Классификации, свойства и оценка качества строительных материалов. Взаимосвязь их свойств и областей применения

Классификации:

1. Архитектурно-строительные классификации готовых к применению материалов и изделий по назначению.

1.1. Конструкционные материалы и изделия:

1.1.1.Материалы и изделия для несущих конструкций (камень, сталь, древесина);

1.1.2. Материалы и изделия для ограждающих конструкций

1.1.3.Тепло и звукоизоляционные конструкционные материалы (легкие, пористые);

1.1.4. Кровельные материалы (шифер, черепица, оцинкованное железо, мягкая черепица);

1.1.5.Гидро - и пароизоляционные материалы (разного вида обмазки);

1.1.6. Герметизирующие материалы и изделия;

1.1.7.Материалы и изделия для светопрозрачных ограждений (окон и дверей);

1.1.8.Материалы и изделия для инженерно технического оборудования зданий (система отопления, система кондиционирования, система света и т.п.);

1.1.9.Материалы и изделия специального назначения (жаростойкость и огнеупорность)

1.2. Конструкционно-отделочные материалы:

1.2.1.Материалы и изделия для лицевых слоёв ограждающих конструкций типа «сэндвич» (облицовка);

1.2.2.Материалы и изделия для ограждений, балконов и лоджий

1.2.3.Материалы и изделия для покрытия полов и лестниц (прочность, огнеупорность, эстетичность);

1.2.4.Материалы и изделия для сборно-разборных, мобильных и стационарных перегородок;

1.2.5.Материалы и изделия для подвесных потолков (лёгкость конструкции, стальные подвесы);

1.2.6.Материалы и изделия для стационарного оборудования и мебели (стекло, дерево, металл, пластик);

1.2.7.Материал для дорожных покрытий;

1.3. Отделочные материалы:

1.3.1.Для наружной отделки зданий и сооружений (краски для фасадных работ, полимерцементные покрытия, листовые материалы);

1.3.2.Внутренняя отделка (керамика, керамогранит, обои);

1.3.3.Защитные покрытия (антикоррозийные, морилки);

2. Классификация по происхождению. Материалы делятся на минеральные и органические. Кроме того, они делятся на естественные и искусственные.

3. Классификация искусственных материалов на основе формирования структуры, свойств и методов исследования (классификация по технологии) на:

3.1. Безобжиговые - затвердевание которых происходит при сравнительно невысоких температурах под влиянием химических и физико-химических превращений вяжущего вещества;

. Современные дозирующие устройства производят взвешивание по массе каждого твердого компонента бетонной смеси и взвешивание по объему жидкости. Все дозирующие устройства могут работать в автоматическом режиме, с высокой точностью взвешивания компонентов.

3.2 Обжиговые (затвердевание которых происходит при остывании жидких расплавов, выполняющих функцию вяжущего вещества);

Структурных классификаций по материалам множество, например классификация по макро и микро структурам, классификация на гомогенные и гетерогенные, классификация архитектурно-строительных требований, классификация по свойствам строительных материалов и изделий и другие.

Свойства бывают простые и сложные. Простое свойство – свойство, которое нельзя подразделить на другие (длина, масса и т.д.). Сложное свойство – свойство материала или изделия, которое может быть разделено на 2 и большее количество менее сложных и простых свойств (функциональность).

Интегральные качества – наиболее сложные свойства материала или изделия, определяемые совокупностью его качества и экономичности.

Комплексные свойства. К ним относятся долговечность, надёжность, совместимость, сопротивление коррозии и т.д.

4. С экологической позиции, строительные материалы, конструкции и изделия из этих материалов должны отвечать следующим требованиям:

4.1. Монотеплопроводимость (обеспечение достаточного термического сопротивления);

4.2. Иметь хорошую воздухопроницаемость и пористость;

4.3. Быть не гигроскопичными и малозвукопроводимыми;

4.4. Обеспечение прочности, огнестойкости, долговечности зданий и сооружений;

4.5. Не выделять летучие и пахучие вещества, способные прямо или косвенно влиять на здоровье человека;

4.6. Быть легко дезинфицируемыми;

4.7. Иметь окраску и фактуру соответствующую физиологическим и эстетическим требованиям человека;

5. Свойства строительных материалов и изделий по их природе классифицируются на 6 основных групп: физические, химические, физико-химические, механические, технологические и эксплуатационные и 2 добавочные группы: биологические и эстетические.

5.1. Физические свойствахарактеризуют физическое состояние материала и подразделяются на несколько подгрупп, гравитационные, тепловые, гидравлические, акустические, электрические, проявляющиеся при взаимодействии с рентгеновским, ядерным, ультрафиолетовым и другими излучениями.

Первая группа, характеризующая особенности физического состояния материала. К этой группе относятся:

5.1.1 Плотность - это масса материала в единице объема, кг/м³, г/см³, т/м³. Существуют несколько видов плотностей.

Истинная плотность масса материала в единице объема без пор и пустот.

Средняя плотность масса материала в естественном состоянии с порами и пустотами.

Насыпная плотность– это плотность сыпучих материалов в насыпном состоянии.

Относительная плотность - выражает отношение плотности материала к плотности стандартного вещества при определенных физических условиях. В качестве стандартного вещества удобно принять воду при 3,98^оС, именно при этой температуре плотность воды равна 1 г/см³.

5.1.2 Пустотность (пористость) – это степень заполнения материала порами или пустотами.

П = (1 – ρ_о / ρ)•100 (1)

где ρ_о – средняя плотность материала, г/см³;

ρ – истинная плотность материала, г/см³;

Вторая группа, характеризующая способность материала проявлять свои свойства при взаимодействии с водной средой.

5.1.3 Водопоглощение – это способность материала впитывать и удерживать воду. Водопоглощение определяют по разности масс образца насыщенного водой и в абсолютно сухом состоянии.

Различают водопоглощение по массе, т.е. отношение массы поглощенной воды к массе сухого образца:

W_m = ((m_в – m_c) / m_c)•100 (2)

где m_в – масса образца в увлажненном состоянии, гр.

m_c – масса образца в сухом состоянии, гр.

и водопоглощение по объему W_o:

W_o = ((m_в – m_c) / V)•100 (3)

где V – объем образца, см³

W_o = W_m • d (4)

Впитывание воды в поры происходит под влиянием капиллярных сил и сил смачивания. Для полного насыщения водой образец медленно опускают в воду или кипятят.

5.1.4 Водонасыщение – это увлажнение материала под давлением. Характеризуется коэффициентом насыщения:

К_н = W_o / П (5)

где W_o – водопоглощение по объему;

П – пористость;

Коэффициент насыщения характеризует степень заполнения пор в материале водой. По коэффициенту насыщения косвенно можно определить морозостойкость материала, если К_н < 0,8, то материал считается морозостойким.

5.1.5 Водопроницаемость– это способность материала пропускать воду под давлением. Характеризуется коэффициентом фильтрации

К_ф = V_в•а / [S•(p₁ – p₂)•t] (6)

где V_в – количество воды, м³, проходящей через стенку площадью S =

1 м², толщиной а = 1 м за время t = 1ч, при разности гидростатического давления на границах стенки p₁ – p₂ = 1 м водяного столба.

5.1.6 Водостойкость – это способность материала сохранять свои свойства при увлажнении. Водостойкость оценивают коэффициентом размягчения равного отношению предела прочности при сжатии насыщенного водой образца к пределу прочности при сжатии сухого образца:

К_разм = R_сж.нас. / R_сж.сух. (7)

где R_сж.нас – предел прочности при сжатии насыщенного водой образца, МПа

R_сж.сух – предел прочности при сжатии сухого образца, МПа

Если коэффициент размягчения меньше 0,8 материал не водостоек.

5.1.7 Водонепроницаемость – это способность материала препятствовать фильтрации воды под давлением. Степень водонепроницаемости повышается при уменьшении количества крупных пор и особенно сквозных.

5.1.8 Морозостойкость – это способность материала выдерживать требуемое количество циклов попеременного замораживания и оттаивания. При этом снижение прочности материала должно быть не более 15% и потеря по массе не более чем 5%.

Морозостойкость материала тем выше, чем меньше крупных открытых пор и чем больше прочность на растяжение.

Существуют следующие марки по морозостойкости F 10,15,25,50,100,150,200…500.

5.1.9 Влажностные деформации – пористые неорганические и органические материалы при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадка (усушка) это уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Она выражается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил.

Третья группа, характеризующая способность материала проявлять свои свойства при взаимодействии с тепловой средой.

5.1.10 Теплопроводность – способность материала передавать тепло через толщу от более нагретой поверхности к менее нагретой.

Закон передачи тепла теплопроводностью впервые был сформулирован Фурье. Согласно этому Закону количество тепла Q (Дж) проходящее через стену прямопропорционально теплопроводности материала, градиенту температур (t₁ – t₂), площади стены (S) и времени Z, в течении которого проходит тепловой поток, обратно пропорционально толщине стены:

Q = λ (S•(t₁ – t₂)•Z) / a, (Дж) (8)

λ = (Q•а) / (S•(t₁ – t₂)• Z), Вт/ (м•^оС) (9)

5.1.11 Теплоемкость– свойство материала поглощать тепло. Теплоемкость характеризуется коэффициентом удельной теплоемкости, т.е. количеством теплоты, поглощаемой 1 килограммом материала при его нагревании на 1 градус. Измеряется коэффициент удельной теплоемкости в Дж/кг•^оС(К). Чем больше удельная теплоемкость материала, тем выше при всех прочих равных условиях теплоустойчивость здания. Для каменных материалов коэффициент удельной теплоемкости находится в пределах 0,75 – 0,92 кДж/кг•^оС, для древесины (сосны) 2,3 – 2,7 кДж/кг•^оС, для тяжелого бетона 0,8 – 0,9 кДж/кг•^оС, для стали 0,48 кДж/кг•^оС, воды 4,19 кДж/кг•^оС.

5.1.12 Термическая стойкость– это способность материала не растрескиваться при резких и многократных изменениях температуры. Термическая стойкость тем выше, чем меньше коэффициент теплового расширения и чем однороднее материал.

5.1.13 Огнестойкость– это способность материала противостоять кратковременному действию высоких температур в условиях пожара (до 1000^оС) при сохранении конструкцией несущей способности и устойчивости (бетон, железобетон, керамика, жароупорные стали).

5.1.14 Огнеупорность– способность материала противостоять, не расплавляясь действию высоких температур (свыше 1580^оС) длительное время.

5.2. Химические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться действию химически агрессивной среды.

Кислотостойкость, щелочестойкость, растворимость, карбонизация, гидратация и др.

5.2.1 Кислотостойкость –способность материала сопротивляться воздействию кислот.

5.2.2 Щелочестойкость – способность материала сопротивляться воздействию щелочи.

5.2.3 Растворимость – способность материала растворяться в воде или растворах солей, кислот и щелочей. Растворимость характеризуется скоростью потери в массе образца к площади растворения:

Р = ((m₁ – m₂) / F)•100 (10)

где m₁ – первоначальная масса образца, гр;

m₂ – масса образца после процесса растворения, гр;

F – площадь растворения, см²;

5.2.4 Токсичность – это способность материала при химическом взаимодействии выделять токсичные вещества опасные для здоровья человека и животных.

5.2.5 Гидратация – это свойство материала присоединять воду в процессе химического взаимодействия. Дегидратация это обратный процесс.

5.2.6 Карбонизация – это способность материала присоединять углекислый газ в процессе химического взаимодействия. Процесс обратный карбонизации называется декарбонизация.

5.2.7 Атмосферостойкость – это свойство материала длительное время противостоять воздействию атмосферных факторов, воды, кислорода воздуха, сернистых и других газов, переменному увлажнению и высыханию, нагреванию и охлаждению.

5.2.8 Коррозионная стойкость – это способность материала противостоять процессу химического или электрохимического разрушения. Например, для защиты от коррозии металлов применяют анодное или катодное покрытия, плакирование и т.д.

5.2.9 Экзотермия – это свойство материала вступать в химическую реакцию с выделением тепла. Характерно для процесса гашения извести:

СаО + Н₂О = Са•(ОН)₂ + ↑ (11)

5.2.10 Эндотермия это свойство материала вступать в химическую реакцию с поглощением тепла.

5.2.11 Горючесть – это способность материала воспламеняться и подвергаться процессу горения.

5.2.12 Гнилостойкость – это способность материала противостоять процессу гниения. Так, например, для древесины процесс гниения связан с образованием спор и грибов.

5.3. Физико-химические свойства материалов - сорбция, адсорбция, хемосорбция, адгезия, когезия и др.

5.3.1 Адгезия – это свойство одного материала прилипать к поверхности другого материала. Она характеризуется прочностью сцепления при отрыве одного материала от другого.

5.3.2 Кристаллизация – способность строительного материала принимать кристаллическую структуру.

5.3.3 Гигроскопичность – это свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из воздуха.

5.3.4 Сорбция – это процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим веществом (сорбентом), независимо от механизма поглощения.

В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию и хемосорбцию.

- адсорбция, это изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Этот процесс проходит на любых межфазовых поверхностях, и адсорбироваться могут любые вещества. Адсорбция уменьшается с повышением температуры.

- абсорбция, это процесс поглощения одного вещества другим во всем объеме сорбента. Например, растворение газов в жидкостях.

- хемосорбция, это процесс поглощения одного вещества другим сопровождающийся химическими реакциями. Типичный пример хемосорбции поглощение металлом кислорода или влаги с образованием оксидов и гидрооксидов.

5.4. Механические свойства. Это способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил, прочность при сжатии, растяжении, ударе, изгибе и т.д. Твёрдость, упругость, хрупкость, пластичность, истираемость, деформативность и др.

5.4.1 Прочность – способность материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других воздействий.

Существует предельное состояние материала по прочности, которое называется предел прочности. В зависимости от прилагаемой нагрузки и условий приложения существует предел прочности на сжатие, на растяжение, на изгиб, на кручение, на скалывание. Предел прочности соответствует максимальному напряжению в момент разрушения материала. Прочность обусловлена силами сцепления, т.е. это результат взаимодействия частиц материала на атомно-молекулярном уровне. Эти силы зависят от физической природы материала и его физико-химической организации структуры, т.е. от химико-минералогического состава.

Например:

1. Сталь прочнее мрамора или гранита, что является следствием различия в химическом составе.

2. Алмаз прочнее графита или угля, что является следствием только разной компоновки кристаллической решетки.

Значительно снижают прочность, поры и микродефекты, которые являются концентраторами напряжения.

Существует две группы методов определения прочности материалов.

Первая группа – разрушающие методы определения прочности материалов. Методика определения прочности материалов по первой группе предусматривает изготовление образцов правильной геометрической формы из материала, в частности кубиков, призм, цилиндров стандартных размеров, и доведения их до разрушения на силовых установках (прессах). В результате определяется разрушающее усилие, с помощью которого определяется прочность материала. Формула определения прочности на сжатие следующая:

R_сж = F_раз / S_обр (12)

где F_раз - разрушающее усилие, в кг (Н);

S_обр – площадь образца, см²(мм²);

Предел прочности на сжатие определяется на кубах размером 15х15х15 см, 10х10х10см, 20х20х20 см; призмах 10х10х40 см, 15х15х60 см; цилиндрах.

Предел прочности на изгиб определяется на балочках размером 4х4х16см, 2х2х30см и т.д., призмах.

R_и = (3P•l) / 2b•h² (13)

где Р – разрушающее усилие, кН(кг),

l – расстояние между опорами, см,

b, h – сечение образца балочки, см,

Предел прочности на разрыв определяется на призмах, цилиндрах.

Предел прочности на кручение определяется на призмах и цилиндрах.

5.4.2 Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого материала. Твердость определяется твердомером (по Роквеллу, Бринелю).

В поверхность тела вдавливается специальный образец пирамида (шарики или призмы в основном из металла (стали)). Затем по величине отпечатков судят о твердости. Твердость хрупких материалов определяют по условной десятибалльной шкале. В качестве эталона принята твердость следующих десяти минералов:

1. Тальк; 2. Гипс, 3. Кальцит, 4. Флюрит, 5. Акатит, 6. Ортоклаз, 7. Кварц, 8. Топаз, 9. Корунд, 10. Алмаз.

Твердость имеет большее значение для технологии материалов, которые применяются в конструкциях с сильно сосредоточенными нагрузками.

5.4.3 Истираемость – это постепенное разрушение поверхностного

слоя материала за счет сил трения материала о поверхность движущегося тела.

Физическая сущность истирания состоит в отрыве более прочных частиц из общей массы материала. Как и прочность, истирание зависит от величины кристаллов между собой.

Истираемость определяют по величине потерь массы образца, отнесенной к единице площади соприкосновения образца с кругом истирания, после 1000 оборотов круга:

И = (m – m₁) / F, г/см² (14)

Истираемость имеет большое значение для полов, лестниц, бункеров и т.п.

5.4.4 Упругость – свойство материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия напряжения.

Значение «упругости» для строительных материалов заключается в том, что в прочностных расчетах учитывают не саму прочность, т.е. не то напряжение, при котором материал разрушается, а предел упругости, т.е. то напряжение, при котором начинается сильно проявляться необратимые пластические деформации.

5.4.5 Пластичность – способность материала необратимо изменять форму и размеры под нагрузкой без появления трещин. Физическая природа пластичности связана с дислокациями. К пластичным материалам относятся битумы, дерево, мягкие классы сталей, мастики и др.

5.4.6 Деформационные свойства строительных материалов:

5.4.6.1 Ползучесть - это рост деформаций материала при неизменной нагрузке. Ползучесть имеет двоякое назначение и проявляется по-разному. Ползучесть полезна, в тех случаях, когда необходимо перераспределить напряжения так, чтобы более прочная составляющая воспринимала большую нагрузку.

5.4.6.2 Релаксация – уменьшение напряжений при неизменной нагрузке.

Время релаксации – это время, за которое напряжения изменяются в «l» раз по сравнению с первоначальным.

σ_t = σ_o • e ^{– t / λ}, где λ= η / Е (15)

где λ – постоянная релаксации (безразмерная величина);

t - время релаксации, с

σ_o – начальное напряжение, МПа;

σ_t - напряжение через время t, МПа;

η – вязкость, МПа;

Е – модуль упругости, МПа.

5.4.6.3 Вязкость - свойство материалов, в т.ч. и твердых оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой.

Существует понятие динамической вязкости, или коэффициент внутреннего трения, который характеризуется силой F возникающей на 1 м² сдвигающихся слоев материала, при градиенте скорости сдвига ε_v равном единице:

η = F / ε_v, Па•с (16)

Кинематическая вязкость – это динамическая вязкость, отнесенная к истинной плотности материала:

υ = η / ρ (17)

где η – динамическая вязкость, (кг/м²)•с;

ρ – плотность материала, кг / м³

Вязкость определяется по скорости истечения жидкости, по глубине погружения конуса или шарика, по усилию необходимому для вращения цилиндра и т.д.

5.5. Технологические свойства материалов – дробимость, свариваемость, гвоздимость, формуемость, шлифуемость, полируемость и др.

5.5.1 Свариваемость – свойство строительных материалов образовывать сплошной однородный шов при сварке. К свариваемым материалам относятся сталь, полиэтилен, линолеум и т.д.

5.5.2 Ковкость - способность материала проявлять упругопластические свойства и принимать заданные геометрические размеры при ударных нагрузках.

5.5.3 Гвоздимость – это свойство материала, характеризующее примерно равное сопротивление вдавливанию в материал и выдергиванию из него посторонних предметов. Гвоздимость характерна для дерева, гипсовых перегородок, арболита, ксилолита и т.д.

5.5.4 Водопотребность – это количество воды потребляемое материалом. Характерно для растворных и бетонных смесей.

5.5.5 Спекаемость – это способность строительного материала при воздействии высоких температур превращаться в камневидный материал однородной структуры.

5.5.6 Плавление – способность строительного материала при воздействии высокой температуры проявлять жидкотекучее состояние.

5.5.7 Дробимость – способность материала распадаться на куски при приложении ударных нагрузок.

5.5.8 Формуемость – способность материала заполнять форму и растекаться, сохраняя при этом монолитность и однородность.

5.5.9 Расслаиваемость – это свойство материала перераспределять твердые частицы по объему всего строительного материала. Расслоение может возникать в процессе уплотнения и транспортировки, в основном бетонных и растворных смесей.

5.5.10 Шлишуемость – способность строительного материала подвергаться шлифованию.

5.5.11 Полируемость – способность материала подвергаться процессу полирования.

5.6. Эксплуатационные свойства материалов – долговечность, надежность, ремонтопригодность, безотказность и др.

5.6.1 Долговечность – свойство материала сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Долговечность строительных материалов измеряют обычно сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в режиме эксплуатации.

5.6.2 Надежность – представляет собой общее свойство, характеризующее проявление всех остальных свойств материала в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.

5.6.3 Безотказность – это свойство материала сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт.

5.6.4 Ремонтопригодность – свойство изделия, характеризующее его приспособленность к восстановлению исправности и сохранению заданной технической характеристики в результате предупреждения, выявления, и устранения отказов.

5.6.5 Сохраняемость – свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного технической документацией.

5.7. Биологические свойства характеризуют стойкость материалов и изделий к органике.

5.8. Эстетические свойства материалов (архитектурно-художественные) объединяют 2 группы свойств. Первая характеризует эстетичность материалов и изделий, а вторая характеризует эстетичность сочетаний с другими материалами и изделиями и с окружающей средой.