Основы строительного материаловедения 

В зависимости от назначения по функциональным качествам все строительные материалы группируют на конструкционные, конструкционно-отделочные и отделочные.

Конструкционные – это те материалы, из которых можно сделать несущие конструкции, т.е. они обеспечивают необходимую прочность и защиту от неблагоприятных факторов. Конструкционно-отделочные материалы выполняют обе функции, как конструкционные материалы, несущие нагрузку, так и декоративные. Отделочные материалы не могут нести никакой нагрузки, но выполняют декоративные и защитные функции.

Чтобы знать, какие материалы соответствуют назначению, надо понимать их физическую сущность. Поэтому необходимо изучать свойства, характеризующие сущность материала: структуру, физические свойства, вид.

Макроструктура материала определяется визуально, можно увидеть конгломератное строение – соединение разнородных кусочков в единое целое. Такие структуры могут быть как у природных, так и у композиционных искусственных материалов (бетон, арболит, ДСП и др.).

Мелкозернистая структура, в которой нет крупных кусочков, а есть порошковые или мелкосыпучие наполнители, склеенные вяжущим и работающие так же как одно целое (песчаники, кирпич, строительные растворы, многие пластмассы).

Волокнистая структура присуща не только древесине, но и природным (асбестит, серпентинит) и искусственным композиционным материалам (стеклопластики, фибролиты, ДСП и др.). Такие структуры отличаются различием свойств вдоль и поперек расположенным в структуре волокнам.

Ячеистая структура содержит на своей поверхности и во всем объеме мелкие и более крупные поры, которые видны невооруженным глазом, и в которые может попасть влага, если поверхность не защитить от нее. Эту пористость специально делают для повышения теплозащитных свойств материала (пено – и газобетоны) или такие структуры есть у природных горных пород (пемзы, туфы и др.)

Слоистая структура бывает у природных горных пород (отложения осадочных и спрессованных метаморфических), а также специально изготовленных панелей, выполняющих роль конструктивно – теплоизоляционных или гидроизоляционных изделий. Например, стеновые панели с вкладышем или пористым наполнителем внутри, гидроизоляционные покрытия или пластмассы. Все сыпучие материалы (заполнители для бетонов и растворов, порошкообразные материалы, искусственные пористые гранулированные полуфабрикаты) относятся к рыхлозернистой структуре.

Микроструктура этих материалов изучается при большом увеличении и может быть кристаллической или аморфной. Кристаллическая структура характеризуется плотным строением с микроскопическими порами или без них, с характерным блеском, большой прочностью, хорошо шлифуется и полируется, водонепроницаема. Аморфная структура характерна для стекол и всех пористых тел с быстрым охлаждением, содержащим большое количество пор и капилляров. Поверхность таких структур матовая, с меньшей твердостью, химически более активна, не подлежит полированию.

Большинство искусственных каменных материалов является капиллярно-пористыми телами. В зависимости от назначения этого материала технология изготовления его позволяет сделать меньше или больше пор. Если этот материал предназначен для выполнения несущих функций (лестничные марши, колонны или фундаментные блоки), его делают плотным из тяжелого бетона с возможно меньшим количеством капилляров, более прочным. Если этот материал предназначен для выполнения конструктивно-отделочных функций (это стеновые панели, плиты), его выполняют менее плотным, даже наоборот, поризуют, так как эти изделия должны не только ограждать здание, но и защищать его от холода или жары, ветра, дождя и быть декоративными.Поэтому для всех материалов такое свойство как плотность является основным. Зная плотность можно судить о таких характеристиках материала как прочность, пористость, водопроницаемость, теплопроводность.

Плотность – это количество вещества в единице объема:

г/см³ или кг/м³

Если пор в материале много, плотность не может быть большой, она всегда меньше его истинной плотности, так как часть объема занимают поры – пустоты:   П=∨_п/∨*100% или П=(1—К_пл)*100%, где К_пл=ρ_ṁ/ρ _и, т.е., если принять объем материала за 1, то общая пористость есть разница между 1 и коэффициентом плотности, который можно определить по отношению средней плотности к истинной.

Поры в материале могут быть крупными и мелкими, невидимыми. Могут быть открытыми, сообщающимися и закрытыми, куда вода без давления пройти не может.

Как определяют сколько каких пор в материале? Существуют специальные методики их определения. Самая простая – определение открытой пористости по водонасыщению материала:

    по объему     W₀=П₀= [(m_{вл - -}m_с ):V]*100%;

    по массе         W_m =[(m_вл –m_с ):m_с]*100%/

Зная общую пористость по разнице можно найти закрытую пористость:

П_з=П—П₀.

От количества открытых или закрытых пор зависит водопроницаемость материала, его теплопроводность, звукопоглощаемость. По содержанию их все материалы делят на низкопористые (≤30%), среднепористые (30 -50%), высокопористые (≥50%).

Чем больше пор, особенно закрытых, не сообщающихся между собой, тем меньше плотность материала, выше его теплозащитные свойства.

Прочность, наоборот, всегда больше, чем меньше пор. Чем меньше воды войдет в поры, тем меньше материал разрушится при замерзании воды на морозе. Долговечность материала выше, если меньше пор, особенно сообщающихся. Когда в материале есть открытые и сообщающиеся поры, такой материал хорошо гасит звуковую волну, звукопоглощение его выше, такой материал будет хорошо защищать от шума. Поэтому, применяя различные технологические приемы при изготовлении материала, можно придать ему те или иные свойства и он будет выполнять определенные функции. Чем больше водопоглощение у материала, тем будет ниже его морозостойкость и долговечность. Критерием служит коэффициент насыщения материала водой: К_н= W₀/ П.

Если этот показатель маленький (≤0,5), материал будет иметь хорошую морозостойкость. Если от 0,5 до 0,8 – выдержит какое-то время (несколько циклов) замораживания и оттаивания, если К_н≥0,8 до 1 – значит материал почти полностью насыщается водой, у него мало закрытых пор и при замораживании такого материала вода превращается в лед с увеличением в объеме на 9,4%, разрушая тесные перегородки капилляров, где она находится. Поэтому плотные материалы и материалы, имеющие мелкие закрытые поры, являются наиболее морозостойкими и прочными.

Материалы, имеющие большое количество мелких и закрытых пор являются лучшими теплоизоляторами. В порах содержится воздух и чем меньше простора для его движения (конвекции), тем он лучше защищает от холода. Из всех строительных материалов воздух имеет самую низкую теплопроводность. Коэффициент теплопроводности для недвижущегося воздуха: λ=0,023Вт/м°С, для воды λ=0,58Вт/м °С, для льда λ=2,24Вт/м °С.

В зависимости от состояния воды в структуре материал может вообще потерять свои теплозащитные свойства. Вот почему все теплоизоляционные пористые материалы должны быть гидроизолированы, в водонасыщенном состоянии они перестают выполнять свои функции. Теплопроводность прямо связана с плотностью материала, что видно из формулы Некрасова:

                  λ=1,16 _m² –0,16

Звукопоглощение материала характеризуется коэффициентом звукопоглощения α, показывающим, какое количество звуковой энергии поглотил материал в единицу времени.

Коэффициент звукопоглощения α=ƒ( ропорционален логарифму его массы. Значит, с увеличением массы материала повышается его звукоизолирующая способность, она также зависит от структуры, характера пористости, толщины слоев и даже шероховатости поверхности. Для быстрого гашения шума поверхность стен или потолка даже перфорируют.

По отношению к температуре все материалы делят на сгораемые (древесина, полимерные материалы и др.), несгораемые (керамика, бетон, камень), трудносгораемые (асфальтобетон, фибролиты, некоторые виды пластмасс) и деформируемые (металл, природный камень).

 Некоторые материалы надо защищать от вредных воздействий: металл, бетон, мрамор, другие не нуждаются в защите и сами являются защитой для других материалов. Под воздействием агрессивных веществ происходит изменение структуры и постепенное разрушение материала – коррозия. Коррозия может быть физической, разрушающей структуру без изменения химического состава материала; химической, когда вещества материала вступают в химическое взаимодействие с вредными компонентами из окружающей среды и разрушаются; электрохимической, когда возникает разность потенциалов, появляется ток, приводящий к уходу электронов и разрушению материала. Так происходит с металлами.

Коррозионная стойкость – способность сопротивляться воздействию агрессивных веществ без разрушения. Ее повышают, подбирая стойкие к вредной среде компоненты для композиционного материала, или уже готовый материал пропитывают защитными составами, закрывая поверхность и кальматируя капилляры.

Механические свойства материалов связаны со структурой материала. Прочность оценивают пределом прочности – напряжением, которое соответствует разрушающей нагрузке. Определяют прочность при сжатии и она является главным показателем для хрупких материалов. К ним относятся каменные материалы с зернистым и порошковым наполнителем.

 Прочность при сжатии определяют по формуле: R=P/F кг/см²,МПа

 Прочность при растяжении или изгибе является основным показателем для волокнистых и пластичных материалов. R_изг =3Pl/2bh² иPl/bh² кг/см², МПа.

Величину деформации при напряжении определяют опытным путем с целью расчета модуля упругости, характеризующего меру жесткости материала:

                                                  Е=σ/ε МПа

Удельная прочность или К_кк(коэффициент конструктивного качества) определяется как отношение прочности при сжатии к средней плотности материала: К_кк =R_cж/ρ_m.

Для материала, предназначенного для пола, ступеней, дорожных изделий необходимым является определение истираемости:

                 И = [( m-m₁):F] г/см².

При изменении влажности воздуха все строительные материалы, особенно пористые, способны поглощать пары влаги из воздуха (гигроскопические) или отдавать их при высыхании. При снижении влажности воздуха ниже 60% многие материалы подвержены усадке (мм/м): древесина до 30-100, ячеистый бетон до1 -3, тяжелый бетон до 0,3 –0,7, строительный раствор до 0,5 – 1, кирпич до 0,03 -1, гранит до 0,02 – 0,06.

Усадка – уменьшение размеров материала вследствие ухода влаги из капилляров, вызывает появление трещин на поверхности и внутри структуры материала. По характеру деформаций, зависящих от состава и строения, материалы делят на упругие и пластичные. Упругость – это способность деформироваться под влиянием приложенной силы и после снятия нагрузки самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры. Это – обратимая деформация.

Остаточная деформация или необратимая наблюдается у пластичных материалов, когда после приложения нагрузки первоначальная форма не восстанавливается, но материал не разрушается, но деформируется. Способность твердого тела разрушаться без деформации присуща хрупким материалам. Поэтому хрупкие материалы плохо сопротивляются растяжению, изгибу, удару. Такие материалы применяются в конструкциях, работающих при нагрузках, не вызывающих предельные деформации.

Эстетическое воздействие материала связано не только со структурой, но и формой, цветом, фактурой. Цвет – зрительное ощущение, вызываемое воздействием электромагнитного излучения, отраженного поверхностью материала. Тональность, светлота и насыщенность – характеристики видимой части материала, вызывающие у человека эмоции. Рационально подобранный цвет материала играет роль в архитектурной выразительности здания.

Фактура – это строение или рельеф поверхности, его блеск или матовость.

Качество строительных материалов – это совокупность функциональных и эстетических свойств материала. Эти свойства должны учитываться одновременно при выборе того или другого материала плюс экономичность.

Функциональные свойства – это совокупность эксплуатационно-технических свойств (тип здания, восстанавливаемость, освещенность) и выполнение основной функции (теплозащита или силовая конструкция).

Экономичность определяется с учетом всех затрат на строительство.