Современные конструкционно-теплоизоляционные строительные материалы и изделия

Классификация и свойства строительных материалов

Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств, определяющих область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами. Исходя из разнообразия свойств, классификацию строительных материалов можно осуществить по различным признакам: по происхождению, по назначению и использованию в строительстве, по производственному (технологическому) признаку и другим.

По происхождению и виду исходного сырья стеновые материалы делят на природные и искусственные.

Природные, или естественные, строительные материалы и изделия получают непосредственно из недр земли. Этим материалам при изготовлении изделий из них придают определенную форму и рациональные размеры, не изменяя их внутреннего строения, химического и вещественного состава. Чаще других из природных используют каменные материалы и изделия.

Искусственные стеновые материалы разделяют по главному признаку их отвердевания (формирования структурных связей) на:

• — обжиговые — материалы, формирование структуры которых происходит в процессе их термообработки в основном за счет твердофазовых превращений и взаимодействий;
• — безобжиговые — материалы, отвердевание которых происходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов,
• — автоклавного твердения — материалы, отвердевание которых происходит в условиях автоклавов при повышенных температуре (175…200°С) и давлении водяного пара (0,9…1,6 МПа).

Конструкционно-теплоизоляционные материалы объединяют материалы различной природы, имеющие марку по средней плотности от D400 до D1200 и класс по прочности на сжатие от B2,5 до B10. Эти материалы совмещают удовлетворительные прочностные характеристики, позволяющие их использовать в самонесущих или несущих строительных конструкциях, и относительно невысокую теплопроводность, что позволяет формировать на их основе и с минимальным включением эффективного утеплителя, изоляционные оболочки теплоэффективных зданий.

Для конструкционно-теплоизоляционных материалов предусмотрена следующие критерии технического уровня, учитывающих требования к материалам по применению, назначению, эксплуатации:

• — показатели назначения: прочность при сжатии, теплопроводность, предел прочности при изгибе, предел прочности при растяжении, сорбционная влажность, линейная температурная усадка, морозостойкость, термическая стойкость, водопоглощение, газои паропроницаемость, химический состав;
• — показатели конструктивности: номинальные размеры изделия и отклонения от них, плотность, правильность геометрической формы, дефекты внешнего вида, разнотолщинность, однородность структуры;
• — показатель стойкости: эксплуатационная стойкость материалов, и их стойкость с учетом условий хранения;
• — показатели технологичности: удельная трудоемкость изготовления, удельная материалоемкость, степень механизации и автоматизации изготовления, выделение вредных веществ при изготовлении и общие нагрузки на окружающую среду;
• — показатели транспортабельности: масса, габаритные размеры, возможность контейнеризации или пакетирования, материалоемкость и трудоемкость упаковки, продолжительность подготовки к транспортированию;
• — эргономические показатели: уровень токсичности материалов и изделий, пыление материалов и изделий.

К критериям эксплуатационной пригодности относятся:

• — критерий стабильности показателей качества, среднеквадратическое отклонение: плотности, теплопроводности, предела прочности при изгибе, предела прочности при сжатии;
• — показатели экономической эффективности: себестоимость, рентабельность, удельные капитальные вложения в производство, годовой экономический эффект;
• — конкурентоспособность на внешнем рынке.

Особенностью строения конструкционно-теплоизоляционных материалов является их насыщенность порами, которая и определяет важнейшие свойства этих материалов: плотность, прочность, теплопроводность, морозостойкость и другие.

Конструкционно-теплоизоляционные материалы должны иметь низкую теплопроводность, но, в то же время, и высокую прочность. Способы получения конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов определяются природой веществ, из которых изготавливают эти материалы.

Если рассматривать пористые бетоны, то можно выделить следующие четыре вида:

• — бетон, изготовленный на основе вяжущего и пористых заполнителей (перлит, вермикулит, керамзит и др.). Пористость материала в основном обусловлена пористым строением зерен заполнителя. Этот вид бетона называется легким бетоном;
• — бетон на основе вяжущего и пористого или плотного заполнителя. Пористость материала обусловлена в основном порами в межпоровых пространствах в результате незначительного содержания мелких фракций заполнителя. Этот вид бетона называется крупнопористым (беспесчаным) бетоном на пористых или плотных заполнителях;
• — бетон на основе вяжущего и пористых заполнителей. Пористость его обусловлена как пористым строением заполнителя, так и порами в цементирующем их вяжущем, образованными путем введения в смесь пены или газообразующими добавками. Этот вид бетона называется поризованным легким бетоном;
• — бетон, приготовленный из пластичной мелкозернистой смеси, в которой поры образованы в результате введения в смесь пены или вспучивания смеси при добавлении газообразователей. Такой бетон называется ячеистым.

Способы поризации могут быть подразделены на шесть основных групп: вспучивание, удаление порообразователя, неплотная упаковка, контактное омоноличивание, объемное омоноличивание и создание комбинированных структур.

Способ вспучивания основан на выделении в пластично-вязкой массе или введение в массу газовой фазы, что приводит к увеличению объема. При вспучивании формируется ячеистая структура, общий объем пористости которой зависит от количества введенного газообразователя. Таким способом получают как бетоны ячеистой структуры, так и пеностекло.

При удалении порообразователя происходит удаление (испарение воды) или выгорание при высокой температуре порообразователей.

Способ неплотной упаковки подразумевает оптимизацию гранулометрического состава для получения наибольшей межзерновой пустотности.

При контактном омоноличиваним происходит омоноличивание зерен в местах контакта склеивающим составом. Пористость зависит от вида каркасообразующего материала. При объемном омоноличивании зернистые пористые материалы соединяются связующим. Пористость материала в данном случае зависит от пористости заполнителя. Создание комбинированных структур включает множество технологических разновидностей.

Основными показателями качества теплоизоляционных строительных материалов являются плотность, прочность, коэффициент теплопроводности и паропроницаемость. Такие показатели как прочность, коэффициент теплопроводности и паропроницаемость в основном зависят от плотности. Однако, при одной и той же плотности свойства материала могут быть различными. Это, в основном, определяется структурой теплоизоляционного материала и характеристиками каркаса данного материала.

Большое влияние на прочность и теплопроводность оказывает неравномерность распределения пустот, форма и размер пустот. Являясь одним из основных свойств, прочность определяется в основном пористостью материала. Так, прочность ячеистых бетонов, получаемых способом вспучивания, характеризуется их средней плотностью. Однако при одинаковой плотности ячеистых бетонов прочность их может быть различной. Прочность ячеистых бетонов повышается при: использовании композиционных вяжущих, увеличении тонкости помола исходных компонентов; уменьшении размера пор; повышении равномерности распределения пор; с увеличением количества закрытых пор сферической формы.

Кроме того, на прочность ячеистого бетона оказывает большое влияние не только пористость, но и структура пористости. Фактором, оказывающим наибольшее влияние на прочность ячеистого бетона, является дисперсия его пористости. При увеличении дисперсии пористости прочность бетона снижается (снижение может быть значительным — более чем в два раза). Влияние размера пор на прочность бетона меньше. С увеличением размера пор от 0,39 мм до 0,48 мм прочность повышается с 2,8 до 4,5 МПа.

Помимо пористости и ее структуры на прочность ячеистого бетона большое влияние оказывает состав силикатной связи, т. е. новообразований, возникающих при автоклавной обработке. Кристаллизационная структура прослойки (твердой фазы) должна быть предельно плотной, мелкокристаллической с тонкокапиллярной, преимущественно контракционной пористостью. Толщина прослойки между газовыми пузырьками должна быть минимальной, в пределе соизмеримой с размерами кристаллов новообразований или частиц тонкоизмельченного кварца. Колебания в толщинах прослойки должны быть наименьшими, что предопределяет однородность твердой фазы, в соответствии с законом сродства структур. Газовая фаза должна быть предельно дисперсной оптимальной прерывистой гранулометрии с минимальным размером наиболее крупной «фракции» газовых пузырьков и преобладанием в общем объеме пор предельно мелких замкнутых пор.

Дефектами структуры в основном являются микротрещины. Для увеличения трещиностойкости и макропрочности, уменьшения теплопроводности рекомендуется уменьшать средний размер пор.

Для оценки прочности конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов используется коэффициент конструктивного качества ККК, равный отношению предела прочности на сжатие к объемному весу материала. Данный коэффициент физически выражает высоту столба из данного материала, в основании которого под действием его собственного веса, напряжения будут равны пределу прочности при сжатии.