Основные понятия строительного материаловедения

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Введение

Строительство – наиболее материалоемкая отрасль народного хозяйства. Материальную основу строительства составляют строительные материалы. Строительные материалы оказывают решающее влияние на технико-экономическую эффективность, безопасность, долговечность и эксплуатационные свойства зданий и сооружений. Строительные материалы – одна из наиболее динамичных отраслей строительства, на ней опробуется наибольшее число новых технологий. Стоимость строительных материалов составляет до 40…50 % сметной стоимости объектов.

По назначению строительные материалы классифицируют на 2 группы:

- 1 группа: материалы универсального типа, пригодные для несущих конструкций – природные каменные материалы, бетоны, растворы, керамика, стекло, металлы, конструкционные пластмассы, древесина, композиты и др.;

- 2 группа: строительные материалы специального назначения – теплоизоляционные, акустические, гидроизоляционные, герметики, кровельные, отделочные, антикоррозионные, огнеупорные материалы, материалы для радиационной защиты и т.д.

Строительные материалы «работают» в конструкциях и строительных системах. Как правило, к строительной конструкции предъявляются требования по несущей способности, теплоизоляции, гидроизоляции, функциональности, архитектурной выразительности и др. Всё это возможно обеспечить лишь совместным использованием строительных материалов различного функционального назначения. Так формируются строительные системы.

Система (от др.-греч. σύστημα – целое, составленное из частей; соединение) – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство.

Практически любой объект, любая строительная конструкция может быть рассмотрена как система.

Строительная система – совокупность конструктивных элементов и строительных материалов различного функционального назначения, имеющих определённое взаимное расположение и связи, обеспечивающая целостность, геометрическую неизменяемость, несущую способность, надежность и заданные эксплуатационные характеристики строительной конструкции в целом.

На выбор строительного материала оказывает влияние ряд факторов:

- требуемые свойства конструкции;

- условия эксплуатации конструкции, в т.ч. риск коррозионного воздействия;

- технология строительных работ;

- требования по безопасности (в т.ч. экологической, пожарной);

- экономическая эффективность строительства;

- обеспечение комфортной среды и архитектурного облика здания и др. факторы.

Кроме того, материалы необходимо грамотно сочетать между собой. Область применения того или иного материала и возможность совмещения с другими материалами определяется его свойствами.

Свойство – способность материалов определённым образом реагировать на воздействие отдельных внешних или внутренних факторов. Свойства материалов имеют названия и оцениваются численными значениями, имеющими определенную размерность, которые устанавливаются путем стандартных испытаний.

Основные понятия строительного материаловедения

Материаловедение – это наука, изучающая взаимосвязь состава, строения и свойств материалов, закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и др. воздействиях.

Свойства материала можно регулировать путём направленного модифицирования его состава и управления структурой.

Все строительные материалы имеют состав. Они характеризуются элементным, химическим, минеральным, фазовым и вещественным составом.

Элементный состав – выражает содержание химических элементов в материале, % по массе. Например, элементный состав битума: С – 70…80%; H – 10…15%; S – 2…9%; O – 1…5%; N – 0…2%.

Химический состав – позволяет судить об огнестойкости, биостойкости, механических свойствах и т.д. материалов. Так, органические материалы не выдерживают высоких температур и горят. Минеральные материалы, напротив, имеют значительно более высокие температуры применения, а металлы хорошо проводят электрический ток и тепло.

В зависимости от химического состава строительные материалы принято делить на:

- органические (древесина, битумные материалы, пластмассы);

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

- металлические (сталь, чугун, цветные металлы).

Химический состав минеральных материалов обычно выражают суммой оксидов, % по массе. Например, химический состав клинкера портландцемента: СаО – 63…66%; SiO₂ – 21…24%; Al₂O₃ – 4…8%; Fe₂O₃ – 2…4%.

Химический состав простых органических материалов в некоторых случаях можно выразить химической формулой.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве, % по массе, содержатся в строительном материале. Например, минеральный состав клинкера портландцемента:

· Алит – 3СаО·SiO₂ (С₃S) – 45…60%;

· Белит – 2СаО·SiO₂ (С₂S) – 20…30%;

· Трехкальциевый алюминат 3СаО·Al₂O₃ (С₃А) – 4…12%;

· Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃ (С₄АF) – 10…20%.

Фазовый состав материала – это наличие твердого вещества или каркаса, пор, заполненных воздухом или другим газом, и воды. Причем, если поры материала заполнены водой, то его, например, теплофизические свойства существенно изменяются, так же, как и влажностные деформации. Если вода в порах замерзает, то она изменяет свое фазовое состояние и возникают большие внутренние напряжения, которые изменяют механические и деформативные свойства материала.

Вещественный состав выражает содержание веществ, % по массе, входящих в состав материала. Например, вещественный состав портландцемента: клинкер – более 95%; вспомогательные компоненты – до 5%; природный гипс – 3…5% (сверх 100%).

Не меньше, чем 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.

Структура (строение) материала – пространственное расположение частиц различной степени дисперсности с совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления между собой. В понятие структуры входит расположение пор, капилляров, микротрещин и т.д.

Строение материала изучают на 3-х уровнях:

- Макроструктура материала – строение, видимое невооруженным глазом.

- Микроструктура материала – строение, видимое в оптический микроскоп.

- Внутреннее строение материалов – строение, изучаемое на молекулярно-ионном уровне методами рентгенофазового анализов, рентгеноструктурного и электронной микроскопии.

Макроструктура твердых строительных материалов может быть следующих типов:

- конгломератная (бетоны, строительные растворы);

- ячеистая (ячеистые бетоны, ячеистые пластмассы);

- мелкопористая (керамика);

- волокнистая (древесина, стеклопластики, минеральная вата);

- слоистая (рулонные, листовые и плитные материалы);

- рыхлозернистая (заполнители для бетона, наполнители для цементов, пластмасс и др.);

- макроструктура природных каменных материалов.

Микроструктура материала может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллическая форма всегда более устойчивая. Она имеет постоянную температуру плавления и определенную геометрию кристаллов, составляющих материал.