Строительные материалы. Часть 1. 2013

Определение, сырьё…………………………………………………………….. 70

3

СОСТАВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Элементный (вещественный) состав – это совокупность химических элементов, из которых состоит материал. Почти все неорганические (мине-

ральные) строительные материалы природного и искусственного происхождения при всём их многообразии содержат в основном следующие 8 элементов: кислород (О), кремний (Si), алюминий (Аl), железо (Fe), кальций (Са), магний (Mg), натрий (Na), калий (К). Это понятно, так как земная кора, из которой мы добываем природные материалы и сырьё для искусственных неорганических материалов, на 97 % состоит из перечисленных элементов.

Органические природные и искусственные строительные материалы (древесина, полимерные материалы, битумы и др.) состоят в основном из углерода (С), водорода (Н), и кислорода (О).

Химический состав неорганических строительных материалов. За редким исключением химические элементы в земной коре существуют не в свободном виде, а окислены кислородом. Поэтому химический состав неор-

ганических строительных материалов выражают совокупностью оксидов,

составляющих эти материалы. Мы уже отмечали, что в природных и искусственных строительных материалах преобладают 8 элементов, в том числе кислород, следовательно, химический состав неорганических строительных материалов слагают преимущественно 7 оксидов: SiО2, Аl2О3, Fe2О3, СаО, MgО, Na2О, К2О.

Минералогический состав неорганических строительных материалов

– это совокупность минералов, из которых они состоят. А минералы в самом общем смысле – это то, в какие соединения связаны элементы, оксиды. Далее, при изучении горных пород, будет дано более исчерпывающее определение минерала.

Особенностью земной коры является то, что основную массу горных пород образуют минералы, состоящие из вышеуказанных элементов, оксидов с преобладанием SiО2 и Аl2О3 и названных, поэтому минералами силикатами, алюмосиликатами.

В неорганических строительных материалах могут возникать искусственные минералы, например, при обжиге керамических изделий, портландцементного клинкера, при твердении минеральных вяжущих веществ.

Фазовый состав – совокупность гомогенных (однородных) частей, со-

ставляющих материал. Этими гомогенными частями системы могут быть

4

кристаллы отдельных минералов, и аморфные (стеклообразные) фрагменты. Если материал составляют несколько фаз, то между ними заметны линии, границы раздела. Многофазными системами является большинство горных пород, применяющихся в строительстве, керамика, портландцементный клинкер, золы.

Гранулометрический состав – содержание в зернистых материалах

(горных породах или искусственных продуктах) зерен различной крупности, выраженное в процентах от исходного количества пробы. Грануломет-

рический состав зернистых материалов (глины, песка, щебня, гравия) учитывают в технологии керамики, при производстве бетонов, растворов.

СТРОЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Строение (структуру) строительных материалов изучают на трёх уров-

нях:

1)макроструктура – строение, видимое невооружённым глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы (в основном в 6 раз);

2)микроструктура – строение, видимое в оптический или электронный микроскоп;

3)внутреннее строение материала на молекулярно-ионном уровне, изучаемое методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и другими методами.

Макроструктура твёрдых строительных материалов1 может быть следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).

Конгломератная структура – смесь разнородных зёрен, соединённых вяжущим веществом или силикатным расплавом – бетоны, ряд керамических и других материалов.

Ячеистая структура характеризуется наличием макропор – газо- и пенобетоны, ячеистые пластмассы (пенополистирол, пенополиуретан и др.).

Мелкопористая структура – поры менее 0,01 мм. Свойственна, например, керамическим материалам, поризованным способи высокого водозатворения.

Волокнистая структура характеризуется наличием волокон. Присуща древесине, изделиям из минеральной ваты и др. Её особенностью является рез-

1 Природные каменные материалы сюда не относятся, так как горные породы имеют собственную геологическую классификацию

5

кое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперёк волокон.

Слоистая структура характеризуется наличием слоёв. Обладают, на-

пример, слоистые пластики, в которых слои наполнителя из бумаги, текстиля, стеклоткани и др. пропитанные полимером.

Рыхлозернистая структура – материал состоит из отдельных зёрен,

частиц – щебень, гравий, песок, глина, цемент, гипс и др.

Микроструктура материала – строение материала (металла, керамики, цементного камня, древесины и т.д.), выявляемое с помощью микроскопа

(оптического или электронного). Часть микроструктуры, имеющая однообраз-

ное строение, называется структурной составляющей.

При исследовании микроструктуры обычно, кроме изучения структуры на микроуровне (кристаллическая, аморфная, размер и форма кристаллов и т.д.), обычно производят идентификацию фаз, образующих эти структуры, т.е. фазовый анализ, фазовый состав. Под структурной составляющей как раз и подразумевается фаза (см. выше – фазовый состав).

Внутреннее строение – это характер упорядоченности атомов, ионов, молекул, образующих материал, типы и свойства кристаллических решёток, виды и свойства аморфного состояния.

СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Физические свойства

Плотность – это масса единицы объема материала, т.е. масса 1 см3

или 1 м3. У строительных материалов различают истинную и среднюю плотности.

Большинство строительных материалов не являются абсолютно плотными телами, содержат поры. Объем пористого материала V можно представить как сумму двух объемов: объема абсолютно плотного твердого вещества, из ко-

Истинная плотность ρ [г/см3, кг/м3] – это масса единицы объема материала (1 см3 или 1 м3) в абсолютно плотном состоянии, т.е. это плотность вещества, из которого он состоит. Истинную плотность определяют делением массы

6

материала m [г, кг] на абсолютный объем Vа [см3, м3] т.е. на объем, занимаемый твердым веществом материала без пор:

Средняя плотность ρо [г/см3, кг/м3] – это масса единицы объема материала (1 см3 или 1 м3) в естественном состоянии, т.е. вместе с порами. В связи с этим средняя плотность всегда меньше истинной. Среднюю плотность определяют делением массы материала m [г, кг] на весь занимаемый им объем, включая имеющиеся в нем поры и пустоты, V [см3, м3]:

Насыпная плотность ρн [г/см3, кг/м3] – масса единицы объема сыпучих материалов (песка, щебня, цемента и др.) в рыхлонасыпанном, неуплотнённом состоянии:

где Vц – объём цилиндра для определения насыпной плотности [см3, м3].

Пористость П [%] – степень заполнения объема материала порами.

На практике пористость вычисляют по экспериментально найденным значениям истинной и средней плотностей по формуле

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 (например, сталь, стекло, пластмассы) до 90–98 % (пенопласт). Поры в материале могут быть открытыми (сообщающимися между собой и с атмосферой) и закрытыми, различными по размерам. Эти особенности по-разному отражаются на свойствах материалов, о чём будет неоднократно сказано ниже.

Гидрофизические свойства

Влажность W [%] – содержание воды в материале в данный момент.

Вода в материале может появиться как в процессе его изготовления, так и при последующей эксплуатации в различных условиях. Она определяется отноше-

7

нием воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала. Вычисляется по формуле:

где mвл – масса влажного материала, г; mс – масса материала после высушивания, г.

Высушивают пробы обычно при 105 + 5 °С, если иное не оговорено методами испытаний материала.

Гигроскопичность – свойство пористого материала поглощать пары воды из влажного воздуха. Гигроскопичность обусловлена адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Влажность материала, обусловленная поглощением паров воды из воздуха, называется сорбционной влажностью. Она определяется по стандартным методикам и вычисляется по формуле 6 как отношение массы влаги, поглощённой сухим образцом в процессе испытания, к массе сухого материала.

С увеличением относительной влажности воздуха и снижением температуры гигроскопичность повышается. Гигроскопичность отрицательно сказывается на свойствах строительных материалов – их теплопроводность увеличивается. При хранении вяжущих материалов (цемента, гипса и др.) они, поглощая влагу из воздуха, гидратируются, теряют активность. Древесина, поглощая влагу, разбухает, коробится и трескается.

Паропроницаемость и газопроницаемость. Паропроницаемость – способность материала пропускать водяной пар через свою толщу. Паро-

проницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости μ

[мг/(м·ч·Па)], который равен массе водяного пара т [мг], проходящего через слой материала толщиной а = 1 м, площадью S = 1 м2 за время t = 1 ч при разности парциального давления пара на границах материала (p1 – p2) = 133,3 Па (1 мм ртутного столба):

Водяной пар, находящийся с противоположных сторон конструкции, перемещается от тепла к холоду, поскольку давление влажного воздуха при отрицательной температуре ниже, чем при положительной.

В холодное время года из-за разности парциальных давлений водяных паров внутри помещения и на улице происходит диффузия водяных паров че-

8

рез ограждающие конструкции из помещения наружу. За год через 1 м2 ограждающей конструкции может проходить до 1 л воды в парообразном состоянии.

Аналогичным образом происходит перемещение газов, (воздуха). Газопроницаемость (воздухопроницаемость) через материал оценивается подобным коэффициентом газопроницаемости (воздухопроницаемости).

Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью. Тогда стена будет «дышать», т. е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, в ней не будет накапливаться влага, ухудшающая теплозащитные свойства и долговечность стен.

Водопоглощение – это способность материала при непосредственном соприкосновении с водой поглощать и удерживать её в порах. Следователь-

но, водопоглощением обладают только пористые материалы, имеющие открытые поры, к которым относятся большинство искусственных каменных материалов (например, кирпич, бетон, раствор), материалы из древесины. Испытуемые материалы по стандартным методикам подвергают насыщению полным погружением образцов в воду или кипячением.

Водопоглощение по массе Вм [%] – отношение массы поглощенной воды к массе сухого образца:

где mн – масса насыщенного водой образца, г; mс – масса сухого образца,

г.

Водопоглощение по объему Во [%] – отношение объёма поглощенной воды к объему образца. Если учесть что 1г воды равен 1 см3, водопоглощение по объёму вычисляется по формуле:

Поскольку воду поглощают только открытые поры, водопоглощение по объёму равняется открытой пористости По [%], т.е. Во = По , а закрытая порис-

Материалы во влажном состоянии ухудшают свои свойства – увеличивается средняя плотность, уменьшается прочность, повышается теплопроводность. Как исключение – прочность материалов на гидравлических вяжущих –

9

она во влажных условиях непрерывно увеличивается в результате реакций гидратации.

Капиллярное всасывание и диффузия – являются частным видом водопоглощения. Капиллярное всасывание – способность воды подниматься по капиллярам на высоту. Высота подъема зависит от тонкости капилляров и степени смачиваемости их стенок. Для кирпичной кладки, например, она может быть более метра.

В материалах возможна диффузия воды – перемещение её от мест с

большей влажностью к местам с меньшей влажностью и равномерное распределение по всему объему.

Для защиты от капиллярного увлажнения и диффузии воды конструкции защищают гидроизоляционными материалами. Например, между фундаментом здания и стеной устраивают гидроизоляцию.

Коэффициент насыщения пор водой kн – отношение водопоглощения по объёму Во [%] к общей пористости П [%]:

Так как Во = По , коэффициент насыщения показывает какова доля открытых, насыщаемых водой пор по отношению к общей пористости.

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые). Уменьшение kн (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: увеличивается его средняя плотность и теплопроводность, а прочность и морозостойкость понижаются, материал набухает.

Водостойкость – способность материала сопротивляться воздействию на него воды. Результатом такого воздействия может быть снижение прочности. Количественно водостойкость характеризуется коэффициентом размягче-

ния. Коэффициент размягчения kр – отношение прочности насыщенного водой материала Rн [МПа] к прочности сухого материала Rс [МПа]:

Коэффициент размягчения изменяется от 0 (материалы из необожжённой глины) до 1 (металлы, стекло, пластмассы, плотные горные породы). Материа-

10