1. Строительные материалы и изделия классифицируют по степени готовности, происхождению, назначению и технологическому признаку. По степени готовности различают собственно строительные материалы и строительные изделия - готовые изделия и элементы, монтируемые и закрепляемые на месте работы. К строительным материалам относятся древесина, металлы, цемент, бетон, кирпич, песок, строительные растворы для каменных кладок и различных штукатурок, лакокрасочные материалы, природные камни и т. д.

Строительными изделиями являются сборные железобетонные панели и конструкции, оконные и дверные блоки, санитарно-технические изделия и кабины и др. В отличие от изделий строительные материалы перед применением подвергают обработке - смешивают с водой, уплотняют, распиливают, тешут и т. д.

По происхождению строительные материалы подразделяют на природные и искусственные.

Природные материалы - это древесина, горные породы (природные камни), торф, природные битумы и асфальты и др. Эти материалы получают из природного сырья путем несложной обработки без изменения их первоначального строения и химического состава.

К искусственным материалам относят кирпич, цемент, железобетон, стекло и др. Их получают из природного и искусственного сырья, побочных продуктов промышленности и сельского хозяйства с применением специальных технологий. Искусственные материалы отличаются от исходного сырья как по строению, так и по химическому составу, что обусловлено коренной переработкой его в заводских условиях.

Наибольшее распространение получили классификации материалов по назначению и технологическому признаку.

По назначению материалы подразделяют на следующие группы: конструкционные материалы - материалы которые воспринимают и передают на грузки в строительных конструкциях;

теплоизоляционные материалы, основное назначение которых — свести до минимума перенос теплоты через строительную конструкцию и тем самым обеспечить необходимый тепловой режим в помещении при минимальных затратах энергии;

акустические материалы (звукопоглощающие и звукоизоляционные материалы) - для снижения уровня «шумового загрязнения» помещения;

гидроизоляционные и кровельные материалы - для создания водонепроницаемых слоев на кровлях, подземных сооружениях и других конструкциях, которые необходимо защищать от воздействия воды или водяных паров;

герметизирующие материалы - для заделки стыков в сборных конструкциях;

отделочные материалы - для улучшения декоративных качеств строительных конструкций, а также для защиты конструкционных, теплоизоляционных и других материалов от внешних воздействий;

материалы специального назначения (например огнеупорные или кислотоупорные), применяемые при возведении специальных сооружений.

Ряд материалов (например цемент, известь, древесина) нельзя отнести к какой-либо одной группе, так как их используют и в чистом виде, и как сырье для получения других строительных материалов и изделий. Это так называемые материалы общего назначения. Трудность классификации строительных материалов по назначению состоит в том, что одни и те же материалы могут быть отнесены к разным группам. Например, бетон в основном применяют как конструкционный материал, но некоторые его виды имеют совсем иное назначение: особа легкие бетоны являются теплоизоляционным материалом; особо тяжелые бетоны - материалом специального назначения, который используют для защиты от радиоактивного излучения.

По технологическому признаку материалы подразделяют, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и вид его изготовления, на следующие группы:

Природные каменные материалы и изделия - получают из горных пород путем их обработки: стеновые блоки и камни, облицовочные плиты, детали архитектурного назначения, бутовый камень для фундаментов, щебень, гравий, песок и др.

Керамические материалы и изделия - получают из глины с добавками путем формования, сушки и обжига: кирпич, керамические блоки и камни, черепица, трубы, изделия из фаянса и фарфора, плитки облицовочные и для настилки полов, керамзит (искусственный гравий для легких бетонов) и др.

Стекло и другие материалы и изделия из минеральных расплавов - оконное и облицовочное стекло, стеклоблоки, стекло профилит (для ограждений), плитки, трубы, изделия из ситаллов и шлакоситаллов, каменное литье.

Неорганические вяжущие вещества - минеральные материалы, преимущественно порошкообразные, образующие при смешивании с водой пластичное тело, со временем приобретающее камневидное состояние: цементы различных видов, известь, гипсовые вяжущие и др.

Бетоны - искусственные каменные материалы, получаемые из смеси вяжущего, воды, мелкого и крупного заполнителей. Бетон со стальной арматурой называют железобетоном, он хорошо сопротивляется не только сжатию, но и изгибу и растяжению.

Строительные растворы — искусственные каменные материалы, состоящие из вяжущего, воды и мелкого заполнителя, которые со временем переходят из тестообразного в камневидное состояние.

Искусственные необжиговые каменные материалы - получают на основе неорганических вяжущих и различных заполнителей: силикатный кирпич, гипсовые и гипсобетонные изделия, асбестоцементные изделия и конструкции, силикатные бетоны.

Органические вяжущие вещества и материалы на их основе — битумные и дегтевые вяжущие, кровельные и гидроизоляционные материалы: рубероид, пергамин, изол, бризол, гидроизол, толь, приклеивающие мастики, асфальтовые бетоны и растворы.

Полимерные материалы и изделия - группа материалов, получаемых на основе синтетических полимеров (термопластических нетермореактнвных смол): линолеумы, релин, синтетические ковровые материалы, плитки, древеснослоистые пластики, стеклопластики, пенопласты, поропласты, сотопласты и др.

Древесные материалы и изделия - получают в результате механической обработки древесины: круглый лес, пиломатериалы, заготовки для различных столярных изделий, паркет, фанера, плинтусы, поручни, дверные и оконные блоки, клееные конструкции.

Металлические материалы - наиболее широко применяемые в строительстве черные металлы (сталь и чугун), стальной прокат (двутавры, швеллеры, уголки), сплавы металлов, особенно алюминиевые.

2. 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.

Структуру строительного материала изучают на трех уровнях: макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом; микроструктура — строение, видимое через микроскоп; внутреннее строение вещества, изучаемое на молекулярно-ион-ном уровне (физико-химические методы исследования — электронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный анализ и др.).

Макроструктуру твердых строительных материалов (исключая горные породы, имеющие свою геологическую классификацию) делят на следующие группы: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая и рыхлозернистая (порошкообразная). Искусственные конгломераты представляют собой большую группу; это различного вида бетоны, керамические и другие материалы. Ячеистая структура материала отличается наличием макропор; она свойственна газо- и пенобетонам, газосиликатам и др. Мелкопористая структура характерна, например, для керамических материалов, получаемых в результате выгорания введенных органических веществ. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты и др. Слоистая структура характерна для листовых, плитных и рулонных материалов. Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетонов, растворов, различного вида засыпка для тепло-звукоизоляции и др.

Микроструктура строительных материалов может быть кристаллическая и аморфная. Эти формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества, например кварц и различные формы кремнезема. Кристаллическая форма всегда устойчива. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью в производстве силикатного кирпича, применяют автоклавную обработку сырца насыщенным водяным паром с температурой 175°С и давлением 0,8 МПа, в то же время трепел (амфорная форма диоксида кремнезема) с известью при затворении водой образует гидросиликат кальция при нормальной температуре 15...25°С. Амфорная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую.

Для каменных материалов практическое значение имеет явление полиморфизма, когда одно и то же вещество способно существовать в различных кристаллических формах, называемых модификациями. Полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Для кристаллического вещества характерны определенная температура плавления и геометрическая форма кристаллов каждой модификации. Свойства монокристаллов в разных направлениях неодинаковы. Теплопроводность, прочность, электропроводность, скорость растворения и явления анизотропии являются следствием особенностей внутреннего строения кристаллов. В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы хаотично. Эти материалы по своим свойствам относятся к изотропным, исключение составляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).

Внутренняя структура материала определяет его механическую прочность, твердость, теплопроводность и другие важные свойства.

Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, образующими кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или разных элементов, как в Si02); ионами (разноименно заряженными, как в кальците СаСОз, или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда). Ковалентная связь, обычно осуществляемая электронной парой, образуется в кристаллах простых веществ (алмазе, графите) или в кристаллах, состоящих из двух элементов (кварце, карборунде). Такие материалы отличаются высокой прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах материалов, где связь имеет в основном ионный характер, например гипс, ангидрид. Они имеют невысокую прочность, не водостойки.

В относительно сложных кристаллах (кальците, полевых шпатах) имеют место и ковалентная и ионная связи. Например, в кальците внутри сложного иона СО|" связь ковалентная, но с ионами Са2+ — ионная. Кальцит СаС03 обладает высокой прочностью,, но малой твердостью, полевые шпаты имеют высокие прочность и твердость.

Молекулярные связи образуются в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг около друга относительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (кристаллы льда), имеющими низкую температуру плавления.

Силикаты имеют сложную структуру. Волокнистые минералы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические силы, недостаточные для разрыва цепей, расчленяют такой материал на волокна.

Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки. Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров Si04, связанных между собой общими вершинами (атомами кислорода) и образующих объемную решетку, поэтому их рассматривают как неорганические полимеры.

Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом. Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде -свойств материала — механических, огнестойкости, биостойкости, а также других технических характеристиках. Химический состав неорганических вяжущих материалов (извести, цемента и др.) и естественных каменных материалов удобно выражать содержанием в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны и образуют минералы, которые характеризуют многие свойства материала. Минеральный состав показывает, каких минералов и в каком количестве содержится в данном материале, например в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (ЗСаО-БЮг) составляет 45...60 %, причем при большем содержании этого минерала ускоряется процесс твердения и повышается прочность. Фазовый состав и 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.

3. Средняя плотность строительных материалов. В строительных конструкциях материал находится в естественном состоянии, т. е. занимаемый им объем обязательно включает в себя и поры. В этом случае для характеристики физического состояния материала используется понятие средней плотности.

Средняя плотность - величина, определяемая отношением массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему в естественном состоянии Fe (м3)

Средняя плотность - важная физическая характеристика материала, изменяющаяся в зависимости от его структуры и влажности в широких пределах: от 5 (пористая пластмасса) до 7850 кг/м3 (сталь). Средняя плотность оказывает существенное влияние на механическую прочность, водопоглощение, теплопроводность и другие свойства материалов.

Истинная плотность строительных материалов. Истинная плотность - величина, определяемая отношением массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот

Размерность истинной плотности - кг/м3 или г/см3. Истинная плотность каждого материала - постоянная физическая характеристика, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Так, истинная плотность неорганических материалов, природных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, составляет 2400...3100 кг/м3, органических материалов, состоящих в основном из углерода, кислорода и водорода, - 800... 1400, древесины, состоящей в основном из целлюлозы, - 1550 кг/м3. Истинная плотность металлов колеблется в широком диапазоне: алюминия - 2700 кг/м3, стали - 7850, свинца - 11300 кг/м3. Масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (без пор и пустот)

Пористость строительных материалов. (кроме стекла и металлов)

Степень заполнения объема материала порами. Пористость - величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала.

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 (сталь, стекло) до 90...98 % (пенопласт)

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). По характеру пор оценивают способность материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 95 %, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (т. е. около 30 %), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду.

4. Гигроскопичность — способность материала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность вызывается сорбцией, представляющей собой физико-химический процесс поглощения водяных паров из воздуха как в результате их адсорбции на внутренней поверхности материала, так и капиллярной конденсации. Капиллярная конденсация возможна только в капиллярах с малым радиусом (менее 10~7 м), так как разность давлений насыщенного водяного пара над вогнутой поверхностью мениска и плоской поверхностью в капиллярах с большим радиусом несущественна. Гигроскопичность зависит как от свойств материала — величины и характера пористости, так и от условий внешней среды—температуры и относительной влажности, а для сыпучих материалов также от их растворимости в воде и дисперсности и снижением температуры воздуха. Этот процесс носит обратимый характер. Гигроскопичность характеризуется величиной отношения массы поглощенной материалом влаги, при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20 °С, к массе сухого материала, выраженной в процентах.

Влажностные деформации — изменение размеров и объема материала при изменении его влажности. Уменьшение размеров и объема материала при его высыхании называют усадкой (усушкой), а увеличение размеров и объема при увлажнении вплоть до полного насыщения материала водой — набуханием (разбуханием). Усадка возникает и увеличивается в результате уменьшения толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Набухание связано с тем, что полярные молекулы воды, проникая между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гид-ратные оболочки вокруг частиц исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина поперек волокон 30... 100 мм/м; ячеистый бетон 1...3 мм/м; кирпич керамический 0,03...0,1 мм/м; тяжелый бетон 0,3...0,7 мм/м; гранит 0,02...0,06 мм/м).

Водостойкость — способность материала сохранять прочность при увлажнении.

Воздухостойкость — способность материала выдерживать циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.

Водонепроницаемость материала характеризуется маркой W2; W4; W8; W10; W12, обозначающей одностороннее гидростатическое давление в кгс/см², при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Чем ниже kф, тем выше марка по водонепроницаемости. Водонепроницаемость для бетонов характерна наибольшим односторонним давлением при котором стандартный образец не пропускает воду Для кровельных материалов водонепроницаемость оценивается периодом времени в часах, по истечение которого проявляется признаки просачивания воды.

Коэффициент насыщения позволяет оценить структуру материала. Он изменяется от 0 до 1. Уменьшение значения коэффициента насыщения (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что проявляется в повышении морозостойкости.

При насыщении материала водой существенно изменяются его свойства: повышаются средняя плотность, теплопроводность, происходят структурные изменения в материале, приводящие к снижению прочностных показателей.

5. Свойства материалов, определяющие их отношение к постоян­ному или переменному тепловому воздействию (тепло­проводность, теплоёмкость, огнестойкость, огнеупор­ность).

Теплопроводность ( λ ) – свойство материала переда­вать теплоту через толщу от одной поверхности к дру­гой. Теплопроводность характеризуется количеством теп­лоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1м площа­дью 1 м² в течение 1 с при разности температур на противопо­ложных поверхностях материала 1 ˚С. Теплопровод­ность материала зависит от его химического со­става и структуры, степени влажности и характера пористо­сти, а также температуры, при которой происходит процесс передачи теплоты.

С увеличением влажности материала теплопроводность возрас­тает, т.к. вода имеет теплопроводность в 25 раз боль­шую чем воздух.С понижением температуры сырого матери­ала его теплопроводность увеличивается ещё больше, осо­бенно при замерзании воды в порах, т.к. теплопроводность льда в 4 раза больше чем у воды.

Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением их температуры. Теплопровод­ность учитывается при теплотехнических расчё­тах толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также требуемой толщины тепловой изоляции горячих поверхно­стей и холодильников. Она связана с термическим сопротивлением слоя материала R (м² ∙ ^оС/ Вт), которое опреде­ляется по формуле: R = δ/ λ

где δ – толщина слоя, см; λ – теплопроводность слоя матери­ала, Вт/( м² ∙ ^оС).

Теплоёмкость – Свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. При использовании материалов с повышен­ной теплоёмкостью для стен, пола и др. частей помещений температура в комнатах может сохраняться устойчиво длитель­ное время.

Теплоёмкость – свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. При использовании материалов с повышен­ной теплоёмкостью для стен, пола и других частей помеще­ний температура в комнатах может сохраняться устойчиво длительное время. Теплоёмкость оценивают коэффициентом теплоёмкости (удельной теплоёмкостью), т.е. количеством теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1 ˚С. Строительные материалы имеют теплоёмкость меньше, чем вода, которая обладает наибольшей теплоёмкостью [4,2 кДж/(кг∙С˚)]. Например, коэффициент теплоёмкости лесных материалов 2,39-2,72 кДж/(кг∙С˚), каменных материалов 0,75-0,92 кДж/(кг∙С˚), стали 0,48 кДж/(кг∙С˚). Поэтому с увлажне­нием материала их теплоёмкость возрастает, но вместе с тем возрастает и теплопроводность.

Огнестойкость - свойство материала противостоять дей­ствию высоких температур и воды в условиях пожара без значи­тельной потери несущей способности. По степени огне­стойкости строительные материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы в усло­виях высоких температур не подвержены воспламене­нию, тлению или обугливанию. При этом некоторые матери­алы почти не деформируются под воздействием высоких темпе­ратур (кирпич), другие могут деформироваться сильно (сталь) или растрескиваться (гранит). Трудносгораемые с тру­дом воспламеняются, тлеют и обугливаются , но только в присутствии огня. При удалении огня эти процессы прекраща­ются (асфальтовый бетон, фибролит и др.). Сгорае­мые материалы под воздействием огня или высокой темпера­туры воспламеняются и горят или тлеют и после удаления источника огня (древесина, битумы, смолы и др.).

Огнеупорность – свойство материала выдерживать длитель­ное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, выдерживающие температуру бо­лее 1580 ˚С, называют огнеупорными, от 1350 до 1580 ˚С - тугоплавкими, ниже 1350 ˚С – легкоплавкими. Материалы, которые способны длительное время выдерживать темпера­туру до 1000 ˚С при незначительной потере прочности, отно­сят к жаростойким (кирпич, жаростойкий бетон и др.).