Введение. Раздел 1: Свойства архитектурно-строительных материалов; взаимосвязь материалов и архитектуры

АРХИТЕКТУРНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. СТРУКТУРЫ ДАННЫХ.

Раздел 1: Свойства архитектурно-строительных материалов; взаимосвязь материалов и архитектуры.

1.1. Роль строительных материалов на стадии проектирования, строительства и эксплуатации сооружения.

Строительные материалы непосредственно влияют на восприятие архитектурного образа объекта, на его качество и экономические требования. Архитектор должен понимать, что строительные материалы выполняют комплекс функций, связанных с технологией строительных работ, эксплуатацией и композиционным строением здания, а также его стоимостью, включая цены и затраты на применение и эксплуатацию. Работа с материалами предполагает учёт действующих архитектурно-строительных норм и правил, а также природных и социальных факторов.

Строительное материаловедение – наука о строительных материалах, их составе, свойствах, внутреннем строении, технологии их изготовления и областях применения, а также о долговечности, надежности и конструкции зданий и сооружений. Строительное материаловедение является фундаментальной наукой прикладного характера и состоит из трёх компонентов: из практики, из теории и из мировоззренческих основ.

Практика – приоритетная часть строительного материаловедения. Она включает в себя знания о производстве строительных материалов и изделий из них и многообразного сырья. Она включает знания о технологии производства материалов, их основных свойствах, методах испытания, целесообразности применения тех или иных материалов или изделий в строительстве, а также знания о правилах эксплуатации.

Теория составляет сумму знаний обо всех материалах в их сложной совокупности и посвящена вскрытию и описанию общих закономерностей связи свойств материала с особенностью его строения и со свойствами тех веществ, из которых данный материал состоит. Также она посвящена описанию научных принципов и законов, лежащих в основе производства и при переработке строительного материала в изделие. Теория раскрывает сущность явлений и процессов, связанных с возникновением новообразований микро и макроструктурных элементов, их взаимосвязей при переработке и формировании единой структуры монолитно-строительных материалов. В ней содержится классификация материалов, методы оптимизации состава и структуры материала и методы проектирования этого состава с заданными свойствами.

Мировоззренческие основы науки способствуют обоснованному прогнозированию развития практики. Представляются прогрессивные и передовые технологии строительных материалов на уровне мировых достижений, в том числе безотходное производство с учётом долговечности, экологичности и защиты окружающей среды. Учитываются современные технологии.

3 Этапа развития материаловедения:

1 – Появляются основные понятия о материалах и их свойствах. Для этого этапа характерно небольшое количество разновидностей и опытных данных по качественным характеристикам материалов. С древних времён до начала второй половины 19 века. Знания получали философы, изучая материю. Большой вклад внесли такие учёные как Ломоносов и Менделеев.

2 – Со второй половины 19 века и закончился в первой половине 20 века. Закончился массовым производством строительных материалов и изделий, созданием новых материалов и их выпуском. Это связано с общим прогрессом промышленности и с массовым строительством гражданских и промышленных сооружений. Характерным является конкретное изучение составов и качества изучаемых материалов. Прогрессирует не только использование, но и переработка сырья, в связи с проблемой загрязнения окружающей среды и невозможности восстановления некоторых ресурсов. Происходит изучение различных методик испытания материалов.

3 – С начала 20 века и по нынешний период. Рост объёма производства традиционный, появление новых строительных материалов. Углубление специализированных наук об этих материалах. Интеграция научных знаний о строительных материалах и их свойствах.

К основным критериям выбора современного материала с эксплуатационно-технической и экономической точек зрения относятся: наличие заводского (лицензированного) производства, сравнительно меньшая средняя плотность при сохранении требуемой прочности и других эксплуатационно-технических характеристик, многофункциональность, возможность снизить расход энергетических ресурсов при эксплуатации зданий и сооружений.

Преимуществом заводского выпуска материалов считается мобильность производства (возможность его перестройки), возможность заказа архитектором, дизайнером, реставратором материалов с требуемыми характеристиками, безопасность, благоприятные условия труда.

Роль архитектора: формирование и выбор строительных материалов. Требования: умение правильно формировать необходимые требования к материалам, знание конструкции и основ фундаментальных наук, в том числе истории, связь с производственным материаловедением (посещение специальных выставок, чтение журналов, посещение конференций), помнить о назначении архитектора как социального работника (приоритет – человек и природа, цель – экономия, польза и красота).

1.2. Взаимосвязь строительных материалов, конструкции и архитектурной формы.

Свою вещественную форму архитектура обретает с помощью материалов, которые являются основой развития новых конструктивных структур. В современных условиях роль материальной базы архитектуры постоянно возрастает. Материалы определяют осуществление творческого замысла и реальность новых архитектурных форм. Кроме этого материалы обуславливают характер и эстетическую выразительность формы, а также экономическую и функциональную целесообразность сооружения.

Материал является мощным объективным стимулом развития современной архитектуры. Виды и свойства материалов и изделий из них связаны с процессами создания, развития и восприятия архитектурной формы.

Вплоть до 20 века при строительстве зданий и сооружений используются преимущественно материалы, которые выдерживают значительные нагрузки при сжатии, но обладают плохими характеристиками по прочности на изгиб и растяжение. Зодчие не могли не учитывать эти свойства материалов при создании архитектурных форм.

Много столетий спустя определенные архитектурные формы из камня стали «легкими» (готика). Это архитектурная вершина природного камня. Хотя тяжёлые свойства остаются неизменными.

Стоечно-балочная система	Сводчато-арочная система	Подвесная система

С начала 20 веков при строительстве зданий и сооружений стала широко выделяться подвесная конструктивная система, так как появилась возможность применять в строительстве высокие прочностные характеристики при изгибе и растяжении таких материалов как металл и железобетон. Расход материалов при этом минимален (квантовые конструкции). Кроме металла широкое применение получили пластмассы, которые помогают создавать лёгкие и прочные оболочки. Создание новых строительных материалов привело к изменению традиционных архитектурных форм.

Материал и конструктивная форма имеют тесную связь. Формы и внешний вид объёмов могут заметно меняться с учётом возможности использования определённого материала, но в современных условиях проявляется и обратная связь – создание и развитие архитектурных форм даёт развитие производству материалов с заданными характеристиками.

Эмоциональное воздействие архитектурной формы в большей мере связано с фактурой, цветом и текстурой лицевой поверхности материалов. Именно эти характеристики оказывают большое влияние на соответствующий зрительный образ. Архитектор должен ясно представлять, что эстетический свойства материалов – мощное, активное и мобильное оружие в его руках, позволяющее усилить, развить и акцентировать основную художественную идею проекта.

С психологической точки зрения заметную роль играют сложившиеся представления человека о таких эксплуатационно-технологических свойствах материала как прочность и долговечность.

Выбор цвета, фактуры, рисунка поверхности отделочных материалов должен быть непосредственно связан с функциональным назначением помещения, его размерами и композицией.

Экономические показатели архитектурно-строительной, дизайнерской и реставрационной деятельности в большей мере связаны с применяемыми материалами (до 50% стоимости современной конструкции приходится на стоимость материалов, которую следует оценивать с учётом на будущую эксплуатацию).

1.3. Классификации, свойства и оценка качества строительных материалов. Взаимосвязь их свойств и областей применения.

Классификации:

1. Архитектурно-строительные классификации готовых к применению материалов и изделий по назначению

А. Конструкционные материалы и изделия

А-1. Материалы и изделия для несущих конструкций (камень, сталь, древесина)

А-2. Материалы и изделия для ограждающих конструкций

А-3. Тепло и звукоизоляционные конструкционные материалы (легкие, пористые)

А-4. Кровельные материалы (шифер, черепица, оцинкованное железо, мягкая черепица)

А-5. Гидро и пароизоляционные материалы (разного вида обмазки)

А-6. Герметизирующие материалы и изделия

А-7. Материалы и изделия для светопрозрачных ограждений (окон и дверей)

А-8. Материалы и изделия для инженерно технического оборудования зданий (система отопления, система кондиционирования, система света и т.п.)

А-9. Материалы и изделия специального назначения (жаростойкость и огнеупорность)

Б. Конструкционно-отделочные

Б-1. Материалы и изделия для лицевых слоёв ограждающих конструкций типа «сэндвич» (облицовка)

Б-2. Материалы и изделия для ограждений, балконов и лоджий

Б-3. Материалы и изделия для покрытия полов и лестниц (прочность, огнеупорность, эстетичность)

Б-4. Материалы и изделия для сборно-разборных, мобильных и стационарных перегородок

Б-5. Материалы и изделия для подвесных потолков (лёгкость конструкции, стальные подвесы)

Б-6. Материалы и изделия для стационарного оборудования и мебели (стекло, дерево, металл, пластик)

Б-7. Материал для дорожных покрытий

В. Отделочные

В-1. Для наружной отделки зданий и сооружений (краски для фасадных работ, полимерцементные покрытия, листовые материалы)

В-2. Внутренняя отделка (керамика, керамогранит, обои)

В-3. Защитные покрытия (антикоррозийные, морилки)

Классификация по происхождению. Материалы делятся на минеральные и органические. Кроме того, они делятся на естественные и искусственные. Так же есть классификация искусственных материалов на основе формирования структуры, свойств и методов исследования (классификация по технологии) на:

1 – Безобжиговые (затвердевание которых происходит при сравнительно невысоких температурах под влиянием химических и физико-химических превращений вяжущего вещества).

2 – Обжиговые (затвердевание которых происходит при остывании жидких расплавов, выполняющих функцию вяжущего вещества).

Классификаций Структурных классификаций по материалам множество, например классификация по макро и микро структурам, классификация на гомогенные и гетерогенные, классификация архитектурно-строительных требований, классификация по свойствам строительных материалов и изделий и другие.

Область науки, занимающаяся методами количественной оценки качества продукции, называется квалиметрией. Основные понятия квалиметрии:

1 – Объект – подвергаемый полиметрическому анализу материал или изделие, не зависимо от его вида, назначения, состава и прочего.

2 – Свойства – характеристика материала или изделия, проявляющаяся в процессе его переработки, применения или эксплуатации.

3 – Качество – свойство или совокупность свойств как функциональных, так и эстетических, обуславливающих способность материала или изделия удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением.

Свойства бывают простые и сложные. Простое свойство – свойство, которое нельзя подразделить на другие (длина, вес и т.д.). Сложное свойство – свойство материала или изделия, которое может быть разделено на 2 и большее количество менее сложных и простых свойств (функциональность).

Интегральные качества – наиболее сложные свойства материала или изделия, определяемые совокупностью его качества и экономичности.

Комплексные свойства. К ним относятся долговечность, надёжность, совместимость, сопротивление коррозии и т.д.

С экологической позиции, строительные материалы, конструкции и изделия из этих материалов должны отвечать следующим требованиям:

1 – Монотеплопроводимость (обеспечение достаточного термического сопротивления)

2 – Иметь хорошую воздухопроницаемость и пористость

3 – Быть не гигроскопичными и малозвукопроводимыми

4 – Обеспечение прочности, огнестойкости, долговечности зданий и сооружений

5 – Не выделять летучие и пахучие вещества, способные прямо или косвенно влиять на здоровье человека

6 – Быть легкодезинфицируемыми

7 – Иметь окраску и фактуру соответствующую физиологическим и эстетическим требованиям человека

Свойства строительных материалов и изделий по их природе классифицируются на 3 основных группы: физические, механические и химические и 2 добавочные группы: биологические и эстетические.

Физические свойства: плотность, пористость, гигроскопичность, водопоглощение, влагостойкость, водопроницаемость, термостойкость, морозостойкость…

Механические свойства. Это способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил, прочность при сжатии, растяжении, ударе, изгибе и т.д. Твёрдость, упругость, хрупкость, пластичность, истераемость…

Химические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться действию химически агрессивной среды. Кислотостойкость, щелочестойкость…

Биологические свойства характеризуют стойкость материалов и изделий к органике.

Эстетические свойства материалов (архитектурно-художественные) объединяют 2 группы свойств. Первая характеризует эстетичность материалов и изделий. А вторая характеризует эстетичность сочетаний с другими материалами и изделиями и с окружающей средой.

1.4.Природные строительные материалы из камня и на основе древесины.

Природные каменные материалы и изделия.

Область применения: для изготовления тонких облицовочных плиток, для тяжёлых крупных стяговых и фундаментальных блоков, для изящной декоративной резьбы, для грубой брусчатки мостовых, для монументов, для утилитарных сельскохозяйственных построек. В настоящее время применяется в облицовочных работах, при благоустройстве, в районах добычи из камня делают стены, перегородки, фундаменты и перекрытия.

Горные породы – крупные природные скопления материалов более или менее постоянного геологического и химического состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Природная порода, состоящая из одного камня, считается мономинеральная, например кварц, известняк; состоящая же из нескольких называется полиминеральной, например, гранит.

Минерал – природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физических процессов в глубинах и на поверхности Земли. Минералы могут быть массивные, лёгкие, рыхлые, сыпучие, пластические и жидкие.

Горные породы по происхождению разделяются на три группы: изверженные (магматические), осадочные (пластовые), видоизменённые (метаморфозные).

Изверженные породы образовались в результате застывания магмы. Застывание подразделяется на глубинное и излившееся.

Осадочные породы образуются при разрушении горных пород под действием природных сил. Осадочные породы подразделяются на механические, химические и биогенные. Механические – рыхлые и цементированные. Химические – результат выпадения солей из водных растворов (магнезит, доломит, гипс, известковый туф). Биогенные – образовавшиеся в результате жизнедеятельности и вымирания организмов, которые жили как в морских, так и в пресных водах.

Метаморфические произошли из осадочных или изверженных пород, под воздействием температуры и давления менялась структура породы без изменения химического состава.

Виды и свойства:

1 – облицовочный камень. Объединяются каменные породы, которые пригодны для изготовления различных плиток и архитектурных деталей.

2 – Стеновой или тыльный камень. Объёдиняют каменные породы для перегородок, фундамента или каких либо других элементов.

3 – Дорожно-строительный камень. Для мостовых, отделки брусчатки. Главные качества: декоративность, прочность, долговечность, фактурность.

Камень делится на три категории: по твёрдости, по лёгкости и по плотности. У природного камня малая водопроницаемость и теплопроводность. Декоративные и прочностные свойства зависят от минералов, от структуры породы, от текстуры. Составы каменных пород подразделяется на силикатные, карбонатные, силикатно-карбонатные и сульфатные.

Необходима защита от коррозии. Для отделки зданий применяется полированный и шлифованный камень. Можно применять гидрофобные растворы с предварительной очисткой от грязи и пыли.

Природные материалы и изделия на основе древесины.

Это, как правило, древесина, подвергнутая сложной механической, физической и химической обработке. Нередко применяется композитная технология. Для строительных конструкций применяются хвойные породы, для отделки – лиственные.

Эстетические свойства:

– в отделке механические свойства (прочность, упругость, твёрдость)

– в конструкции технологические свойства (способы удерживать металлические лёгкие изделия, хорошая склеиваемоть, возможность к загибу, подверженность разрушению под воздействием влаги, грибков и насекомых)

Необходимо защищать: Покраска и антипиленовые пропитки. Существуют круглые лесоматериалы, пиломатериалы, фанера, столярные изделия, ДВП, ДСП, фибролит, карболит и т.д.

1.5. Искусственные строительные материалы.

Керамические изделия.

Керамикой называют поликристаллические материалы и изделия, спекаемые при высоких температурах природные глины и химические добавки.

Строительная и декоративная художественная керамика. Получается путём формирования, сушки и обжига.

Строительная керамика.

1. Терракота – обожженная земля

2. Майолика

3. Фаянс

4. Фарфор

5. Каменная масса

1. Неглазурованная естественно окрашенная керамика с характерным цветным пористым черепком. Применение: скульптура, плитка облицовочная, черепица.

2. Это керамика из цветной крупнопористой глины с крупнопористым черепком, покрытая глазурью. Известна с 10-11 века.

3. Фаянс – мелкопористый материал. Твёрдый, имеет белый цвет, хорошее водопоглощение, до 12 % покрыт тонким слоем глазури. Используется: сан фаянс, плитка облицовочная.

4. Фарфор – спеченный плотный керамический водонепроницаемый материал. Получают из массы при помощи высокотемпературного обжига. Изделия из фарфора не покрывают глазурью в отличие от фаянса.

5. Близкий к фарфору материал, отличается пористостью (Дорожное покрытие, облицовка)

Классификация керамики по структуре.

Пористый или плотный черепок. Глубокая или тонкая.

1. Глубокая пористая (водонепроницаемость 5-15%, черепица, дренажные трубы, плитка)

2. Грубая плотная (водопоглощение до 10%, водоупорный кирпич, кислотоупорный кирпич)

3. Тонкая пористая (фаянс)

4. Тонкая плотная (фарфор, каменная масса)

Классификация по названию и области применения.

Стеновые материалы и изделия, каменные перекрытия, кровля, внутренняя и внешняя обделка, дорожные покрытия, сантехника, трубы, декор…

Минералы и изделия из минеральных расплавов.

Минеральные (не металлические расплавы) представляют собой огненно-жидкие вязкие массы природного сырья и промышленные шлаки.

В зависимости от исходного сырья различают:

-Стеклянные, кварцевые породы

-Каменные (из магматических и горных пород)

-Шлаковые (промышленные шлаки)

При затвердевании превращаются в стекло или камень

Виды и свойства изделий на основе стекла.

Стекло – это твёрдый хрупкий материал аморфного строения, полученный при быстром охлаждении силикатных расплавов. Строение и свойства стекла в том, что при быстром охлаждении силикатного расплава не успевает охладиться.

В зависимости от исходного сырья:

1 – Листовое стекло

2 – Облицовочное стекло

3 – Конструктивно-теплоизоляционные погональные изделия

Оконное стекло

Облицовочное стекло (цветное)

Витринное стекло

Армированное стекло (металлической сеткой или проволокой 0,35-0,45)

Ламинированное стекло

Узорчатое стекло

Листовое теплопоглощающее стекло

Плоское зеркальное стекло (повышенная термостойкость)

Материалы и изделия на основе минеральных связующих.

Вяжущие в современном строительстве – главнейший строительный материал и сырьё для получения других материалов и изделий. Простейшие вяжущие (неводостойкие): глина, гипс, известь. Золу добавляют в связующее, чтобы превратить его в гидравлическое вяжущее.

Для укрепления строения бетона используют металлический каркас. Эта конструкция называется железобетоном.

Минеральные вяжущие вещества – порошкообразные вещества, которые при смеси с водой образуют пластичную, легко формирующуюся массу, постепенно затвердевающую до каменного состояния.

В зависимости от отношения к воде различают воздушные и гидравлические вяжущие вещества. В отдельную группу выделяют кислотоупорные вяжущие вещества.

Воздушные вяжущие способны сохранять твёрдость и стойкость только в воздушной среде, во влажной же среде теряют прочность (глина, гипсовые вяжущие, известь). Гидравлические вяжущие способны сохранять прочность и свойства, как в воздушной, так и во влажной среде.

Для эффективного протекания процесса твердения, необходимо, чтобы в твердеющем материале была влага. При недостатке влаги процесс твердения останавливается.

Гидравлическая известь, портландцемент и его разновидности – гидравлические связующие.

Свойства вяжущих: прочность, скорость отвердевания.

Прочность изменяется во времени, поэтому оценивают их по прочности, набранной за время твердения в условиях, установленных стандартами и именно этот показатель является маркой вяжущего. Марка гипсовых изучается по истечению 2 часов, а портландцемента – через 28 суток во влажных условиях при температуре +20°.

Скорость твердения. Делится на три категории (A, B, C) от быстрого затвердевания к медленному. Наибольшей скоростью затвердевания обладает гипс, наименьшей – воздушная известь.

Различают 2 стадии затвердевания:

1 – Схватывание

2 – Твердение.

В гипсовые связующие делают добавки для замедления процесса схватывания. Гипс не усаживается, он гигроскопичен. В помещениях с установленным гипсокартонном легко дышать. Но при намокании даёт реакцию и выделяет щёлочь.

Известь при твердении даёт усадку.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера. Клинкер используется для обладания в цементе силиката кальция. Получение:

1 – Получение сырьевой смеси

2 – Обжиг смеси до клинкера

3 – помол с добавками

В составе клинкера можно отметить несколько минералов и стекловидные вещества. От 60-80% его состав состоит из силикатов кальция. Свойства зависят от тонкости полмола клинкера.

Твердение: при смешивании с водой частицы цемента начиняют растворяться, одновременно происходит гидролиз и гидратация с образованием гидросиликатов, гидроксила кальция и других оксидных соединений. Основной продукт – гидросиликаты кальция.

Высоко молекулярные и синтетические вещества, способные самопроизвольно или под действием различных факторов переходить от жидкого состояния в твёрдое, и, как в жидком состоянии, так и в твёрдом имеющие адгезию – это органические вяжущие вещества. Они делятся на группы:

1 – чёрные (битум, дёготь)

2 – синтетические

3 – природные смолы и высокомолекулярные вещества

Полимеры получают из мономеров с помощью полимеризации или поликонденсации. Особую группу полимеров составляют каучуки. Различаются термопластичные и термореактивные. Термопластичные плавятся и затвердевают. Термореактивные – переход необратим.

Дата добавления: 2014-01-20