Основные свойства и виды строительных материалов

К строительным материалам (материал от лат. materia — вещество) относят природные и искусственные вещества, композиции и изделия из них, применяемые для возведения зданий и сооружений. Взаимосвязи параметров технологии, состава и строения материалов с их строительно-техническими свойствами изучает строительное материаловедение, основанное на фундаментальных закономерностях естественных наук.

Свойства материалов — это особенности, характеризующие их состояние или отношение к различным явлениям. Совокупность свойств, определяющих пригодность материалов для использования, характеризует их качество и зависит от вида строительных материалов. Уровень качества оценивается с привлечением системы показателей назначения, надежности, технологичности и др.

Показатели качества материалов определяют экспериментально — с помощью технических измерительных средств. В некоторых случаях оценку качества материалов производят эксперты расчетными методами. Различают входной, технологический и приемочный контроль качества строительных материалов. Входной контроль производится для материалов, поступающих на предприятие или стройку. Технологический или операционный контроль производится по мере выполнения отдельных технологических операций, а приемочный — для готовых изделий.

Классификация и структура материалов

Классификация материалов. Строительные материалы можно классифицировать по составу, структуре, свойствам, способу получения и области применения.

Состав материалов выражают содержанием химических элементов или оксидов (химический состав) и отдельных частей — фаз, однородных по химическому составу и физическим свойствам, отделенных друг от друга поверхностями раздела (фазовый состав).

По составу разделяют металлические и неметаллические материалы. Из металлических материалов в строительстве широко применяют железистые сплавы — чугун и сталь, а также сплавы алюминия. В группу неметаллических входят органические и неорганические материалы. Среди органических преобладают строительные материалы на основе древесины, битумов и синтетических полимеров. В их состав входят преимущественно высокомолекулярные углеводороды и их неметаллические производные.

Виды строительных материалов разнообразны. Наиболее обширна группа неорганических строительных материалов. Химический состав их выражают в основном содержанием оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, водорода. Фазовый состав неорганических материалов, применяемых в строительстве (природных камней, цементов, бетона, стекла и др.), представлен силикатами, алюмосиликатами, алюминатами, ферритами, оксидами и их гидратами.

Минеральные воздушные вяжущие вещества

Строительными вяжущими материалами (или просто вяжущими) называются материалы, предназначенные для связывания разнородных компонентов в искусственные конгломераты (бетоны, растворы, мастики и др.). По составу их можно разделить на две большие группы: минеральные (неорганические) и органические.

Минеральные вяжущие — тонкодисперсные вещества, образующие при смешивании с водой или водными растворами солей пластичную массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние. В зависимости от условий твердения минеральные вяжущие делят на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие способны твердеть и сохранять прочность только на воздухе, а гидравлические и в воде. К воздушным вяжущим относят гипсовые, магнезиальные вяжущие, воздушную известь и жидкое стекло. Затворяя смесь кварцевого песка и некоторых добавок жидким стеклом, получают кислотоупорный цемент, который после предварительного твердения на воздухе может сопротивляться агрессивному воздействию ряда кислот.

Хрупкое и пластическое разрушение материалов. Твердость материала

Различают хрупкое и пластическое разрушение материалов. Отличительная особенность хрупкого разрушения, характерного для бетона, керамики, стекла, природных камней и других строительных материалов,— это отсутствие заметной пластической деформации. При этом возникающие механические напряжения не успевают релаксировать и трещины, образующиеся в плоскости перпендикулярной действию напряжений, быстро развиваются. Хрупкому разрушению способствуют циклические нагрузки (вибрирование, частые удары и др.), при которых развивается усталость материалов, связанная с накоплением повреждений, возникновением микро-, а затем и макротрещин. Повышению хрупкости материалов способствуют также понижение температуры, увеличение скорости деформирования, наличие поверхностно-активной среды.

Прочность материалов может измеряться не только прямым методом (разрушением образцов), но и неразрушающими методами, основанными на взаимосвязи прочности твердых тел с той или иной косвенной характеристикой, например скоростью ультразвуковых волн, возникающих в них под действием внешнего источника в результате колебания частиц (импульсный ультразвуковой метод), или собственной частотой колебаний образца (резонансный метод), поверхностной твердостью (механические методы).

Особым видом прочности можно считать твердость (прочность при вдавливании) — сопротивление материала разрушению при жестком силовом воздействии. Как и другие виды прочности, твердость — структурно-чувствительное свойство, она зависит также от вида обработки поверхности, температуры и других факторов.

Керамические материалы

Керамическими называют материалы, получаемые из минерального сырья путем формования, сушки и спекания при высокой температуре.

По области применения керамические материалы подразделяются на строительные, огнеупорные, электротехнические, специального назначения (техническая керамика), химически стойкие, хозяйственно-бытовые.

Различают грубую керамику, имеющую неоднородное строение, и тонкую керамику с мелкокристаллическим однородным строением. К грубой керамике относится большая часть строительных керамических материалов и огнеупоров, кислотостойкий кирпич и др. Основными представителями тонкой керамики являются фаянс — мелкозернистый керамический материал, покрытый прозрачной легкоплавкой глазурью, и фарфор — спеченный керамический материал белого цвета с водопоглощением менее 0,5%. К тонкой керамике относятся также майолика — изделия из цветной обожженной глины, покрытые глазурью, огнеупорные материалы, полученные из чистых оксидов и бескислородных соединений, материалы электротехнического назначения.

Основным сырьевым компонентом для получения большинства керамических материалов является глина. Изделия из обожженной глины найдены в раскопках, имевших возраст около 15 тыс. лет до н. э., как промышленный продукт глина используется с 5-го тысячелетия до н. э. Наряду с традиционным применением современная керамика используется в атомной, ракетно-космической технике, радиоэлектронике и т. д.

Структура, состав и свойства сплавов

Структура металлических сплавов. Металлы — типичные кристаллические вещества, свойства которых обусловлены особенностями их кристаллической структуры. Для каждого металла характерна определенная кристаллическая решетка. Сцепление между элементами кристаллической решетки металлов является результатом действия физико-химических сил, из которых наиболее существенны силы между положительно заряженными ионами, слагающими решетку, и окружающими их свободными электронами (металлическая связь). Теоретическая прочность металлов весьма велика и равна, например, для железа примерно 104 МПа. В реальных металлах однако прочность оказывается во много раз ниже теоретической, что объясняется дефектами слагающих их кристаллов — микротрещинами, различными включениями и в особенности дислокациями — дефектами кристаллической решетки, вблизи которых нарушается правильное расположение атомных плоскостей.

Если металл находится под внешним напряжением, на расположенные в его кристаллах дислокации действует определенная сила, под действием которой дислокации перемещаются и металл пластически деформируется.

Свойства металлов в значительной степени обусловлены особенностями их кристаллизации, идущей при переходе их из жидкого состояния в твердое. Крупнозернистые металлы имеют более низкое сопротивление удару. Чем мельче зерна, тем прочнее и пластичнее металл.

Материалы и изделия на основе полимеров

Полимерными называются материалы, получаемые на основе высокомолекулярных веществ — полимеров, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся групп атомов. В строительстве и других отраслях народного хозяйства применяют преимущественно синтетические органические полимеры, получаемые синтезом из простейших веществ — мономеров. Молекулярная масса полимеров превышает 5000 и достигает сотен тысяч единиц, тогда как для молекул обычных низкомолекулярных веществ она колеблется от единиц до нескольких сотен (как правило, менее 500). Столь существенное отличие по молекулярной массе приводит к резкому отличию физических свойств полимеров от свойств низкомолекулярных веществ.

Для полимерных материалов характерен ряд общих свойств, определяющих их применение в строительстве: легкость в сочетании с высокой прочностью, стойкость к воде и различным химическим реагентам, высокая износостойкость, технологичность, способность легко окрашиваться, малая теплопроводность. Общими недостатками полимерных материалов являются низкая теплостойкость, значительное линейное расширение, ползучесть, способность к старению, т. е. ухудшению физико-механических свойств под действием различных факторов окружающей среды.

Получение стекла и его свойства

Стеклообразное состояние. Строительные стекла являются продуктами быстрого охлаждения силикатных расплавов. В отличие от кристаллических тел они изотропны, т. е. свойства их одинаковы во всех направлениях. Вязкость стекол при нагревании и охлаждении изменяется постепенно и непрерывно. Важнейшим признаком стеклообразного состояния является стремление к кристаллизации в определенном интервале температур. Кристаллизации препятствует высокая вязкость стекла.

Хотя в целом стекла являются аморфными телами, установлено, что в них, так же как и в расплавах, имеется «ближний порядок», т. е. микроучастки с упорядоченной структурой. Объем упорядоченной части в стекле составляет около 10—15%.

Стеклообразное состояние отличается от жидкого, главным образом, большей вязкостью. Близость стекол к жидкостям по строению подтверждается такими их свойствами, как изотропность и прозрачность.

Бетоны на цементных вяжущих

Бетонами называют искусственные камневидные материалы, представляющие собой затвердевшую смесь вяжущих, заполнителей, затворителей и необходимых добавок. Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью.

Во всех отраслях строительства наиболее широко применяют бетоны на цементных вяжущих, годовой объем производства их в нашей стране превышает 250 млн. м3. В общей стоимости материальных ресурсов, потребляемых в капитальном строительстве, доля бетонных и железобетонных конструкций составляет около 25%, в то время как для стальных конструкций она равна примерно 3%, продукции лесной и деревообрабатывающей промышленности — 13%. Доминирующее положение бетона в строительстве объясняется доступностью и большими запасами нерудных материалов — песка, гравия и щебня — слагающих до 80% объема бетона; возможностью придания бетону различных свойств и формования конструкций любых форм; высокой долговечностью и надежностью при соответствии состава и структуры бетона условиям его эксплуатации.

Бетоны классифицируются по следующим признакам: основному назначению, виду вяжущего, виду заполнителей, структуре, средней плотности.

В зависимости от основного назначения бетоны подразделяются на конструкционные и специальные (гидротехнические, жаростойкие, радиационно-защитные, химически стойкие, теплоизоляционные и др.).

Основы технологии бетонных смесей

Под бетонной смесью понимают тщательно перемешанную смесь вяжущего, воды, заполнителей и добавок, взятых в необходимой пропорции. Бетонные смеси изготавливают на бетоно-смесительных узлах, бетонных заводах или цехах заводов железобетонных изделий.

При больших расстояниях от завода до строительных объектов бетонная смесь может быть изготовлена в автобетоносмесителях в процессе транспортирования или непосредственно на объекте из сухой смеси цемента с заполнителями.

Процесс производства бетонной смеси состоит из следующих технологических операций: подготовки материалов, дозирования, перемешивания.

Подготовка материалов для бетонной смеси включает очистку заполнителей от вредных примесей и разделение их на фракции, что производится на дробильно-сортировочных заводах. При зимнем бетонировании применяют подогрев заполнителей и воды.

При бетонировании массивных гидротехнических сооружений для снижения тепловыделения может производиться охлаждение заполнителей и воды, а также замена части воды затворения льдом.

Качество бетонной смеси зависит от точности дозирования компонентов. Дозирование сыпучих материалов производят по массе. Пористые заполнители дозируют по объему с коррекцией по массе. Погрешность дозирования цемента, воды и добавок не должна превышать ±2%, заполнителей ±2,5%. На бетоносмесительных узлах применяют порционные или непрерывные дозаторы с ручным, полуавтоматическим или автоматическим управлением. Дозаторы с ручным управлением применяют только на установках малой мощности.

Основной стадией при производстве бетонной смеси является перемешивание, от тщательности которого зависят прочность и однородность бетона. В зависимости от способа перемешивания бетоносмесители бывают двух основных типов: свободного падения и принудительного перемешивания.

Теплоизоляционные и акустические материалы

К теплоизоляционным относят материалы с низкой теплопроводностью, предназначенные для тепловой изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования и трубопроводов. Использование материалов с низкой теплопроводностью в ограждающих конструкциях, например в крупнопанельных жилых зданиях, дает возможность снизить расход стали в 1,5—2 раза и в 3—4 раза расход цемента по сравнению с конструкциями без тепловой изоляции.

Изоляция тепловых агрегатов, технологической аппаратуры и трубопроводов при строительстве тепловых электростанций приводит к сокращению в 20—25 раз тепловых потерь. Рациональное использование 1 т теплоизоляционных материалов дает возможность экономить до 200 т топлива (в условном исчислении) в год.

По виду исходного сырья теплоизоляционные материалы бывают неорганическими и органическими. Их применяют в виде рыхлых и сыпучих, рулонных и шнуровых, а также штучных изделий волокнистой, ячеистой и зернистой структуры.

Свойства портландцемента. Коррозия цементного камня

Состав и свойства портландцемента. Свойства портландцемента зависят от состава и особенностей строения клинкера. Повышенное содержание в клинкере оксида кальция, связанного в минералы, позволяет получить цемент с высокой активностью и скоростью роста прочности во времени. Содержание свободного СаО в клинкере колеблется от 0 до 2%, обычно стремятся свести его до минимума за счет полного прохождения реакций клинкерообразования. Свободный оксид кальция, оставшийся в клинкере, вызывает неравномерность изменения объема и снижает прочность цементного камня.

Оксид магния также отрицательно сказывается на свойствах цемента. Содержание MgO в портландцементе должно быть не более 5%. Вредное влияние свободных оксидов кальция и магния обусловлено их способностью к медленному гашению и развитию внутренних напряжений в затвердевших бетонах и растворах.

Наиболее значительные по содержанию клинкерные минералы называют  алитом  и  белитом.  Алит — это твердый  раствор трехкальциевого силиката C3S и небольшого количества А1203, MgO и др. Твердый раствор в данном случае является результатом внедрения указанных оксидов в кристаллическую решетку трехкальциевого силиката. Алит в значительной степени определяет свойства портландцемента, его высокую прочность и скорость роста ее во времени.

Белит является вторым по содержанию клинкерным минералом и представляет собой твердый раствор бета-двухкаль-циевого силиката (0-C2S) и небольших количеств Na20, К20, Fe203 и др. Он твердеет медленно, однако неуклонно наращивает прочность во времени.

Армирование железобетонных конструкций

Способы армирования. Арматура в железобетоне в виде стальных стержней, сеток, каркасов и других элементов предназначена в основном для восприятия растягивающих напряжений. Кроме рабочей арматуры, в изделиях устанавливают также закладные детали для соединения конструкций при монтаже, монтажные петли, распределительную арматуру.

Различают обычное и предварительно напряженное армирование. Обычное армирование, хотя и увеличивает несущую способность конструкций, имеет ограниченные возможности, обусловленные незначительной (0,1—0,15 мм/м) растяжимостью бетона. В результате уже при сравнительно небольших нагрузках в бетоне растянутой зоны конструкций возникают трещины, увеличиваются прогибы, в трещины проникают влага и газы и развивается коррозия стальной арматуры. Преодоление этого деформационного барьера возможно за счет применения предварительно напряженных конструкций, впервые практически осуществленного в 1928 г. французским инженером Фрейсине. Сущность предварительного напряжения заключается в обжатии бетона натянутой арматурой. Для того чтобы изменить знак напряжения, действующего в бетоне предварительно напряженной конструкции, необходимо прежде всего нейтрализовать имеющееся обжатие. При этом следует иметь в виду, что возможная деформация бетона при сжатии в 20— 25 раз превышает предельное растяжение.

Строительные растворы

Строительные растворы в отличие от бетонов не содержат крупный заполнитель и укладываются тонкими слоями обычно на пористое основание и без интенсивного механического воздействия. По ряду структурных особенностей и свойств строительные растворы близки к мелкозернистым бетонам. Сравнительно невысокая прочность позволяет при производстве растворов успешно использовать местные вяжущие вещества и разнообразные промышленные отходы (золошлаковые, известе- и гипсо-содержащие продукты и др.).

В строительстве применяют в основном известковые, гипсовые, цементные и смешанные (цементно-известковые, цементно-глиняные) растворы. Цементы применяют в качестве вяжущих для растворов марок не ниже М25 и эксплуатируемых при высокой влажности. Тяжелые растворы имеют среднюю плотность более 1500, а легкие менее 1500 кг/м3. Для легких растворов в качестве заполнителей используют природные или искусственные пористые пески.

Древесные материалы

Древесные материалы целиком или преимущественно состоят из древесины, под которой понимают освобожденную от коры ткань волокон, содержащихся в стволе дерева.

В строительстве древесину широко применяют в виде пиломатериалов, фанеры, столярных изделий, клееных конструкций, сборных деревянных домов, изделий из отходов деревообработки и лесопиления.

Древесные материалы отличает ряд положительных особенностей: сравнительно высокая механическая прочность при небольшой средней плотности, легкая обрабатываемость, упругость, малая теплопроводность, значительная стойкость к переменному замораживанию и оттаиванию и некоторым другим агрессивным воздействиям.

К факторам, ограничивающим применение древесных материалов в строительстве, относятся их гигроскопичность, подверженность в переменно-влажностных условиях к загниванию, короблению, разбуханию и растрескиванию, неоднородность физико-механических свойств в различных направлениях (анизотропность, возгораемость).

Теплоизоляционные и акустические материалы

К теплоизоляционным относят материалы с низкой теплопроводностью, предназначенные для тепловой изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования и трубопроводов. Использование материалов с низкой теплопроводностью в ограждающих конструкциях, например в крупнопанельных жилых зданиях, дает возможность снизить расход стали в 1,5—2 раза и в 3—4 раза расход цемента по сравнению с конструкциями без тепловой изоляции.

Изоляция тепловых агрегатов, технологической аппаратуры и трубопроводов при строительстве тепловых электростанций приводит к сокращению в 20—25 раз тепловых потерь. Рациональное использование 1 т теплоизоляционных материалов дает возможность экономить до 200 т топлива (в условном исчислении) в год.

По виду исходного сырья теплоизоляционные материалы бывают неорганическими и органическими. Их применяют в виде рыхлых и сыпучих, рулонных и шнуровых, а также штучных изделий волокнистой, ячеистой и зернистой структуры.

Для всех материалов с низкой теплопроводностью характерна высокая пористость. Она может быть достигнута поризацией сырьевой смеси, т. е. смешиванием с пеной или введением га-зообразователей, образованием волокнистого каркаса, введением пористых заполнителей, выгорающих добавок и другими технологическими приемами.