Вопрос № 1. Классификация и требования к строительным материалам

Современная промышленность строительных материалов и изде­лий производит большое количество готовых строительных материалов и изделий различного назначения, например: керамические плитки для иолов, для внутренней облицовки, фасадные, ковровую мозаику; ру­лонные и штучные материалы для устройства кровли, специальные материалы для гидроизоляции. Чтобы легче было ориентироваться в этом многообразии строительных материалов и изделий, их принято классифицировать. Наибольшее распространение получили классифи­кации по назначению и технологическому признаку.

По назначению материалы делят на следующие группы:

• конструкционные, которые воспринимают и передают нагрузки в строительных конструкциях;

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

• акустические (звукопоглощающие и звукоизоляционные) — доя снижения уровня «шумового загрязнения» помещения;

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

• герметизирующие — для заделки стыков в сборных конструкциях;

отделочные — для улучшения декоративных качеств строительных

конструкций, а также для защиты конструкционных, теплоизоляцион­ных и других материалов от внешних воздействий;

• специального назначения (огнеупорные или кислотоупорные и др.), применяемые при возведении специальных сооружений.

Некоторые материалы (например, цемент, известь, древесина) нельзя отнести к какой-либо одной группе, так как их используют и в исходном состоянии, 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: особо легкие бетоны — теплоизоляционные материалы; особо тяжелые бетоны — материалы специального назначения, ис­пользуемые для защиты от радиоактивного излучения.

В основу классификации по технологич е с кому при­знаку положены вид сырья, из которого получают материал, и способ изготовления. Эти два фактора во многом определяют свойства мате­риала и соответственно область его применения. По способу изготов­ления различают материалы, получаемые спеканием (керамика, це­мент) плавлением (стекло, металлы), омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетоны, растворы), механической обработкой при­родного сырья (природный камень, древесные материалы).

Так как свойства материалов зависят главным образом от вида сырья и способа его переработки, в строительном материаловедении используют классификацию по технологическому признаку и лишь в отдельных случаях рассматриваются группы материалов по назначе­нию.

Чтобы здание или сооружение было прочным и долговечным, необ­ходимо знать те агрессивные воздействия внешней среды, в которых будет работать каждая конструкция. Зная эти воздействия и назначение конструкции, можно сформулировать требования к мате­риалу конструкции

Материалы для той или иной конструкции выбирают таким обра­зом, чтобы их свойства отвечали предъявляемым к ним требованиям

2. Строение и свойства строительных материалов

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Каждый материал, применяемый в строительстве, имеет различные свойства, определяющие область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами. Основные свойства строительных материалов (физические, механические, химические и технологические) определяются их химическим составом и строением.

В зависимости от химического состава строительные материалы принято делить на:

* органические (древесина, битум, пластмассы);

* минеральные (природный камень, бетон, керамика и т. п.);

* металлические (сталь, чугун, цветные металлы).

У каждой из этих групп материалов есть свои специфические свойства. Так, органические материалы не выдерживают высоких температур и горят; минеральные, напротив, хорошо противостоят действию огня, а металлы очень хорошо проводят электричество и теплоту.

Не меньше, чем химический состав, на свойства материала влияет его строение. При одном и том же химическом составе материалы различного строения обладают разными свойствами. Например, мел и мрамор — две горные породы, состоящие из карбоната кальция СаСО₃, но пористый рыхлый мел имеет низкую прочность и легко размокает в воде, а плотный мрамор прочен и стоек к действию воды.

СОСТАВ И СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Химический состав. В зависимости от химического состава принято выделять органические и неорганические вещества.

Органические вещества представляют собой соединения углерода с другими элементами (преимущественно водородом, кислородом и азотом). Среди строительных материалов из органических веществ чаще всего применяется древесина и битум. В XX в. появились и быстро завоевали прочные позиции полимерные материалы, синтезируемые из продуктов переработки нефти, угля и т. п. С точки зрения строителя органические вещества имеют серьезные недостатки.

При нагреве или пол действием ультрафиолетовых лучей они акислятъся кислородом нозду^а, а при гемпературах выше 200 .300° С большинство органических с оедлнений горит (горение — это тот же процесс окислении, но протекающий очень быстро и сопровождающийся кон центрированным выделением теплоты, прово­цирующим продолжение горения).

Неорганические вещества* применяемые в строительстве (керамика, природный камень и др.), представляют собой соединении уже окисленных химических элементов — в основном оксидов кремнии и алю­миния с оксидами металлов; стекло — вещество, состоящее из оксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и некоторых других оксидов. Будучи уже в окисленном состоянии, они не способны окислятся и тем более гореть. Такие материалы практи­чески не разрушаются живыми оргранизмами (не гниют). Однако их переработка в изделия, как правило, более трудоемка и энергоемка, чем переработка органических материалов

Кристаллические и аморфные тела. Все вещества состоят из мель­чайших частиц — атомов и молекул. В зависимости от степени упоря­доченности расположения атомов (или молекул) различают кристал­лические и аморфные (стеклообразные) твердые тела.

Кристаллическими называю тела, в которьгх атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причем этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непос­редственной близости друг от друга, так и на значительном расстоянии (дальний порядок).

Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находится в упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.

Процесс кристаллизации можно представить следуюшим образом. При переходе иещестиа из жидкого состояния в твердое (например, при застывании расплава металла) или при выпадании твердого вещества в осадок из насыщенного раствор (например, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались максимально уравновешены. Поэтому их положение относительно друг друга оказывается вполне определенным, фиксированным.

Такой геометрически правильный и повторяющийся в простран­стве порядок расположения атомов (молекул) называют кристалличе­ской решеткой (рис. 2.1).

Другое существенное различие между аморфными и кристалличе­скими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании до определенной температуры (температуры плавления) плавятся, а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние (у них отсутствует температура плавления).

Прочность аморфных вешеств, как правило, ниже прочности кри-п-аллических, поэтому для получения материалов повышенной проч-иисти специально проводят кристаллизацию стекол, например, при получении ситаллов и шлакоситаллов — новых стеклокристаллических материалов.

Различные свойства наблюдаются у кристаллических материалов одного и того же состава, если они кристаллизуются в разных Кристал­лических формах. Это явление называют полиморфизмом.

Микро- и макроструктура материалов. Под структурой материала подразумевают взаимное расположение, форму и размер частиц мате­риала, наличие пор, их размер и характер. Структура материала не в меньшей степени, чем состав, влияет на его свойства.

Различают микроструктуру — строение материала, видимое только код микроскопом, и макроструктуру — строение, видимое невоору­женным глазом или при небольшом увеличении.

Поры — один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов — представляют собой воздушные ячейки в материале размером от долей микрона до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во многом определяют свойства материала. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное, легкое и может распиливаться обычной пилой.

Крупные поры размером более 1 см и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.

Форма а размер частиц твердого вещества, из которого состоит материал, также влияют на свойства материала. Так, если обычное стекло расплавить и из расплава вытянуть тонкие волокна, то получится легкая и мягкая стеклянная вата.

В зависимости от формы и размера частиц и их строения различают зернистые, волокнистые и слоистые материалы.

По степени связности частиц материалы могут быть рыхлые, состо­ящие из отдельных зерен или волокон (песок, гравий, минеральная вата, распушенный асбест), и слитного строения, примером которых

может служить бетон, керамика, асбестоцемент. Среди материалов слитного строения выделяют конгломераты и композиты.

Конгломераты — материалы, представляющие собой плотно соеди­ненные (обычно с помощью какого-нибудь цементирующего вещества) отдельные зерна. Типичным конгломератом является бетон и строи­тельный раствор. В этих материалах зерна песка и крупного заполнителя прочно соединены в единое целое при помощи вяжущего, например, цемента.

Композиты —материны с организованной структурой. В компо­зитах различают компонент, образующий непрерывную фазу, называ­емую матрицей и играющую роль связующего, и второй компонент, дискретно распределенный в матрице,— упрочняющии компонент. В роли матрицы в строительных композитах используют полимерные и минеральные вяжущие; в роли упрочняющего компонента — волокни­стые (стекловолокно, отрезки металлической проволоки, асбестовое волокно и т. п.) или листовые (Ьумага, древесный шпон, ткани) материалы.

Примером искусственных композитов может служить стеклопластик, железобетон, асбестоце­мент. Природным композиционным материалом можно считать, на­пример, древесину и костную ткань животных.

Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свой­ствами в разных направлениях. Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами,— анизотропными.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Физические свойства материала характеризуют его поведение под воздействием физических факторов, моделирующих воздействие внеш­ней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т. п.).

Гидрофизические свойства. Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения могут поглощать влагу. При этом их свойства существенно изменяются. Так, при увлажнении материала повышается его теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства.

Влажность — содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии. Влажность определяют по формуле

W=((m1-m2)/m2)*100

где т_} — масса материала в естественно влажном состоянии, г; т2 — масса материала, высушенного до постоянной массы, г,

Водопоглощение — способность материала поглощать влагу и удер­живать ее в своих порах. Водопоглощение характеризуется максималь­ным количеством воды, поглощаемым образом материала при выдер­живании его в воде, отнесенным к массе сухого образца (водопогло­щение по массе №"„) или к его объему (объемное водопоглощение

Гигроскопичность — способность матгриалов поглощать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность зависит от химического состава материала и характера его пористости. К гигроскопичным материалам относятся древесина и гипс. Характерные для древесины- усушка и набухание, сопровождающийся короблением и возникающие даже без непосредственного контакта с водой, являются следствием ее гигро­скопичности.

Влагоотдача — способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20° С и относительной влажности 60 %. Влагоотдачу учитывают, например, при сушке стен зданий и уходе за твердеющим бетоном. В первом случае желательна быстрая влагоотдача, а во втором, наоборот, замед­ленная.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения.

Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличива­ется в объеме почти на 10 %. В результате стенки некоторых пор разрушаются и при повторном увлажнении вода проникает глубже в материал. Такие циклически повторяющиеся замораживания и оттаи­вания с увлажнением-прртдпшно разрушают материал.

Морозостойкость материала зависит от его пористости и водо-поглощения.

Плотные материалы (без пор), а также материалы с замкнутыми порами, т. е. с небольшим водопоглощением, обладают высокой морозостойкостью. Материалы с открытой пористостью обладают, как правило, невысокой морозостойкостью, и требуются обязательные лабораторные испытания для ее оценки.

Теплофизические свойства. Теплопроводность — способность мате­риала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверх­ности к другой в случае, если температура этих поверхностей разная.

Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м² поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 К в течение 1 с.

Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения, но во всех случаях она во много раз превышает теплопроводность воздуха — 0,023 Вт/(м • К). Поэтому, чем больше в материале пор (т. е. чем больше в нем воздуха), тем ниже будет его теплопроводность.

Если материал влажный, т. е. воздух в порах частично замещен водой, то теплопроводность материала резко возрастает. Причина этого в том, что теплопроводность воды в 25 раз выше, чем воздуха.

При замерзании воды в порах материала его теплопроводность повышается еще в большей степени, так как теплопроводность льда в 4 раза выше теплопроводности воды.

Теплоемкость — способность материана поглощать при нагревании теплоту. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К. Удельная теплоемкость большинства природ­ных и искусственных каменных материалов находится в пределах (0,7...1) • 10^3 Дж/(кг-К). Поэтому количество теплоты, нужное для нагрева той или иной строительной конструкции до одной и той же температуры, зависит в основном не от вида материала, а от массы конструкции.

Тепловое расширение — свойство материала расширяться при нагре­вании и сжиматься при охлаждении — характеризуется температурны­ми коэффициентами объемного и линейного расширения. В строи­тельстве чаще используют коэффициент линейного температурного расширения, показывающий, на какую долю первоначальной длины увеличится размер материала в рассматриваемом направлении при повышении температуры на 1 град. С

Огнестойкость — способность материала выдерживать без разру­шения воздействие огня и воды в условиях пожара. Разрушение материала в таких условиях может произойти из-за того, что он сгорит, растрескается, полностью потеряет прочность. По степени огнестой­кости различают несгораемые, трудносгораемые и сгораемые матери­алы.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой темпера­туры не горят и не обугливаются. К таким материалам относятся бетон, кирпич и др. Однако некоторые несгораемые материалы (стекло, асбестоцемент, мрамор) при резком нагревании разрушаются, а ос­тальные конструкции при сильном нагревании теряют прочность и деформируются.

Трудносгораемые материалы под действием огня медленно воспла­меняются и после удаления огня их горение и тление прекращаются. К этим материалам относятся фибролит, пропитанная антипиреиами древесина, асфальтобетон.

Сгораемые материалы под действием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня.

Для повышения огнестойкости горючих материалов используют антипирены — вещества, которыми пропитывают или покрывают ма­териал. Антипирены выделяют газы, не поддерживающие горения, или под действием высокой температуры образуют пористый защитный слой на материале, чем замедляют его нагрев.

Огнеупорность — способность материала длительно работать в ус­ловиях высоких температур без деформаций и размягчения.

Примером огнеупорных материалов может служить огнеупорный кирпич, используемый для кладки внутренних объемов доменных и сталеплавильных печей, топок ТЭС и т. п.

Акустические свойства материалов — это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые волны,— это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах.

Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и мате-риала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук — звукопроводность—и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук — звукопоглощение.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса; если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо заставить материал колебаться. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Ма­териалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуко­вые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отража­ются. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства характеризуют способность материала со­противляться действию внешних сил или иных факторов (например, температурных), вызывающих в нем внутренние напряжения сжатия, растяжения или сдвига. Основные механические свойства строительных

материалов: прочность,твердость, износостойкость

, деформативность (упругость, пластичность).

Прочность — свойство материалов в определенных условиях и пределах воспринимать нагрузки или . другие воздействия, вызывающие в нем внутренние напряжения, без разруше­ния.

Если к какому-либо образцу мате­риала приложить внешнюю силу Р, например растягивающую (рис. 2.2), то ее действие равномерно распределится на все частицы матери­ала: материал окажется в напряженном состоянии. Напряжение вызовет изменение расстояний между частицами — материал начнет деформи­роваться (в нашем случае — растягиваться).

а(сигма) = F/А.

Для твердых и упругих тел с увеличением напряжений а(сигма) пропор­ционально возрастают его относительные деформации е(эпсилон)

а(сигма)=Е*е(эпсилон)

где Е— модуль упругости, МПа, характеризующий жесткость матери­ала.

Чем выше модуль упругости, тем меньше материал деформируется. Так, модуль упругости каучука 10. ..20 МПа, а стали — 200 000 МПа, это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 10 000 раз меньше, чем каучука при прочих равных условиях.

При увеличении действующей силы напряжения в материале воз­растают и могут превысить силу сцепления частиц — материал разру­шится.

На практике разрушение материала начинается значительно рань­ше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоретического предельного значения. Это объясняется тем, что в реальных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярного и кончая макродефектами, например трещинами).

В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида возни­кающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе)

Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и того же материала может сильно различаться.

У природных и искусственных каменных материалов прочность при сжатии в 5.. .15 раз выше, чем при изгибе и растяжении. У древесины, наоборот, прочность при изгибе выше прочности при сжатии (в 1,5. ..2 раза).

Прочность древесины при сжатии вдоль волокон близка к прочно­сти бетона, а при изгибе она прочнее бетона более чем в 10 раз.

Водостойкость. Увлажнение многих материалов снижает их проч-

ность. Степень понижения прочности материала, насыщенного водой, ха­рактеризуется коэффициентом размяг­чения

Упругость и пластичность. Если взять два шарика — резиновый и гли­няный — и начать их сжимать, то они оба под действием приложенной силы деформируются. Как только прекра­щается действие силы, резиновый ша­рик восстанавливает свою форму, а глиняный останется деформирован­ным.

Материалы, ведущие себя подобно резиновому шарику, т. е. восстанавли-

вающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. Количественной мерой упругости служит модуль упругости.

Материалы, ведущие себя подобно глине, т. е. сохраняющие де­формации после снятия нагрузки, называются пластичными. Соответ­ственно обратимые деформации называются упругими деформациями, а необратимые — пластическими.

К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным — битумы (при положительных температурах), некоторые виды пластмасс, свинец, бетонные и растворимые смеси до затвердевания.

Твердость — способность материалов сопротивляться проникнове­нию в них других материалов. Твердость — величина относительная, так как твердость одного материала оценивается по отношению к другому. Самый простой метод определения твердости — по шкале твердости. В эту шкалу входят 10 минералов, расположенных но возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минера­лами.

Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости. Так, древесина по прочности при сжатии равна бетону, а при изгибе и растяжении во много раз превосходит его, но значительно уступает бетону в твердости.

Износостойкость — способность материала противостоять воздей­ствию на него сил трения и ударных воздействий от движущихся предметов. Определяют ее на специальных приборах, снабженных абразивными насадками и моделирующих реальный процесс изнаши­вания. Износостойкость — важное свойство материалов, используемых для покрытий полов, дорог и т. п.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Химические свойства материала характеризуют его способность к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми он находится в соприкосновении, а также некоторых физических (напри­мер, нагревание, облучение, электрический ток) и биологических (микроорганизмы, грибки и др.) воздействий. Из химических свойств материалов для строителя главные — коррозионная стойкость матери-

алов в строительных конструкциях и их химическая активность. Последнее свойство важно для материалов, ис­пользуемых как связующее (напри­мер, цемент, синтетические смолы).

_/ Коррозия — разрушение твердых тел, которое вызывается химическими и электрохимическими процессами, протекающими в них при взаимодей­ствии с внешней средой. Коррозион­ному разрушению подвергаются не только металлы, но и каменные мате­риалы, бетон, пластмассы, древесина. Основные агрессивные агенты, вызывающие коррозию строительных материалов, следующие: пресная и соленая вода, минерализованные почвенные воды, растворенные в дождевой воде газы от предприятий и автомашин. На промышленных предприятиях коррозию строительных материалов ча­сто вызывают более сильные агенты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горячие газы.

Особый вид коррозии — биокоррозия — разрушение материала под действием живых организмов (например, грибов, микробов). Биокор­розия — это не только гниение органических материалов (древесины, битума и др.), но и разрушение бетона и металла продуктами жизне­деятельности поселившихся на них микроорганизмов.

Изменение структуры и химического состава пластмасс под влия­нием внешней среды называется старением. Наиболее вредные воздей­ствия на пластмассы оказывают солнечное облучение, кислород воздуха и повышенные температуры.

Коррозия строительных материалов опасна не столько химиче­скими изменениями в материале, сколько связанными с ними изменениями физико-механических характеристик материалов.

Химическая активность таких строительных материалов, как вяжу­щие вещества или минеральные добавки, зависит от их состава и строения (т. е. от активности составляющих их молекул), а также от тонкости измельчения. Причина в том, что химические процессы протекают либо при непосредственном контакте этих веществ друг с другом (т, е. на их поверхности), либо при растворении веществ (растворение происходит также с поверхности). Таким образом, чем больше поверхность вещества, тем оно активнее в химическом отно­шении. Поверхность сильно возрастает при увеличении степени из­мельчения его частиц (рис. 2.5). Степень измельчения вещества характеризуется величиной, назы­ваемой удельной поверхностью. Удельная поверхность — суммарная поверхность всех частиц единицы массы вещества (см²/г). Удельная поверхность тонкомолотых материалов достигает больших значений (см²/г): обычного портландцемента — 2000. ..2500, а тонкомолотого бы-стротвердеющего — 3000...4000. Чем больше удельная поверхность, тем быстрее частицы цемента взаимодействуют с водой и соответственно быстрее твердеет цемент.