Материаловедение строительных материалов

Строительные  материалы — материалы для возведения зданий сооружений .

Наряду со «старыми»  материалами как древесина и  кирпич с началом промышленной революции появились новые стройматериалы как бетон, сталь, стекло и пластмасса. В настоящее время широко используют предварительно напряженный железобетон и металлопластик.

 Общие сведения о строительных материалах и их основные свойства

В процессе строительства, эксплуатации и ремонта зданий и сооружений строительные изделия и конструкции из которых они возводятся подвергаются различным физико-механическим, физическим и технологическим воздействиям. От инженера-строителя требуется со знанием дела правильно выбрать материал, изделия или конструкцию которая обладает достаточной стойкостью, надёжностью и долговечностью для конкретных условий.

Строительные  материалы и изделия, применяемые  при строительстве, реконструкции  и ремонте различных зданий и  сооружений, делятся на

• природные
• искусственные

которые в свою очередь подразделяются на две основные категории:

к первой категории  относят:

• кирпич, бетон, цемент, лесоматериалы и др. Их применяют при возведении различных элементов зданий (стен, перекрытий, покрытий, полов).

ко второй категории — специального назначения:

• гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические и др.

Основные виды строительных материалов и изделий

• каменные природные строительные материалы и изделия из них
• вяжущие материалы неорганические и органические
• лесные материалы и изделия из них
• металлические изделия

В зависимости  от назначения, условий строительства  и эксплуатации зданий и сооружений подбираются соответствующие строительные материалы, которые обладают определёнными  качествами и защитными свойствами от воздействия на них различной  внешней среды. Учитывая эти особенности, любой строительный материал должен обладать определёнными строительно-техническими свойствами. Например, материал для  наружных стен зданий должен обладать наименьшей теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защищать помещение от наружного холода; материал сооружения гидромелиоративного назначения — водонепроницаемостью и стойкостью к попеременному увлажнению и высыханию; материал для покрытия дорог (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы выдержать нагрузки от транспорта.

Классифицируя материалы и изделия, необходимо помнить, что они должны обладать хорошими свойствами и качествами.

Свойство — характеристика материала, проявляющаяся в процессе его обработки, применении или эксплуатации.

Качество — совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением.

Свойства строительных материалов и изделий классифицируют на четыре основные группы:

• физические,
• механические,
• химические,
• технологические и др.

К химическим относят способность материалов сопротивляться действию химически  агрессивной среды, вызывающие в  них обменные реакции приводящие к разрушению материалов, изменению своих первоначальных свойств: растворимость, коррозионная стойкость, стойкость против гниения, твердение.

Физические  свойства: средняя, насыпная, истинная и относительная плотность; пористось, влажность, влагоотдача,теплопроводностью.

Механические  свойства: пределы прочности при  сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге, упругость, пластичность, жёсткость, твёрдость.

Технологические свойства: удобоукладываемость, теплоустойчивость, плавление, скорость затвердевания и высыхания.

Физические  свойства строительных материалов.

1. Истинная плотность ρ — масса единицы объёма материала в абсолютно плотном состоянии. ρ =m/Va, где Va объём в плотном состоянии. [ρ] = г/см³; кг/м³; т/м³. Например, гранит, стекло и другие силикаты практически абсолютно плотные материалы. Определение истинной плотности: предварительно высушенную пробу измельчают в порошок, объём определяют в пикнометре (он равен объёму вытесненной жидкости).
2. Средняя плотность ρm=m/Ve — масса единицы объёма в естественном состоянии. Средняя плотность зависит от температуры и влажности: ρm=ρв/(1+W), где W — относительная влажность, а ρв — плотность во влажном состоянии.
3. Насыпная плотность (для сыпучих материалов) — масса единицы объёма рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов.
4. Пористость П — степень заполнения объёма материала порами. П=Vп/Ve, где Vп — объём пор, Ve — объём материала. Пористость бывает открытая и закрытая.

Открытая пористость По — поры сообщаются с окружающей средой и между собой, заполняются водой при обычных условиях насыщения (погружении в ванну с водой). Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала, снижают морозостойкость.

Закрытая пористость Пз=П-По. Увеличение закрытой пористости повышает долговечность материала, снижает звукопоглощение.

Пористый материал содержит и открытые, и закрытые поры

Гидрофизические свойства стройматериалов.

1. Водопоглощение пористых материалов определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде при температуре 20±2 °C. При этом вода не проникает в закрытые поры, то есть водопоглощение характеризует только открытую пористость. При извлечении образцов из ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение всегда меньше пористости. Водопоглощение по объёму Wo (%) — степень заполнения объёма материала водой: Wo=(mв-mc)/Ve*100, где mв — масса образца материала, насыщенного водой; mc — масса образца в сухом состоянии. Водопоглощение по массе Wм (%) определяют по отношению к массе сухого материала Wм=(mв-mc)/mc*100. Wo=Wм*γ, γ — объемная масса сухого материала, выраженная по отношению к плотности воды (безразмерная величина). Водопоглощение используют для оценки структуры материала с помощью коэффициента насыщения: kн = Wo/П. Он может меняться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые). Уменьшение kн говорит о повышении морозостойкости.
2. Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением. Коэффициент фильтрации kф (м/ч — размерность скорости) характеризует водопроницаемость: kф=Vв*а/[S(p1-p2)t], где kф=Vв — 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 вод. ст.
3. Водонепроницаемость материала характеризуется маркой W2; W4; W8; W10; W12, обозначающей одностороннее гидростатическое давление в кгс/см², при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Чем ниже kф, тем выше марка по водонепроницаемости.
4. Водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения kp = Rв/Rс, где Rв — прочность материала насыщенного водой, а Rс — прочность сухого материала. kp меняется от 0 (размокающие глины) до 1 (металлы). Если kp меньше 0,8, то такой материал не используют в строительных конструкциях, находящихся в воде.
5. Гигроскопичность — свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из воздуха. Процесс поглощения влаги из воздуха называется сорбцией, он обусловлен полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. С повышением давления водяного пара (то есть увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность материала.
6. Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощённой воды и интенсивностью всасывания. Уменьшение этих показателей отражает улучшение структуры материала и повышение его морозостойкости.
7. Влажностные деформации. Пористые материалы при изменении влажности меняют свой объём и размеры. Усадка — уменьшение размеров материала при его высыхании. Набухание происходит при насыщении материала водой.

Теплофизические свойства стройматериалов.

1. Теплопроводность — свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Формула Некрасова связывает теплопроводность λ [Вт/(м*С)] с объемной массой материала, выраженной по отношению к воде: λ=1,16√(0,0196 + 0,22γ2)-0,16. При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает. R — термическое сопротивление, R = 1/λ.
2. Теплоемкость с [ккал/(кг*С)] — то количество тепла, которое необходимо сообщить 1 кг материала, чтобы повысить его температуру на 1С. Для каменных материалов теплоемкость меняется от 0,75 до 0,92 кДж/(кг*С). С повышением влажности возрастает теплоемкость материалов.
3. Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °C и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей. Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350 °C.
4. Огнестойкость — свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определённого времени. Она зависит от сгораемости материала, то есть от его способности воспламеняться и гореть. Несгораемые материалы — бетон, кирпич, сталь и т. д. Но при температуре выше 600 °C некоторые несгораемые материалы растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы). Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты). Сгораемые материалы горят открытым пламенем, их необходимо защищать от возгорания конструктивными и другими мерами, обрабатывать антипиренами.
5. Линейное температурное расширение. При сезонном изменении температуры окружающей среды и материала на 50 °C относительная температурная деформация достигает 0,5-1 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой протяжённости разрезают деформационными швами.

Морозостойкость строительных материалов.

1. Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Количественно морозостойкость оценивается маркой. За марку принимается наибольшее число циклов попеременного замораживания до −20 °C и оттаивания при температуре 12-20 °C, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15 %; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений — трещин, выкрашивания (потери массы не более 5 %).

Механические  свойства строительных материалов

Упругость — самопроизвольное восстановление первоначальной формы и размера после прекращения действия внешней силы.

Пластичность — свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, причём после прекращения действия внешних сил тело не может самопроизвольно восстанавливать форму и размер.

Остаточная  деформация — пластичная деформация.

Относительная деформация — отношение абсолютной деформации к начальному линейному размеру(ε=Δl/l).

Модуль  упругости — отношения напряжения к отн. деформации (Е=σ/ε).

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или др. Прочность оценивают пределом прочности — временным сопротивлением R, определённом при данном виде деформации. Для хрупких (кирпич, бетон) основная прочностная характеристика — предел прочности при сжатии. Для металлов, стали — прочность при сжатии такая же, как и при растяжении и изгибе. Так как строительные материалы неоднородны, предел прочности определяют как средний результат серии образцов. На результаты испытаний влияют форма, размеры образцов, состояния опорных поверхностей, скорость нагружения. В зависимости от прочности материалы делятся на марки и классы. Марки записываются в кгс/см², а классы - в МПа. Класс характеризует гарантированную прочность. Класс по прочности В называется временным сопротивлением сжатию стандартных образцов (бетонных кубов с размером ребра 150 мм), испытанных в возрасте 28 суток хранения при температуре 20±2 °C с учётом статической изменчивости прочности.

Коэффициент конструктивного  качества: ККК=R/γ(прочность на относит. плотность), для 3-й стали ККК=51 МПа, для высокопрочной стали ККК=127 МПа, тяжелого бетона ККК=12,6 МПа, древесины ККК=200 МПа.

Твердость — показатель, характеризующий свойство материалов сопротивляться проникновению в него другого, более плотного материала. Показатель твердости: НВ=Р/F (F — площадь отпечатка, P — это сила), [НВ]=МПа. Шкала Мооса: тальк, гипс, известь…алмаз.

Истирание — потеря первоначальной массы образца при прохождении этим образцом определённого пути абразивной поверхности. Истирание: И=(m1-m2)/F, где F — площадь истираемой поверхности.

Износ — свойство материала сопротивляться одновременно воздействию истирающих и ударных нагрузок. Износ определяют в барабане со стальными шарами или без них.

Отделочные  материалы

Отделочные  материалы используют для создания покрытий поверхностей строительных изделий, конструкций и сооружений в целях  защиты их от вредного внешнего воздействия, придания им эстетической выразительности, улучшения гигиенических условий  в помещении. К отделочным материалам относят готовые красочные составы, вспомогательные материалы, связующие, рулонные отделочные материалы, пигменты. Красочные составы состоят из пигмента, придающего им цвет; наполнителя, экономящего пигмент, улучшающего механические свойства и увеличивающего долговечность окраски; связующего, соединяющего частицы пигмента и наполнителя между собой и с окрашиваемой поверхностью. После высыхания красочные составы образуют тонкую плёнку. Кроме основных компонентов, при необходимости в красочные составы вводят разбавители, загустители и другие добавки.

      Лакокрасочные материалы имеют две основные функции: декоративную и защитную. Они  защищают дерево от гниения, металл –  от коррозии, образуют твердые защитные пленки, предохраняющие изделия от разрушающего влияния атмосферы  и других воздействий и удлиняющие срок их службы, при этом придают  изделиям красивый внешний вид.

   По  сравнению с металлическими покрытиями, нанесенными лужением, никелированием, хромированием и т.д., лакокрасочные  покрытия наиболее долговечны, для  их нанесения не требуется дополнительное, сложное оборудование, и они легче  возобновляются. Поэтому такие покрытия широко применяются в быту, во всех отраслях промышленности, на транспорте и строительстве.

   Свойства  лакокрасочных покрытий зависят  не только от качества применяемых  лакокрасочных материалов, но и от таких фактов, как способ подготовки поверхности к окраске, правильный выбор и соблюдение технологического режима окраски и сушки.

   Лакокрасочные материалы классифицируют по химическому  составу, виду и преимущественному  назначению материала.

   К лакокрасочным материалам относятся  лаки, краски, эмали, грунтовки, шпатлевки.

   Для облегчения восприятия определений  лакокрасочной продукции вводятся следующие понятия:

   Дисперсные  системы – это микронеоднородные системы, состоящие из двух большего числа фаз, одна из которых – дисперсная фаза – обладает достаточно высокой дисперсностью и распределена в другой фазе (в окружающей дисперсионной среде) – газе, жидкости или твердом теле – в виде мелких частиц.

   Дисперсность – степень раздробленности вещества на частицы. Чем мельче частицы, тем больше дисперсность. На практике размер частиц дисперсных систем находиться в пределах от 0.001 до 0,00001 см.

   К дисперсиям относятся:

   Суспензии – системы, в которых частицы твердой фазы распределены в жидкой среде во взвешенном состоянии. Суспензиями являются готовые краски, шпатлевки.

   Эмульсии  – системы, в которых мельчайшие капельки жидкой фазы распределены в жидкой среде. Примерами эмульсий могут служить кровь, молоко.

   Истинные  растворы – системы переменного состава из двух и более компонентов. Раствор называется истинным потому, что вещества действительно и самопроизвольно растворяются в подходящем растворителе с образованием гомогенной (однородной) системы. К истинным растворам относятся, например, растворы в воде соды, спирта, кислот.

   Лак – раствор пленкообразующих веществ в органических растворителях или в воде с введением добавок (сиккативов, пластификаторов, отвердителей), образующий после высыхания твердую, прозрачную, однородную пленку, прочно сцепленную с поверхностью. Лаки придают поверхности декоративный вид и создают защитные покрытия.

   Краски – суспензия пигментов или их смеси с наполнителями в олифе, эмульсии, латексе, образующие после высыхания однородную не прозрачную твердую окрашенную пленку.

   Эмаль – суспензия пигментов или их смеси с наполнителями в лаке с ведением сиккативов, растворителей и других добавок, образующие после высыхания не прозрачную твердую окрашенную пленку.

   Грунтовка - суспензия пигментов или смеси пигментов и наполнителей в связующем веществе. Образующая после высыхания однородную не прозрачную пленки с хорошей адгезией к подложке (адгезия – прилипание, сцепление). Грунтовки образуют нижние слои покрытий, создавая надежное сцепление верхних слоев покрытия с окрашиваемой поверхностью. Кроме того, они защищают металл от коррозии, выделяют структуру древесины, закрывают поры материала, выравнивают и создают однородную поверхность пред окраской.

   Шпатлевка (шпатлевочная масса, подмазка) – густая, вязкая масса, состоящая из пигментов, наполнителей или их смеси в олифе, лаке или другом связующем веществе с введением добавок или без них, наносимая для заполнения неровностей и углублений, сглаживания неровностей окрашиваемой поверхности.

   Разные  материалы – к этим материалам относятся смывки – жидкости для снятия, удаления старых лакокрасочных покрытий, пасты полировочные, шлифовочные, уплотнительные, составы полирующие нейтрализующие, моечные, а также замазки, уплотнители, ускорители, отвердители, мастика.

   Состав  краски

   С каждым годом к ЛКМ и покрытиям  на их основе предъявляются все более  жесткие требования в связи с  появлением новых технологий в промышленности, строительстве и формированием  современных эстетических вкусов у  потребителя. Это касается в равной степени как защитных, так и  декоративных свойств покрытий, которые  определяются физико-химическими показателями всех компонентов лакокрасочной  рецептуры и в первую очередь  пленкообразователя и пигмента. В значительной степени изменить свойства покрытий можно химической модификацией или введением другого (как правило, более дорогостоящего) пленкообразователя, но это дорогой и трудоемкий путь (изменение пленкообразователя приводит, например, к необходимости замены других компонентов в композиции). Более простой и (что самое главное) более эффективный путь регулирования свойств ЛКМ – введение в рецептуру в небольших количествах различных добавок. В некоторых случаях применение добавок является единственным путем достижения требуемых свойств.

   Пигменты – сухие красящие вещества, неорганические или органические, природные или искусственные, диспергируемые в пленкообразующих веществах для придания краскам, эмалям, грунтовкам, шпатлевкам цвета и непрозрачности. Пигмент сообщает лакокрасочному покрытию определенные механические свойства, устойчивость к воздействию воды, света и атмосферных влияний. Наиболее широкое распространение в лакокрасочной промышленности получили неорганические пигменты, получаемые химической обработкой руд, металлов и минералов (синтетические) и земляные пигменты (природные) – сурик железный, охра.

   Органические  пигменты применяют в меньшем  объеме, к ним относится пигмент  алый, фталоцианиновый голубой и зеленый.

   Наполнители – неорганические природные или синтетические вещества, применяемые для улучшения малярно-технических и эксплуатационных свойств покрытий и экономии пигментов. Природные неорганические получают путем измельчения, обогащения, термической обработки горных пород и минералов. Синтетические неорганические наполнители получают в результате химических реакций по сложной технологии. Наполнители – порошки с низкой укрывистостью красящей способностью, они придают материалам прочность, атмосферостойкость и др. свойства. Наполнителями служат мел. Каолин, слюда, тальк, химически осажденный мел и др.

   Растворители  и разбавители – летучие органические жидкости, применяемые для растворения пленкообразующих веществ, а также для разбавления лакокрасочных материалов до рабочей вязкости перед нанесением на окрашиваемую поверхность. К растворителям относятся уайт-спирит, ацетон. Ксилол, спирт, вода и др.

   Связующие вещества – жидкие или доведенные до жидкого состояния твердые материалы, которые после высыхания связывают между собой частицы пигментов и наполнителей и образуют пленку, прочно сцепляющую с окрашиваемой поверхностью.

   Пленкообразующие  вещества ответственны за создание пленки, адгезию ее к поверхности окрашиваемого предмета, удерживание внутри слоя покрытия частиц пигмента и наполнителя. Помимо этого, хорошее пленкообразующее вещество обеспечивает покрытию водонепроницаемость, но в тоже время позволяет ему «дышать», препятствует размножению микроорганизмов, не являясь ядовитым для человека, задерживает ультрафиолетовые лучи, само при этом, не разрушаясь и т.д.

   Аддитивы - технологические добавки – компоненты, которые ускоряют, интенсифицируют, облегчают и т.д. такие процессы, как диспергирование пигментов, смачивание подложки, устранение поверхностных дефектов, отверждение и многие другие, на стадиях изготовления, транспортирования, хранения красок и формирования покрытия. Аддитивы также иногда называют «малыми добавками», «функциональными добавками» и т.д., так как они работают при незначительном содержании – от 0,02 до 3-5% (в зависимости от назначения). К аддитивам относят сиккативы, диспергаторы пигментов, эмульгаторы, пеногасители и др.

   По  назначению лакокрасочные материалы  делят на группы:

   Обозначения основных лакокрасочных материалов состоят из пять групп буквенно-цифровых знаков для эмалей, красок, грунтовок, шпатлевок и четырех групп  знаков для лаков.

   Первая  группа знаков обозначения вид материала  и состоит из слова, например «эмаль», «лак» и т.д.

   Вторая  группа знаков обозначения определяет пленкообразующее вещество (род смолы, сополимера, олифы) и обозначаются двумя  буквами. Например, МА, ПФ, БТ.

   Третья  группа знаков характеризует преимущественное назначение лакокрасочного материала  и обозначается цифрой.

   Третью  группу знаков грунтовок, полуфабрикатных  лаков и масляных густотертых  красок обозначают цифрой 0, шпатлевок  – цифрами 00.

   Четвертая группа обозначения определяют присвоенный  материалу порядковый номер, и состоит  из одной, двух или трех цифр.

   На  практике принято  также подразделять лакокрасочные покрытия на группы и по дополнительным признакам, следующим  образом:

   1. По прозрачности образуемых пленок – прозрачные (лаки, олифы) и непрозрачные (краски, эмали, грунтовки)

   2. По степени блеска – глянцевые,  полуглянцевые, полуматовые, матовые, глубоко матовые.

   3. По условиям сушки – холодной  сушки и горячей сушки. 

   4. По методу нанесения – кистевые, пульверизационные. 

   5. По последовательности нанесения  слоев и типу покрытия –  пропиточные, грунтовочные, промежуточные  и покрывные. 

   6. По целевому назначению (потребительский признак) – автомобильные, мебельные, для сельскохозяйственных машин, приборов, станков и т.д. После порядкового номера допускается буквенный индекс, характеризующий особенности материала. Например, М – матовый, ПМ – полуматовый и т.д.

   Нанесение лакокрасочных покрытий

   Защитная  и декоративная функции лакокрасочных  покрытий известны очень давно. С самого начала появления ЛКМ как сами материалы, так и способы их нанесения постоянно совершенствуются. ЛКМ начали широко применяться в самых различных областях уже в девятнадцатом веке. За прошедшее время ассортимент ЛКМ резко изменился: от натуральных красок постоянно перешли к материалам на синтетической основе, органоразбавляемым, с высоким сухим остатком, порошковым и т.д. проследим эволюцию методов окраски.

   Первым  и простейшим методом нанесения  краски является кисть. К сожалению, кисть, кроме бесспорных достоинств, имеет много недостатков, прежде всего небольшую скорость окраски (около 10м²/час).

   Использование валика вместо кисти позволяет в  значительной степени повысить скорость окраски, в частности больших  и плоских поверхностей, но с его  помощью трудно или даже невозможно производить окраску быстросохнущими  лаками или материалами, имеющими вязкость более 120 сек (по воронке ВЗ-246).

   Первый  шаг на пути заметного увеличения скорости окраски и улучшения  декоративных свойств лакокрасочных  покрытий сделан в 1866 году и связан с созданием пневматического  распыления жидкостей. На практике технология окраски получила распространение  только в 20-ые годы, когда оказалось, что пневматическое распыление позволяет  наносить нитроцеллюлозный лак и  другие быстросохнущие материалы, т.е. все краски, которые трудно наносить кистью. Практически во всех пистолетах для пневматического распыления воздух, передвигаясь со скоростью около 30 м/сек, вызывает разрыв потока жидкости на капли диаметром 40-120 мкм, что позволяет красить со скоростью 30м²/час. Однако в процессе применения пневматического распыления довольно быстро обнаружились негативные стороны: большие потери ЛКМ, увеличивающиеся с ростом скорости воздуха в пистолете, что способствовало также уменьшению диаметра капли, трудности при нанесении высоковязких материалов, высокая эмиссия паров растворителей.