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.

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; пористость, влажность, влагоотдача, теплопроводность.

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.
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).
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.
Насыпная плотность (для сыпучих материалов) — масса единицы объёма рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
 

Преимущества и недостатки.

Вполне естественно, что у каждого стенового строительного материала имеются свои преимущества и недостатки, которые, так или иначе, влияют на область их применения. Мы рассмотрим такие популярные в последнее время материалы, как керамзитобетонные блоки, пенобетон, кирпич, газосиликатные блоки, опилкобетон и шлакоблок.

Керамзитобетонный блок имеет достаточно высокую прочность по сравнению с остальными блоками, а так же высокую морозостойкость. Это дает гораздо больший срок службы и высокую надежность конструкции, а также отсутствие усадки, что позволяет избежать появления трещин и деформации стен в процессе эксплуатации зданий из этого материала. К тому же керамзитобетон практически не поглощает влагу, и является стойким к погодным явлениям. В качестве достоинств также стоит отметить и его низкую стоимость.

К недостаткам использования керамзитобатона можно отнести неидеальную (по сравнению, например, с пенобетоном) форму блоков, а так же весьма внушительный вес.

Пенобетонный блок имеет значительно меньший вес и идеальную форму каждого блока, что в свою очередь облегчает монтаж. Запас прочности (как и срок службы пеноблока) достаточный, однако в силу низкой морозостойкости и высоких показателей водопоглощения требует обязательного утепления и герметизации.

К тому же весьма пористая структура блока не позволяет достаточно надежно закреплять в нем дюбеля, но при этом является весьма подходящей средой для развития различных грибковых образований. Высокие показатели пористости стали также причиной возникновения процессов усадки и растрескивания. А вот стоимость по сравнению с керамзитобетоном достаточно высокая.

Кирпич, как и керамзитобетонные блоки, имеет очень хороший запас прочности, а при правильной толщине стены еще и достаточную морозостойкость. Это делает стены из кирпича долговечными и стойкими к атмосферным явлениям. Благодаря низким показателям водопоглощения кирпич используют и в качестве облицовочного материала.

Заметными минусами этого строительного материала стали низкие теплоизоляционные свойства, трудоемкость монтажа, высокая стоимость самого кирпича и большой расход кладочной смеси (которая тоже благодаря наличию цемента стоит недешево).

Газосиликатные блоки имеют самый малый вес и идеальную форму. Это значительно облегчает монтаж и уменьшает время строительных работ. Есть возможность строительства с использованием клея вместо цементной смеси, что позволяет свести к минимуму неудобства при монтаже в жилой квартире.

Явными недостатками стало то, что газосиликатные блоки имеют весьма низкие показатели прочности и морозостойкости, а также хорошо поглощают влагу. К тому же, как и пенобетон, благодаря рыхлой структуре газосиликатные блоки склонны к образованию грибка и дают значительную усадку, что в свою очередь приводит к образованию трещин.

Опилкобетонные блоки имеют весьма низкую стоимость. К тому же явным преимуществом является их достаточно малый вес.

Но благодаря наличию отходов деревообрабатывающей промышленности (опилок) опилкобетонные блоки имеют высокий уровень водопоглощения. А плохая морозостойкость делает срок эксплуатационной службы ограниченным.

Мало того – наличие опилок в составе ухудшает форму блоков, так как в процессе прессования они изменяют геометрию блока.

Шлакоблок на сегодняшний день является устаревшим строительным материалом. Он имеет низкую экологичность из-за использования доменного шлака, а также низкие показатели по морозостойкости и водопоглощению. А это в свою очередь весьма существенно снижает срок службы этого строительного материала.

Но зато явными преимуществами являются низкая стоимость и небольшой вес. В настоящее время хорошей заменой шлакоблокам является керамзитобетон.
 

Конструктивные особенности.

Прочность - способность материала (изделия) сопротивляться разрушению или пластическому деформированию (необратимому изменению формы) под действием внешних нагрузок. От внешних нагрузок в материале возникают внутренние силы упругости. Физическая величина, количественно характеризующая интенсивность этих сил, приходящихся на единицу площади сечения, называется напряжением. За единицу измерения напряжения принят паскаль, численно равный давлению, которое вызывает сила в 1 ньютон, равномерно распределенная по поверхности площадью в 1 м.

Прочность изделия (детали, элемента конструкции) зависит от природы и состояния материала (материалов), формы и размеров изделия. Следует различать собственно прочность материала и конструкционную прочность материала конструкции с учетом технических, технологических и эксплуатационных факторов. Прочность образцов материала зависит от скорости приложения и характера нагрузки (кратковременной, длительной, ударной, комбинированной и т.п.), вида напряженного состояния (сжатия, растяжения, изгиба, сдвига, кручения или совместного влияния нескольких воздействий), температуры среды и других факторов.

Основной характеристикой прочности строительных материалов является кратковременная прочность, а ее количественной мерой - показатель предела прочности - напряжение, соответствующее статической (медленно нарастающей) нагрузке, вызывающей разрушение образца материала.

Показатели прочностных характеристик строительных материалов и изделий колеблются в широких пределах. Так, предел прочности при сжатии изменяется примерно от 0,1 до 2000 МПа. Материалы, отличающиеся высокой прочностью на сжатие (бетон, гранит, другие природные и искусственные каменные материалы), в 10-50 раз хуже сопротивляются растягивающим и изгибающим нагрузкам, что резко ограничивает сферу их применения в несущих конструкциях зданий и сооружений.

Кроме кратковременной прочности различают также показатели длительной (при длительном воздействии статической нагрузки и высокой температуры), усталостной (при воздействии циклически изменяющихся во времени нагрузок) и динамической (при динамической однократной или многократной циклической нагрузках) прочности.

Важное значение имеет теоретическая прочность, которая определяется расчетным путем, исходя из взаимодействия атомов в кристаллической решетке материала. Ее численные показатели, полученные методами физики твердого тела, по которым рассматривают идеализированную структуру материала, часто в десятки раз больше действительной прочности реальных материалов из-за дефектов их структуры (микротрещин).

Прочность материала на растяжение максимально приближается к теоретической прочности, когда испытывают не массивные обрати, а тончайшие нити и волокна (имеющие ориентированную молекулярную структуру в виде «цепочек», вытянутых по длине нити). Так. техническая прочность на разрыв стекла — 60—80 МПа, стеклянных волокон, применяемых для армирования стеклопластиков,-около 2000 МПа, т.е. такая же, как у высокопрочных сталей, а теоретическая в 1000 раз выше (около 80000 МПа). Для высокопрочной стали максимальная реально-достижимая прочность на растяжение 2000 3000 МПа. теоретическая около 30000 МПа. Алмаз и графит (кристаллические модификации углерода) практически не работают на растяжение, а их теоретическая прочность выше 200000 МПа.

В связи с тем что строительные материалы неоднородны по споен структуре, а их прочностные характеристики могут изменяться во время эксплуатации здания под действием переменной нагрузки, атмосферных факторов, агрессивной среды и 1.п., при расчете строительных конструкций   учитывают   коэффициент   запаса прочности, величины    которого    установлены нормами проектирования.

Часто для оценки эффективности конструкционных строительных материалов используют показатель удельной прочности, численно определяемый в условных единицах отношением предела прочности при сжатии (или растяжении) к средней плотности материала.

Вид динамической прочности материала при кратковременной интенсивной нагрузке ударного характера называют ударной прочностью, а свойство, характеризующее сопротивление материала разрушению или деформированию при ударе,- Ударной вязкостью. Сопротивление удару важно для материалов дорожных покрытий, покрытий полов, а также конструкций, подвергаемых при эксплуатации динамическим (ударным) нагрузкам.Для рулонных материалов (отделочных и гидроизоляционных пленок, обоев и др.) важной характеристикой является разрывная прочность (при надрезе), прочность при проколе, продавливании и т. п.Свойство твердых материалов изменять форму (линейные размеры) или объем под действием внешней нагрузки, а также собственной массы, температуры и других факторов называется деформируемостью. Форма и объем материала изменяются вследствие взаимного смещения материальных элементов без нарушения сплошности. По характеру деформаций различают: упругие - исчезающие после снятия нагрузки (или разрушения образца)- и пластические (остаточные) деформации - не исчезающие после снятия нагрузки.