Тема 1. Строение и основные свойства строительных материалов

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.

Нормативные документы

Благодаря системе нормативных документов в области строительства строительная продукция полностью соответствует собственному назначению, а также обладает высокими показателями по таким параметрам, как качество и надежность.

Федеральный закон № 184-ФЗ «О техническом регулировании» на первое место ставит обеспечение безопасности жизни и здоровья людей, охрану окружающей среды, имущества при всех видах собственности.

Федеральный закон № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» также во главу угла ставит требования обеспечения безопасности – пожарной, экологической, радиационной, механической, безопасности при стихийных бедствиях и техногенных катастрофах, обеспечения надлежащего микроклимата в помещениях и т.д.

Остальные нормативные документы имеют рекомендательный и добровольный к применению характер.

- национальные (ГОСТ Р) и межгосударственные (ГОСТ) стандарты;

- стандарты предприятий и общественных организаций (СТО);

- технические условия (ТУ).

Нередки случаи, когда строительные организации вынуждены соблюдать определенные технические условия. Как правило, технические условия необходимы в том случае, если на них дается ссылка в договоре или в техдокументации, а также если речь идет о продукции, которая выпускается на основе принципиально новых технологий или с использованием новых материалов, с которыми ранее не сталкивались (на которые не существует нормативных документов).

Общие сведения

Основные свойства строительных материалов в своей сумме показателей формируют основные показатели качества материалов, их отношение к различного рода нагрузкам, взаимоотношение с другими материалами и в конечном итоге – качество и долговечность строительной конструкции в целом.

К основным свойствам строительных материалов относятся именно те свойства, по которым чаще всего формируется марка, класс или сорт материала. В строительных конструкциях, испытывающих большие нагрузки, основным свойством всегда считался предел прочности строительного материала. Каждый строительный материал имеет десятки показателей по своим свойствам, однако к основным свойствам строительного материала относят, прежде всего, те, которые формируют основное назначение материала.

Так, например, основным свойством лицевого кирпича может быть морозостойкость и водопоглощение, а основным свойством рядового кирпича, используемого в основной стеновой кладке обязательно должен быть предел прочности.

Основные свойства строительных материалов начинают формироваться на стадии определения качества материалов производства. Например, хороший, качественный бетон невозможно произвести из песка, щебня и цемента плохого качества, неправильного их дозирования и с нарушениями технологии производства. Максимально грамотный технологический процесс производства – гарантия того, что основные свойства строительного материала будут соответствовать нормативным требованиям. Немаловажную роль в сохранении основных свойств строительных материалов играет процесс транспортировки материалов от производителя на строительную площадку, а также условия хранения и конструктивная защита стройматериала в изделии от агрессивных природных и физических воздействий.

Й базовый метод.

Данный способ применяется для всех видов бетонов, кроме бетонов дорожных и аэродромных покрытий и бетонов конструкций, эксплуатирующихся в условиях воздействия минерализованной воды.

Оттаивание образцов – вода, температура (20±2)°С;

Замораживание образцов– воздух, температура (-18±2)°С.

Используются образцы кубы с ребром 10 или 15 см. Всего 18 образцов – 6 контрольных и 12 основных.

Один цикл испытания включает замораживание насыщенного водой образца в течение 2,5…3,5 часов в морозильной камере с последующим оттаиванием в течение того же времени в воде.

Марка по морозостойкости, определенная таким методом, маркируется F ₁.

Й ускоренный метод.

Данный способ применяется в качестве базового для бетонов дорожных и аэродромных покрытий и для бетонов конструкций, эксплуатирующихся в условиях воздействия минерализованной воды, а также в качестве ускоренного для всех остальных видов бетонов, кроме легких бетонов со средней плотностью менее 1500 кг/м³.

Оттаивание образцов – 5% раствора NaCl, температура (20±2)°С;

Замораживание образцов– воздух, температура (-18±2)°С.

Марка по морозостойкости, определенная таким методом, маркируется F ₂.

Й ускоренный метод.

Данный способ применяется для всех видов бетонов, кроме легких бетонов со средней плотностью менее 1500 кг/м³.

Оттаивание образцов – 5% раствора NaCl, температура (20±2)°С;

Замораживание образцов – 5% раствора NaCl, температура (-50±2)°С.

Надежность

Надежность – комплексное свойство изделия (конструкции, сооружения) сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров при выполнении требуемых функций в заданных условиях эксплуатации и технического обслуживания.

Надежность складывается из таких показателей как: безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность.

Надежность строительного объекта - способность строительного объекта выполнять требуемые функции в течение расчетного срока эксплуатации (.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта (срок службы).

Срок службы - продолжительность нормальной эксплуатации строительного объекта с предусмотренным техническим обслуживанием и ремонтными работами (включая капитальный ремонт) до состояния, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна.

В процессе эксплуатации свойства материалов в конструкциях ухудшаются. Этот процесс называют деградацией.

Деградация свойств материалов во времени - постепенное понижение уровня эксплуатационных характеристик материалов, процесс их изменения в сторону ухудшения относительно проектных значений.

Таблица 1.7

Рекомендуемые сроки службы сооружений

Наименование объектов	Примерный срок службы
Временные здания и сооружения (бытовки строительных рабочих и вахтового персонала, временные склады, летние павильоны и т.п.)	10 лет
Сооружения, эксплуатируемые в условиях сильноагрессивных сред (сосуды и резервуары, трубопроводы предприятий нефтеперерабатывающей, газовой и химической промышленности, сооружения в условиях морской среды и т.п.)	Не менее 25 лет
Здания и сооружения массового строительства в обычных условиях эксплуатации (здания жилищно-гражданского и производственного строительства)	Не менее 50 лет
Уникальные здания и сооружения (здания основных музеев, хранилищ национальных и культурных ценностей, произведения монументального искусства, стадионы, театры, здания высотой более 75 м, большепролетные сооружения и т.п.)	100 лет и более

 

Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение времени в определенных условиях эксплуатации без вынужденных перерывов на ремонт. Определяется вероятностью наступления отказа.

Отказ - состояние строительного объекта, при котором не выполняются одно или несколько условий предельных состояний (система теряет работоспособность).

Ремонтопригодность – свойство изделия к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния при техническом обслуживании и ремонте. Показатели ремонтопригодности – среднее время ремонта на 1 отказ, трудоемкость и стоимость устранения отказа.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение и после срока хранения и транспортирования. Оценивается временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.

 

 

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.

Нормативные документы

Благодаря системе нормативных документов в области строительства строительная продукция полностью соответствует собственному назначению, а также обладает высокими показателями по таким параметрам, как качество и надежность.

Федеральный закон № 184-ФЗ «О техническом регулировании» на первое место ставит обеспечение безопасности жизни и здоровья людей, охрану окружающей среды, имущества при всех видах собственности.

Федеральный закон № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» также во главу угла ставит требования обеспечения безопасности – пожарной, экологической, радиационной, механической, безопасности при стихийных бедствиях и техногенных катастрофах, обеспечения надлежащего микроклимата в помещениях и т.д.

Остальные нормативные документы имеют рекомендательный и добровольный к применению характер.

- национальные (ГОСТ Р) и межгосударственные (ГОСТ) стандарты;

- стандарты предприятий и общественных организаций (СТО);

- технические условия (ТУ).

Нередки случаи, когда строительные организации вынуждены соблюдать определенные технические условия. Как правило, технические условия необходимы в том случае, если на них дается ссылка в договоре или в техдокументации, а также если речь идет о продукции, которая выпускается на основе принципиально новых технологий или с использованием новых материалов, с которыми ранее не сталкивались (на которые не существует нормативных документов).