Учебное пособие 800576

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

А.М. Усачев, О.А. Чернушкин

КОНСТРУКЦИОННЫЕ, ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским советом Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

в качестве учебного пособия для магистрантов, обучающихся по направлению 270100 (550100)

«Строительство»

Воронеж 2010

УДК 666 + 691 ББК 38.3 У743

Рецензенты:

кафедра технологии вяжущих веществ, бетонов и керамики Пензенского государственного университета архитектуры и строительства;

М.М. Косухин, канд. техн. наук, доцент кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций

Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова

Усачев, А.М.

Конструкционные, функциональные и специальные

У743 строительные материалы: учеб. пособие для магистрантов направления 270100 (550100) «Строительство» / А.М. Усачев, О.А. Чернушкин; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. – Воронеж, 2010. – 245 с.

Содержит материал об основных конструкционных материалах, используемых в архи- тектурно-строительной практике. Особое внимание уделено функциональным и специальным строительным материалам, применяемым в различных отраслях промышленности и энергетики.

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению 270100 (550100) «Строительство».

Ил. 68. Табл. 65. Библиогр.: 29 назв.

УДК 666 + 691 ББК 38.3

2

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие подготовлено на кафедре материаловедения и технологии строительных материалов ВГАСУ в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, учебного плана и рабочей программы по направлению 270100 (550100) «Строительство». Многолетний опыт преподавания дисциплин «Строительные материалы», «Технология конструкционных материалов», «Архитектурное материаловедение», «Технология керамики и огнеупоров», «Технология теплоизоляционных материалов и изделий» и др. стал основой для написания предлагаемой книги.

Учебное пособие содержит четыре раздела: «Строительные материалы – материальная база строительства и архитектуры», «Конструкционные и конст- рукционно-отделочные материалы», «Функциональные строительные материалы» и «Строительные материалы специального назначения». В первом разделе раскрываются проблемы взаимосвязи строительства и архитектуры с их материальной базой и научно-техническим прогрессом общества, представлена классификация строительных материалов и изделий, освещены вопросы физического и морального износа материалов, изделий и конструкций.

Второй раздел посвящен изучению основных конструкционных материалов, применяемых в современной строительной практике, таких как природный камень, древесина, керамические изделия, бетон и железобетон, сталь и др. Определенное внимание уделено сравнительной оценке физикомеханических свойств древних и современных строительных материалов, что особенно важно при проведении восстановительных и ремонтных работ. В эво- люционно-историческом аспекте рассмотрены применяемые орудия труда, технологии и организация производства.

При подготовке третьего раздела были использованы последние данные о применяемых в строительстве функциональных материалах, а также результаты научных исследований. Функциональные строительные материалы представлены теплоизоляционными, акустическими, гидроизоляционными, кровельными и герметизирующими материалами.

В четвертом, заключительном разделе приводится информация о специальных строительных материалах, эксплуатируемых в экстремальных условиях: при высоких температурах, воздействии агрессивных сред (кислот, щелочей), при действии ионизирующих излучений.

Учебное пособие «Конструкционные, функциональные и специальные строительные материалы» предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению 270100 (550100) «Строительство», программам 550107 «Архи- тектурно-строительное материаловедение и технологии» и 550109 «Ресурсосбережение и экология строительных материалов, изделий и конструкций». Информация, содержащаяся в нем, может быть также использована бакалаврами, изучающими похожие дисциплины.

3

РАЗДЕЛ 1

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ – МАТЕРИАЛЬНАЯ БАЗА СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

1.1. Взаимосвязь строительства и архитектуры с материальной базой

Проблема взаимосвязи строительства и архитектуры с материальной базой – строительными материалами – одна из самых актуальных, комплексных проблем современной архитектурно-строительной науки и практики.

Строительные материалы и изделия оказывают бесспорное влияние на создание и развитие архитектурных конструкций и новых архитектурных форм, на формирование архитектурного стиля и образа, определяют массовость и индустриальность строительства, в значительной мере влияют на качество и экономику современной архитектуры.

Строительные материалы составляют более половины используемых архитектором материальных ресурсов. Это – своеобразная палитра зодчего, без которой невозможно воплощение ни одного творческого замысла, ни одного проекта. И палитра эта, чрезвычайно многообразная, включающая сегодня материалы и изделия более 1000 наименований, очень быстро расширяется и пополняется ежегодно сотнями новых материалов [1, 2].

Историю человечества часто делят на каменный, бронзовый и железный века – по тем материалам, из которых изготавливались орудия труда, оружие и здания.

1.2. Понятия «строительный материал», «изделие», «конструкция»

Термины «строительные материалы», «изделия» и «конструкции» употребляются без различия вида той продукции строительной отрасли, которую они представляют. И это не случайно: действительно, иногда бывает не просто отнести тот или иной вид промышленной продукции к одной из перечисленных категорий. Поэтому необходимо дать определения основным терминам, предварительно изучив приведенную на рис. 1.1 классификацию.

Почти во всякой классификации отсутствуют четкие границы между соседними группами объектов, объединенных общими признаками. Предложенная классификация не является исключением. Поэтому на рис. 1.1 виды продукции, расположенные на стыке двух соседних групп, имеют двойное подчинение (второе, менее выраженное, обозначено пунктиром).

В представленной схеме к группе строительных материалов отнесены все сырьевые материалы, материалы полуфабрикаты и материалы, готовые к применению. К группе строительных изделий отнесены столярные, санитарнотехнические изделия. К этой же группе могут быть отнесены и простые элемен-

4

Споявлением объемных жилых ячеек и зданий-пневмооболочек четкая грань между понятиями «конструкция» и «здание» также сглаживается.

Сдругой стороны схема (см. рис. 1.1) свидетельствует о том, что некоторые сырьевые материалы, полуфабрикаты и материалы, готовые к применению,

вравной мере являются строительными и широко используются другими отраслями народного хозяйства. Некоторые материалы, являющиеся сырьем для производства других материалов и изделий (например, песок и щебень для строительных растворов и бетонов), могут в то же время самостоятельно применяться в строительных конструкциях (песчаные засыпки, щебеночное основание дорог).

Все это усложняет классификацию строительных материалов и изделий. Наиболее приемлемой для восприятия является классификация строительных материалов и изделий по назначению.

1.3. Классификация строительных материалов и изделий

Все строительные материалы и изделия в архитектурно-строительной практике классифицируются по их роли в строительных конструкциях на три основные группы (рис. 1.2):

-конструкционные;

-конструкционно-отделочные;

-отделочные.

Конструкционные материалы воспринимают возникающие в здании и действующие на него извне нагрузки и передают их на грунт основания [1-3]. Это несущие конструкции здания, которые подразделяются на вертикальные (стены, столбы, колонны, фундаменты) и горизонтальные (балки, фермы). Другие части ограждают внутренний объем здания, разделяют его на отдельные помещения.

Среди конструкционных материалов выделяют группы функциональных

испециальных строительных материалов, которые помимо несения нагрузки обладают специфическими свойствами для выполнения определенных целей.

Функциональные материалы в зданиях и сооружениях выполняют определенные функции: защищают от атмосферных воздействий (гидроизоляционные и кровельные), обеспечивают необходимый температурно-влажностный

иакустический режимы (теплоизоляционные, акустические) и т.п. В большинстве случаев строительный материал сочетает в себе конструкционные и функциональные свойства, например облегченный керамический кирпич, легкие бетоны и т.д.

Специальные строительные материалы предназначены нести нагрузки в экстремальных условиях эксплуатации сооружений. К специальным строительным материалам относят огнеупорные и жаростойкие, а также химически стойкие и радиационно-стойкие материалы.

6

Строительные материалы и изделия

Рис. 1.2. Архитектурно-строительная классификация строительных материалов и изделий по назначению

Конструкционно-отделочные материалы одновременно выполняют функции конструкционного и отделочного материала. Ярким примером такого материала является лицевой керамический кирпич.

Отделочные (облицовочные) материалы в зданиях и сооружениях вы-

полняют защитные и декоративные функции.

Классификация строительных материалов по назначению и областям применения наиболее удобна для использования в творческой работе архитектора, проектировщика и других специалистов строительной отрасли.

7

1.4.Комплексная связь строительства и архитектуры

сих материальной базой и научно-техническим прогрессом

Сдревних времен развитие строительного искусства теснейшим образом связывалось со строительными материалами, методами и средствами труда, с достижениями научно-технической мысли. Уже в античные времена формируются и совершенствуются строительные приемы и средства труда, инструменты

имеханизмы, позволяющие обрабатывать и перемещать огромные массы природного строительного материала, создавать и приспосабливать для своих нужд искусственную среду, удовлетворяющую жизненным потребностям человека.

Впервобытнообщинном обществе основными материалами, применяемыми в строительстве, были природные камни, тростник, ветки деревьев, а в качестве связующего вещества использовалась глина.

Применение древними зодчими не только различных строительных материалов, которые «поставляла» природа, но и различных способов их обработки, а также самобытных методов и механизмов строительства – все это наложило отпечаток на развитие архитектурных форм и стилей Древнего Египта и Междуречья, Греции и Рима. В рабовладельческом обществе при большом избытке дешевой рабочей силы в строительстве в значительной мере стали использоваться обработанные горные породы, глиняный кирпич-сырец, деревянные изделия, а в конце рабовладельческого строя уже использовался глиняный кирпич, черепица, стекло, керамические плитки, а из вяжущих – глина, природный асфальт, воздушная известь и известь с гидравлическими добавками.

Несмотря на примитивный характер строительной техники, в условиях рабовладельческого строя создавались грандиозные культовые и другие сооружения. Поражает тщательность и точность обработки огромных каменных блоков для постройки храма в Баальбеке (Сирия), достигающих размеров 25×5×4 м

имассы – тысячи тонн.

Впериод феодального общества произошло резкое удорожание рабочей силы, что вызвало спад в использовании обработанных каменных материалов. Все шире применялся керамический кирпич, черепица, «римский» бетон, а в качестве вяжущего – глина, воздушная и гидравлическая известь, гипсовые вяжущие.

При развитии капитализма в связи со строительством большого количества объектов промышленного, железнодорожного, военного и др. назначений стали использоваться строительные стали, силикатный кирпич, керамический кирпич, плитка, черепица. Среди вяжущих веществ наряду с воздушной и гидравлической известью, гипсом начали применяться романцемент, портландцемент, разновидности портландцемента.

Кконцу XIX началу XX века стал широко использоваться железобетон, легкие бетоны, асбестовые изделия, портландцемент и его разновидности, теплоизоляционные и гидроизоляционные материалы.

Кначалу XXI века свои позиции сохранили металл, бетон и железобетон, керамика, древесина. Широкое применение в строительной практике полу-

8

чили полимерные материалы, специальные виды стекла [4-7].

Знания, энергия и материалы – вот главные факторы, определяющие возможности развития цивилизации и технический прогресс общества. В свою очередь, темпы технического прогресса обусловлены социальноэкономическими условиями того или иного общественного строя, соответствием производственных отношений уровню развития производственных сил, в составе которых техника наиболее подвижный элемент. Эти общие положения, касающиеся взаимосвязи развития техники и общественного производства, в полной мере относятся и к развитию строительной техники.

Многообразие взаимосвязи социально-экономических условий общественного строя, науки, техники, архитектуры и ее материальной базы отражены на блок-схеме (рис. 1.3), которая в упрощенном виде иллюстрирует аспекты сложной комплексной проблемы этих отношений.

Качественные изменения во всех областях современной строительной техники, тесно связаны с развитием общественного производства, базируются на научных достижениях, изобретениях и открытиях. Успешно осуществляется переход от механизации отдельных процессов производства строительных материалов и изделий к комплексной механизации и автоматизации всех производств, к использованию автоматизированных систем управления (АСУ) и электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Достижения в области химии и технологии, ускоренное развитие научнотехнического прогресса во всех областях материального производства позволяют, с одной стороны, расширять ассортимент и совершенствовать качество традиционных строительных материалов, включая направленное изменение свойств природных материалов. А с другой – создавать новые эффективные искусственные материалы и изделия с заранее заданными свойствами, полностью отвечающими комплексу предъявляемых к ним архитектурно-строительных требований. К таким «запрограммированным» материалам могут относиться синтетические полимерные материалы, изделия из бетона и железобетона, стали и легких металлических сплавов, стекла и асбестоцемента. Новые горизонты

вразвитии технологии порой уникальных строительных материалов открывает внедрение нанотехнологии.

Водостойкая и трудносгораемая древесина, легкие и прочные клееные конструкции из дерева в корне изменили традиционные формы использования древесины

вархитектурном творчестве. А современная техника распиловки каменных блоков с помощью высокоэффективного алмазного инструмента на тончайшие плитки открыла возможность широкого использования дорогого и дефицитного природного камня в качестве доступного облицовочного материала. Можно привести другие примеры, наглядно иллюстрирующие то, как успехи многих смежных наук, успехи техники и технологии производства и применения традиционных строительных материалов и изделий полностью изменили наше представление о них, открыли новые широкиепутиихэффективногоиспользования, далиимвторуюжизнь.

9