Будівельні матеріали, іх властивості

                                 Вступ

 

 

До будівельних  матеріалів (від лат. materia - речовина) належать речовини, що мають властивості, необхідні для їхнього застосування в конструкціях і виробах будівельного призначення.

Властивості матеріалів характеризують особливості їхнього  стану і відношення до дії різноманітних факторів і процесів. Такі особливості тісно пов’язані із складом і структурою матеріалів, які в свою чергу залежать від їхнього походження, характеру дії фізичних і хімічних сил і від технології одержання їх.

Склад матеріалів відображений в елементному вмісті чи вмісті окремих оксидів (хімічний склад), у співвідношенні окремих частин - фаз, які є однорідними за хімічним складом і фізичними властивостями, але розділені поверхнею розподілу (фазовий склад), а також у кількості окремих компонентів - речовин, що утворюють даний матеріал (речовинний склад).

Структура матеріалів визначає порядок організації складових елементів і характер зв’язку між ними. В матеріалах виділяють різні структурні рівні - від атомно-молекулярного, що проявляється під час рентгенографічних досліджень, до макроструктури, яку спостерігають неозброєним оком або за незначного збільшення.

У будівництві  використовують ряд матеріалів, кількість  яких постійно зростає. Єдиної класифікації будівельних матеріалів не розроблено, існують дуже багато класифікаційних ознак і складні структури зв’язків між окремими групами матеріалів. Сировинними компонентами будівельних матеріалів є тверді, рідкі й газоподібні речовини.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Класифікація будівельних матеріалів

 

 

У будівництві використовують ряд матеріалів, кількість яких постійно зростає. Єдиної класифікації

будівельних матеріалів не розроблено, існують дуже багато класифікаційних ознак і складні структури зв’язків між окремими групами матеріалів.

Класифікаційні ознаки будівельних матеріалів поділяють  на фізичні. хімічні, фізико-хімічні, механічні, структурні, технологічні та функціональні.

За винятком природних  каменів та деревини, будівельні матеріали - це штучні продукти, в основі одержання яких лежать хіміко-технологічні процеси. Найважливіша класифікація будівельних матеріалів за призначенням.

Матеріали для конструкцій, що несуть навантаження, підбирають з урахуванням особливостей конструктивних елементів й техніко-економічних обґрунтувань. З цією метою широко використовуються сталевий і алюмінієвий прокат, бетон і залізобетон, цегла, клеєна деревина тощо.

Матеріали для виготовлення огороджувальних конструкцій є самонесучими і не зазнають впливу великих навантажень. Зовнішні огороджувальні конструкції можуть сприймати снігове й вітрове навантаження, а також піддаватися агресивній дії оточуючого середовища. Матеріали, що займають конструктивний простір між несучими елементами, повинні бути легкими й мати низьку теплопровідність.

Матеріали для опорядження надають поверхням конструкцій будівель і споруд захисних і декоративних властивостей. Розрізняють опоряджувальні й опоряджувально-монтажні матеріали. Перші використовують для влаштування захисно-декоративних покриттів на поверхні конструкцій (штукатурка, лаки, фарби, шпалери), другі поєднують у собі як оздоблювальну, так і конструктивну функції при влаштуванні покриттів (склоблоки, профільне скло, деревостружкові та деревоволокнисті плити, азбестоцементні й алюмінієві вироби).

Функціональне призначення теплоізоляційних матеріалів полягає у зменшенні втрат теплоти під час експлуатації будівель і споруд, а також теплових агрегатів. Теплоізоляційно-конструктивні матеріали використовують для самонесучих конструкцій будівель і малоповерхових несучих конструкцій переважно для сільського будівництва ( ніздрюваті бетони, арболіт, фіброліт тощо). До теплоізоляційних матеріалів за структурою близькі акустичні матеріали, призначені для зниження енергії звукових коливань (рівня шумів). їх поділяють на звукопоглинальні й звукоізоляційні.

Для захисту будівельних конструкцій споруд і будівель від шкідливої дії води й водних розчинів агресивних сполук застосовують г і д р о ізоляційні матеріали. За призначенням такі матеріали поділяють на антифільтраційні, антикорозійні й герметизуючі.

Верхнім водозахисним шаром  у конструкції покрівель є  покрівельне покриття. Деякі матеріали (рулонні мастики) можна використовувати як для покрівель, так і для гідроізоляції, а інші (азбестоцементні листи, черепиця, покрівельна сталь) лише для покрівель.

До будівельник матеріалів належать також санітарно-технічні вироби - ванни, раковими, мийки, прилади для опалення кухонь, устаткування санвузлів з кераміки, полімерів і металів.

До окремої групи  можна віднести будівельні матеріали спеціального призначення - дорожні, жаростійкі, кислотостійкі, електротехнічні, біозахисні , трубопровідні та ін.

Будівельні матеріали  належать здебільшого до композиційних матеріалів (композитів). Композиційними називають природні або штучні гетерогенні матеріали, спільною ознакою яких є існування межі поділу між компонентами (фазами), що їх утворюють'. У композиційному будівельному матеріалі (КБМ) розрізняють першу фазу, або матрицю, - безперервний зв’язувальний компонент, що перебуває в твердому кристалічному або аморфному стані, і другу його фазу - одну або кілька речовин, диспергованих у матриці, які можуть перебувати в будь-якому агрегатному стані.

За призначенням КБМ  поділяють на силові, несилові й  спеціальні. Силові КБМ (склопластики, азбестоцемент, бетони тощо) повинні мати високі механічні властивості - міцність, жаростійкість, довговічність. Несилові КБМ сприймають незначні механічні навантаження. Серед таких КБМ - теплоізоляційні матеріали на основі різних волокон (фіброліт, мінераловатні плити тощо), піно- й газобетони, піноскло, пінопластики.

КБМ спеціального призначення  можуть працювати в умовах високих температур (жаростійкі, вогнетривкі), хімічної агресії (луго- та кислотостійкі), електричної напруги (електроізоляційні, електропровідні). До них належать також звуко- й теплоізоляційні, декоративні, без усадочні, розширювальні та інші КБМ. За матеріалом матриці КБМ поділяють на цементні, гіпсові, керамічні, металеві тощо. Наповнювачі КБМ досить різноманітні. За механічними властивостями КБМ перспективні різні волокнисті й шаруваті наповнювачі з металів, скла, дерева, азбесту, базальту тощо. Армування КБМ волокнами може бути як орієнтоване (залізобетон, склоцемент, склопластики), так і дисперсне (фібробетон).

Особливо поширені КБМ  із зернистими наповнювачами (бетони, розчини, мастики). При малому вмісті наповнювача (заповнювача) властивості  КБМ визначаються в основному  властивостями матриці, а в міру зростання вмісту наповнювача їхні властивості можуть суттєво змінюватися, набуваючи специфічних ознак, притаманних  лише даному виду КБМ. Наприклад, для цементних бетонів збільшення вмісту наповнювача до певної межі сприяє зростанню міцності на 20...30%, асфальтових - на 50...80%.

Різновидом композиційних  матеріалів є штучні будівельні конгломерати (ШБК).За І.О. Риб’євим штучними будівельними конгломератами називають матеріали, в яких заповнювач зцементований в’яжучими речовинами або первинними зв’язками (хімічними, електричними, металевими тощо) у моноліт. До природних конгломератів належить ряд гірських порід, до штучних - насамперед різноманітні бетони й розчини. У класифікації ШБК запропоновано виділити два типи таких матеріалів - без випалювальні, що утворюються внаслідок низькотемпературних фізико-хімічних процесів твердіння в’яжучих речовин, і випалювальні, що утворюються  при охолодженні з розплавів або контактному спіканні. Сировинними компонентами будівельних матеріалів є тверді, рідкі й газоподібні речовини. Більша частина твердої сировини подана гірськими породами, деревиною та промисловими відходами (шлаки, золи, відсів тощо). Рідкими речовинами є нафта, рідкі відходи хімічних підприємств, вода та водні розчини. Переробляючи нафту й кам’яне вугілля, дістають газоподібні продукти, які можна використовувати для виробництва полімерних матеріалів.

Серед неорганічних сировинних матеріалів найпоширеніші силікати, яким належить значне місце (66.5%) у складі земної кори. Мінеральною сировиною багатоцільового призначення з великими обсягами є глина, карбонатні породи, піски. У будівництві широко використовують продукти силікатної технології - цементи, автоклавні бетони та інші матеріали.

Побічні продукти й відходи  виробництва, які використовують як сировину для виготовлення будівельних  матеріалів, доцільно класифікувати залежно від галузі промисловості, де вони утворюються:

1. Побічні продукти металургії: доменні, феросплавні й сталеплавильні шлаки, що утворюються при плавленні руд кольорових металів, продукти збагачення руд, нефелінові та інші шлами.
2. Побічні продукти теплової енергетики й паливної промисловості: зола, паливні шлаки, шахтні породи, відходи вуглезбагачення, нафтовий пек, кислий гудрон.
3. Побічні продукти хімічної промисловості: залізисті і гіпсомісткі відходи, солей гідроксидомісткі шлами і содопродукти, фосфорні шлаки, вторинні полімерні продукти.
4. Побічні продукти гірничодобувної промисловості.
5. Побічні продукти переробки деревини та іншої сировини рослинного походження: кора, стружка, лігнін, тирса, обрізки, костриця льону і коноплі, солома тощо.
6. Побічні продукти виробництва будівельних матеріалів: відходи цементного, азбестоцементного, керамічного, полімерного і скляного виробництва, нерудної промисловості.
7. Відходи міського господарства: шмаття, паперова макулатура, використані полімерні матеріали, автопокришки, тверді залишки стічних вод, сміття.

 

 

 

3 ТЕХНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ

 

1.Механічні властивості

Найважливішими для будівельних матеріалів є механічні властивості, що характеризують їх відношення до зовнішніх силових впливів. До механічних характеристик належать міцність та деформативні властивості. що визначають здатність матеріалів чинити опір руйнуванню деформуванню переважно під дією зовнішніх сил. Механічні властивості безпосередньо пов’язані зі структурою матеріалу, силами зчеплення між частинками, а також особливостями їх теплового руху. Механічні властивості структурованих дисперсних систем називають реологічними.

У табл. 3.1. наведено основні механічні властивості деяких будівельних матеріалів.

    Деформативні властивості. Силовий вплив на матеріал спричинює зближення, вилучення або зсув атомів. Здатність матеріалу відновлювати втрачені форму і об’єм (тверді матеріали) або тільки об’єм (рідкі та газоподібні матеріали) після припинення дії зовнішніх сил називають пружністю. Для кристалічних матеріалів пружність викликається силами притягання між частинками, що утворюють просторову гратку. Розсунуті під впливом механічних зусиль елементи гратки після розвантаження намагаються повернутись у вихідне положення

 Властивість матеріалу набувати значних пружних деформацій під дією порівняно невеликих навантажень і відновлювати розміри і форму після розвантаження називається еластичністю. Високоеластичні матеріали (гума, поролон тощо) після зняття навантаження практично миттєво відновлюють форму і розміри. Еластичні деформації мають яскраво виражений анізотропний характер. Напруження, що розвиваються в матеріалі під час його навантаження, можуть досягати певного граничного значення, після чого починають проявлятись необоротні (пластичні) деформації. Межу такої пружності встановити важко, тому частіше користуються умовною межею пружності - навантаженням, при якому в матеріалі спостерігається залишкова деформація до 0,01%. Слід зазначити, що крихкі матеріали руйнуються, не досягаючи межі пружності (рис. 3.1.).   Для матеріалів деформації в пружній області пропорційні діючим напружен- ням (закон Гука):

σ= Е*ɛ , (3.1)

де σ - нормальне напруження; Е - модуль пружності при розтягу; ɛ - відносна деформація матеріалу.

Модуль пружності визначається міцністю міжатомних зв’язків і пов’язаний з механічними та фізичними властивостями: міцністю, твердістю, температурою плавлення тощо.

 

 

 

 

 

Матеріал		Г рани ця міцності, МПа				Твердість, МПа		Стирання, іУсм2		Ударна в'яз кість		Модуль пружності, 103 МПа
		натиск		на розтяг
Граніт. сієніт, діорит		100...250		5,0...6,5				0,05...0,1				30...60
Вапняк		3,5...200		6.7...7,5		-		2...5		-		10...60
Бетон важкий		5..80		1.1...3,5		220... 1800		0,6...1,5		2,0...4,5		19...40
Чавун сірий		800... 1000		-		2000				10...20		80...160
Цегла клінкерна	40... 100		-		-		0,2...0,4		-		-
Сосна (вздовж волокон, вологість 12%)		36,2...48		70...130		21. ..26		-		42		12
Скло віконне		600...700		30...35		4000...6000		-		2,0		48...83
Шлакоситали		500...650		-		8100...8400		0,015		4,5...6		-
Склотекс-толіт		•		110...300		200...220				50...116		11...21