Классификация строительных материалов

Классификация строительных материалов.

Материалы, из которых изготовляют строительные детали и конструкции, возводят здания и сооружения различного назначения, называются строительными. Стоимость строительных материалов и изделий составляет свыше 50 % от общих капитальных затрат на строительство. 
Строительные материалы по сходным признакам делят на группы. В качестве классификационных признаков выбирают: производственное назначение строительных материалов, вид исходного сырья, основной показатель качества (например, их масса, прочность) и др. В классификации учитывают также и функциональное назначение, например, теплоизоляционные материалы, акустические материалы и др., в дополнение к делению на группы по признаку сырья - керамические, полимерные, металлические и т.п. Одна часть материалов, объединенных в группы, относится к природным, а другая их часть - к искусственным. Каждой группе материалов или отдельным их представителям в промышленности соответствуют определенные отрасли, например, цементной промышленности, стекольной и т.п.

Природные (естественные) строительные материалы и изделия получают непосредственно из недр Земли или путем переработки лесных массивов в «деловой лес». Этим материалам придают определенную форму и рациональные размеры, но не изменяют их внутреннего строения, состава, например, химического. Чаще других из природных используются лесные (древесные) и каменные материалы и изделия. Кроме того, в готовом виде или при простой обработке можно получить битум и асфальт, озокерит, казеин, кир, некоторые продукты растительного происхождения, например, солому, камыш, костру, торф, лузгу и др., а также животного происхождения, например, шерсть, коллаген, боинскую кровь и др. Все эти природные продукты в сравнительно небольших количествах тоже используют в строительстве. 
Искусственные строительные материалы и изделия производят в основном из природных сырьевых материалов, реже - из побочных продуктов промышленности, сельского хозяйства или сырья, получаемого искусственным путем. Вырабатываемые строительные материалы отличаются от исходного природного сырья как по строению, так и по химическому составу, что связано с переработкой сырья в заводских условиях. В заводской переработке участвует органическое (дерево, нефть, газ и др.) и неорганическое (минералы, камень, руды, шлаки и др.) сырье, что позволяет получать многообразный ассортимент материалов, употребляемых в строительстве. Между отдельными видами материалов имеются большие различия в составе, внутреннем строении и качестве, но они и взаимосвязаны как элементы единой материальной системы. Наибольшее применение имеют

искусственные строительные материалы. Лесные материалы и изделия классифицируют по разновидностям пород - лиственные и хвойные, по признаку ассортимента - круглые, пиленые и штучные изделия. Имеется дальнейшее их подразделение, например, по свойствам, структуре и др. 
Природные каменные материалы и изделия имеют классификацию, в составе которой лежит либо генетический признак, т.е. происхождение горных пород, либо технические свойства - по средней плотности, прочности, морозостойкости. Имеются еще более дробные разделения их по другим признакам. 
Искусственные строительные материалы, находясь в тесной взаимосвязи между собой в единой системе, разделяют по главному признаку их отвердевания:

1) материалы, отвердевание которых  происходит при обычных сравнительно  невысоких температурах с кристаллизацией  новообразований из растворов (их  нередко относят к без обжиговых материалов);

2) материалы, отвердевание которых  происходит в основном в условиях  автоклавов, т.е. повышения температур  и давлений пара с синтезированием  цементирующих и кристаллизирующихся  соединений

непосредственно в автоклавах;

3) материалы, отвердевание которых  происходит главным образом при  остывании огненно-жидких расплавов, выполняющих функцию вяжущего  вещества, или «цемента высоких температур» (их нередко относят к обжиговым материалам). Выделение этих трех типов из огромного многообразия материалов является в достаточной мере условным, поскольку не всегда возможно провести четкую границу между ними, так же, как и между отвердевающими растворами и расплавами. Нередко отвердевание происходит при совмещенных процессах кристаллизации и остекловывания растворов и расплавов. Условность указанного деления выражается еще и в том, что в безобжиговых конгломератах частично применяются обжиговые минеральные вяжущие вещества и они даже занимают доминирующее положение в современной номенклатуре строительных материалов. 
В конгломератах безобжигового типа цементирующую часть представляют неорганические, органические, полимерные и комплексные вяжущие вещества. В конгломератах обжигового типа по разновидности цементов высоких температур выделяют расплавы керамические, стекломассы, шлаковые, каменного литья и комплексные. В конгломератах автоклавного типа наиболее типичными являются вяжущие, синтезированные из исходных сырьевых компонентов в условиях автоклавной обработки, хотя в них могут быть привнесены цементы, способные к твердению в обычных условиях. 
К вяжущим веществам безобжиговых конгломератов из группы неорганических относятся и клинкеросодержащие цементы (портландцемент, специальные портландцементы, глиноземистый цемент и др.), гипсовые, магнезиальные, известковые и другие вяжущие на основе шлаков, горелых пород и др. Из группы: органических - битумные и дегтевые вяжущие материалы, а также производные от них - эмульсии, пасты, растворы. Группу полимерных веществ представляют термопластичные и термореактивные с последующим дробным разделением. Комплексные объединяются в смешанные, компаудированные и комбинированные вяжущие вещества. К смешанным относят неорганические вяжущие вещества, получаемые тщательным смешением двух или нескольких их разновидностей с порошкообразными добавками или без них; компаудированными служат сплавы или механические смеси нескольких органических материалов. Под комбинированными понимают объединение вяжущего - неорганического и органического, или полимерного. Цементирующая часть обжиговых конгломератов также разделяется: шлаковые расплавы - по химической основности исходного сырья (шлака); керамические - по характеру и разновидности использованной глины и других компонентов сырья; стекломассовые - по показателю щелочной шихты; каменное литье - по виду горной породы, поступающей на расплав; комплексные расплавы - по виду соединяемых компонентов; шлакокерамические, стеклошлаковые и др. 
Единая классификация включает большое разнообразие конгломератных строительных материалов как от вяжущих веществ, так и от расплавов («цементов высоких температур») в связи с применением в них различных заполняющих материалов. Из клинкерных и клинкеросодержащих цементов изготовляют бетоны, строительные растворы, арболиты и фибролиты, бетоны с полимерным зернистым заполнителем, асбестоцементные материалы и изделия; из гипса - гипсобетоны, арболиты и др.; из магнезиальных вяжущих - фибролиты и ксилолиты; из извести - силикатные бетоны и строительные растворы, силикатные изделия; из жидкого стекла - жаростойкие легкие бетоны, кислотоупорные бетоны и пр. Получаемые конгломераты, в свою очередь, подразделяются: по средней плотности - особо тяжелые, тяжелые, легкие и особо легкие (ячеистые) бетоны; по производственному назначению - конструкционные, конструкционно-теплоизоляционные, теплоизоляционные, гидротехнические, дорожные, жаростойкие и т.п. Возможно разделение этих конгломератов и по другим признакам. 
Органические вяжущие вещества позволяют получать конгломераты, отличающиеся по температуре их применения в строительстве,

- горячие, теплые и холодные  асфальтовые бетоны; по удобообрабатываемости;

- жесткие, пластичные, литые и т.п.; по размеру частиц заполнителя;

- крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые, песчаные. 
Паолимерные вяжущие вещества являются важным компонентом при изготовлении полимербетонов, строительных пластмасс, стеклопластиков и других материалов, называемых часто композиционными материалами. 
Из комплексных вяжущих получают конгломераты типа бетонов, например гипсоцементно-пуццолановые (ГЦП) бетоны и растворы, полимерцементные бетоны и силикатополимерные бетоны и др.; мастики, в том числе герметизирующие, твердеющие и нетвердеющие, горячие и холодные; многие другие строительные материалы с конгломератным типом структуры. 
Обжиговые конгломераты классифицируют с использованием в них расплавов как связующих компонентов. Следует отметить, что эта часть классификации имеет особенно много неизвестных материалов, которые остаются пока не открытыми (их места в классификации условно показаны в виде свободных клеток). Перспективными являются конгломераты, которые должны быть получены на основе керамической связки, и первым представителем из них является керамобетон. Изучаются конгломераты на основе стеклосвязки с использованием тугоплавких гранулированных заполнителей и добавочных веществ; шлаколитные бетоны с заполнителями типа термозитов, агломерированных зол и др.; бетонов со связкой из расплавов золы, например, ТЭЦ, сланцевых и др.; камнебетоны - на основе связки из каменного литья с применением в них тугоплавких заполнителей; металлобетоны, или бетоны, получаемые на основе металлической связки с

применением соответствующих заполнителей.

В строительстве применяются материалы без крупных и мелких заполнителей; их можно отнести к микроконгломератам - цементный камень, мастики, каменный сплав и др.

Свойства материалов зависят от их состава, строения и характеризуются показателями, имеющими числовые значения. Для оценки свойств необходимо подвергнуть образцы материалов испытанию по методике, предписываемой ГОСТ или ТУ на данный материал. 

Физические свойства строительных материалов.

Физические свойства материала характеризуются особенностью его физического состояния или отношением к различным физическим процессам. К основным физическим свойствам относятся: плотность, пористость, водопоглощение, влажность, гигроскопичность, влагоотдача,

водопроницаемость, теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость,

огнеупорность, паропроницаемость и газопроницаемость, звукопроницаемость.

Средняя плотность pм (г/см3; кг/м3; т/м3) - физическая величина, определяемая отношением массы тела или вещества в естественном состоянии ко всему занимаемому ими объему включая имеющиеся в них пустоты и поры:

где m - масса сухого материала, г, кг, т; V - объем материала по внешним размерам образца или объем вытесненной им жидкости, см3, м3, л. 
Истинная плотность p - предел отношения массы тела или вещества к его объему без учета в нем пустот или пор, г/ см3:

где m - масса материала, г, кг; Va - объем, занимаемый материалом или

веществом без пор и пустот, см3;

Насыпная плотность - отношение массы зернистых материалов или материалов в виде порошка ко всему занимаемому ими объему, включая и

пространство между ними.

Пористость материала - степень заполнения объема материала порами. По значению пористость дополняет среднюю плотность до единицы или до 100 %.

Водопоглощение - это способность материала впитывать и удерживать в себе воду. Определяют водопоглощение путем насыщения водой образца, предварительно высушенного до постоянной массы. Количество поглощенной образцом воды, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе, а отнесенное к его объему - водопоглощением по объему. Водопоглощение (%) вычисляют по формулам:

где m1 и m2 - масса материала соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии, кг.

Разделив почленно эти выражения, получим зависимость

На значение водопоглощения влияет как степень пористости материалов, так и строение пор (замкнутые, открытые, крупные). Значение водопоглощения по объему всегда меньше 100 %. Водопоглощение по массе может быть выше 100 %.

Водостойкость - способность материала сохранять прочность при водонасыщении. Водостойкость численно характеризуется значением коэффициента размягчения:

где Rнac и Rcyx - предел прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образцов;

Кразм = 0 ... 1.

Строительные материалы вследствие неодинаковых плотности, структуры и состава характеризуются различной водостойкостью. Для таких материалов, как стекло, фарфор, сталь, Кразм = 1, а гипсовые при насыщении водой могут полностью разрушиться. Материалы с Кразм ≥ 0,75 относятся к водостойким. 
Гигроскопичность - способность строительных материалов поглощать водяные пары из окружающего воздуха. Степень водопоглощения зависит от температуры и влажности воздуха, вида, количества и размера пор, а также от природы вещества.

Поглощение водяных паров из воздуха вызывается также адсорбцией, обусловленной большой внутренней поверхностью пористого материала. При уменьшении влажности и повышении температуры воздуха этот процесс носит обратимый характер. Повышенная гигроскопичность некоторых пористых материалов ухудшает их физико-механические свойства. Поэтому материалы с повышенной гигроскопичностью не рекомендуется применять в ограждающих конструкциях зданий и сооружений.

Водопроницаемость - способность материалов пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, проходящей в течение 1 ч под постоянным давлением через 1 см испытуемого материала. Особо плотные материалы (стекло, сталь, полиэтилен и др.), а также достаточно плотные (например, специальный бетон) практически водонепроницаемы, большинство же композиционных материалов водопроницаемы. Это свойство существенно важно для материалов, из которых изготовляют конструкции гидротехнических сооружений, резервуаров, труб, коллекторов и других конструкций, подвергающихся гидростатическим воздействиям.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное и попеременное замораживание и оттаивание без выраженных признаков разрушения и потери прочности. При этом последовательному замораживанию, оттаиванию и осмотру подвергают образцы столько раз, сколько указано в технических требованиях, предъявляемых к данному материалу. Морозостойкими считают такие образцы материала, которые после установленных для них циклов замораживания и оттаивания не имеют выкрашиваний, трещин, расслаивания и не теряют по массе более 5 %. После заданного числа циклов попеременного замораживания и оттаивания определяют прочность материала при сжатии и вычисляют коэффициент морозостойкости:

где Rмрз - прочность образцов при сжатии после заданного числа n циклов замораживания и оттаивания, МПа; Rнас - прочность водонасыщенных образцов при сжатии до замораживания, МПа.

Допустимая потеря прочности после испытания на морозостойкость устанавливается ГОСТ на данный материал. Материал считается морозостойким, если Кмрз ≥ 0,75.

Теплотехнические свойства строительных материалов. 
Строительные материалы, используемые для ограждающих конструкций, должны быть не только прочными и долговечными, но и обладать надлежащими теплотехническими свойствами, например, теплопроводностью, теплоемкостью, огнестойкостью, огнеупорностью, термической стойкостью.

Теплопроводность - способность материала передавать теплоту через свою толщу при наличии разности температур по обе стороны материала. Теплопроводность зависит от вида материала, пористости, характера пор, его влажности и плотности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Значение теплопроводности характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, равным количеству теплоты, проходящей через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 ч при разности температур на противоположных поверхностях образца в 1 °С, Вт / (м · °С):