Введение

1 Классификация строительных материалов по роду сырья, общности технологического процесса их изготовления, функциональному назначению и областям применения.

Чтобы легче ориентироваться в многообразии строительных материалов и изделий, их классифицируют по назначению, исходя из условий работы материалов в сооружениях, или по технологическому признаку, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и способ изготовления.

По назначению материалы можно условно разделить на две группы: конструкционные и материалы специального назначения.

Конструкционные материалы, применяемые главным образом для несущих конструкций, различают следующие: 1) природные каменные; 2) .вяжущие; 3) искусственные каменные, получаемые: а) омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетон, железобетон, растворы); б) спеканием (керамические материалы); в) плавлением (стекло и ситаллы); 4) металлы (сталь, чугун, алюминий, сплавы); 5) полимеры; 6) древесные; 7) композиционные (асбестоцемент, бетонополимер, фибробетон, стеклопластик и др.).

Строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных воздействий среды или повышения эксплуатационных свойств и создания комфорта, следующие: 1) теплоизоляционные; 2) акустические; 3) гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие; 4) отделочные; 5) антикоррозионные; 6) огнеупорные; 7) материалы для защиты от радиационных воздействий и др.

Главным требованием к материалам, из которых изготовляются несущие конструкции, является их способность хорошо сопротивляться изменению формы и разрушению под действием нагрузок, а также в ряде случаев низкие теплопроводность и звукопроницаемость (например, для ограждающих конструкций). Основными требованиями к некоторым материалам являются: водонепроницаемость, низкая электропроводность, радиационная стойкость и т. д.

Плотность, пористость, прочность — это основные характеристики всех строительных материалов, служащие как для оценки качества и особенностей применения материала, так и для различных технико-экономических расчетов. Специальные технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться обработке. Например, для каменных материалов важной является способность шлифоваться и полироваться. Податливость к сравнительно легкой формуемости глин и бетонных смесей при производстве строительных изделий является важной технологической характеристикой.

Таким образом, при выборе и обосновании целесообразности применения строительного материала для определенных условий его применения требуется учитывать различные его свойства.

По ряду признаков часто выделяют четыре основные группы технических свойств: физические, механические, химические и технологические.

1 Строение и основные свойства строительных материалов.

1.Взаимосвязь состава, строения и свойств строительных материалов.

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-ионном 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.

По физическому состоянию все вещества, в том чесле и все материалы используемые в строительстве (строительные материалы) подразделяют на твердые, жидкие, газообразные и плазму.

В штукатурных и малярных работах используют материалы, которые находятся в твердом или жидком состоянии.

Твердым телом называют всякое тело, имеющее определенную форму.

Так, к твердым телам относят металлы, камни, лед, воск, битум, стекло и др. Твердые тела могут находиться в кристаллическом (гранит, металлы, лед) и аморфном (воск, стекло, эбонит) состояниях.

Кристаллические тела имеют упорядоченное взаимное расположение образующих их частиц — атомов и молекул, а аморфные — хаотическое их расположение. Кристаллические вещества обладают характерным свойством переходить из твердого состояния в жидкое при определенной, постоянной для данного вещества, температуре. Эта температура, называемая температурой плавления, равна температуре отвердевания (каждое расплавленное вещество при охлаждении вновь отвердевает). Аморфные вещества не имеют четко выраженной температуры плавления и отвердевания, при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние.

Твердые материалы, используемые в штукатурных и малярных работах, бывают сыпучими и комовыми.

Жидкость — агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы).

В процессе работы штукатуры и маляры имеют дело не только с твердыми и жидкими веществами, но и с так называемыми коллоидно-дисперсными системами и растворами, различными смесями, составами.

Дисперсные системы — образования из двух или большего числа фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними.

В дисперсных системах одна из фаз — дисперсная фаза — распределена в виде мелких частиц (кристалликов, капель, пузырьков) в другой фазе — дисперсионной среде — газе, жидкости или твердом теле.

Дисперсность — характеристика размеров твердых частиц и капель жидкости (чем мельче частицы, тем больше дисперсность).

На практике в качестве дисперсных систем, размер частиц которых более 0,1 мкм, используют суспензии, эмульсии, коллоиды.

Грубодисперсные системы (суспензии, эмульсии, порошки, пена) неустойчивы; чрезмерное измельчение порошков ведет к их слипанию (коагуляции).

Суспензия—система, в которой частицы твердой дисперсной фазы взвешены в жидкой дисперсионной среде.

К таким системам относятся готовые к применению краски, являющиеся суспензиями пигментов и наполнителей в связующих веществах и растворителях, шпатлевки, подмазочные пасты.

Эмульсия — система, состоящая из двух не растворяющихся друг в друге жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распределена в другой (дисперсионной среде).

В суспензиях и эмульсиях частицы дисперсной фазы стремятся к седиментации, т. е. к осаждению. В дополнение к этому они могут коагулировать, сцепляться под действием молекулярных сил.

Коллоиды — промежуточные системы между истинными растворами и грубодисперсными системами.

Гелеобразование - одно из важнейших свойств коллоидных систем.

Гели образуются в результате действия молекулярных сил сцепления между коллоидными частицами. Образование гелей имеет значение для объяснения процессов твердения и свойств цементного камня и полимерных материалов.

Ячеистая структура геля удерживает значительное количество жидкой дисперсионной среды. Под действием механических усилий многие гели способны переходить в золи, т. е. разжижаться, это явление называется тиксотропией и проявляется оно при вибрировании бетонных, растворных и других смесей.

Коллоиды способны к набуханию, при этом они увеличиваются в объеме. Животные клеи, белок, крахмал, мыло — коллоиды, которые при длительном соприкосновении с водой образуют коллоидные растворы (золи).

В отличие от грубодисперсных систем коллоидные растворы стойки к седиментации, обладают свечением в проходящем свете и передвижением частиц к электродам при пропускании электротока.

Истинный раствор — молекулярно-дисперсная гомогенная (однородная) система переменного состава из двух и более компонентов.

Раствор называется истинным потому, что вещества действительно и самопроизвольно растворяются в подходящем растворителе с образованием гомогенной системы.

Истинные растворы устойчивы в течение длительного времени. С истинным раствором маляр имеет дело всякий раз, когда растворяет в воде кристаллы медного купороса, квасцов, каустическую соду, кислоту, спирт.

Важнейшее практическое значение имеют явления, происходящие на поверхности раздела фаз для всех дисперсных и особенно коллоидных систем. К таким явлениям относится адсорбция — поглощение и концентрирование вещества на поверхности раздела фаз.

Адсорбирующиеся вещества называются поверхностно-активными (ПАВ), они понижают поверхностное натяжение, имеют большое значение в технологии строительных материалов. ПАВ способствуют получению устойчивых эмульсий и суспензий (адсорбционный слой обволакивает частицы дисперсной фазы и не дает им слипаться); за счет эффекта адсорбционного понижения прочности ускоряют измельчение порошков, пластифицируют растворные и бетонные смеси, гидрофобизуют поверхности и пр.

2.Свойства, характеризующие особенности физического состояния материалов: плотность, пористость, пустотность

Плотностью называется масса единицы объема материала. р = т/У. (3.1)Большинство строительных материалов – пористые материалы, т.е. в их объеме помимо твердого вещества находятся воздушные ячейки (поры), заполненные воздухом, плотность которого несравнимо ниже плотности твердого вещества. Поэтому для строительных материалов определяют две характеристики: истинную и среднюю плотности. Для характеристики материалов, состоящих из отдельных зерен (цемент, песок, гравий), используют так называемую насыпную плотность.Истинной плотность р называют плотность того вещества, из которого состоит материал. Средней плотность рт называют плотность материала, когда при ее расчете берется его полный объем в естественном состоянии, включая поры и пустоты.Насыпная плотность рнас характеризует отношение массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространства между частицами.

Пористость - 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. Величина пористости в значительной мере влияет на прочность материала. Строительный материал тем слабее сопротивляется механическим нагрузкам, тепловым, усадочным и другим усилиям, чем больше пор в его объеме. Величина прочности также зависит от размеров пор. Она возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых материалов, а также материалов с закрытой пористостью выше, чем прочность крупнопористых и с открытой пористостью.

Пустотность — отношение суммарного объема пустот в рыхлом материале ко всему объему, занимаемому этим материалом.

3.Гидрофизические и теплофизические свойства материалов.

Гидрофизические свойства стройматериалов. Водопоглощение- способность материала или изделия впитывать и удерживать в порах и капиллярах воду. Водопоглощение используют для оценки структуры материала с помощью коэффициента насыщения: kн = Wo/П. Уменьшение kн говорит о повышении морозостойкости.

Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением. Коэффициент фильтрации kф (м/ч — размерность скорости) характеризует водопроницаемость: kф=Vв*а/[S(p1-p2)t], где kф=Vв — количество воды, м

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.

Водостойкость - способность материалов оказывать длительное сопротивление разрушающему действию воды .характеризуется коэффициентом размягчения kp = Rв/Rс, где Rв — прочность материала насыщенного водой, а Rс — прочность сухого материала.

Гигроскопичность — свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из воздуха.

Теплофизические свойства стройматериалов.

Теплопроводность — свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °C и выше), не размягчаясь и не деформируясь.

Огнестойкость — свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определённого времени.

4.Механические свойства.

ПРОЧНОСТЬ Свойство материала сопротивляться разрушениям под действием напряжений, возникающих от нагрузок, влияния температуры, атмосферных осадков и других факторов. В конструкциях строительные материалы, подвергаясь различным   нагрузкам,   испытывают   напряжение   сжатия,   растяжения,   изгиба,   среза   и удара. Чаще всего они работают на сжатие или на растяжение. Природные   камни,   а   также   бетоны и кирпич хорошо сопротивляются сжатию,   значительно хуже — срезу, а еще слабее — растяжению. На растяжение они выдерживают нагрузку в 10— 15 раз меньшую, чем на сжатие.   Поэтому  указанные материалы следует применять главным образом в строительных конструкциях, работающих на сжатие. Предел прочности определяют нагружением испытуемых образцов материала до их разрушения (на прессах или разрывных машинах). Признаками разрушения являются появление трещин на образце, отслаивание и деформации.

Уменьшение величин допускаемого напряжения объясняется следующими факторами.

1. Полученные   при   испытаниях   показатели   дают   представление

только о среднем значении прочности материалов. Наиболее слабые ча

сти их разрушаются раньше, чем напряжение достигнет средней вели

чины предела прочности. Многие материалы, нагруженные до напря

жения, составляющего   только   часть   предела   прочности    (50—70%),

сильно деформируются. Следовательно, запас прочности надо   прини

мать тем больше, чем менее однороден материал.

2. В каменных и других хрупких материалах образуются трещины

раньше достижения напряжения, равного пределу прочности.

3. При многократной переменной нагрузке под влиянием так назы

ваемой усталости материала он может разрушаться при напряжении,

равном только половине предела прочности.

4. Под действием атмосферы изменяются первоначальные   свойст

ва материала, со временем происходит его «старение», сопровождаемое

понижением прочности.

Для обеспечения сооружениям достаточной прочности при действии перечисленных факторов, а также нагрузок, не учтенных в расчетах, в нормах на строительное проектирование установлены определенные запасы прочности для различных  материалов и конструкций.

 2. Твердостью называется свойство материала сопротивляться прониканию в него постороннего более твердого тела. Твердость однородных каменных материалов определяют по шкале твердости, в которой десять специально подобранных минералов расположены в таком порядке, что на каждом из них все последующие могут оставлять черту . Для определения твердости древесины, стали и бетона в образцы

вдавливают стальной шарик под определенной нагрузкой и определяют

глубину вдавливания.

 3. Истираемостью называют способность материала уменьшаться в весе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость имеет большое значение для тех материалов, которые в условиях службы в строительных конструкциях подвергаются истирающему воздействию (например, материалы для полов, лестниц, угольных и других бункеров).

 4. Сопротивлением удару называется способность материала   сопротивляться ударным воздействиям.

Строительные материалы в некоторых конструкциях (в полах, дорожных покрытиях, бункерах) кроме истирания подвергаются также ударным воздействиям. 

5. Упругостью называется свойство материала восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки,   под   действием   которой   форма материала в той или иной мере изменяется. Восстановление первоначальной формы может быть полным при малых нагрузках и неполным при больших. Предел упругости материала — это то наибольшее напряжение при различных видах деформации материала, при котором еще не обнаруживается их остаточная (пластическая) деформация.

6. Пластичностью называют способность материала под влиянием действующих на него усилий изменять свои размеры и форму без образования трещин и сохранять ее после снятия нагрузки.

Помимо материалов пластичных (битумы, дерево, глиняное тесто и др.) имеются материалы хрупкие, которые разрушаются без предварительной деформации, как только действующие на них усилия достигают величины разрушающих нагрузок. Пластичность и хрупкость материалов могут существенно изменяться в зависимости от таких факторов, как влажность, температура, скорость нарастания действующей нагрузки.

5.Химические свойства материалов Химические свойства материала характеризуют его способность к химическим превращениям под влиянием веществ (воздействий), с которыми он находится в соприкосновении, а также способность сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Некоторые материалы склонны к самопроизвольным внутренним химическим изменениям в обычной среде. Ряд материалов проявляет активность при взаимодействии с кислотами, водой, щелочами, растворами солей, агрессивными газами и т. Д. Химические превращения протекают также во время технологических процессов производства и применения материалов. Химическая (коррозионная) стойкость - свойство материала сопротивляться коррозионному воздействию среды (жидкой, газообразной, твердой) или физических воздействий (облучение, электрический ток). При контакте с агрессивной средой в структуре материала происходят необратимые изменения, что вызывает снижение его прочности и преждевременное разрушение конструкции. Основными агрессивными агентами, вызывающими коррозию строительных материалов, являются: пресная и соленая вода, минерализованные почвенные воды, растворенные в дождевой воде газы (S03, S02, C02, N02) от промышленных предприятий и автомашин. На промышленных предприятиях коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные агенты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горячие газы. Способность материалов не разрушаться в химически агрессивных средах характеризует их химическую стойкость. Химическая стойкость зависит от структуры материалов и их состава. Повышение химической стойкости материалов достигается введением в их состав легирующих элементов, образованием защитных покрытий и другими способами. Химический состав неметаллических кислотостойких материалов представлен преимущественно кислотными оксидами, щелочестойких — основными оксидами. Например, силикатные материалы (стекло, кварц, асбест и др.), содержащие в основном оксид кремния, стойки к действию кислот, но при определенных условиях взаимодействуют со щелочами, а цементный камень, известняк, мрамор, в составе которых превалирует оксид кальция, щелочестойки, но легко разрушаются кислотами. К основным химическим свойствам относят способность материалов сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызывающие в них обменные реакции приводящие к разрушению материалов, изменению своих первоначальных свойств: растворимость, коррозионная стойкость, стойкость против гниения, твердение