Валов В.М. Введение в специальность. Проектирование зданий

Подождите немного. Документ загружается.

3. ЭЛЕМЕНТЫ АРХИТЕКТУРНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

3.1. Содержание курса материаловедения

Инженеру-архитектору необходимы не только глубокие знания но-

менклатуры выпускаемых и осваиваемых строительных материалов и из-

делий, их свойства и характеристики, рациональные области применения и

эксплуатационной надежности, но и возможности их совершенствования и

разработки новых. Условия эксплуатации материалов различных конст-

рукций и отделки зданий и сооружений определяют комплекс архитектур-

но-строительных требований, которым должны отвечать материалы и из-

делия.

Государственный образовательный стандарт (ГОС) предусматривает минималь-

ный необходимый объем знаний по дисциплине «Материаловедение. Технология

конструкционных материалов». Материаловедение включает: связь состава и

строение материалов с их свойствами и закономерностями изменения под воздей-

ствием различных факторов; управление структурой материалов для получения

заданных свойств; повышение надежности, долговечности; основные свойства

строительных материалов; механические свойства металлов и сплавов, компози-

тов, бетонов, неорганических и органических вяжущих материалов, теплоизоля-

ционных и акустических материалов, деревянных, полимерных отделочных мате-

риалов.

Технология конструкционных материалов включает: введение в теоретические и

технологические основы производства конструкционных материалов; основы

термической обработки металлов; основные сведения по технологии сварочных

работ; типы сварочных швов и соединений.

Материаловедение как наука изучает строение и свойства материалов,

вырабатывает принцип их структурообразования, технологии производст-

ва, определяет целесообразные области их применения.

3.2. Некоторые особенности взаимосвязи материала и архитектуры

История строительной техники знает примеры игнорирования физико-

механических свойств применяемых материалов, незнания и неумения ав-

тора правильно понимать и «чувствовать» работу материала в конструк-

ции, что неизбежно приводило к строительным катастрофам. «Как можно

уяснить причины катастрофы железнодорожного моста у Менхенштейна

(Швейцария) в 1896 г., если не знать, что строители применили вместо

проектной марки металла 3200 кг/см² с упругостью 1500 кг/см² сталь проч-

ностью 2600 кг/см² с упругостью 1000 кг/см², что они рассчитали раскосы

только на растягивающие усилия в 17,4 т, игнорируя сжимающую нагрузку

в 22,3 т. Не ясно ли отсюда, что изучение строительных материалов долж-

но быть необходимой составляющей истории строительной техники» [1].

Основная внутренняя проблема камня как строительного материала

обуславливается не менее чем деся-

тикратной разницей прочности на

сжатие и растяжение. Так, для гра-

нита с объёмной массой 2600–2700

кг/м³ предел прочности при сжатии

100–300 МПа, а при растяжении –

около 1,7–2,5 МПа или 1/40–1/60

предела прочности на сжатие. Эта

проблема особо ярко проявилась в

стоечно-балочной конструктивной

системе зданий. Верхняя зона сече-

ния архитрава (балки) работает на

сжатие, а нижняя зона – на растя-

жение. Попытки выполнять несу-

щие элементы перекрытий из кам-

ня потерпели крах: здания руши-

лись, как только пролёт архитрава

превышал его шестикратную высо-

ту. Поэтому, по правилам Витру-

вия, балки должны были быть

только деревянными.

Успехи, достигнутые строи-

тельной техникой за два тысячеле-

тия, поразительны. Если за 20 с

лишним столетий количество потреблённого полезного объёма строитель-

ного материала уменьшилось с 0,47 до 0,058, т.е. примерно в десять раз

(рис. 3.1), то с внедрением современных пневматических конструкций, ис-

пользующих сверхпрочные армированные полимерные плёнки, эта цифра

упала примерно до 0,0001, т.е. более чем в пятьсот раз! Во много раз вы-

росли пролёты и объемы перекрываемых пространств. А прогресс в разви-

тии, например, тентовых конструкций от палатки древнего кочевника до

современных изящных большепролётных покрытий целиком можно отне-

сти лишь к последним десятилетиям. Но наибольшего прогресса достигла

в последние столетия инженерно-строительная наука, которая лишь в XIX

в. приблизилась к решению практических задач. До этого времени опыт,

данные практики были почти единственным надёжным и испытанным

средством в руках архитекторов и инженеров-строителей. Доказательство

тому и бесчисленные строительные катастрофы, и огромный запас прочно-

сти многих сооружений. «Есть полное основание предположить, что

строители не вели «расчёта», что не всегда имели ясное представление о

действии сил, но обладали верным статическим чутьём, развитым на кон-

струкциях предшественников. Они были (скорее) слишком осторожными,

Рис. 3.1. Сравнительный расход материа-

ла на оболочку здания Пантеона в Риме и

сов

еменного з

ительного зала

[

]

чем слишком смелыми, и рациональными по затратам материала, несмотря

на кажущуюся лёгкость» [1].

Подобно многим прикладным наукам, в архитектурно-строительном

материаловедении приоритет принадлежит практике. Однако эффективное

изучение этой науки более целесообразно начинать с изложения ее теоре-

тических основ, в частности с изложения единой классификации строи-

тельных материалов.

Все строительные материалы и изделия классифицируются на группы

по следующим признакам: способу производства; виду исходного сырья;

назначению; областям применения; происхождению. До сих пор наиболь-

шее распространение имеет классификация строительных материалов и

изделий по так называемому технологическому признаку. Эта классифика-

ция нужна и полезна технологу производства материалов и изделий. Ин-

женеру-архитектору гораздо полезнее иметь классификацию строительных

материалов и изделий по назначению и областям их применения, а также

по происхождению и технологическому признаку.

Исходя из условий работы материала и конструкций в сооружении,

строительные материалы и изделия по назначению разделяется на две

группы (рис. 3.2) [1, 18].

Рис. 3.2. Архитектурно-строительная классификация готовых к применению материа-

лов и изделий по их назначению

Первую группу составляют материалы универсального типа, пригод-

ные для несущих конструкций: природные каменные материалы; искусст-

венные каменные материалы (бетоны, строительные растворы); получае-

мые обжигом минерального сырья (керамические материалы и изделия,

стекло, ситаллы); металлы (сталь, алюминий, сплавы); лесные материалы,

конструкционные пластмассы (стеклопластик и др.).

Вторая группа объединяет строительные материалы специального

назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных влияний

среды, а также для повышения эксплуатационных свойств зданий и созда-

ния комфорта: теплоизоляционные материалы; акустические; гидроизоля-

ционные; кровельные и герметизирующие; отделочные; антикоррозион-

ные; огнеупорные.

Инженеры-архитекторы, которым в практических целях более удобно

пользоваться классификацией материалов и изделий по их областям при-

менения, могут использовать данную классификационную систему как для

освоения номенклатуры и основ производства стройматериалов, так и для

выявления особенностей их использования, связанных с историей архитек-

туры и строительной техники.

По происхождению строительные материалы и изделия делят на ми-

неральные (цементы, керамика и т.п.) и органические (древесина, битумы,

пластмассы и т.п.). Согласно этой классификации, все материалы делятся

также на естественные, или природные, и искусственные. К первой

группе относятся природные каменные материалы, древесина и другие ма-

териалы на основе растительного сырья, битумные и дегтевые материалы;

ко второй – строительная керамика, материалы из минеральных расплавов,

металлы и сплавы, искусственные каменные материалы на основе мине-

ральных вяжущих, синтетические полимерные материалы, другие виды

искусственных материалов, включая обширную группу композиционных

материалов и материалов на основе отходов промышленности.

3.3. Структура и свойства материалов

К группе функциональных свойств строительных материалов и изде-

лий относятся физические, механические, химические, физико-

химические, биологические, эстетические и санитарно-гигиенические

свойства, которые определяют их функциональную пригодность к приме-

нению и эксплуатации в течение заданного срока службы, а также позво-

ляют судить об их технологичности как в производстве и укладке «в дело»,

так и в ремонте, реконструкции, модернизации и неизбежной утилизации.

Кроме этого, такое деление широко применяется для изучения и оценки

свойств материалов, для выявления закономерных связей между строением

и свойствами веществ и других исследовательских и прикладных целей.

К физическим свойствам материалов относятся:

• характеристики структур и массы – плотность, пористость, пустот-

ность и др.;

• свойства, определяющие отношение материалов к действию воды, па-

ра, газов – гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, влаго-

стойкость, паропроницаемость, газопроницаемость и др.;

• отношение материалов к действию тепла, огня, холода, электрическо-

го тока, звуковых волн, излучений – теплопроводимость, термостойкость,

огнестойкость, огнеупорность, хладостойкость, электропроводимость, зву-

коизолирующая способность, радиационная стойкость и др.;

• отношение к комплексному воздействию внешней среды, например,

одновременное действие воды и знакопеременных температур (морозо-

стойкость, влагостойкость, коррозионная стойкость и др.).

Одни физические свойства материала проявляются в процессе их про-

изводства и переработки (плавкость, ковкость, свариваемость, спекае-

мость, формуемость, растворимость и др.), другие – непосредственно в

процессе эксплуатации или через характеристики тех свойств материала,

которые определяют его функциональность и эстетичность. Так, плотность

и пористость влияют на его весовые и теплотехнические характеристики,

поверхностное и объемное водопоглощение, морозостойкость и загрезняе-

мость, воздухопроницаемость, звукопоглощение материалов и др.

Некоторые физические свойства строительных материалов и изделий

определяют их важное функциональное свойство – технологичность в

применении как удобство работы с материалами (изделиями) в процессе

его укладки «в дело». Таковы, например, удобоукладываемость, подвиж-

ность и жесткость бетонной смеси, вязкость, укрывистость и скорость вы-

сыхания (пленкообразование) красок, эластичность и гибкость рулонных

отделочных и кровельных материалов, сроки схватывания гипсового теста

и др.

Для инженеров и архитекторов не менее важны физические свойства

материалов, характеризующие их цвет, блеск, фактуру, текстуру и др.

Под механическими свойствами материалов понимают их способ-

ность сопротивляться деформированию и разрушению в сочетании с упру-

гим и пластическим поведением под действием внешних сил. К этим свой-

ствам относятся: прочность при сжатии, растяжении, изгибе, ударе, срезе,

кручении и др., твердость, упругость, деформативность, хрупкость, удар-

ная вязкость, пластичность, текучесть, ползучесть, выносливость (уста-

лость), истираемость и др.

Химические свойства материалов характеризуют их способность со-

противляться действию химически агрессивной среды, вызывающей в них

обменные реакции и приводящие к разрушениям материалов. Это – кисло-

тостойкость, щелочестойкость, стойкость к одновременному действию

комплекса химически активных агентов и др.

Кроме этих основных групп свойств можно выделить биологические

свойства строительных материалов и изделий, характеризующих их стой-

кость к действию грибков, микроорганизмов, насекомых и их личинок.

Следует отметить, что в эксплуатационных условиях строительные

материалы и изделия подвергаются, как правило, одновременному дейст-

вию физических, механических, химических, биологических, физико-

химических, химико-биологических факторов. Так, например, материалы

для наружных ограждающих конструкций здания подвергаются действиям

различных механических нагрузок, воды, тепла, холода, ультрафиолетово-

го излучения и других факторов внешней среды. Свойства материалов, ха-

рактеризующие их стойкость к такому одновременному или циклическому

действию различных агрессивных (разрушающих) факторов, являются

комплексными: долговечность, надежность, совместимость, длительная

прочность, износостойкость, теплостойкость, жаропрочность и жаростой-

кость, кавитационная стойкость, сопротивление коррозии и эрозии.

Санитарно-гигиенические характеристики материалов в основном

зависят от их химического состава и оцениваются методами санитарно-

химического анализа. Исключение составляет характеристика загрезняе-

мости, которая определяется главным образом наличием на поверхности

материала открытых пор.

Структурные характеристики материалов. Знание строения

строительного материала необходимо для понимания его свойств и в ко-

нечном итоге для решения практического вопроса, где и как применить

материалы, чтобы получить наибольший технико-экономический и эсте-

тический эффект. Строение материала изучают на трех уровнях: макро-

структура материала – строение, видимое невооружённым глазом; мик-

роструктура материала – строение, видимое в оптический микроскоп;

внутреннее строение веществ на молекулярно-ионном уровне, изучаемом

методами рентгеноструктурного анализа, электронно-микроскопическим и

т.п.

Макроструктура твёрдых строительных материалов может быть сле-

дующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая,

слоистая, рыхлозернистая и порошкообразная.

Искусственные конгломераты – это обширная группа, объединяю-

щая бетоны различного вида, ряд керамических и других материалов.

Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свойст-

венных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам.

Мелкопористая структура свойственна, например, керамическим

материалам, поризованных способом высокого водозатворения и введени-

ем выгорающих добавок.

Волокнистая структура присуща древесине, стеклопластикам, из-

делиям из минеральной ваты и др. Её особенностью является резкое разли-

чие прочности, теплопроводности и др. свойств вдоль и поперёк волокон.

Слоистая структура отчётливо выражена у рулонных, листовых,

плитных материалов, в частности у пластмасс со слоистым наполнителем

(бумопласта, текстолита и др.).

Рыхлозернистые материалы – это заполнители для бетона, зерни-

стые и порошкообразные материалы для мастичной теплоизоляции засы-

пок и др.

Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кри-

сталлическая и аморфная. Кристаллические и аморфные формы нередко

являются лишь различными состояниями одного и того же вещества. При-

мером служит кристаллический кварц и различные аморфные формы

кремнезема. Кристаллическая форма всегда более устойчива. Чтобы вы-

звать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью, в

технологии силикатного кирпича применяют автоклавную обработку от-

формованного сырца насыщенным водяным паром температурой не менее

175 °С и давлением 0,8 МПа. Между тем трепел (аморфная форма двуоки-

си кремния) вместе с известью после затво-

рения водой образует гидросиликат кальция

при нормальной температуре 15–25 °С.

Аморфная форма вещества может перейти в

более устойчивую кристаллическую форму.

Особенностью кристаллического веще-

ства является определенная температура

плавления (при постоянном давлении) и оп-

ределенная геометрическая форма кристал-

лов каждой его модификации.

Свойства монокристаллов не одинаковы

в разных направлениях. Это механическая

прочность, теплопроводимость, скорость рас-

творения, электропроводность и др. Мате-

риалы делятся на две группы: анизотропные

– с различными в разных направлениях свойствами и изотропные – мате-

риалы, свойства которых одинаковы в разных направлениях.

Фиктивная модель структуры материала. Моделью, представ-

ляющей собой фиктивную структуру, является система, состоящая из сфе-

рических частиц одинакового размера (рис. 3.3). Поскольку все шары

имеют одинаковый диаметр, расстояние между центрами любых двух со-

прикасающихся шаров равно сумме их радиусов, т.е. диаметру. Следова-

тельно, центры каждых восьми соприкасающихся шаров расположены в

вершинах ромбоэдра, каждая грань которого есть ромб. Изучение геомет-

рических свойств этого ромбоэдра в зависимости от взаимного расположе-

ния шаров позволило получить формулу для определения пористости фик-

тивной структуры:

m=1– π/[6 (1 – cos θ)

cos 1+

]. (3.1)

Различные расположения шаров фиктивной структуры колеблются

между двумя крайними конфигурациями, определяемыми углом ромба, из

б)

а)

Рис. 3.3.Укладка сферических

частиц с образованием ячейки:

а – кубическая укладка θ=90 °;

б – гексагональная укладка

которого образованы грани ромбоэдра. Этот угол изменяется от 90° (наи-

более свободная, кубическая укладка) до 60° (наиболее тесная гексаго-

нальная укладка). Поэтому интервал пористости фиктивной структуры

0,259 ≤ m ≤ 0,476. (3.2)

Важно подчеркнуть, что пористость фиктивной структуры не зависит

от диаметра составляющих её шаров. Однако для природных сыпучих ма-

териалов, например песка, пористость увеличивается при уменьшении

размеров зёрен. Число шаровых частиц N диаметром d, приходящееся на

единицу объёма фиктивной структуры,

N = 6 (1 – m) / (πd

³), (3.3)

а удельная поверхность

уд

= 6 (1 – m) / d. (3.4)

Для проницаемых материалов особо важное значение имеет поверх-

ностная пористость. Для фиктивной структуры эта пористость характери-

зуется величиной просвета m

, которая выражается долей площади сквоз-

ных пор от общей площади сечения и не зависит от диаметра шаров, а оп-

ределяется плотностью их укладки:

=1 – (π / 4sin

). (3.5)

В зависимости от плотности упаковки шаров поверхностная порис-

тость находится в пределах

0,092 ≤ m

≤0,215. (3.6)

Применительно к заполнителям для бетона как наиболее плотная, так

и наименее плотная схемы укладки зерен могут рассматриваться лишь тео-

ретически, а практически они маловероятны. В реальных условиях исполь-

зования зерен различных размеров межзерновая пустотность может быть

как меньше, так и больше межзерновой пустотности заполнителя, состоя-

щего из одинаковых по размерам зерен. Если зерна меньшего диаметра

точно вписываются в пустоты между зернами большего размера, то проис-

ходит заметное снижение пустотности крупного заполнителя, но если мел-

кие зерна несколько крупнее и не умещаются между крупными, то проис-

ходит раздвижка последних с увеличением пустотности. При плотной ук-

ладке сферических частиц различной крупности соотношение их диамет-

ров выражается зависимостью d

n-1

= 0,155d

В технологии строительных материалов сыпучие смеси, используе-

мые в качестве заполнителей, наполнителей, добавок и т.д., оказывают

существенное влияние на формирование заданной плоскости или пористо-

сти структурного материала. Рассматривая возможные варианты упаковки

одинаковых частиц материала шарообразной формы, можно сделать вы-

вод, что самая высокая плотность (74%) обеспечивается при пирамидной и

гексагональной упаковках, а самая высокая пустотность – при кубической

упаковке. Это положение учитывается при расчете гранулометрического

состава порошков для получения требуемой структуры керамических ма-

териалов, при расчете состава крупнопористых бетонов и в других случа-

ях, когда используются монофракционные смеси.

Для получения плотной структуры необходимо использовать двух-

или многофракционные смеси, так как пустоты, образующиеся при любом

типе упаковки, заполняются зернами меньших размеров, уменьшая сум-

марную пустотность и увеличивая плотность. Так, при введении шаров

меньших размеров в пирамидальную или тетрагональную упаковку из ша-

ров одного размера пустотность снижается до 15%, а плотность упаковки

достигает 85%. Причем установлено: сферические зерна одинакового раз-

мера можно уложить с условной плотностью структуры 74% (пустотность

28%); если составить набор зерен из двух размеров при условии, что

меньшие помещаются в пустотах крупных в строго определенном количе-

ственном соотношении, то теоретическая плотность укладки составит до

81% (пустотность 19%); четырехфракционный и более фракционный набор

может увеличить плотность до 85% и выше. Однако отмечается, что ука-

занные величины плотности структуры

весьма трудно реализовать практически.

Связующий компонент может быть

слитной или крупнопористой структу-

рой (рис. 3.4). Классификация строи-

тельных материалов и изделий по на-

значению и областям применения с уче-

том их функциональных возможностей

предопределяет характер их структуро-

образования. Если взять хотя бы два

конкретных класса материалов для не-

сущих и теплозащитных конструкций,

то можно отметить:

− первый класс материалов должен

обладать высокой прочностью и, как

следствие, высокой монолитностью и

долговечностью, т.е. соответствующими

качествами назначения (рис. 3.4, а);

− второй класс материалов должен

обладать максимальными теплозащит-

ными качествами и, как следствие, вы-

сокой пористостью, т.е. минимальной

плотностью и минимальной теплопроводностью (рис. 3.4, б, в, г).

Под структурой, или внутренним строением строительных материа-

лов, как и других физических тел, понимают пространственное располо-

жение частиц разной степени дисперсности, находящихся в устойчивых

взаимных связях с определенным порядком сцепления их между собой.

Рис. 3.4. Разновидности зернистых

структур: а – монолитная структура с

объёмно-непоризованным связую-

щим; б – монолитная структура с объ-

ёмно-поризованным связующим; в –

крупнопористая структура с контакт-

но-непоризованным связующим; г –

крупнопористая структура с контакт-

но-поризованным связующим

Оптимальная структура характеризуется:

- равномерным распределением по объему заполнения, фаз, компо-

нентов, пор и других составляющих ее элементов;

- отсутствием или минимальным содержанием дефектов как концен-

траторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды;

- наличием непрерывной пространственной сетки, или матрицы из

вяжущего вещества, минимальным значением отношения массы среды к

массе твердой фазы, именуемого условно как фазовое отношение;

- наибольшей плотностью упаковки твердых микро- и макроструктур-

ных частиц.

Не всегда изделия обладают одинаковой оптимальной структурой во

всех своих деталях, например, поверхностный слой может отличаться от

его внутренней части [2].

Данный эффект расслоения материала по толщине (высоте) изделия

проявляется в результате всплытия легкого пористого заполнителя и пере-

мещения связующего к днищу опалубки. Это явление известно под назва-

нием седиментации.

3.4. Физические и физико-химические свойства

Представим основные физические свойства строительных материалов,

необходимые в творческом процессе инженера и архитектора, а также рас-

смотрим некоторые их особенности. Начнем со структурных характери-

стик плотности, пористости, сопутствующих им, и проницаемости, кото-

рые предопределяют взаимосвязанность всех физических, механических,

химических и других свойств строительных материалов в обеспечении экс-

плутационной надежности архитектурно-строительных конструкций и

зданий.

Плотность – физическая величина, определяемая для однородного

вещества его массой в единице объема, т.е. истинная плотность определя-

ется ρ = m / V. Для характеристики макроструктуры пористого материала,

т.е. с учетом наличия газовой фазы, используется термин «средняя плот-

ность» ρ

ср

. Средняя плотность всегда меньше истинной, так как на одну и

ту же единицу массы приходятся разные объемы: ρ

ср

< ρ. Разность между

этими величинами, относенная к большей величине, есть пористость.

Пористость – это не свойство материала, а наиболее важная харак-

теристика его макро- и микроструктуры. Ее значение для материалов не-

однозначно: для несущих конструкций и морозостойких материалов по-

ристость нежелательна; для ограждающих конструкций и стеновых мате-

риалов – благоприятна; для теплоизоляционных и акустических материа-

лов – необходима; для гидроизоляционных материалов – недопустима.