CТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Строительные материалы классифицируются по различным признакам.
По назначению строительные материалы подразделяются на конструкционные (выполняющие несущую функцию), стеновые (выполняющие одновременно несущую и теплоизолирующую функции), теплоизоляционные, акустические, кровельные, паро- и гидроизоляционные, облицовочные, антикоррозионные, антисептические, огнезащитные и т.д.
По происхождению строительные материалы подразделяются на природные и искусственные. Природные материалы (древесина и каменные породы) требуют только механической обработки. Искусственные материалы получают из природного и техногенного сырья в результате термических, физико – химических и механических процессов, составляющих технологию получения этих материалов.
По способу получения искусственные материалы подразделяются на следующие группы:
1) материалы, получаемые высокотемпературной обработкой минерального сырья:
- материалы, получаемые из минеральных расплавов(металлы и сплавы, стекло, ситаллы, каменное и шлаковое литьё);
- материалы, получаемые спеканием (частичным расплавлением) сырьевых смесей (керамические материалы, цементный клинкер);
- материалы, получаемые в результате термического разложения и твёрдофазовых реакций (вяжущие реакции);
2) материалы и изделия на основе неорганических вяжущих веществ: строительные растворы, тяжёлые, лёгкие и специальные бетоны, ж/б изделия, силикатные, асбоцементные и другие изделия. Основа их получения – химические реакции взаимодействия вяжущих веществ с водой при нормальных и повышенных температурах;
3) материалы и изделия на основе органических связующих веществ (битумов и полимеров); пластмассы, мастики и герметики, рулонные кровельные и гидроизоляционные материалы, асфальтовые растворы и бетоны, полимербетоны, лакокрасочные и другие материалы.
В материалах 2 и 3 групп можно выделить функционально различные составные части, поэтому их называют композиционными. Главным компонентом композиционных материалов является связующее – вещество, способное переходить из жидкообразного состояния в твёрдое. Основой связующего являются вяжущие вещества, битумы и полимеры. Вторым компонентом в композитах являются инертные рыхлые материалы – заполнители (песок, гравий, щебень и др.) и наполнители (тонкие минеральные порошки, волокна различного происхождения, технические ткани). Назначение заполнителей и наполнителей - снизить стоимость материала (связующее является более дорогим компонентом) и сообщить ему те или иные полезные свойства (повысить прочность, твёрдость, теплостойкость, снизить усадку и т.д.). Третьим компонентом являются различные добавки, применяемые в малых дозах, но позволяющие существенно скорректировать свойства композиции. Связующее вещество в композиционных материалах образует матрицу – непрерывную среду, включающую в себя частицы или волокна наполнителя (заполнителя).
Основные свойства материала
Это понятия, связанные с размерами, формой, взаимным расположением, условиями срастания и количественным соотношением его структурных элементов, их внутренним строением на молекулярно-атомарном уровне, наличием пор,их размерами, характером и т.д. В зависимости от формы, размеров и взаимного расположения молекул твёрдой фазы на макроуровне, строительные материалы делят на конгломератные, волокнистые, слоистые и зернистые. Материалы конгломератного типа состоят из моно- или поли минеральных частиц различных размеров прочно скреплённых между собой, цементирующим веществом (бетоны и растворы различного вида, стр. керамика, некоторые природные камни). Природные и искусственные конгломераты имеют прочность при сжатии в 10-30 раз больше, чем при растяжении.
Волокнистое строение имеют древесина и материалы на её основе, минераловатные изделия, асбоцемент. В волокнистых материалах прочность при растяжении того же порядка, что и при сжатии. Волокнистые материалы обладают различными показателями свойств в различных направлениях (прочность, упругость, теплопроводность, удлинение). Это явление называется анизотропией, а материалы - анизотропными. Теплопроводность древесины вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперёк, а набухание при увлажнении - в 30-100 раз меньше.
Слоистая структура отчётливо выражена у рулонных, листовых и плитных материалов (бумажнослоистый пластик, стеклотекстолит). Эти материалы анизотропны. Зернистые материалы - рыхлые и состоят из отдельных, несвязанных между собой частиц различной крупности (песок, гравий, гранулированная минеральная вата). Воздушные полости между зёрнами называются пустотами, а их долю в общем объёме сыпучего материала - пустотностью. Пустотность зависит от зернового состава, формы зёрен и степени уплотнения. Пустотность песка влияет на массовое содержание цемента в строительном р-ре. Для порошкообразных материалов обобщённой характеристикой физического состояния является дисперсность, связанная с размером частиц. Тонкодисперсные материалы имеют большую суммарную площадь поверхности. Чем меньше частицы, тем больше площадь.
Это приводит к возрастанию реакционной способности вещества. Это явление используется для получения быстротвердеющего цемента путём повышения тонкости помола. Вещества, входящие в состав материала, могут иметь кристаллическое и аморфное строение. Иногда одно и то же вещество существует в двух формах. Особенностью кристаллических веществ является определённая температура плавления и форма кристалла. При нагревании аморфные вещества размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние. Прочность аморфных веществ ниже прочности кристаллических. Поэтому для повышения прочности специально проводят кристаллизацию аморфных веществ, например стёкол при получении стеклокристаллических материалов- ситталов и шлакоситталов. Большинство строительных материалов пористы. Пористость материала изменяется в широких пределах: 0.5-1.5%- у гранита, 50-70%- у древесины, более 90%- у пенопластов. Материалы различаются не только величиной пористости, но и её характером: размерами и формой пор, равномерностью распределения по объёму материала, какие поры - раскрытые или замкнутые. Мелкопористые материалы (стр.раствор, древесина) – размеры пор меньше 10мкм. Эти материалы имеют развитую внутреннюю поверхность и склонные к увлажнению путём поглощения водяного пара из воздуха. Крупнопористые материалы: газо- и пенобетоны, пеностекло, поропласт и другие – содержат поры размером от десятых долей до нескольких мкм.
Открытые поры сообщаются между собой и с окружающей средой. Они являются путями фильтрации воды, воздуха или пара через материал. Открытую пористость оценивают по объёму поглощённой воды при обычных условиях насыщения материала. При увеличении пористости уменьшается масса конструкций и увеличиваются теплозащитные свойства, но снижается прочность. Большая открытая пористость увеличивает водопоглощение, ухудшает морозостойкость материала.
Адгезией называется притяжение молекул между разными фазами, а внутри одной фазы – когезией.
Плотность γ0 (кг/м3) – это масса единицы объёма материала в естественном состоянии:
γ0= m/V ест.,
где m – масса высушенного образца;
V ест.- объём образца в естественном состоянии.
Объём образца в естественном состоянии равен сумме объёма пор????
Гидрофизические свойства
Это гидрофильность, гидрофобность, гигроскопичность, влагоотдача, водопоглощение, влажностные деформации, влагостойкость, водостойкость, паронепроницаемость, водонепроницаемость, морозостойкость. Материалы, в зависимости от поведения воды на их поверхности, делятся на смачиваемые (гидрофильные) и несмачиваемые (гидрофобные). Капли воды, попавшие на гидрофильную поверхность, растекаются по ней, т.к. сила взаимодействия молекул вещества с молекулами воды больше межмолекулярных связей в воде. Гидрофильность свойственна материалам с полярным строением молекул (глина, древесина, металлы). На гидрофобных материалах вода не растекается на поверхности, а собирается в виде капель, т.к. сила взаимодействия молекул вещества с молекулами воды меньше, чем между молекулами воды. Гидрофобны многие органические вещества: битум, парафин, некоторые пластмассы, кремнийорганические соединения. Мелкопористые и порошкообразные материалы с гидрофильной поверхностью обладают повышенной гигроскопичностью, т.е. способностью поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность оценивают гигроскопической влажностью, определяемой после выдержки образца до установления постоянной массы при t =20С и относительной влажности-100%. При понижении температуры и повышении влажности воздуха содержание влаги в материале повышается.
Для снижения гигроскопичности поверхность материала покрывают гидрофобными веществами, например при оштукатуривании зданий используют гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости. Процесс поглощения влаги обратим: при соответствующих внешних условиях (пониженная влажность и повышенная температура, ветер) материал начинает отдавать влагу, это свойство называют влагоотдачей и количественно характеризуется массой воды, испарившейся из стандартного образца в течение суток при t= 20С и относительной влажности 60%. Водопоглощение - свойство пористого материала поглощать и удерживать в себе воду.
Изменение содержания влаги в материале сопровождается изменением размера и объёма, т. е. влажностными деформациями. При увлажнении материал набухает, при высыхании его размеры уменьшаются, т.е. происходит усадка. Чем больше пористость материала и меньше поры, тем больше усадка и набухание стр. материалов. Наибольшая относительная деформация при изменении влажности от максимально возможных величин до 0% мм/м:
Гранит - 0.02 - 0.06;
Стр. раствор –0.50 – 1.00;
Ячеист. бетон- 1,00 – 3,00;
Древесина(поперёк волокон в радиальном направлении)-30,00 – 60,00
Чередование гигроскопического увлажнения и высыхания характерно для наружных отделочных покрытий. Свойство материала сопротивляться разрушению под действием воды в условиях попеременного увлажнения и высушивания называют влагостойкостью (иногда воздухостойкостью). Высокая влагостойкость у керамических и многих полимерных материалов, у большинства природных камней. Влагостойкость строительных растворов зависит от вида вяжущего: у гипсовых и известковых растворов она невысока. Водостойкость – способность материала сохранять прочность в насыщенном водой состоянии. Коэффициент водостойкости изменяется от 0 (размокающие материалы, например необожжённая глина) до 1 (абсолютно плотные материалы). К водостойким относятся материалы с коэффициентом не менее 0,8. Это материалы: гранит, мрамор, цементный раствор специальных марок. Можно применять для конструкций и покрытий, контактирующих с водой, без специальных мер по их защите от увлажнения.
Теплофизические свойства
Это теплопроводность, теплоёмкость, тепловое расширение, пожарная опасность и огнестойкость. Тепловое расширение- свойство материала деформироваться при изменении t0: расширяться при нагревании, и сжиматься при охлаждении. Характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), равным относительной деформации материала в рассматриваемом направлении при изменении температуры на один градус.
Тепловое расширение связано с химической природой материала. Значение ТКЛР для стали и материалов из камня малы и близки между собой, для древесины и пластмасс значительно выше. Волокнистые и слоистые материалы по-разному деформируются вдоль и поперек волокон.
Вследствие теплового расширения деформация материала в наружных конструкциях при сезонных изменениях tº достигают значительных значений. При ↑ tº от -20º до +30ºС отн. деформация цементного раствора составляет 0,6 – 0,8 мм/м. Чтобы не было растрескивания в сооружениях большой протяженности устраивают температурные швы.
Для материалов, состоящих из разнородных компонентов и конструкций, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать ТКЛР, чтобы не было внутренних напряжений и, как следствие, коробления и растрескивания материала.
Пожарная опасность – комплекс свойств, которые способствуют возникновению и развитию пожара.
Для горючих отделочных материалов пожарная опасность характеризуется степенью горючести, воспламеняемостью, дымообразующей способностью и токсичностью продуктов горения.
По степени горючести материалы делят на 4 группы: Г1 – слабо горючие, Г2 – умеренно горючие, Г3 - нормально горючие, Г4 – сильно горючие. Степень горючести материала устанавливают в камере сжигания под действием пламени газовой горелки.
Для понижения горючести древесину пропитывают антипиренами, которые разлагаются при нагревании и выделяют негорючие газы, и после удаления огня горения и тление прекращается. Эти вещества вводят и в состав полимерных материалов – самозатухающий пенопласт.
Показатели пожарной опасности учитывают при выборе материала для внутренней отделки помещений, особенно пути эвакуации при пожаре: общих коридоров, холлов, фойе, лестничных клеток, вестибюлей.
Свойства декоративно-отделочных материалов
Для получения гармоничного цветового решения интерьеров, помещений и фасадов зданий необходимо знание свойства цветов и их сочетаний.
С физической точки зрения, всякий цвет можно выразить 3-мя характерами: цветовым тоном (цветностью), светлотой и насыщенностью.
Любое изменение цвета обязательно вызывает изменение хотя бы одной из этих характеристик.
Все цвета, встречающиеся в природе, делятся на 2 группы: ахроматические (бесцветные), и хроматические (определенные по цвету).
Ахроматические цвета: бело-серо-черные отсутствуют в спектре и различаются только светлотой. Светлота – это способность отражать свет, она характеризуется коэффициентом отражения. Коэффициент отражения белой поверхности ≈ 100%, а черных – к 0%. Человеческий глаз в состоянии различить ≈ 300 ахроматических цветов.
Хроматические цвета имеют следующие характеристики: цветовой тон (приравнивание цвета к одному из спектральных), светлота (степень светлоты: светлый, темный, очень темный), насыщенность (чистота, показывающая степень выраженности цветового тона) выражается понятиями: яркий, бледный, чистый, интенсивный.
Из спектральных цветов можно выделить основные (красный – желтый - синий), смешивая их в разных пропорциях, получают любой другой цвет. Остальные цвета называют смешанными.
Дополнительные цвета при совместном использовании усиливают друг друга. (зеленый – красный) Различают теплые и холодные цвета.
Для эффективного использования отделочных материалов, обоев, красок надо учитывать их цветоустойчивость.
Цветоустойчивость – это способность материала сохранять окраску при длительном воздействии ультрафиолетового и инфракрасного излучения.
Фактура – это видимый характер лицевой поверхности материала, определяемый степенью её неровности или гладкости. По характеру поверхности материала выделяют два типа фактур: рельефные и гладкие.
Рельефные фактуры различаются по высоте и характеру рельефа.
Гладкие фактуры (зеркальная, глянцевая, лощеная, матовая) различаются по степени обработки поверхности и по разному отражению подающего на поверхность света. Зеркальные поверхности имеют четкое отражение предметов, материалы с шероховатой поверхностью отражают свет рассеяно, в разных направлениях. Такая поверхность со всех сторон смотрится матовой, (но не блестящий) глянцевая и лощеная поверхность занимают промежуточное положение между зеркальной и матовой.
Отделочные материалы на лицевой поверхности могут иметь естественный или специально нанесенный рисунок.
Естественный рисунок (текстура) образует на поверхности характерную структуру в зависимости от особенности строения материала: формы, размера, характера взаимного расположения, окраски, блеска структурных составляющих материала. Текстура образуется: у древесины – годичными кольцами, серцевидными лучами, волокнами; у природного камня – зернами, прожилками, порами; у бетона – цементным камнем, мелким и крупным заполнителем и т.д.
Декоративность отделки снижает дефекты внешнего вида, особенно лицевой поверхности материала: отклонения от требуемой формы и размеров, трещины, отбитости углов и ребер, поверхностные дефекты в виде раковин и гранул.