Строительные материалы

Лекция №1.

Строительные материалы. Классификация, области применения.

            Материалы, используемые в строительстве в самом различном качестве - конструкционные, теплоизоляционные, гидроизоляционные, отделочные и др. грубо можно разделить на три  широких класса:

• Металлы (в основном представлены алюминием и железом). Алюминиевый профиль используется в качестве конструкционного материала для небольших помещений (ларьки, торговые киоски и т.д.) и различных строительных изделий (окна, двери, межкомнатные перегородки). Профиль из сплавов железа (сталей) может использоваться в качестве несущих элементов больших зданий и сооружений.
• Неорганические строительные материалы представлены строительными камнями, гипсом, известью, глиной, песчано-гравийными смесями, песками, золошлаковые отходы.
• Строительные материалы органического происхождения: древесина, искусственные полимеры (полиэтилен, поливинилхлорид и др.), отходы переработки древесины, в том числе лигнин.

Металлы мы обсудим отдельно, так как на территории Иркутской области строительные металлические изделия используются, но не производятся. Железная руда добывается, но перерабатывается в других регионах, а алюминий перерабатывается, но сырьё привозится, чуть ли не из Новой Гвинеи, поэтому эти материалы, строго говоря, не являются местными. Самым крупнотоннажным производством является индустрия добычи, переработки и использования неорганических строительных материалов.

            На территории Иркутской области добывается: гипса – 37 тыс.тонн, глины тугоплавкой -2.7 тыс.тонн, облицовочных камней (мрамор, гранит, долерит) -10 тыс.тонн, цементное сырьё (мрамор, известняк, глина) - 250 тыс.тонн, пески стекольные – 12 тыс.тонн, глины для кирпичного производства – 150 тыс.тонн, карбонатное сырьё для производства извести – 90 тыс.тонн, камень строительный – более 500 тыс.тонн, песок строительный - более 100 тыс.тонн, песчано-гравийные смеси - более 800 тыс.тонн. Уже из этих цифр можно составить представление о том, какие материалы наиболее востребованы строительной индустрией.

Рассмотрим более подробно характер и свойства горных пород, из которых состоят все неорганические строительные материалы. Минеральный состав и строение горной породы при прочих оди­наковых условиях определяют ее основные свойства. По происхождению горные породы делятся на три большие группы.

1.    Магматические породы, образовавшиеся путем засты­вания расплавленной магмы. Эти породы являются первичными, не претерпевшими существенных изменений с момента возникновения (гранит, сиенит, дунит, габбро, базальт, диорит).

По содержанию кремнезема SiO₂ магматические породы условно подразделяются на кислые (содержание SiO₂>65%), средние (65—52% SiO₂), основные (52—40% SiO₂) и ультраосновные (<40%SiO₂).

Наиболее распространенными кислыми породами являются гранит, липарит, кварцевый порфир; средними—диорит, андезит, сиенит, трахит; основными — габбро, диабаз, базальт; ультраос­новными — перидотит,  пироксенит,  дунит. Это деление на кислые и основные имеет важное значение для практического использования данных материалов. Основные требования которые строители предъявляют к материалам: прочность, водостойкость, морозостойкость. Но есть ещё один очень важный параметр, который достаточно трудно проверить в лабораторных условиях – это адгезия (прочность химической связи между веществами) вяжущего к каменным материалам. Как известно, самые крупнотоннажные строительные материалы цементобетон и асфальтобетон состоят из щебня (из горных пород), мелкого заполнителя и вяжущего, которое выполняет роль клея. Поэтому адгезия между вяжущим и наполнителем влияет на долговечность строительного материала (в лаборатории удобно проверять параметры, которые сказываются сразу) и может сказываться через многие годы эксплуатации. Дело в том, что хорошая адгезия синоним - хорошая водостойкость. Исходя из вышеприведённой классификации, на кислые и основные породы можно сразу сделать некоторые практические выводы. В цементобетонах лучше использовать (при прочих равных условиях) кислые породы, так как цементный раствор имеет щелочную реакцию. А вот хороший асфальтобетон на кислых породах возможно получить только при использовании специальных добавок: поверхностно-активных веществ. Без таких добавок асфальтобетон начинает разрушаться через два-три года эксплуатации, при нормативных – восьми-десяти лет. Дорожные строители часто не принимают во внимание такие особенности взаимодействия каменных материалов и битумных вяжущих материалов. 

Рекомендуемые материалы

2. Осадочные   породы,    возникшие  путем  отложе­ния (механического, химического или органического) из воды или воздуха продуктов разрушения магматических пород. К ним, на­пример, относятся известняки, песчаники, трепела, каменные угли, осадочные железные руды и др.

3. Метаморфические породы, возникшие в результате глубокого преобразования магматических или осадочных пород под воздействием высоких давлений, температур и  химических растворов (кварцит, сланец, гипс, мрамор, филлит).

По характеру структурных связей (механическому строению) горные породы могут быть также подразделены на три группы.

1. Твердые горные породы. Связь между зернами жесткая, упругая; прочность высокая, иногда средняя (песчаники, скарны, диабазы, гнейсы, граниты и т. д.).

2. Связные (глинистые) горные породы. Час­тицы связаны глинистыми минералами. Их отличительной особен­ностью является высокая пластичность, особенно при намокании (глины, суглинки, бокситы).

3. Рыхлые  горные  породы.   Частицы или зерна, составляющие породу, не связаны между собой (песок, гравий, брекчии).

Большинство пород обладает значительной пористостью и трещиноватостью. Такие породы, находясь в естественных условиях, состоят из твердой, жидкой и газообразной фаз: из минерального скелета, пор, заполненных газами, и части пор и трещин, заполнен­ных жидкими примесями: водой различной минерализации, неф­тью и т. д. В зависимости от состава и соотношения этих фаз свойства по­роды сильно изменяются.

В целом, все факторы, оказывающие то или иное влияние на физические свойства пород, можно подразделить на факторы внут­ренние, присущие самой горной породе, и факторы внешние, связанные с условиями её залегания.

На территории Иркутской области имеются месторождения всех видов каменных материалов: магматических, метаморфических и осадочных. Качество и количество может удовлетворить любые потребности строительной индустрии. Перечислю наиболее значимые: гранит – карьер Ангасольский, долерит –Мугунский карьер вблизи г.Тулун, диабаз- карьер “Диабазовый” вблизи г.Усть-Илимск, мрамор – карьеры вблизи г.Слюдянка, песчаный карьер –п.Усть-Балей. Большое количество месторождений разведано по трассе БАМа, но они не функционируют из-за резкого снижения объёмов строительства. 

Качественно физико-механические свойства всевозможных строительных материалов представлены в таблице:

К таблице свойств различных материалов необходимо сделать ещё несколько комментариев.

Металлы помимо высокой прочности обладают высокой электропроводностью, имеют большую пластичность, а значит, имеют высокую трещиностойкость и большую ударную вязкость, хорошо работают при любых видах нагрузки. Основные минусы металлов – это большая стоимость и склонность к коррозии под действием воды.

Каменные материалы (и изделия из них) и керамика имеют достаточно высокую прочность на сжатие, но прочность на изгиб в десять раз меньше, а на сжатие в сто раз меньше. Высокая хрупкость приводит к тому, что эти материалы плохо переносят динамические нагрузки. Небольшая теплопроводность может приводить к большим температурным напряжениям и, в следствии этого, к растрескиванию материала при больших перепадах температур. При грамотном подборе составов эти материалы могут иметь высокую коррозионную стойкость в воде.

Древесина (природный полимерный композит) – лёгкий, прочный, обладающий низкой теплопроводностью (а значит, может использоваться в качестве теплоизоляционного) материал. Древесина обладает наилучшими, из всех известных материалов, экологическими свойствами и способностью создавать комфортный микроклимат в жилых помещениях. Эластичность и гибкость древесине придаёт целлюлоза (природный полимер, который используется для изготовления бумаги), а наполнителем, который придаёт прочность древесине, является лигнин (полимер сетчатого строения, содержание которого в древесине составляет 18-25%).

Полимерные материалы – искусственные полимерные материалы, получаемые из продуктов нефтехимии. На территории Иркутской области имеется завод полимеров в г.Ангарске, где производят полиэтилен и химический завод в г.Саянск где производят поливинилхлорид. Основное достоинство полимерных материалов – это очень большая гибкость и эластичность, при неплохой прочности. В чистом виде полимеры используются только для изготовления упаковки различных продуктов. Для изготовления деталей используемых в строительстве (окна, двери, отделочная плитка, детали интерьера) используют наполненные полимеры, называемые пластиками. Наполнители придают изделиям требуемую прочность, долговечность, стойкость к воздействию агрессивных сред, окраску и т.д. Таким образом, большинство полимерных изделий является композиционными материалами, то есть, состоящими из нескольких различных по свойствам материалов. Например, в автомобильных покрышках количество каучука составляет 20-25% по массе.

В связи с растущей урбанизацией (концентрацией производственной деятельности и просто жизнедеятельности в городах) в разряд строительных материалов переходят отходы производства и потребления. Если из природной среды мы выбираем материалы необходимые нам по свойствам, то в данном случае мы должны найти применение материалам, образующимся в большом количестве в результате человеческой деятельности. Причём ситуация принимает всё более угрожающие для здоровья населения и состояния окружающей природной среды размеры.

Бесплатная лекция: "37 Заболевания желудочно-кишечного тракта" также доступна.

Чтобы оценить масштаб проблемы назову вам некоторые цифры. Количество золошлаковых отходов на территории Иркутской области, образующихся в результате сжигания угля, составляет 70 млн.тонн и ежегодно образуется 1,5-2 млн.тонн – это сравнимо, а то и превышает, количество всех неорганических материалов используемых в строительстве. В нашей области накоплены запасы лигнина, которые составляют миллионы тонн, и ежегодное образование составляет тысячи тонн. Возгорание лигниновых полей уже привело к тому, что возникла проблема переселения людей в Зиминском районе. Ежегодно образуются десятки тысяч тонн полимерных отходов. Если мы не научимся утилизировать эти отходы, то они создадут не пригодную для обитания человека среду.

            Утилизация отходов требует очень грамотного (в экологическом плане) и квалифицирован-ного в инженерном плане подхода. Если в области использования природных строительных материалов накоплен вековой опыт строителей всех стран, то использование в строительном производстве отходов производства насчитывает не много времени. Любое использование отходов должно сочетать экологические, санитарные и строительные нормы. Чтобы использовать отходы приходится изобретать материалы с новыми физико-механическими свойствами, например, золобетон, цементозолобетон, цементно-деревянные композиции (из отходов производства пиломатериалов), строительные материалы с использованием лигнина, песко-полимерные композитные материалы, где в качестве связующего используются полимерные отходы. Например, корпуса компьютеров изготовлены из высококачественного пластика, который является желательной добавкой в песко-полимерные композиции.

            В большинстве случаев для возможности применения золы, лигнина, полимерных отходов их необходимо измельчать и даже более того, качество и ассортимент получаемых изделий прямо зависит от степени измельчения. Это требует специального измельчительного оборудования и понимания физико-химических процессов, происходящих при измельчении сырья.  Например, чем сильнее мы измельчим золу, тем качественнее получаются изделия, при измельчении же полимеров могут протекать процессы деструкции и тут необходимо уловить оптимальные условия обработки, при слишком тонком измельчении полимер теряет гибкость и эластичность.

По использованию золы в качестве ингредиента строительных материалов накоплен большой положительный опыт. В настоящее время большой процент пенобетона изготовляется с использованием золы взамен песка и, частично, цемента. Представители ОАО “Иркутскэнерго” утверждают, что в настоящее время строителями используется 100% золы-уноса Ново-Иркутской ТЭЦ (в летний период даже выстраиваются очереди покупателей). В последние несколько лет на территории области начали функционировать несколько предприятий по производству песко-полимерных изделий: черепица, тротуарная плитка, люки колодцев и пр. Эти изделия обладают очень хорошей морозостойкостью и долговечностью.

Переработка лигнина ещё ждёт своего решения. В настоящее время из лигнина научились изготавливать только топливные брикеты. Материал достаточно перспективный в качестве наполнителя теплоизоляционных изделий.

На Западе в различных отраслях промышленности всё шире применяется требование изготавливать изделия из материалов годных для вторичного использования.