Конспект лекций 1 страница

по курсу «Архитектурное материаловедение»

для группы специальностей направления «Архитектура» и «Менеджмент организации»

Ростов-на-Дону

УДК 691

Рецензенты:

А.Я. Пылаев, Т.Л. Пылаева.

Конспект лекций по курсу «Архитектурное материаловедение» - Ростов-на-Дону, 2009. – 196с.

Пособие содержит описание основных свойств архитектурных материалов и классификацию по областям использования, опыта производства и использования материалов в различных условиях эксплуатации.

Для студентов, магистрантов, аспирантов, обучающихся по направлению «Архитектура» и «Менеджмент организации». Пособие может быть полезно архитекторам, специалистам в области строительных материалов, инженерно-техническим работникам строительных и проектных организаций.

О Г Л А В Л Е Н И Е

Предисловие
Лекция 1.	Свойства материалов и изделий
1.1.	Состав и структура материалов
1.2.	Физические свойства
1.3.	Химические и биологические свойства
1.4.	Механические свойства
1.5.	Технологические свойства
1.6.	Эстетические свойства
Лекция 2.	Древесные материалы и изделия
Лекция 3.	Природные каменные материалы
Лекция 4.	Керамические материалы и изделия
Лекция 5.	Изделия из минеральных расплавов
Лекция 6.	Минеральные вяжущие материалы
Лекция 7.	Бетоны
Лекция 9.	Строительные растворы
Лекция 8.	Полимерные материалы и изделия
Лекция 10.	Металлические материалы и изделия
Лекция 11.	Кровельные, гидроизоляционные и герметизирующие материалы
Лекция 12.	Теплоизоляционные и акустические материалы и изделия
Лекция 13.	Лакокрасочные материалы
Литература

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материал играет важную роль в формировании пропорционального, масштабного и ритмического строя сооружения, его тектоники и, в конечном счете, композиции в целом. Глубокая и разносторонняя взаимосвязь зодчества с материалом основывается на том факте, что именно он является средством организации пространства жизнедеятельности, а следовательно, участвует в создании архитектуры.

Современному архитектору недостаточно знать, из каких материалов можно осуществить его проект. В настоящее время, когда материальная база весьма представительна, здания и сооружения можно строить из многих взаимозаменяемых материалов. При этом условия жизни, в том числе работы, человека могут быть одинаковыми с эксплуатационно-технической точки зрения. Но, в зависимости от вида материала, восприятие среды, эстетики зданий и сооружений будет заметно иным.

В архитектурно-строительной практике много примеров применения материалов, искажающих первоначальный творческий замысел архитектора и не обеспечивающих планируемый срок эксплуатации здания, сооружения. Одна из причин — недостаточно глубокие знания архитектора в области строительных материалов и, прежде всего, физической сущности их свойств, основ производства, номенклатуры, примеров использования.

Цель изучения архитектурного материаловедения – получение необходимых знаний: о многогранной взаимосвязи архитектуры и материалов; о классификации и номенклатуре; физико-химической, эстетической и экологической сущности свойств; основах производства и опыта применения материалов в архитектурно-строительной практике.

Основные задачи теоретической и практической час­ти курса «Архитектурное материало­ведение» связаны с необходимостью в процессе архитектурного проектирова­ния предусматривать рациональное применение строительных материалов и изделий на основе глубокого знания архитектором строения, эксплуатаци­онно-технических, экономических и эстетических характеристик, современ­ных способов направ­ленного регулирования свойств и совер­шенствования оценки их качества.

Конспект лекций подготовлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта Российской федерации высшего профессионального образования по направлению «Архитектура» и «Менеджмент организации».

ЛЕКЦИЯ 1. Свойства материалов и изделий

Все свойствастроительных материалов можно условно разделить на физические, химические, механические, технологические, эстетические.

1.1. Состав и структура материалов

Знание строения строительного материала необходимо для понимания его свойств и в конечном итоге для решения практического вопроса, где и как применить материал, чтобы получить наибольший технико-экономический эффект.

Свойства любого материала можно регулировать в широких пределах путем изменения его состава и структуры.

Строительный материал характеризуетсяхимическим, минералогическим и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других эксплуатационно-технических характеристиках. Химический состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов принято выражать количеством содержащихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны между собой и образуют минералы, которые определяют многие свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или каменном материале. Например, в портландцементе содержание трёхкальциевого силиката (3СаО*SiO₂) составляет 45-60%, причём при большем его количестве ускоряется твердение, повышается прочность цементного камня.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твёрдые вещества, образующие стенки пор, то есть «каркас» материала, и поры, заполненные воздухом и водой.

Строение материала изучают на трёхуровнях: на макроуровне – строение, видимое невооружённым глазом или при небольшом увелечении; на микроуровне – строение, видимое в оптический микроскоп; внутренне строение веществ – строение на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т.п.

Макроструктура твёрдых строительных материалов может быть следующих типов: конгломератная, плотная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая.

Конгломератная структура – это обширная группа, объединяющая некоторые природные каменные материалы (конгломерат, брекчия и др.), бетоны различного вида, ряд керамических и других материалов.

Плотная структура – характеризуется отсутствием разделов фаз в материале (стекло, полистирол и др.).

Ячеистая структура - характеризуется наличием макропор в форме пузырька, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам.

Волокнистая структура – сложена волокнистыми материалами (древесина, минеральная и стеклянная вата, асбест, стекловолокнистые пластики и др. Особенностью материалов с ориентированными волокнами в одном направлении является анизотропия его свойств, то есть резкое различие, например, прочности, теплопроводности вдоль и поперёк ориентированных волокон.

Слоистая структура – сложена слоистым наполнителем (бумагой, тканью) и связующим. Такая структура отчётливо выражена у рулонных кровельных материалов, текстолита, бумажнослоистого пластика и др.

Рыхлозернистая (порошкообразная) структура - состоит из отдельных частиц (зёрен) точечно контактирующих друг с другом (песок, щебень, гравий, сухая глина и др.)

Как правило, материал одновременно содержит несколько типов структур. Однако отнесение материала к тому или иному типу структуры осуществляют по структурным элементам, имеющим наибольшие объёмы (тяжёлый бетон, ячеистый бетон, фибробетон, фибропенобетон).

Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллическая форма представляет собой упорядоченное расположение атомов в узлах кристаллической решётки, она более устойчивая, менее химически активная (металлы, природный и искусственный камень). Аморфная структура характеризуется однородностью ихаотичным расположением в ней атомов и молекул (стекло, шлаки).

Форма, размеры и расположение кристаллов оказывают большое влияние на свойства материалов. Мелкокристаллические – более однородны и стойки против внешних воздействий, крупнокристаллические (металлы) имеют большую прочность. Слоистое расположение кристаллов (сланцы) обеспечивает легкое раскалывание по плоскостям, что используют при получении отделочных плиточных материалов. Структуру искусственно полученных материалов можно целенаправленно регулировать в широком диапазоне в зависимости от задаваемых свойств и назначения изделий. Например, для повышения термомеханических показателей стекла можно целенаправленно изменить аморфную структуру на кристаллическую за счет ввода в сырье специальных добавок и дополнительной термообработки изделий, при этом материал приобретает высокую термостойкость, прочность на удар и износ, химическую стойкость, но теряет прозрачность.

Комплекс полученных свойств определяет назначение каждого изделия: для остекления окон используют аморфное стекло, для облицовки пола в цехах с агрессивными средами – кристаллическое.

Состав и структураопределяют свойства материалов, которые не остаются постоянными во времени, а изменяются в результате механических, физико-химических, иногда и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется изделие или конструкция. Эти изменения могут протекать как медленно, например, при разрушении горных пород, так и относительно быстро – при вымывании из бетона растворимых веществ, действии ультрафиолетовых лучей на полимерные материалы, что приводит к изменению их цвета и повышению хрупкости. Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию отдельного изделия и всего сооружения в целом.

1.2. Физические свойства

Физические свойства подразделяют на подвиды:

· общие физические – характеризующиеструктуру и массу материала;

· гидрофизические – характеризующие отношение материалов к действию воды, пара и газов;

· теплофизические – характеризующие отношение материалов к действию тепла и огня;

· акустические – характеризующие отношение материалов к действию звуковых колебаний.

1.2.1. Общие физические свойства

К общефизическим свойствам относятся: истинная плотность, средняя плотность и пористость материала.

Истинная плотность – масса единицы объема вещества в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор, пустот и трещин.

, [кг/м³] (1.1)

где – истинная плотность, кг/м3; т – масса, кг; – объем, занимаемый веществом без пор, трещин и каверн, м³.

Истинную плотность определяют при помощи стеклянной колбы точного объема – пикнометра с точностью до 0,01 г/см³ на тонко измельченной (до 0,2 мм) и предварительно высушенной до постоянной массы пробе.

Истинная плотность большинства строительных материалов больше единицы (за единицу условно принимают плотность воды при t = 4 °С). Для каменных материалов плотность колеблется в пределах 2200 – 3300 кг/м³; органических материалов (дерево, битумы, пластмассы) – 900 –1600, черных металлов (чугун, сталь) – 7250 – 7850 кг/м³.

Средняя плотность – масса единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии, то есть с пустотами и порами

, [кг/м³] (1.2)

где – средняя плотность, кг/м3; т – масса материала (изделия) в естественном состоянии, кг; v – объем материала (изделия) в естественном состоянии, м³.

Значения плотности данного материала в сухом ρ_ср и влажном состоянии ρ_ср^w связаны соотношением:

ρ_ср^w = ρ_ср (1+ W_м /100), (1.3)

где: W_м – влажность материала по массе, %.

Если образец имеет правильную геометрическую форму, его объем определяют путем вычислений по измеренным геометрическим размерам; если же образец неправильной формы, – по объему вытесненной жидкости (закон Архимеда).

Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м3 (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м3 у тяжелого бетона и 7850 кг/м³ у стали.

Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем больше средняя плотность, тем прочнее материал.

Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность лёгкого бетона – 500…1800 кг/м³, а его истинная плотность – 2600 кг/м³. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.

Плотность материала иногда выражают в виде безразмерной величины называемой относительной плотностью d, равной отношению плотности материала к плотности воды , то есть

, отн. (1.4)

Насыпная плотность – масса единицы объема сыпучих материалов в свободном насыпном состоянии, то есть без его уплотнения. Формула расчета и размерность показателя те же, что в (1.2). За единицу объёма таких материалов принимают не только зерна самого материала, но и пустоты между ними. Количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпного материала, выраженное в процентах по отношению ко всему занимаемому объему, называют межзерновой пустотностью. Этот показатель важен для сыпучих материалов с рыхлозернистой структурой: для песка, щебня, гравия, керамзита и других материалов применяемых при изготовлении бетона, а также для зернистых теплоизоляционных материалов.

Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м3 (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м3 у тяжелого бетона и 7850 кг/м³ у стали.

Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем больше средняя плотность, тем прочнее материал. Для пористых строительных материалов истинная плотность больше средней. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.

Пористость П – объёмная доля воздушных пустот в материале.

, (1.5)

где: - объём пустот (пор) в материале.

Строение пористого материала характеризуется количеством и геометрическими размерами пор в виде капилляров (в форме трубочек) и ячеек (сферической формы).

По величине истинной и средней плотности рассчитывают общую пористостьП материала в %

, (1.6)

Поры в материале могут иметь различную форму и размеры. Они могут быть открытыми, сообщающимися с окружающей средой, и замкнутыми, заполненными воздухом. При погружении материала (изделия) в воду открытые поры полностью или частично заполняются водой. В замкнутые поры вода проникнуть не может. Открытую или капиллярную пористость определяют по водонасыщению материала под вакуумом или кипячением его в воде

, (1.7)

где: – масса образца в сухом состоянии, г; – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; – объем образца, см³; - плотность воды, кг/м³.

Общая пористость различных по назначению материалов колеблется в широком интервале. Так, для тяжелого, прочного конструкционного бетона – 5…10 %, кирпича, который как стеновой материал должен обеспечить прочность, легкость стеновой конструкции и пониженную теплопроводность – 25…35 %, для эффективного теплоизоляционного материала пенопласта – 95 %. Большое влияние на свойства материалов оказывают не только величина пористости, но и размер пор, их характер. При увеличении объема замкнутых пор и уменьшении их величины повышается морозостойкость материала и снижается теплопроводность. Наличие открытых крупных пор делает материал проницаемым для воды, неморозостойким, но в то же время он приобретает акустические свойства.

1.2.2. Гидрофизические свойства

Гидрофизические свойства проявляют материалы и изделия при контакте с водой и паром. Наиболее важные из них – гигроскопичность, водопоглощение, водостойкость, водопроницаемость, морозостойкость, воздухостойкость.

Увлажнение и насыщение водой оказывает большое влияние на многие важные эксплуатационные характеристики строительных материалов и изделий. В результате насыщения водой существенно изменяются их весовые характеристики, тепло- и электропроводность, линейные размеры и объём, физико-механические свойства.

В зависимости от вещественной природы материала способность материалов притягивать к своей поверхности молекулы воды различна. Материалы способные притягивать к своей поверхности воду называются гидрофильными (бетон, древесина, стекло, кирпич и другие); а отталкивающие воду – гидрофобными ( битум, полимерные материалы).

Гигроскопичность – свойство материалов поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей наружной поверхности и внутренней поверхности пор. Мерой гигроскопичности материалов является величина влажности материала по массе (ГОСТ), определённая на образцах материала при заданных температурно-влажностных условиях воздуха по формуле

. (1.8)

Поглощение влаги из воздуха обусловлено способностью поверхности материалов, всегда имеющей неуровновешенный электростатический заряд, насыщаться дипольными молекулами воды, а также поглощение воды за счёт капиллярной конденсации. Этот физико-химический процесс называется сорбцией, Сорбционная способность является обратимым процессом и зависит от температурно-влажностных условий воздуха. С повышением (уменьшением) относительной влажности воздуха при постоянной температуре возрастает (снижается) сорбционная влажность материала. Поэтому оценку гигроскопичности материалов дают для определённой эксплуатационной влажности атмосферного воздуха.

При равной общей пористости и одинаковом вещественном составе материала, чем мельче поры, тем больше общая площадь внутренней поверхности пор, следовательно, гигроскопичность выше. Для зернистых материалов имеет место аналогичная закономерность. Этот процесс является обратимым и зависит от температуры и влажности воздуха. При снижении влажности часть гигроскопичной влаги испаряется. В зависимости от вещественной природы материала гигроскопичность различна. Так, например, равновесная влажность по массе стеновых материалов составляет 5-7%, комнатно-сухой древесины составляет 8-12%, а воздушно-сухой древесины после продолжительной сушки на открытом воздухе составляет 15-18%.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале количеством поглощённой влаги и интенсивностью всасывания.

Высоту поднятия воды в капилляре определяют по формуле

, (1.9)

где: - поверхностное натяжение; - краевой угол смачивание; r - радиус капилляра; плотность жидкости; g - ускорение свободного падения.

Поры в материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения явления. Высоту всасывания воды определяют, применяя метод «меченых атомов», либо по изменению электропроводности материала. Уменьшение интенсивности всасывания отражается на повышении морозостойкости материала, то есть структура материала такого материала лучше.

Капиллярное всасывание воды происходит пористым материалом, когда часть или вся конструкция из этого материала находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от её низменной части. Под фундаменты и конструкционные слои дорожных покрытий укладывают слой из крупной фракции щебня для исключения капиллярного поднятия воды и насыщения конструкционных слоев водой.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Мерой водопоглощения по массе является отношение массы воды, поглощенной образцом материала высушенного до постоянной массы, после его насыщения при полном погружении в воду, к массе образца в сухом состоянии (ГОСТ).

, (1.10)

Использование водопоглощения по массе для сравнения различных видов материалов не правомерно, так как этот параметр не отражает абсолютной величины поглощённой влаги материалом. Он может использоваться только для контроля одного вида материала. Водопоглощение по массе у таких высокопористых материалов как, например древесина, минераловатные и стекловатные плиты, может быть более 100%.

Другим показателем является водопоглощение по объему. Мерой водопоглощения материала по объему является отношение объёма воды, поглощенной образцом материала высушенного до постоянной массы, после его насыщения при полном погружении в воду, к объёму образца.

, (1.11)

Этот показатель зависит от объема, природы пор (замкнутые, открытые) и степени гидрофильности материала. Так, водопоглощение гранита составляет 0,02…0,7 %, тяжелого бетона 2…4 %, кирпича 8…15 %, древесины 40…70%.

Водопоглощение по объёму характеризует кажущуюся пористость (условно открытую) пористость материала. Так как в материале имеется некоторое количество замкнутых (условно закрытых) пор объёмное водопоглощение всегда меньше 100%, то есть этот параметр не отражает истинную пористость материала.

Водопоглощение по объёму используют для расчёта коэффициента насыщения пор водой , который характеризует объёмную долю условно открытых пор в материале.

, отн. (1.12)

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

В результате насыщения материала водой и нарушения связей между частицами материала из-за проникновения молекул воды между кристаллами и в трещины материала прочность его снижается. Это состояние материала характеризует коэффициент размягчения , который равен отношению предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой , к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии .

, отн. (1.13)

Этот коэффициент характеризует водостойкость материалов. Для глины и гипса он близок к нулю, металла и стекла равен единице. Материалы с Кразм > 0,8 считают водостойкими, с Кразм< 0,8 – не водостойкими и применять их в несущих конструкциях, испытывающих постоянное действие воды, не разрешено (фундаменты зданий, дамбы, плотины).

Влагоотдача – способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности влажности образца и окружающей среды. Чем она выше, тем интенсивнее идет высушивание изделия. Крупнопористый гидрофобный материал отдает воду быстрее, чем мелкопористый гидрофильный. В естественных условиях влагоотдачу строительных материалов характеризуют интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и температуре равной 20 °С.

Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением через свою толщу. Водопроницаемость оценивают по коэффициенту фильтрации .

, м/с (1.14)

Коэффициент фильтрации равен объёму воды (м³), проходящей через стенку площадью S =1 м² и толщиной в a =1 м за время t =1 час при разности гидростатического давления на границе стенки (p₁- p₂) = 1 м водяного столба.

Особенно важно это свойство при строительстве гидротехнических сооружений (дамбы, плотины, молы, мосты), резервуаров, возведении стен подвалов при наличии грунтовых вод. Коэффициент фильтрации непосредственно связан обратной зависимостью с водонепроницаемостью материала. Чем ниже , тем выше марка по водонепроницаемости.

Водонепроницаемость бетона и других материалов характеризуется маркой W2, W4...W12, обозначающей одностороннее гидростатическое давление в кг/см² (атмосферах), при котором образец не пропускает воду в условиях стандартных испытаний. Испытания проводят на специальной установке.

Морозостойкость – способность материала сохранять свою прочность при многократном попеременном замораживании в водонасыщенном состоянии и оттаивании в воде. (ГОСТ) Для материалов, эксплуатируемых в условиях знакопеременных температур наружного воздуха, морозостойкость является одним из важнейших свойств, обеспечивающих их долговечность (дорожные покрытия, бордюрные камни, стеновые материалы). Разрушение материалов при их замораживании в водонасыщенном состоянии связано с образованием в порах льда, объем которого примерно на 9 % больше объема замерзшей воды. Поэтому если все поры в материале будут заполнены водой, то разрушение должно было бы произойти после первого цикла замораживания. Способность материала противостоять морозному разрушению обусловлена, в первую очередь, присутствием в его структуре определенного объема замкнутых пор, в которые и отжимается часть воды под действием давления растущих кристаллов льда. Таким образом, главными факторами, определяющими морозостойкость материала, являются показатели структуры, от которых зависят степень их насыщения водой и интенсивность образования льда в порах.

Дата добавления: 2014-01-07