Строительные материалы

Вводная лекция по дисциплине «Строительные материалы и изделия» // СЦК Столица_4 (16 апр. 2019 г.) (Преподаватель: Геллер Юлия Александровна) [9:24]

Строительные материалы и изделия — это материалы и изделия, которые используют при возведении, ремонте и реконструкции зданий (жилых, общественных, промышленных), сооружений (линейных или площадных объектов), а также их частей.

Строительный материал (от лат. materia – вещество) — вещество, совокупность веществ или промежуточный продукт их переработки, уже преобразованный или же который может быть преобразован в продукты труда определенной формы и состава с целью их практического применения непосредственно или с предварительным преобразованием в изделия, используемые в строительных целях, то есть для возведения зданий и сооружений, изготовления строительных конструкций и защитно-отделочных покрытий.

Сырьё (сырой материал) — предмет труда, подвергшийся ранее обработке с целью дальнейшего применения в строительстве.

Изделие — единица продукции, имеющая определённую форму, являющаяся элементом строительной конструкции, изготовленным вне места его непосредственного применения. Поставляется в готовом виде.

Строительные материалы и изделия применяются при любом виде строительства. В отдалённом прошлом их выбор был скуден: природные камни, глина, дерево, шкуры животных. В современности к ним добавилось множество современных материалов и изделий, их ассортимент — сотни тысяч наименований. Применяются они для разных целей — не только для несущих конструкций, но и для улучшения эксплуатационных качеств, улучшения внешнего вида сооружений и т.д.

В современности главная тенденция в использовании строительных материалов — стремление выпускать изделия, уже готовые к применению, а материалы — в формах, удобных для использования на местах монтажа. Причём это относится не только к привычным сборным железобетонным плитам и панелям, но к кровельным, отделочным и другим специальным материалам. Это позволяет вести работы путём осуществления элементарных монтажных операций, что вкупе с использованием современного крепежа и специализированных электроинструментов значительно ускоряет производство строительных работ.

Классификация строительных материалов

Существует множество разнообразных стройматериалов, которые отличаются техническими характеристиками и, соответственно, особенностями применения и эксплуатации. Строго выверенной и общепринятой их классификации не существует, особенно международной. Но имеются классификации, распространённые больше других и по факту общеупотребительные, типологизирущие по признакам, которые можно считать основными. Более тщательная градация обычно идёт для специальных целей и внутри общих категорий.

По виду исходного сырья, что обычно определяет основные характеристики, строительные материалы и изделия подразделяют на:

• древесные, получаемые при механической обработке сырья;
• природные каменные, получаемые из различных горных пород с помощью механической обработки;
• керамические, получаемые высокотемпературной обработкой глины с различными добавками при помощи формования, сушки и обжига;
• силикатные, получаемые из расплавов солей кремниевой кислоты с другими химическими компонентами;
• металлические, получаемые различными видами обработки металлов (их сплавов);
• полимерные, получаемые на основе синтетических полимеров;
• органические вяжущие, получаемые из битума и других продуктов нефтепереработки — асфальты, гидроизоляционные материалы;
• минеральные вяжущие — порошкообразные неорганические вещества, которые образуют затвердевающие смеси с водой (цемент как пример);
• композиционные материалы объединяют в себе свойства нескольких компонентов, обычно представляют собой изделия из вяжущих веществ, армированных другими элементами, железобетон как пример. Такие материалы на неорганической основе нередко называют искусственными безобжиговыми каменными материалами, к ним относятся, например, гипсокартон и асбестоцемент.

По способу получения искусственные материалы подразделяются на группы:

• материалы, получаемые высокотемпературной обработкой минерального сырья, а именно — из минеральных расплавов, спеканием сырьевых смесей, а также получаемые термическим разложением или твёрдофазными реакциями с выделением тепла;
• композиционные на основе неорганических вяжущих веществ с использованием химических реакций вяжущих веществ с водой;
• композиционные на основе органических связующих веществ (битумов и полимеров).

Часто обобщённо говорят о классификации по технологическому признаку, то есть комбинации классификаций по виду сырья и способа изготовления. Например, стекло и металлы получают плавлением из разных видов сырья. Так сложилось исторически, потому что свойства материалов в основном зависят именно от вида сырья и способа его переработки, особенно для традиционных материалов; то есть классификации по назначению вторичны, поскольку применение материала зависит от его свойств.

По составу строительные материалы подразделяют на:

• минеральные;
• органические;
• металлические;
• комбинированные (не путать с композитными).

По происхождению строительные материалы подразделяют в соответствии с глубиной переработки сырья при их изготовлении:

• природные — полученные механической обработкой материалов, которые непосредственно имеются в природе, такие как камень, древесина и пр.;
• искусственные — полученные при обработке природного сырья температурой и/или химическими методами, при этом изменяется химический и/или структурный состав материала (изготовление кирпича, стекла и пр.).

По степени готовности строительные материалы подразделяют на :

• непосредственно строительные материалы, которые необходимо перед использованием подвергнуть специальной обработке (замесить бетон как пример);
• строительные изделия, то есть готовые детали и элементы, которые монтируются в неизменном виде (санитарно–технические изделия как пример).

Иногда используется классификация по условиям отвердевания строительных материалов, не столь однозначная, как выше приведённые:

• материалы, отвердевающие при нормальных температурах и обычных условиях по давлению, влажности и т.д.;
• материалы, отвердевающие лишь при высоких температурах, давлении и т.д.;
• материалы, отвердевающие при остывании расплавов, которые в таком случае являются вяжущего веществом.

По назначению строительные материалы и изделия подразделяют на группы:

• общего назначения, которые при возведении практически любых строительных конструкций, которые дополнительно типологизируют на конструкционные (которые держат нагрузки), ограждающие или стеновые, выполняющие как несущую, так и теплоизолирующую функции, а также отделочные;
• специального назначения, улучшающие эксплуатационные свойства объектов в целом или по специфическому свойству (огнеупорные как пример). Выделяют большие группы материалов: теплоизоляционные, акустические материалы (звукопоглощающие и звукоизоляционные), гидроизоляционные и герметизирующие.

Дополнительно выделяют:

• заполнители для бетона, естественные и искусственные, из пористых материалов;
• штучные санитарно-технические изделия и трубы.

Главная проблема с классификацией современных строительных материалов и изделий — возможность отнесения материала к разным группам, что особенно наглядно для композиционных материалов. Так, обычно бетон используется как конструкционный материал, но существуют лёгкие бетоны, которые используют как теплоизоляционный материал, декоративные бетоны на цветном портландцементе и другие виды, вплоть до особых видов для защиты от радиоактивного излучения.

Состав и строение материалов

По химическому составу строительные материалы делятся на неорганические, органические (традиционно древесина и битум, но сейчас есть множество пластмасс и полимеров) и композитные.

Выделяют три уровня структуры строительных материалов: макроструктуру, микроструктуру и строение вещества.

Макроструктура материала, то есть его строение, видимое невооружённым глазом или при незначительном увеличении, позволяет различать зернистые, волокнистые и слоистые материалы. По степени связности отдельных частиц материалы подразделяют на рыхлые и слитного строения, последние при этом делятся на конгломераты (плотно соединённые отдельные зёрна, бетон как пример) и композиты, имеющие организованную структуру из компонентов: связующего (матрица) и упрочняющего. Горные породы также имеют свою геологическую классификацию.

Также структура материала может содержать поры и пустоты (пору более 1 см диаметром или полости между частицами зернистых материалов. Ячеистая структура материала характеризуется макропорами (газо- и пенобетоны как пример), мелкопористая структура типична для соответствующих керамических материалов, при изготовлении которых в смеси выгорают органические вещества.

Микроструктура — строение материала, видимое при помощи сильной лупы или микроскопа. Необходимо различать кристаллические (имеющие упорядоченное строение, кристаллическую решётку) и аморфные вещества. Для строительства важно, что кристаллические вещества имеют определённую температуру плавления, аморфные же размягчаются постепенно.

Внутреннее строение вещества изучается на молекулярно-ионном уровне. Именно она в первую очередь определяет физические и химические свойства материала.

Строительные материалы по составу характеризуется не только химическим и структурным, но и фазовым составом. Кроме того, важно учитывать фазовые переходы воды для пористых, волокнистых и т.п. материалов.

Свойства строительных материалов

«Свойство — это способность строительного материала каким–либо определенным образом реагировать на воздействие различных факторов и измеряемое в числовых значениях принятых физических единиц».

Качество строительного материала — это совокупность его свойств, удовлетворяющая требованиям в соответствии с назначением материала.

Характеристики материалов и изделий выявляют экспериментально, на практике, поэтому методика определения является важной, и в технических требованиях следует учитывать не только формальные численные характеристики, но и методы их проверки. Скажем, твёрдость материала проверяют разными методами, с применением различных инструментов, и получаемые значения могут незначительно, но критически для некоторых случаев расходиться.

Свойства строительных материалов и изделий подразделяют на несколько групп.

Физические свойства подразделяют на:

• структурные характеристики: истинная (или абсолютная) плотность (в максимально уплотнённом состоянии), средняя плотность (в естественном состоянии), насыпная плотность, пористость (абсолютная и замкнутая), сыпучесть, удельная поверхность;
• гидрофизические характеристики: влажность, водопоглощение (по массе и по объёму), гигроскопичность, влагоотдача, водо- и паронепроницаемость;
• теплофизические свойства: морозостойкость, теплопроводность, теплоёмкость, огнеупорность (воздействие высоких температур, огнестойкость (воздействие открытого огня), термическая стойкость (к циклам резкой смены температур), а также тепловое расширение материала;
• акустические свойства: звукопроводность (передача акустических колебаний через толщу материала) и звукопоглощение (поглощение и отражение звука); эта характеристика зависит от обработки поверхности материала.

Химические свойства — способность сопротивляться химически агрессивной среде, поэтому говорят о стойкостях материла; выделяют :

• коррозионную (обычно для воздуха, но далеко не только);
• биостойкость (обычно для органических природных материалов);
• радиационную;
• химическую активность.

Механические свойства дополнительно рассматривают как деформативные, то есть изменение формы изделия вследствие нагрузки, и прочностные — способность выдерживать нагрузку без разрушения структуры материала, так называемые пределы прочности. Выделяют следующие механические свойства:

• прочность;
• теоретическая прочность (идеально бездефектного изделия при квазистатической нагрузке);
• предел прочности при сжатии;
• предел прочности при изгибе;
• коэффициент конструктивного качества (учитывает прочность на сжатие и плотность материала);
• твёрдость;
• истираемость;
• износ (учитывает истираемость и ударные нагрузки);
• хрупкость;
• деформация;
• разрушение;
• пластичность;
• упругость;
• коэффициент поперечной деформации (Пуассона);
• ползучесть под действием постоянной механической нагрузки;
• релаксация (самопроизвольное снижение напряжений при сохнранении механической нагрузки);
• текучесть (обратна вязкости).

Технологические свойства — удобство применения материала в строительстве:

• коэффициент конструктивного качества (ККК) входит и в эту группу;
• температура плавления;
• температура размягчения;
• скорость схватывания вяжущего материала;
• скорость затвердевания вяжущего материала;
• удобоукладываемость (обычно для бетонной смеси и т.п., характеристика условная, со шкалированием тут сложности).

Эстетические свойства (характеристики) :

• форма, включая лицевую поверхность — то, что визуально воспринимаются в процессе эксплуатации;
• цвета делятся на две группы: ахроматические (белые, черные и оттенки серого) и хроматические;
  • цветовая тональность показывает, к какому участку видимого спектра относится цвет материала, измеряется соответствующими длинами волн;
  • светлота — относительная яркость поверхности материала, отношение отраженного светового потока к падающему;
  • насыщенность цвета — степень отличия хроматического цвета от ахроматического той же светлоты.
• фактура — видимое строение лицевой поверхности, характеризуется рельефом (гладкий, шероховатый или рельефный, более 5 мм) и блеском или матовостью.
• рисунок поверхности, для природных материалов — текстура.

Все эстетические характеристики воспринимаются вместе, единым комплексом, поэтому, например, можно варьировать светлоту поверхности не только при помощи цвета, но использованием определённых видов фактуры.

Эксплуатационные свойства — возможности подержания сооружений в рабочем состоянии, восстановление элементов конструкций в процессе ремонта и т.п. Различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые строительные изделия.

Объект считается исправным, если он полностью соответствует всем требованиям соответствующей технической документации. Исправность объекта включает в себя его работоспособность, то есть такое техническое состояние, при котором объект штатно выполняет свои функции.

Предельное состояние объекта — такое состояние, при котором недопустима дальнейшая его эксплуатация вследствие наличия неустранимых дефектов (физический износ) или же выявлена экономическая нецелесообразность (моральный износ). Неустранимым дефектом называют такой дефект, который технически невозможно либо экономически нецелесообразно устранять (в дальнейшем критерии могут поменяться, например — при освоении новых технологий). Повреждением называют нарушение исправного состояния объекта при сохранении его работоспособности.

Перечислим эксплуатационные свойства строительных изделий.

• Надёжность — сложное свойство объекта сохранять в установленных пределах свои свойства; является комплексом из безотказности, долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности.
• Безотказность — свойство сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени непрерывно (для материалов и изделий) или же суммарно, по наработке (для оборудования); выделяют наработку до отказа (для единичных изделий), среднюю наработку до отказа (для группы изделий), вероятность безотказной работы (за временной период), интенсивность отказов (вероятность безотказной работы в конкретный момент времени). Отказом называется нарушение работоспособного состояния изделия, различают отказы внезапные (поломки) и постепенные, следствие медленного изменения свойств изделия по причине износа, деформация материалов и т.п.
• Долговечность — сохранение значений параметров в заданных пределах в процессе эксплуатации. Различают такие показатели долговечности, как технический ресурс (наработка единичного объекта до предельного состояния, требующего планового или капитального ремонта), средний ресурс (для группы объектов), cрок эксплуатации (до перехода изделия в критическое состояние), при котором применение недопустимо; средний срок службы (характеризует время с момента ввода в эксплуатацию независимо от характера использования изделия).
• Сохраняемость — сохранение работоспособности изделия в промежутках между его использованием, включая транспортирование и хранение. Характеризуется временем хранения до возникновения неисправности (например, гидрофобный цемент при длительном хранении теряет свои свойства) и, аналогично, временем транспортировки (так, бетонная смесь достаточно быстро теряет удобоукладываемость).
• Ремонтопригодность — возможность поддерживать работоспособность объекта: определение и устранение отказов. Для восстанавливаемых изделий выделяют среднее время восстановления работоспособности и вероятность восстановления (за среднее время, а не «вообще»).

См. также

• Производство строительных материалов