2022

сок, глина и т.п. К искусственным материалам относятся минеральные и органические вяжущие вещества – цементы, известь, битумы, смолы, дегти; керамические материалы – кирпич, строительная керамика; бетоны и строительные растворы; металлические, тепло– и звукоизоляционные, акустические и гидроизоляционные материалы, пластмассы, лаки и краски.

Как было указано выше (см. разд. 1), в зависимости от назначения и использования в конструкциях зданий и сооружений на стадии проектировании объекта должны быть выбраны конкретные виды материальных элементов с набором эффективных свойств, имея в виду, что основные свойства строительных материалов подразделяются на следующие группы:

–физические свойства – плотность, пористость, пустотность, гигроскопичность, водопоглощение, влажность, водонепроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, огнестойкость, химическое сопротивление и т.д.;

–механические свойства – прочность при растяжении, сжатии, изгибе, сопротивлению удару, твердость, химическое сопротивление, долговечность и т.д.

В большинстве случаев прочностные параметры выбранного материала должны превышать внутренние напряжения, возникающие в нем под действием эксплуатационных механических нагрузок, а также температурной и усадочной деформации. При этом не должна нарушаться целостность и сплошность материала, а также его форма в конструкции. Необходимо иметь в виду, что различные материалы по-разному реагируют на характер нагружения. Так, некоторые материалы (металлы, дерево, пластики), хорошо сопротивляются растягивающим усилиям, а другие (кирпич, бетон) – хорошо воспринимают сжимающие усилия. Таким образом, прочностные свойства материалов оказывают определяющее влияние на выбор материала для различных конструкций зданий и сооружений.

Кроме прочностных свойств, строительные материалы обладают способностью деформироваться и менять свою структуру под действием внешних факторов. При этом одни материалы способны к упругим и пластическим деформациям, а другие, наоборот, не способны к ним. Деформационные характеристики материалов имеют большое значение при проектировании зданий и сооружений с точки зрения их устойчивости.

Важной является способность материалов сохранять прочностные и деформативные свойства неизменными в течение всего периода эксплуатации объекта в условиях, как правило, отрицательных воздействий внешней среды (природных и технологических факторов). Учитывая данное обстоятельство, можно сделать вывод, что оптимальный выбор технически и экономически целесообразного материала обосновывают не только его прочностными, деформационными характеристиками, но и

11

стойкостью (долговечностью) к воздействию внешней среды, в условиях которой эксплуатируется конструкция здания и сооружения.

Любой строительный материал должен удовлетворять определенному набору требований, которые могут регламентироваться Государственными и (или) иными (отраслевыми стандартами, стандартами предприятий) стандартами.

В стандарте дается определение данному материалу, приводятся классификационные признаки и конкретные количественные показатели технических свойств, указывается его происхождение или способ получения, приводятся необходимые данные по маркировке и упаковке, правила хранения и транспортирования, сведения о методах испытаний и др. Государственные стандарты устанавливают на строительные материалы, имеющие стратегическое значение для экономики страны. Госстандарт имеет силу закона и соблюдение его является обязательным для всех предприятий, изготавливающих строительные материалы и изделия. Кроме государственных существуют отраслевые стандарты, устанавливаемые министерствами и ведомствами в отношении материалов, имеющих ограниченное применение. Отдельные предприятия вправе устанавливать стандарты предприятия (ТУ, СтП), подлежащие государственной регистрации.

Необходимо также иметь в виду, что применяемые в строительстве материальные элементы, как правило, в процессе выполнения строительных процессов подвергаются технологической обработке. Способность поддаваться такой переработке может иногда являться решающей при выборе материала.

Таким образом, при выборе материалов необходимо учитывать их способность реагировать как на отдельные, так и на взятые в совокупности факторы – механические воздействия, параметры внешней среды, температуру и ее колебания, воздействие химических реагентов, технологические операции обработки и т.п.

2.1.2. Физические свойства строительных материалов

Физические свойства материальных элементов зависят от их строения и внутренней структуры и характеризуют их отношение к физическим воздействиям окружающей среды. Одним из основных свойств материалов является плотность (истинная, средняя, насыпная). В практике строительства в большинстве случаев учитывают только среднюю плотность материалов (табл. 2.1).

12

Таблица 2.1 Средняя плотность некоторых строительных материалов

Средняя плотность ( 0) – это отношение массы материала к его объему

где m – масса материала, кг.

V – объем материала в естественном состоянии, м.3

Плотность материала влияет на его прочность и теплопроводность. Значение плотности также используют при определении пористости, массы, размеров строительных элементов, при выборе транспортных средств и грузоподъемных механизмов.

Пористость (П) – степень заполнения его объема порами, которые представляют собой мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или газом. Поры могут быть открытые и закрытые, крупные и мелкие. Большое количество мелких пор придает строительным материалам теплоизоляционные свойства. Вычисляют пористость по формуле:

где 0 – средняя плотность материала, кг/м3.– истинная плотность материала, кг/м3.

По величине пористости можно ориентировочно судить о плотности, прочности, паропроницаемости, водопоглощении и других свойствах материала. Пористость материалов может колебаться от 0 (стекло, металл) до 95 % и более (для пенопластов). Для изготовления несущих конструкций зданий и сооружений применяют плотные и прочные материалы, а для ограждающих конструкций – материалы с высокой пористостью.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду. Оно определяется количеством воды, поглощенным сухим материалом, погруженным полностью в воду, и измеряется в процентах от массы материала (водопоглощение по массе Wm) или в процентах от объема образца (объемное водопоглощение Wv):

13

где m2 – масса материала, насыщенного водой, кг. m1 – масса материала в сухом состоянии, кг.

V– объем материала в естественном состоянии, кг/м3.

Врезультате насыщения водой свойства строительных материалов могут существенно изменяться: возрастает плотность и теплопроводность, увеличивается объем (древесина) и т.п.

Влажность – содержание воды в материале, измеряемое в процентах от массы абсолютно сухого материала. Необходимо учитывать то обстоятельство, что при увеличении влажности прочность материалов, как правило, снижается (например, для кирпича снижается на 25 %).

Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Марку материала по морозостойкости (Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более) определяют количеством циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, которое выдерживает материал без видимых следов разрушения.

Теплопроводность – свойство материала пропускать тепло через свою

толщину, которое оценивают количеством тепла (Дж), проходящим через образец материала толщиной 1 метр, площадью 1 м2 за 1 час при разности температур на противоположных плоскопараллельных плоскостях образца

в1 оС. Теплопроводность материалов зависит от их структуры, плотности, влажности и других параметров и используется при определении толщины ограждающих конструкций (стен, перекрытий, покрытий и т.п.) зданий.

Огнестойкость – способность материала выдерживать действие высокой температуры от источника открытого огня без потери несущей способности (без значительного снижения прочности и большой температурной деформации).

По огнестойкости строительные материалы подразделяют на: 1. Несгораемые – бетон, кирпич, металл.

2. Трудносгораемые – асфальт.

3. Сгораемые – древесина, краски, пластмассы.

Химическая стойкость – способность материала сопротивляться действию химических реагентов (кислот, щелочей, растворов солей и газов). К материалам с высокой химической стойкостью можно отнести керамические материалы и изделия, полимерные композиционные материалы (полимербетоны и полимеррастворы), пластмассы.

Долговечность – способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и эксплуатационных факторов. К таким факторам относятся: изменение температуры и влажности, действие агрессивных газов и жидкостей, совместное действие воды и мороза, солнечной радиации и т.п.

14

2.1.3. Механические свойства строительных материалов

Способность материала сопротивляться различным силовым воздействиям определяет его механические свойства: прочность при сжатии, растяжении, изгибе; пластичность, твердость, сопротивлению удару, упругость, истираемость и др.

Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих в материале под нагрузкой. Прочность материала зависит от структуры, плотности, влажности, формы, размера, направления приложения нагрузки.

Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение материала и определяют по формуле:

где F – разрушающая нагрузка, Н.

A – площадь поперечного сечения образца материала, см 3, м3.

Для различных строительных материалов предел прочности при сжатии колеблется от 0,5 до 1000 МПа и более (табл. 2.2).

Таблица 2.2 Предел прочности при сжатии некоторых материалов

Твердость – способность материалов сопротивляться проникновению в них другого более твердого материала – определяют по методу нанесения царапанием черты одним материалом на другом. Твердость каменных материалов определяют по шкале твердости, в которой 10 специально подобранных минералов расположены таким образом, что на каждом предыдущем все последующие материалы могут оставлять при царапании черту. В частности, если испытываемый материал чертится топазом, но сам не чертит кварц, то его твердость принимают дробной, равной 7,5.

Пластичность – это способность материала изменять свою форму и размеры под нагрузкой без образования разрывов и трещин и сохранять изменившуюся форму и размеры после снятия нагрузки. К пластичным материалам относятся глина, разогретый асфальт и др.

15

Упругость – свойство материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки, деформирующей материал. К упругим материалам относится резина, сталь, древесина и др.

Истираемость – свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. На истираемость испытывают материалы для устройства полов, лестничных маршей, тротуаров и т.п. Истираемость материала (И, г/см2) можно вычислить по формуле:

где m и m0 – масса образца материала до и после истирания, соответственно, г;

А – площадь истирания.

16

2.2. Лесные строительные материалы

2.2.1. Виды и сортамент лесных материалов

Лесные материалы являются природными, обладают набором ценных качеств: малой средней плотностью, высокой прочностью, низкой теплопроводностью, простотой обработки и широко применяются в практике строительного производства. Наряду с достоинствами, эти материалы обладают рядом недостатков, к которым можно отнести: возгораемость, неоднородность структуры, гигроскопичность, способность к гниению и др. Поэтому деревянные конструкции и изделия используют в строительстве после соответствующей обработки и защиты.

В строительном производстве применяют следующие виды лесных материалов:

–древесину хвойных пород (сосна, ель, лиственница, кедр);

–древесину твердых лиственных пород (дуб, граб, бук, ясень, клен);

–древесину мягких лиственных пород (ольхи, осины, липы). Сортамент лесных строительных материалов и изделий предусмат-

ривает их деление по профилям, размерам, маркам. Это круглые бревна, пиломатериалы и заготовки, строганные погонажные и столярные изделия.

Круглые лесоматериалы – отрезки древесного ствола различных пород и размеров, очищенные от коры и сучьев. Их применяют в строительстве в качестве стенового материала, в качестве свай, столбов и т.п.

Пиломатериалы получают продольной распиловкой бревен. К ним относятся: доски толщиной 100 мм и менее при соотношении ширины к толщине более 2; брусья толщиной и шириной более 100 мм; бруски толщиной до 100 мм и шириной не более двойной толщины (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Виды пиломатериалов:

а – двухкантный брус; б – трехкантный брус; в – четырехкантный брус; г – брусок; д – обрезная доска; е – не обрезная доска; ж – горбыль

17

По характеру обработки различают обрезные и не обрезные пиломатериалы. Из хвойных пород древесины изготовляют: доски толщиной 13–40 мм и шириной 80–250 мм; бруски – толщиной 50–100 мм и шириной 80–200 мм; брусья – толщиной 130–250 мм и шириной 130–250 мм.

Указанные пиломатериалы могут иметь длину до 6,5 м с градацией в 0,25 м. Из лиственных пород древесины пиломатериалы изготовляют длиной 1–6,5 м с градацией в 0,25 м, толщиной 13–75 мм и шириной 80–200 мм. Технология изготовления деревянных конструкций предъявляет определенные требования к влажности используемой древесины. Так, влажность пиломатериалов для производства клееных конструкций не должна превышать 15 %, а для изготовления пролетных строений мостов и других несущих конструкций – 25 %. Кроме того, древесина должна быть высокого качества и не должна содержать гнили, червоточины, гнилых и табачных сучков и т.п. Для повышения долговечности лесные материалы сушат, обрабатывают антипиренами и антисептиками.

Сушка древесины может осуществляться естественным и искусственным образом. В первом случае пиломатериалы укладывают в штабеля с прокладками и защищают навесами или складируют в закрытых помещениях. Искусственную сушку пиломатериалов производят в сушильных камерах горячим воздухом, газом, током высокой частоты.

Антисептирование– защитадревесины отзагниванияпутемпропиткиспециальными составами – антисептиками: растворами фтористого и кремнефтористогонатрия, аммония; креозотовымилиантраценовымимасламиидр.

Для защиты древесины от возгорания ее покрывают антипиренами – огнезащитными составами: хлористым аммонием, фосфорно-кислым натрием и аммонием, сернокислым аммонием и др.

2.2.2. Строительные детали и изделия из древесины

На строительную площадку лесоматериалы поступают с деревообрабатывающих комбинатов (ДОК), в виде готовых изделий, деталей и конструкций.

Строганые погонажные изделия: наличники, галтели, плинтуса, раскладки, доски для настилки чистых полов, подоконные доски, поручни для перил и др.

Изделия для покрытий полов: штучный и щитовой паркет; паркетные доски и мозаичный наборный паркет, наклеенный на бумагу; доски для устройства чистых полов.

Штучный паркет производят в виде отдельных планок (клепок) шириной 30–60 мм, длиной 150, 200, 250, 300, 400 мм с пазом и гребнем на кромках и торцах.

Паркетные доски изготавливают в заводских условиях путем наклейки штучного паркета на деревянное основание из брусков или досок. Они

18

могут быть прямоугольной или квадратной формы длиной 1200–3000 мм, шириной 145 и 160 мм и толщиной 25–27 мм.

Паркетные щиты производят размерами 400 400 и 800 800 мм. Они состоят из деревянного основания, собранного из досок или брусков, и лицевого покрытия из паркетных клепок одинаковой ширины.

Мозаичный наборный паркет состоит из паркетных клепок, наклеенных на плотную бумагу, удаляемую после закрепления паркета на основании пола.

Для производства вышеуказанных изделий применяют древесины твердых пород: дуб, бук, березу, ясень, клен, сосну и другие породы древесины.

Столярные изделия поставляют на строительную площадку в виде оконных и дверных блоков повышенной заводской готовности (с навешенными полотнами, створками, окрашенными и остекленными). Столярные перегородки и панели собирают по месту и обрамляют плинтусами, карнизами и т.п.

Фанеру изготовляют путем склеивания тонких слоев древесины (шпона) с взаимно перпендикулярным направлением волокон в смежных слоях. В зависимости от применяемого клея фанера может быть повышенной, средней и ограниченной водостойкости. Ее применяют для облицовки стен, дверных полотен и т.д.

Древесностружечные плиты (ДСП) получают путем горячего прессования частиц древесины (стружки, опилок), смешанных со связующим и применяют как тепло- и звукоизоляционные конструкционные материалы для облицовки стен, устройства перегородок, изготовления встроенной мебели и т.д.

При перевозке и хранении деревянные детали и изделия необходимо защищать от увлажнения и повреждений. Круглый лес складируют в штабели, обеспечивающие естественную сушку древесины. Пиломатериалы с влажностью до 25 % хранят в штабелях с плотной укладкой, а с влажностью более 25 % – в штабелях, обеспечивающих их естественную сушку, под навесом. Детали, погонажные изделия для полов, кровель хранят в закрытых складах на прокладках, предохраняющих от изломов, искривлений. Оконные и дверные блоки при перевозке и хранении дополнительно расшивают горизонтальными планками.

2.3.Металлы

2.3.1.Свойства металлов

Металлы – основные конструкционные материалы – широко применяют в строительном производстве, что обусловлено их высокой

19

надежностью в работе, относительной легкостью, индустриальностью и высокой плотностью, то есть набором эффективных физических, механических и технологических свойств.

Кфизическим свойствам металлов относятся: цвет, плотность, теплопроводность, температура плавления и т.д.

Кмеханическим свойствам – прочность, твердость, усталость, ползу-

честь.

Технологические свойства характеризуют способность металлов подвергаться обработке. Металлы в строительстве применяют в виде композитных материалов – сплавов, которые состоят из нескольких металлов и обладают комплексом эффективных свойств. Наиболее распространенные – сплав железа с углеродом (сталь, чугун), сплавы олова

имеди (бронза), сплав меди и цинка (латунь), сплавы на основе алюминия. Металлы и их сплавы обладают высокой прочностью, как на сжатие,

так и на растяжение. В табл. 2.4 приведены физико-механические свойства некоторых металлов и сплавов.

Таблица 2.4 Физико-механические свойства металлов и сплавов.

Металлы и сплавы достаточно технологичны. Данное обстоятельство позволяет получать изделия и конструктивные элементы различными индустриальными методами.

Существенным недостатком металлов является их высокая теплопроводность, что требует устройства теплоизоляции металлических ограждающих конструкций и огнезащиты несущих элементов, так как при нагреве прочность металлов резко снижается и повышается их деформативность. Кроме того, с целью повышения долговечности некоторые виды (стальные) металлических изделий необходимо защищать от коррозии.

2.3.2. Классификация и сортамент

Различают черные и цветные металлы. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун, сталь), а к цветным – сплавы на основе магния, меди, алюминия, цинка, олова и свинца.

Чугун – сплав железа с углеродом (более 2 %), марганцем (до 1,5 %) и кремнием (до 4,5 %). В зависимости от химического состава и структуры

20