівельними матеріалами були цегла у поєднанні з каменем. Фасади у будівлях того періоду, як правило, не штукатурилися, а оформлювалися вапняком.

Вихідним моментом для становлення науки про матеріали було отримання кераміки шляхом свідомої зміни структури глини при її нагріванні та випалі. Вже в VII–VI ст. до н.е. набула поширення як матеріал для крівлі глиняна обпалена черепиця, а надалі теракота і цеглина –для стін. З часом надмірну пористість виробів навчились зменшувати глазуруванням.

В епоху неоліту людина вже ознайомилася з властивостями глини. Глина стала широко застосовуватися в будівництві і була першим в`яжучим матеріалом. Застосування глини обумовлювалося тим, що з усіх гірських порід тільки вона володіє пластичністю у вологому стані, легко формується, а при висиханні твердне, набуваючи значної міцності. Не дивлячись на те, що глина є неводостійким матеріалом, глинобитні будинки, споруди з цегли-сирцю або з обпаленої цегли на глиняному розчині, простояли століття і збереглися до наших днів. Разом із глиною в стародавньому світі використовувалося й інше природний в`яжучий матеріал – бітум. Бітумом покривали сховища зерна, кам'яні плити стін і полови палаців, мостові в містах.

Ще з глибокої давнини були знайдені способи отримання в’яжучих речовин шляхом випалу деяких гірських порід та тонкого подрібнення продуктів цього випалу. Перші штучні в’яжучі речовини – будівельний гіпс, а потім і вапно – були використані при будівництві унікальних споруджень: бетонної галереї легендарного лабіринту у древньому Єгипті, Великої Китайської стіни, римського Пантеону.

Оскільки римляни вели інтенсивне будівництво, їм потрібні були водостійкі розчини. Тому вони вперше стали використовувати гідравлічні добавки (вапно та глину) як природного, так і штучного походження. Широко застосовувалася при будівництві портів і вважалася однією з кращих добавка, яку здобували біля міста Путеол (сучасне Поццуолі). Тому надалі добавки, що підвищують водостійкість вапна, стали називати пуццоланами.

З плином часу людство пізнало самородні, а потім і рудні метали, міцність і жорсткість яких були відомі вже у VIII тис. до н. е. Холоднокована самородна мідь була витіснена міддю, яка виплавлена з руд, які зустрічались у природі частіше й у більших кількостях. У подальшому до міді стали додавати інші метали, і таким чином у III тис. до н. е. люди навчилися виготовляти та використовувати бронзу як сплав міді з оловом, а також обробляти благородні метали, вже широко відомі на той час.

Отримання нових керамічних і металічних матеріалів та виробів було обумовлено певним прогресом виробництва. Зростала необхідність у більш глибокому розумінні властивостей матеріалів, особливо міцності, ковкості та інших якісних характеристик, а також способів їх можливої зміни.

Однак справжніх наукових знань про склад і властивості матеріалів не було. Теорія будувалася в основному на здогадках, інтуїції, хоча були і дивовижні рішення, наприклад в III ст. до н. е. люди вже вміли придавати будівельним розчинам гідравлічні властивості, тобто здатність до твердіння у водному середовищі з допомогою природних добавок.

Джерелом інформації були особисті контакти між майстрами та передача ними досвіду, згодом отримали організуючий початок в цехових об'єднаннях, природна міграція та насильницьке переселення спеціалістів-майстрів завойовниками з поневолених країн. Письмена інформація в області виробництва матеріалів та виробів протягом багатьох століть була відсутня, тому що майстри та ремісники були безграмотні, а знать, що володіла писемністю була безкінечно далека від безпосереднього виробництва.

Перші теоретичні уявлення про матеріали історично пов’язані з розвитком філософії, а потім фізики. Спостерігаючи за будовою і властивостями каміння, кераміки, бронзи та сталі, давньогрецькі філософи Демокрит (біля 470 р. до н.е.) і Епікур (341 -270 р. до н.е.) виказали вірні судження про атомну їх будову. Приблизно до того ж періоду відноситься філософія й давньогрецького мислителя Аристотеля (384 - 322 р. до н.е.). Він встановив наявність 18 якостей і їх протилежностей: плавкість - неплавкість, в’язкість - крихкість, горючість - негорючість, а також висловив агрегативні стани речовин через чотири елементи: землю, воду, повітря, вогонь.

У середньовіччя Парацельс (1493-1541) своїми дослідами інтуїтивно передбачив роль міжатомних зв’язків у формуванні властивостей речовин. У цей же час Декарт (1596-1650) встановив, що природа представляє собою безперервну сукупність матеріальних часток, що рух матеріального світу вічний і зводиться до переміщення найдрібніших часток - корпускул (атомів). Переміщення атомів складало основу корпускулярної теорії будови речовини, що було значним досягненням у області пізнання складів, внутрішніх взаємодій та властивостей речовин.

Великий внесок у розвиток науки про матеріали зробили російські вчені М. В. Ломоносов (1711-1765) та Д. І. Мендєлєєв (1834-1907). М. В. Ломоносов поклав основи російської науки, особливо в області хімії, фізики та геології. Він явився основоположником курсу фізичної хімії й хімічної атомістики, яка обґрунтовує атомно-молекулярну будову речовини. Д. І. Мендєлєєв відкрив найважливішу закономірність природи - періодичний закон, у відповідності з яким властивості елементів знаходяться у залежності від величини їх атомної маси.

Вже наприкінці XVII – початку XVIII ст. разом з білим (повітряним) вапном широко застосовувалося сіре (гідравлічне) вапно. На Заході суміш вапна з такою добавкою, успадкованою від римлян, залишалася основним гідравлічним в`яжучим матеріалом майже до кінця XVIII ст. Надзвичайний розвиток природознавства і техніки в другій половині XVIII – першій половині XIX ст. і зростання потреб у водостійких в’яжучих за відсутності в деяких місцевостях гідравлічних добавок і наявність в той же час глинистих вапняків (мергелів) викликали прогрес у сфері виробництва і застосування в’яжучих. Випал відповідної природної вапняно-глинистої сировини дозволив виготовляти з другої половини XVIII ст. все в більших масштабах такі природні матеріали, як гідравлічне вапно і романцемент. Проте обмеженість запасів такої сировини спонукала перейти в першій половині XIX ст. до складнішого виробництва штучних гідравлічного вапна і романцементу шляхом складання з двох природних компонентів штучних вапняно-глинистих сумішей і їх випалення.

Для першого етапу становлення та розвитку будівельного матеріалознавства характерно порівняно обмежена кількість різновидів матеріалів і дослідних даних по їхніх якісних характеристикам. Його можна характеризувати як становлення науки про матеріали взагалі, про склад речовин, внутрішніх взаємодіях найменших частинок та їх властивостях.

Таким чином, для першого етапу становлення та розвитку будівельного матеріалознавства, який почався з глибокої давнини і продовжувався до початку другої половини XIX ст., характерна обмежена кількість різновидів матеріалів, що вивчалися, а також дослідних даних за їх якісними характеристиками. Однак великі вчені і філософи тих часів інтуїтивно, за допомогою логіки, гіпотез і теорій, а дещо пізніше із залученням нових знань у фізиці та відкриттів у хімії й фізичній хімії зуміли дати достатньо повне уявлення про склад речовини, внутрішніх взаємодіях найдрібніших часток і властивостях. Були встановлені деякі загальні залежності властивостей речовин, особливо механічних, від їх складу. Менш була вивчена залежність властивостей від структури, хоча ще у 1665 р. англійський вчений Р. Гук виявив у металів типову кристалічну структуру.

Другий етап у розвитку будівельних матеріалів почався з винаходження у другій половині XIX ст. гідравлічного в’яжучого - портландцементу - і закінчився у першій половині XX ст. Він характеризується масовим виробництвом різноманітних будівельних матеріалів та виробів, створенням нових матеріалів і їх випуском, що пов’язано із загальним прогресом промисловості, будівництвом промислових та житлових будівель, електрифікацією, створенням нових гідротехнічних споруд і т.п. Характерним для цього періоду є конкретне вивчення складів і якостей матеріалів, що випускаються, використання найліпших видів сировини і технологічних способів його переробки, різних методів випробування властивостей матеріалів.

Будівельне матеріалознавство цього періоду використовує дані петрографії, геохімії, мінералогії для характеристики мінеральної сировини, які має у своєму розпорядженні промисловість. Ця сировина після механічної переробки може застосовуватися у вигляді готової продукції - вироби з природного каменя, або піддаватися хімічній переробці з отриманням в’яжучих речовин - гіпсу, вапняку, а також кераміки та скла.

У номенклатурі матеріалів, окрім тих, що застосовувалися на першому етапі: каменя, міді, бронзи, заліза та сталі, кераміки, скла й окремих в’яжучих, почався масовий випуск портландцементу, з’явилися нові цементи; сформувалась спеціальна наука про бетони - бетоноведення. Були запропоновані нові різновиди штучних заповнювачів для легких бетонів -керамічні, шлакові та ін.

Прогрес в розвитку в’яжучих речовин упродовж тисячоліть привів до переходу від важких, масивних і кам'яних інженерних споруд до легких, витончених конструкцій зі штучного каменя – бетону. Раніше стійкість споруд забезпечувалася величезною вагою кам'яної маси. На початку нашої ери і повторно в новий час чинником стійкості споруд стало застосування цементу – матеріалу для скріплення каменю, цеглини і виготовлення бетону.

Виробництво цементу є однією із значних ланок важкої промисловості, що робить істотний вплив на розвиток інших її галузей, а сам цемент відноситься до найважливіших чинників індустріального розвитку суспільства і зростання його матеріальної культури. Ця функція цементу і його попередників у все більшій мірі виявляється на всіх етапах історичного розвитку. Цемент дозволив здійснити та зберегти найбільші споруди старовини, забезпечив будівництво навігаційних каналів і мостів в епоху промислового перевороту, а надалі – швидкий розвиток шосейного і залізничного транспорту, машинобудування та промислового будівництва. У періоди, що образно характеризуються як вік металу, пари, електрики, цемент зіграв велику роль в будівництві металургійних підприємств, теплосилових установок, теплових і гідравлічних електростанцій. А в епоху використання енергії атома надійний біологічний захист від радіоактивних випромінювань стаціонарних ядерних реакторів і прискорювачів немислимий без використання цементного бетону.

Найважливішими передумовами для радикального розвитку виробництва та застосування цементу з'явилися створення в другій половині XIX ст. сучасного портландцементу та використання його спільно із залізом в універсальному будівельному матеріалі – залізобетоні. У цей час формується технологія виготовлення залізобетону та отримує розвиток наука про залізобетон.

Третій етап охоплює період з другої половини XX ст. до теперішнього часу. Він характеризується процесом подальшого розширення виробництва будівельних матеріалів і поглиблення знань, спеціалізованих наук, що відповідають їм. Розширення виробництва будівельних матеріалів було викликане необхідністю відновлення житлового та промислового фондів після Другої світової війни. Будівництво було переведено на індустріальні способи. Індустріалізація будівельного виробництва привела до розширення номенклатури й удосконаленню способів виробництва теплоізоляційних, гідроізоляційних і герметизуючих матеріалів, особливо матеріалів на полімерній основі або із їх застосуванням.

Керамічне виробництво стало високомеханізованою та автоматизованою галуззю у промисловості будівельних матеріалів.

Наш час характеризується бурхливим розвитком промисловості будівельних матеріалів. Наряду з традиційними зростає застосування нових матеріалів. Механічні способи переробки сировини все більш витісняються фізико-хімічними методами, при яких властивості будівельних матеріалів формуються прихованою енергією речовини. Це дозволяє скоротити невиробничі витрати праці, пального та електроенергії.

Сучасний етап характеризується швидким розвитком виробництва і подальшою диференціацією наук у різних галузях промисловості будівельних матеріалів. Науки збагачуються новими практичними даними та переводять їх у теоретичні категорії, розкриваються нові специфічні закономірності технологічних процесів, що надає допомогу виробництву. З’являються стикові, граничні області знань про будівельні матеріали, наприклад. полімерцементних, силікатополімерних, шлакокерамічних та ін.

Для сучасного періоду характерним є створення матеріалів з наперед заданими властивостями на основі досягнень фізики твердого тіла.

Властивості матеріалу – це показники які оцінюють взаємодію матеріалу з навколишнім середовищем у відповідності з фізичними, механічними та хімічними законами.

Властивості матеріалів характеризуються якісними показниками, що визначаються лабораторними, польовими та виробничими випробуваннями. Визначення цих показників дозволяє вирішити задачу доцільності, ефективності використання будівельних матеріалів при будівництві. Точне визначення будівельного матеріалу, класифікація, вимоги до якості, зовнішнього вигляду, методи випробувань, умови зберігання та транспортування зафіксовані у відповідних нормативних документах (ДСТУ, ГОСТ).

На властивості будівельного матеріалу істотно впливає його склад. Хімічний склад звичайно характеризується кількістю оксидів (у процентному вираженні), що їх містить матеріал. За наявністю тих чи інших оксидів можна робити висновки щодо хімічної стійкості, міцності, вогнестійкості та інших властивостей матеріалу. Мінералогічний склад виражається видом і кількістю мінералів (хімічних сполук), які утворюють будівельний матеріал мінерального (неорганічного) походження. Матеріали можуть бути моно-та полімінеральними. В останньому випадку великого значення набуває кількісне співвідношення мінералів з різними властивостями. Фазовий склад характеризується наявністю в матеріалі різних фаз: твердої (кристалічні й аморфні речовини), рідкої (вода) та газоподібної (повітря). Тверді речовини утворюють «каркас» матеріалу, стінки пор, які звичайно заповнені повітрям і водою. Коли вода витісняє повітря або відбувається перехід води у твердий стан (лід), тоді змінюються міцність і теплопровідність матеріалу. Властивості штучних матеріалів можна регулювати в процесі їх виготовлення, змінюючи сировину, технологічні параметри й обладнання, а також використовуючи різноманітні добавки. При цьому, навіть застосовуючи один і той самий вид сировини, можна випускати різні за властивостями будівельні матеріали.

Виходячи з умов роботи матеріалу в споруді, будівельні матеріали поділяють за призначенням на: -    матеріали для несучих конструкцій (конструкційні), призначені для сприйняття та передачі навантаження: природні камені, бетони, розчини, кераміка, скло, ситали, метали; -    оздоблювальні матеріали та вироби, призначені для надання декоративних властивостей будівельним конструкціям, а також для захисту матеріалів цих конструкцій від впливу зовнішніх факторів(архітектурно-будівельне скло, вироби на основі полімерів і цементу, гірські породи, синтетичні фарби, шаруваті пластики, деревно-волокнисті плити, облицювальні керамічні плитки, вологостійкі шпалери та плівки, суха гіпсова штукатурка і т.п.); -    теплоізоляційні, основне призначення яких - зведення до необхідного рівня втрат тепла крізь будівельні конструкції із забезпеченням потрібного теплового режиму (мінераловатні вироби, теплоізоляційні пластмаси, піноскло і т.п.); -    акустичні матеріали й вироби, звукопоглинаючі й звукоізоляційні, призначені для зниження рівня «шумового забруднення» помешкання до регламентованих меж;

-    гідроізоляційні й покрівельні матеріали для створення водонепроникних прошарків у будинках та спорудах, які піддаються впливу води та водяної пари: покрівельне залізо, азбоцементні плити (шифер),рулонні матеріали на основі полімерних, бітумних в’яжучих,

-    герметизуючи – для обробки стиків різних конструкцій.

В основу класифікації матеріалів також покладено походження, у зв'язку з чим  матеріали можуть бути:

- природні (гравій, пісок, глина, природний камінь, деревина, метали);

- штучні, які одержують в процесі переробки приро­дних сировинних матеріалів (цемент, щебінь, полімерні смоли, бітуми, вапно).

За хімічним складом будівельні матеріали поділяються на:

-  неорганічними (природні камені, пісок, гли­на, графіт,цементи, кераміка, скло, й т. ін.);

-  органічними (деревина, полімери, бітуми, дьогті).

За способом виготовлення матеріали поділяють на:

-    природні (деревина, природне каміння), які піддають тільки механічній обробці;

-    безвипалювальні – матеріали, які твердіють  у звичайних умовах, а також матеріали автоклавної обробки;

-    отримані за допомогою теплової обробки та при випалюванні зі спіканням (кераміка, мінеральні в’яжучі);

-    отримані плавленням – скло, метали.

За технологічною ознакою будівельні матеріали діляться на такі основні групи:

• природні кам'яні матеріали;

• керамічні матеріали і вироби;

• вогнетривкі;

• мінеральні в'язкі речовини і вироби на їхній основі;

• силікатні і азбоцементні матеріали і вироби;

• скло і склови­роби;

• теплоізоляційні;

• дерев'яні;

• пластмасові;

• металеві вироби.

Ряд матеріалів (наприклад цемент, вапно, деревина) неможна віднести до якої-небудь однієї групи, так як їх використовують і в чистому виді, і як сировина для отримання інших будівельних матеріалів і виробів. Це так звані матеріали загального призначення. Важкість класифікації будівельних матеріалів за призначенням складається в тому, що одні і ті ж матеріали можуть бути віднесені до різних груп. Наприклад, бетон в основному застосовують як конструкційний матеріал, але деякі його види мають зовсім інше призначення: особливолегкі бетони є теплоізоляційним матеріалом; особливоважкі бетони — матеріалом спеціального призначення, який використовують для захисту від радіоактивного випромінення.