Строительство потребляет огромное количество различных материалов и изделий. Затраты на материалы в сметной стоимости строительно-монтажных работ составляют более 50%. Снижение себестоимости, улучшение качества строительных материалов, бережное отношение к ним при перевозках и хранении, а также экономически и технически обоснованное, экономное их расходование служат повышению эффективности строительства.
Качество, долговечность, стоимость сооружений, а также сроки строительства в большей мере зависят от правильного выбора и применения материалов.
Строительные материалы насчитывают сотни видов, поэтому для удобства изучения и использования их классифицируют, т.е. делят на отдельные группы
1. По происхождению:
- природные (древесина, глина, песок и т.д.)
- искусственные (минеральные вяжущие, бетоны, стекло, керамика, полимеры)
2. По виду сырья (химическому составу):
- минеральные (природные каменные, минеральные вяжущие, стекло, металлы, бетоны на минеральных вяжущих, керамика и т.д.)
- органические (полимеры, битумы, древесные материалы, и др)
3. По назначению и условиям работы:
- конструкционные, применяемые для несущих конструкций, для устройства фундаментов, каркасов зданий, стен, перекрытий (бетон, железобетон, керамические материалы, стекло, металлы, древесные материалы и др.)
- специального назначения, используемые для защиты конструкций от вредных воздействий среды или повышения эксплуатационных свойств и создания комфортных условий для жизни и работы человека:
а) теплоизоляционные; б) акустические; в) гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие; г) отделочные; д) антикоррозионные; е) огнеупорные; ж) материалы для защиты от радиационных воздействий.
4. По физико-механическим свойствам (по показателю основного свойства) делят на марки и классы:
- по пределу прочности при сжатии R (МПа): 0,4; 0,7; 1,0; 1,5; 2,5; 3,5; … 100 (для материалов и изделий, из которых изготовляют несущие конструкции);
- по плотности r0 (кг/м3): 10; 15; 25; . . . 600 (для теплоизоляционных материалов);
- по морозостойкости: F10; F25 и т.д. (для ряда материалов) по количеству циклов, которые должен выдержать материал без допустимых признаков разрушения;
- по наличию внешних дефектов или примесей материалы из древесины, отделочные материалы, известь воздушная и др. делят на сорта.
5. По технологии производства (сырье, технологические приемы, обеспечивающие получение материала с заданными свойствами):
а) естественные каменные; б) вяжущие (минеральные и органические); в) бетоны;
г) металлы; д) стекло, плавленые материалы; е) керамические материалы; ж) древесные материалы; з) битумы и дегти; и) полимерные материалы; к) железобетон и др.
Строительные материалы обладают комплексом разнообразных свойств, определяющих область их рационального применения.
Свойства материала зависят от его состава, строения (структуры) и состояния.
Любой строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом.
Химический состав неорганических материалов выражается количеством содержащихся в них оксидов, %, например, химический состав извести-кипелки – СаО; известняка СаСО3 (СаО – 56%, СО2 – 42,3%, др. оксиды – 1,7%).
Химический состав органических материалов выражается количеством содержащихся в нем элементов. Химический состав позволяет судить о ряде свойств материала – прочности, огнестойкости, биостойкости.
Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в данном материале. Основные и кислотные оксиды химически связанные между собой образуют минералы, которые характеризуют многие свойства материала, например, в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (ЗсаО х SiO2) составляет 45 – 60%, причем при большем содержании этого минерала ускоряется процесс твердения и повышается прочность.
Фазовый состав и фазовые переходы воды, находящейся в порах оказывают большое влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. При характеристике фазового состава выделяют: твердые вещества, образующие стенки пор, т.е. каркас и поры, заполненные воздухом или водой. Изменение содержания воды и ее состояние (лед, пар) меняют свойства материала.
Структуру строительного материала изучают на трех уровнях:
Макроструктура –строение материала, видимое невооруженным глазом;
Микроструктура –строение материала, видимое под микроскопом;
Внутренниестроение вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования – электронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный анализ и др.).
В зависимости от формы и размера частиц и их строения макроструктура твердых строительных материалов может быть зернистой (рыхлозернистой или конгломератной), ячеистой, мелкопористой, волокнистой, слоистой.
Рыхлозернистые материалы состоят из отдельных не связанных зерен (песок, гравий, порошкообразные материалы для мастичной теплоизоляции и засыпок и др).
Конгломератное строение, когда зерна прочно соединены между собой, характерно для различных видов бетона, некоторых видов природных материалов, керамики и др.).
Ячеистая и мелкозернистаяструктуры характеризуются наличием макро- и микропор. Ячеистая присуща газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам и др. Мелкопористая – некоторым керамическим материалам поризованным введением выгорающих добавок.
Волокнистые и слоистыематериалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различной прочностью и теплопроводностью вдоль и поперек волокон (слоев). Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами – анизотропными. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты, стеклопластикам, а слоистая – рулонным, листовым, плитным материалам со слоистым наполнителем (бумажно-слоистые пластики, текстолит, фанера и др.).
Внутренняя структура определяется по взаимному расположению атомов и молекул и может быть кристаллической или аморфной. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ сказывается на их свойствах. Все вещества с кристаллической решеткой имеют правильную форму кристаллов, определенную температуру плавления при постоянном давлении и определенную геометрическую форму кристаллов каждой его модификации.
Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава (например, аморфные формы кремнезема – пемзы, туфы, трепелы, диатомиты и кристаллический кварц).
Прочность аморфных веществ ниже кристаллических, поэтому для получения высокопрочных материалов специально проводят кристаллизацию, например, стекол при получении ситаллов и шлакоситаллов.
Различия в свойствах могут наблюдаться у кристаллических материалов одного состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификациями (явление полиморфизма). Полиморфные превращения кварца при его нагревании до высоких температур сопровождаются изменением объема; термическая обработка металла (закалка или отпуск) сопровождается изменением их кристаллической структуры.
Свойство –характеристика материала (изделия), проявляющееся в процессе его переработки, применения или эксплуатации. Например, пластичность стали позволяет получать из нее изделия путем прокатки, вытяжки, ковки, а хрупкость чугуна определяет возможность его переработки только литьем. При этом сталь хорошо работает на растяжение, а чугун на сжатие.
Простое свойство– свойство материала, которое нельзя подразделить на другие. Например, «масса материала» или «плотность материала».
Сложное свойство –такое свойство материала, которое может быть подразделено на два или более простых свойств. Например «износ материала», который объединяет стойкость материала к истиранию и удару.
Качество материала –сложное свойство, совокупность всех физических, механических и физико-химических свойств материала, определяющих его способность удовлетворять определенным требованиям в соответствии с его назначением и условиями эксплуатации. Например, стальные 24 м фермы, установленные в цехе ткацкой фабрики и в прокатном цехе металлургического завода будут резко отличаться, по марке стали, а значит и по качеству, т.к. в последнем случае необходима жаропрочная сталь, тогда как на ткацкой фабрике это свойство несущей фермы просто не нужно.