Основные свойства строительных материалов

1. Основные свойства строительных материалов

Строительные материалы и системы
Лекция №1
А.С. Пилипенко, кафедра строительного материаловедения, НИУ МГСУ, 2023 год

2.

1.
Значение
строительных
материалов
для
строительства. Нормативная база в области строительных
материалов.
2.
Понятие
материаловедения.
Классификация
строительных материалов по назначению. Понятие
структуры материала (макроструктура, микроструктура,
внутреннее строение). Понятие состава (химический,
минеральный, фазовый составы). Взаимосвязь состава,
строения и свойств материала.
3. Параметры состояния. Понятие объёма пористого
материала. Истинная плотность. Средняя плотность.
Насыпная плотность. Относительная плотность. Методы
определения различных видов плотности. Структурные
характеристики. Пористость. Виды пористости. Влияние
пористости на свойства материала. Методы определения.
Коэффициент плотности. Удельная поверхность.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
2

3.

4.
Гидрофизические
свойства.
Влажность.
Гигроскопичность. Водопоглощение (по массе и по
объему).
Коэффициент
насыщения
пор
водой.
Водостойкость.
Морозостойкость.
Методы
оценки
морозостойкости.
Водонепроницаемость.
Паропроницаемость.
5. Физико-механические свойства. Прочность, предел
прочности. Деформативные свойства (деформации,
упругость, пластичность, хрупкость, закон Гука, модуль
Юнга). Удельная прочность. Твердость. Истираемость.
6. Теплофизические свойства. Теплопроводность.
Коэффициент
теплопроводности.
Термическое
сопротивление. Теплоёмкость. Огнестойкость, понятие
предельного
состояния,
предела
огнестойкости.
Огнеупорность, тугоплавкость. Коэффициент линейного
температурного расширения. Горючесть.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
3

4. Литература (основная)

1. Микульский В.Г., Сахаров Г.П. и др. Строительные
материалы
(Материаловедение.
Технология
конструкционных материалов). М.: Издательство АСВ,
2007, 520 с.
2. Попов К.Н., Каддо М.Б. Строительные материалы и
изделия. М.: Высшая школа, 2008, 440 с.
3. Попов К.Н., Каддо М.Б., Кульков О.В. Оценка качества
строительных материалов. М.: Высшая школа, 2004, 287 с.
4. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение. М.:
Высшая школа, 2003, 701 с.
5. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы
физико-химического анализа вяжущих веществ. М.:
Высшая школа, 1981, 335 с.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
4

5.

Строительное материаловедение
Материаловедение – это наука, изучающая связь состава,
строения и свойств материалов, закономерности их изменения
при физико-химических, физических, механических и др.
воздействиях.
При
подготовке
специалистов
по
направлению
«Строительство» дисциплина «Материаловедение. Технология
конструкционных материалов» занимает особое место.
Строительные материалы оказывают решающее влияние на
технико-экономическую
эффективность,
безопасность
строительства и эксплуатацию зданий и сооружений.
Строительные материалы составляют более 50 % сметной
стоимости объектов. Данная дисциплина является первой
инженерной дисциплиной, которая закладывает базу для
изучения специальных дисциплин – строительных конструкций,
технологии
строительного
производства,
экономики,
управления и организации строительства, архитектуры и др.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
5

6.

Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
6

7.

Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
7

8.

Методология изучения строительного
материаловедения
Основной задачей любого строительного материала является
его рациональное применение в современном строительстве.
Для облегчения изучения строительного материаловедения
рекомендуется классифицировать любой изучаемый материал
по характеристикам его состава, структуры, основных свойств,
технологии получения и рациональных областей применения.
На основании классификации обучающийся может составить
логическую и непротиворечивую структуру знаний об
изучаемом материале.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
8

9.

Пример схемы формирования представления о материале:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Родовое понятие (наименование материала, отображающее
его суть);
Состав материала (химический, фазовый, вещественный и
т.д.);
Структура материала;
Основные свойства материала с выделением экстремальных
их значений;
Назначение материала как следствие его свойств;
Рациональные области применения в строительстве.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
9

10.

Нормативная база строительства
В 2003 году в нашей стране был принят Закон «О техническом
регулировании». В этом законе на первое место поставлено
обеспечение безопасности жизни и здоровья людей, охрана
окружающей среды, имущества при всех видах собственности.
По этому закону разрабатываются Технические регламенты в
виде обязательных требований к продукции, процессам
производства, работам и услугам, правилам эксплуатации,
перевозки и хранения строительной продукции. Общее
количество нормативных документов в области строительства
до вступления в силу этого закона составляло более пяти тысяч.
С выходом же этого закона (а так же Градостроительного
кодекса Российской Федерации чуть позднее) количество
нормативных документов в значительной степени снизилось.
Все нормативные документы в строительстве представляют
собой единую систему, элементы которой взаимосвязаны.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
10

11.

Основными нормативными документами в области
строительства являются строительные нормы и
правила, которые определяют все основные
требования и принципы строительства. СНИПы
разрабатываются органами исполнительной власти и
управления строительством и охватывают абсолютно
все этапы строительства и виды строительной
деятельности. Знакомство с такими нормативными
документами, как строительные нормы и правила
(СНиПы) является обязательным для всех, чья
деятельность
так
или
иначе
связана
со
строительством.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
11

12.

Благодаря системе нормативных документов в области
строительства
строительная
продукция
полностью
соответствует собственному назначению, а также обладает
высокими показателями по таким параметрам, как качество и
надежность. Здания и сооружения, построенные в строгом
соответствии со СНиПами и прочими нормативными
документами, не представляют угрозы для окружающей среды,
поскольку для их строительства должны использоваться
материалы, соответствующие нормам. Стоит отметить, что
система нормативных документов не является закрытой,
поскольку в уже существующие строительные нормы и правила
достаточно часто вносятся изменения, а с появлением новых
строительных материалов требуется разработка нового СНиПа,
который бы регламентировал работу с ними.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
12

13.

Помимо производственно-отраслевых стандартов нередки
случаи, когда строительные организации вынуждены соблюдать
определенные технические условия. Как правило, технические
условия необходимы в том случае, если (как и в случае с
производственно-отраслевыми стандартами) на них дается
ссылка в договоре или в техдокументации, а так же если речь
идет о продукции, которая выпускается на основе
принципиально новых технологий или с использованием новых
материалов, с которыми ранее не сталкивались.
Обычно
технические
условия
разрабатываются
производителями сразу после выпуска какой-либо новой
продукции. Составляются технические условия на основе общих
правил их изложения, оформления и согласования. При этом
данные правила в обязательном порядке регламентируются
Межгосударственным стандартом ГОСТ 2.114-95 («Единая
система конструкторской документации. Технические условия»).
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
13

14.

Единая система конструкторской документации (ЕСКД) комплекс государственных стандартов, устанавливающих
взаимосвязанные правила, требования и нормы по разработке,
оформлению и обращению конструкторской документации,
разрабатываемой и применяемой на всех стадиях жизненного
цикла изделия (при проектировании, разработке, изготовлении,
контроле, приемке, эксплуатации, ремонте, утилизации).
Включает в себя:
- Государственные стандарты (ГОСТ);
- Строительные нормы и правила (СНиП);
- Своды правил (СП);
- Единые нормы и расценки (ЕНиР);
- Технические условия (ТУ) и стандарты организаций:
отраслевые стандарты (ОСТ), стандарты предприятий (СТП) и т.
д.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
14

15.

Уровни стандартизации:
1. Международная стандартизация.
2. Межгосударственная стандартизация.
3. Национальная стандартизация.
На международном уровне регулирующей организацией
является Международная организация по стандартизации
(ИСО, International Organization for Standardization, ISO).
Межгосударственная стандартизация производится на
основании договорённостей нескольких стран (стандарты СНГ и
EN).
Национальная стандартизация производится в отдельной
стране (стандарты ГОСТ для Российской Федерации, DIN для
Германии, BS для Великобритании, JIS для Японии и т.д.).
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
15

16.

Строительные материалы и безопасность
Концепция безопасности по отношению к строительным
материалам обозначает обеспечение функциональных свойств,
экологической чистоты, пожаробезопасности и безвредности
материалов в течение всего их срока службы. Это относится к
конечной строительной продукции – конструкции, здания,
сооружения, которые сделаны из строительных материалов.
Поэтому для обеспечения безопасности необходимо знать
функциональное назначение, условия эксплуатации конечной
продукции при изучении, выборе и разработке строительного
материала, что обеспечивает стабильность его показателей во
время эксплуатации.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
16

17.

Классификация по назначению
Строительные материалы классифицируют по
назначению на 2 группы:
1 группа: конструкционные материалы для несущих
конструкций (природные каменные материалы,
бетоны, растворы, керамика, стекло, ситаллы,
металлы, полимеры, древесина, композиты и др.);
2 группа: строительные материалы специального
назначения - теплоизоляционные, акустические,
гидроизоляционные,
герметики,
кровельные,
отделочные,
антикоррозионные,
огнеупорные
материалы, материалы для радиационной защиты и
т.д.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
17

18.

Основные свойства
Свойства материалов имеют названия и оцениваются
численными значениями, которые устанавливаются путем
стандартных испытаний.
Надежность (Sustainability) – это комплексное свойство
объекта сохранять во времени в установленных пределах
значения всех параметров при выполнении требуемых функции
в заданных условиях эксплуатации и технического
обслуживания.
Она
складывается
из
долговечности,
безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Безотказность (Reliability, failure-free operation) – свойство
объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в
течение времени.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
18

19.

Долговечность (Durability, longievity) – свойство объекта
сохранять работоспособное состояние до наступления
предельного
состояния
при
установленной
системе
технического обслуживания и ремонта (срок службы).
Например, для железобетонных и каменных конструкций
нормами предусмотрены три степени долговечности: I –
соответствует сроку не менее 100 лет; II – 50 лет; III – 20 лет.
Ремонтопригодность (Maintainability) – свойство объекта к
поддержанию и восстановлению работоспособного состояния
при техническом обслуживании и ремонте.
Сохраняемость (Storability) – свойство объекта сохранять в
заданных пределах значения параметров при выполнении
требуемых функций (иногда трактуется – после хранения и
транспортировки).
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
19

20.

Виды составов материалов
Все строительные материалы имеют состав. Они
характеризуются химическим, минеральным, фазовым и
вещественным составом.
Химический состав – это количество химических элементов
или оксидов в материале. Он позволяет судить об
огнестойкости, биостойкости, механических свойствах и т.д.
материалов.
Пример представления химического состава
Материал
Фельзит
Известняк
Природный
гипс
SiO2
76,70
0,69
AL2O3 Fe2O3
13,08 1,23
1,15
0,52
Содержание, масс.%
СаО MgO
К2О
0,15
0,12
4,10
54,0
0,49
-
2,25
0,03
34,53
-
-
-
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
Na2O
3,60
-
SO3
-
D
42,92
-
42,50
18,44
20

21.

Минеральный состав показывает, какие минералы и
в каком количестве содержаться в строительном
материале.
Пример представления минерального состава
СаО
SiO2
Химический состав, мас.%
23 - 28
20 - 28
SO3
27 - 36
В2О3
Fe2O3
0,7-1,2
0,7 - 3,0
Н2О (кристаллическая)
12-15
Минералогический состав, мас.%
Двуводный гипс
50-56
Аморфный кремнезем
16-22
Недоразложившиеся
4-12
минералы
Борная кислота
1-2
Ангидрит (при хранении на
11-20
воздухе переходит в
двуводный гипс)
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
21

22.

Фазовый состав материала – это наличие твердого вещества
или каркаса, пор, заполненных воздухом или другим газом, и
воды. Причем, если поры материала заполнены водой, то его,
например, теплофизические свойства существенно изменяются,
так же, как и влажностные деформации. Если вода в порах
замерзает, то она изменяет свое фазовое состояние и возникают
большие напряжения, которые изменяют механические и
деформативные свойства.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
22

23.

Вещественный состав составляют вещества,
входящие в материал (например, многокомпонентные
цементы и др.).
Пример представления вещественного состава
Тип цемента
I, l-G, I-H
II
III
Сод.
клинкера,
%
100
80—94
30-89
Содержание добавки, %
Специальная облегчающая
Минеральная добавка
или утяжеляющая
Не допускается
6-20*
—
—
11-70
* Добавок осадочного происхождения не должно быть более 10 % массы цемента
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
23

24.

Взаимосвязь состава, структуры и свойств
От состава материала зависит его структура или строение,
которые, в свою очередь, влияют на его свойства. В
материаловедении принято использовать термин строение
материала. Существует научно доказанная взаимосвязь между
тремя составляющими выражения: «состав – структура –
свойства».
Строение материала изучают на 3-х уровнях:
1. Макроструктура материала – строение, видимое
невооруженным глазом.
2. Микроструктура материала – строение, видимое в
оптический микроскоп.
3. Внутреннее строение материалов – изучаемое на
молекулярно-ионном уровне методами рентгенофазового,
рентгеноструктурного анализов и электронной микроскопии.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
24

25.

Состав
Свойства
Структура
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
25

26.

Макроструктура твердых строительных материалов может
быть следующих типов:
• конгломератная (бетоны);
• ячеистая (газобетоны и пенобетоны, ячеистые пластмассы);
• мелкопористая (керамика);
• волокнистая (древесина, стеклопластики, минеральная вата);
• слоистая (фанера, слоистые пластики: бумопласт, текстолит);
• рыхлозернистая (заполнители для бетона, наполнители для
цементов, пластмасс и др.);
• макроструктура природных каменных материалов.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
26

27.

Микроструктура материала может быть кристаллической и
аморфной (иногда выделяют ещё аморфно-кристаллическую).
Кристаллическая микроструктура выражена присутствием в
материале кристаллической решетки – упорядоченное
расположение структурных элементов (ионов, атомов и молекул)
в пространстве. Аморфные материалы обладают хаотичным
расположением структурных элементов.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
27

28.

Кристаллическая форма всегда более устойчивая.
Она имеет постоянную температуру плавления и
определенную геометрию кристаллов, составляющих
материал.
Аморфные
материалы
обладают
нерастраченной
внутренней
энергией
кристаллизации, химически более активны, чем
кристаллические того же состава (аморфные формы
кремнезема — пемза, туфы, трепелы, диатомиты).
Теплопроводность аморфных материалов ниже, чём у
кристаллических.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
28

29.

Кристаллические материалы одного и того же
состава могут обладать различными свойствами, если
они формируются в разных кристаллических формах,
называемых модификациями (примером может
служить твердая фаза углерода, в зависимости от
состава представляющая собой алмаз (структура в
виде тетраэдров) и графит (структура в виде 6угольных пластинок, расположенных параллельно
друг относительно друга).
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
29

30.

Внутреннее строение материалов может быть в виде
кристаллических решеток из нейтральных атомов одинаковых
элементов (алмаз) или разных (кварц или разновидности SiO2);
ионов (СaCO3, металлы); молекул (кристаллы льда).
От внутреннего строения зависят все свойства материалов.
Оно может изучаться методами рентгеноструктурного анализа,
на сканирующем и растровом микроскопах-микроанализаторах
и др.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
30

31.

Металлические свойства
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
31

32.

Основные свойства строительных материалов в своей сумме
показателей формируют основные показатели качества
материалов, их отношение к различного рода нагрузкам,
взаимоотношение с другими материалами и в конечном итоге –
качество и долговечность строительной конструкции в целом.
К основным свойствам строительных материалов относятся
именно те свойства, по которым чаще всего формируется марка,
класс или сорт материала. В строительных конструкциях,
испытывающих большие нагрузки, основным свойством всегда
считался предел прочности строительного материала. Каждый
строительный материал имеет десятки показателей по своим
свойствам, однако к основным свойствам строительного
материала относят, прежде всего, те, которые формируют
основное назначение материала.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
32

33.

Свойства строительных материалов
Физические
Физикомеханические
Химические
Технологические
Общефизические
Гидрофизические
Теплофизические
Акустические
Предел
прочности
Химическая
активность
Формуемость
Плотность
Гигроскопи
чность
Теплопров
одность
Звукопогло
щение
Сжатие
Коррозионная
стойкость
Вязкость
Водопогло
щение
Теплоёмкос
ть
Звукоизоля
ция
Растворимость
Ковкость
Водонепро
ницаемость
Огнеупорн
ость
Вибропогл
ощение
Твёрдость
Гигроскопи
чность
Жаростойк
ость
Виброизол
яция
Истираемость
Морозосто
йкость
Горючесть
Истинная
Средняя
Насыпная
Пустотность
Пористость
Общая
Открытая
Растяжение
Изгиб
Свариваемость
Гвоздимость
Ударная
вязкость
Воздухосто
йкость
Износостойкос
ть
Закрытая
Биологические
Эстетические
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
33

34. Физические свойства

Каждый строительный материал имеет параметры состояния
в момент его осмотра или исследования.
К ним относятся плотность, пористость и влажность.
Плотность (г/см³, кг/м³) – физическая величина,
определяемая массой единицы объёма материала.
Любой материал состоит из твердого вещества и пор (за
исключением абсолютно плотных материалов: например,
металлов). Поэтому объем материала в естественном состоянии
(Vе) складывается из объема вещества в абсолютно плотном
состоянии (Vа) и объема пор (Vп):
Vе = Vа + Vп.
Строительные материалы, А.С. Пилипенко, НИУ МГСУ
34

35.

Истинная плотность – это масса единицы
объема материала в абсолютно плотном (т.е.
без пор) состоянии: