Строительный материал — это материал, используемый для строительства . Многие природные вещества, такие как глина , камни , песок, дерево и даже ветки и листья, использовались для строительства зданий и других сооружений, таких как мосты . Помимо природных материалов, используются многие искусственные продукты, некоторые более, а некоторые менее синтетические. Производство строительных материалов является устоявшейся отраслью во многих странах, и использование этих материалов обычно сегментируется по конкретным специализированным профессиям, таким как плотницкие работы , изоляция , сантехника и кровельные работы. Они обеспечивают состав среды обитания и сооружений, включая дома . [1]
В истории есть тенденции в строительных материалах от природных к более искусственным и композитным ; биоразлагаемые к непортящимся; местные (местные) к транспортируемым по всему миру; ремонтопригодные к одноразовым; выбранные для повышения уровня пожарной безопасности и улучшенной сейсмостойкости . Эти тенденции, как правило, увеличивают начальные и долгосрочные экономические, экологические, энергетические и социальные затраты на строительные материалы.
Первоначальная экономическая стоимость строительных материалов — это закупочная цена. Часто это то, что определяет принятие решения о том, какие материалы использовать. Иногда люди принимают во внимание энергосбережение или долговечность материалов и видят ценность более высокой первоначальной стоимости в обмен на более низкую стоимость срока службы. Например, установка битумной черепицы обходится дешевле, чем установка металлической крыши, но металлическая крыша прослужит дольше, поэтому стоимость срока службы меньше в год. Некоторые материалы могут требовать большего ухода, чем другие, расходы на техническое обслуживание, характерные для некоторых материалов, также могут повлиять на окончательное решение. Риски при рассмотрении стоимости срока службы материала заключаются в том, что здание будет повреждено, например, пожаром или ветром, или если материал не такой прочный, как рекламируется. Стоимость материалов следует учитывать, чтобы нести риск покупки горючих материалов для увеличения срока службы. Говорят, что «если это должно быть сделано, это должно быть сделано хорошо».
Затраты на загрязнение могут быть макро- и микроэкономическими. Макроэкономическое загрязнение окружающей среды от добывающих отраслей, на которые опираются строительные материалы, таких как горнодобывающая промышленность, нефтяная промышленность и лесозаготовки, наносит ущерб окружающей среде у источника и при транспортировке сырья, производстве, транспортировке продукции, розничной торговле и установке. Примером микроэкономического аспекта загрязнения является выделение газов из строительных материалов в здании или загрязнение воздуха внутри помещений . Строительные материалы, занесенные в Красный список, — это материалы, признанные вредными. Также углеродный след , общий набор выбросов парниковых газов, произведенных за время жизни материала. Анализ жизненного цикла также включает повторное использование , переработку или утилизацию строительных отходов . Две концепции в строительстве, которые учитывают экологическую экономику строительных материалов, — это зеленое строительство и устойчивое развитие .
Первоначальные затраты на энергию включают количество энергии, потребляемой для производства, доставки и установки материала. Долгосрочные затраты на энергию — это экономические, экологические и социальные затраты на продолжение производства и доставки энергии в здание для его использования, обслуживания и возможного удаления. Первоначальная воплощенная энергия конструкции — это энергия, потребляемая для извлечения, производства, доставки, установки материалов. Пожизненная воплощенная энергия продолжает расти с использованием, обслуживанием и повторным использованием/переработкой/утилизацией самих строительных материалов и тем, как материалы и конструкция помогают минимизировать потребление энергии конструкцией в течение всего срока службы.
Социальные издержки — это травмы и здоровье людей, производящих и транспортирующих материалы, а также потенциальные проблемы со здоровьем у жителей здания, если есть проблемы с биологией здания. Глобализация оказала значительное влияние на людей как с точки зрения рабочих мест, навыков и самодостаточности, которые теряются при закрытии производственных предприятий, так и с точки зрения культурных аспектов того, где открываются новые предприятия. Аспекты справедливой торговли и трудовых прав — это социальные издержки мирового производства строительных материалов.
Биоматериалы (особенно растительные) используются в различных строительных применениях, включая несущие, заполняющие, изоляционные и штукатурные материалы. [2] Эти материалы различаются по структуре в зависимости от используемой формулы. [2] [3] Растительные волокна можно комбинировать со связующими веществами, а затем использовать в строительстве для обеспечения тепловых, гидрологических или структурных функций. Поведение бетона на основе растительных волокон в основном определяется количеством волокон, составляющих материал. Несколько исследований показали, что увеличение количества этих растительных частиц увеличивает пористость, влагоемкость и максимальное содержание поглощенной воды, с одной стороны, при одновременном снижении плотности, теплопроводности и прочности на сжатие, с другой.
Растительные материалы в основном производятся из возобновляемых ресурсов и в основном используют побочные продукты сельского хозяйства или деревообрабатывающей промышленности. При использовании в качестве изоляционных материалов большинство биоматериалов проявляют (в отличие от большинства других изоляционных материалов) гигроскопичность, сочетая высокую проницаемость для водяного пара и регулирование влажности. [4]
Кустарниковые конструкции полностью построены из частей растений и использовались в примитивных культурах, таких как индейцы и [5] пигмеи в Африке. [6] Они построены в основном из веток, прутьев и листьев, а также коры, подобно хате бобров . Их называли по-разному: вики-убежища , навесы и т. д.
Расширением идеи строительства из щетки является процесс плетения и обмазки , в котором глинистая почва или навоз , обычно коровий , используются для заполнения и покрытия плетеной щеточной конструкции. Это придает конструкции большую термическую массу и прочность. Плетение и обмазка являются одним из старейших методов строительства. [7] Многие старые каркасные здания включают плетение и обмазку в качестве ненесущих стен между деревянными рамами.
Снег и иногда лед, [8] использовались народами инуитов для иглу , а снег используется для строительства укрытия, называемого куинжи . Лед также использовался для ледяных отелей как туристической достопримечательности в северном климате. [9]
Здания на основе глины обычно бывают двух различных типов. Один из них — когда стены возводятся непосредственно из глиняной смеси, а другой — когда стены возводятся путем укладки высушенных на воздухе строительных блоков, называемых глиняными кирпичами .
Другие виды использования глины в строительстве включают в себя смешивание с соломой для создания легкой глины , плетня, обмазки и глиняной штукатурки .
Мокрые или влажные стены изготавливаются с использованием смеси грязи или глины напрямую, без формирования блоков и их предварительной сушки. Количество и тип каждого материала в используемой смеси приводит к различным стилям зданий. Решающий фактор обычно связан с качеством используемой почвы . Большие количества глины обычно используются при строительстве самана , в то время как почва с низким содержанием глины обычно ассоциируется со строительством дерновых домов или дерновых крыш . Другие основные ингредиенты включают большее или меньшее количество песка / гравия и соломы / травы. Утрамбованная земля - это как старый, так и новый подход к созданию стен, когда-то сделанных путем уплотнения глинистой почвы между досками вручную; в настоящее время используются формы и механические пневматические компрессоры. [10]
Почва, и особенно глина, обеспечивает хорошую термическую массу ; она очень хороша для поддержания температуры на постоянном уровне. Дома, построенные из земли, как правило, естественно прохладны в летнюю жару и теплы в холодную погоду. Глина удерживает тепло или холод, отдавая его в течение определенного периода времени, как камень. Земляные стены медленно меняют температуру, поэтому искусственное повышение или понижение температуры может использовать больше ресурсов, чем, скажем, в деревянном доме, но тепло/прохлада сохраняется дольше. [10]
Люди, строящие в основном из грязи и глины, например, самана, дерна и самана, создали дома, которые строились веками в Западной и Северной Европе, Азии, а также в остальном мире, и продолжают строиться, хотя и в меньших масштабах. Некоторые из этих зданий оставались пригодными для жилья в течение сотен лет. [11] [12]
Глиняные кирпичи , также известные по испанскому названию adobe, являются древними строительными материалами, свидетельства о которых датируются тысячелетиями до нашей эры. Блоки из сжатой земли являются более современным типом кирпича, который чаще используется для строительства в индустриальном обществе, поскольку строительные блоки могут производиться вне строительной площадки в централизованном месте на кирпичном заводе и транспортироваться в несколько мест строительства. Эти блоки также могут быть легче монетизированы и проданы.
Строительные глиняные кирпичи почти всегда изготавливаются с использованием глины, часто единственными используемыми ингредиентами являются глинистый грунт и связующее вещество, но другие ингредиенты могут включать песок, известь, бетон, камень и другие связующие вещества . Сформированный или сжатый блок затем высушивается на воздухе и может быть уложен всухую или с раствором или глиняным шликером .
Песок используется с цементом , а иногда и известью , для приготовления раствора для кладки и штукатурки . Песок также используется как часть бетонной смеси. Важным недорогим строительным материалом в странах с почвами с высоким содержанием песка является блок Sandcrete , который слабее, но дешевле обожженных глиняных кирпичей. [13] В качестве кирпичей используются армированные песком полиэфирные композиты .
Каменные конструкции существуют с тех пор, как помнит история. Это самый долговечный строительный материал, и обычно он легкодоступен. Существует много типов камня с различными характеристиками, которые делают их лучше или хуже для определенных целей. Камень — очень плотный материал, поэтому он обеспечивает большую защиту; его главный недостаток как строительного материала — его вес и сложность его обработки. Его энергетическая плотность является как преимуществом, так и недостатком. Камень трудно нагреть без потребления значительного количества энергии, но после нагревания его тепловая масса означает, что он может сохранять тепло в течение полезных периодов времени. [14]
Стены и хижины из сухого камня строились с тех пор, как люди начали класть один камень на другой. Со временем для скрепления камней стали использовать различные виды раствора , и сейчас наиболее распространенным является цемент .
Например, гранитные возвышенности Национального парка Дартмур в Соединенном Королевстве предоставляли обильные ресурсы для ранних поселенцев . Круглые хижины строились из рыхлых гранитных камней на протяжении всего неолита и раннего бронзового века , и останки примерно 5000 из них все еще можно увидеть сегодня. Гранит продолжали использовать на протяжении всего периода Средневековья (см. Dartmoor longhouse ) и в наши дни. Сланец — еще один тип камня, обычно используемый в качестве кровельного материала в Соединенном Королевстве и других частях мира, где он встречается.
Каменные здания можно увидеть в большинстве крупных городов, а некоторые цивилизации строили преимущественно из камня, например, египетские и ацтекские пирамиды , а также сооружения цивилизации инков .
Солома — один из старейших известных строительных материалов. «Солома» — это еще одно слово для «травы»; трава — хороший изолятор и ее легко собирать. Многие африканские племена жили в домах, полностью сделанных из травы и песка, круглый год. В Европе соломенные крыши домов когда-то были распространены, но материал вышел из моды, поскольку индустриализация и улучшение транспорта увеличили доступность других материалов. Однако сегодня эта практика возрождается. Например, в Нидерландах многие новые здания имеют соломенные крыши со специальной коньковой черепицей сверху.
Древесина использовалась в качестве строительного материала в течение тысяч лет в своем естественном состоянии. Сегодня инженерная древесина становится очень распространенной в индустриальных странах.
Древесина — это продукт деревьев , а иногда и других волокнистых растений, используемый в строительных целях при резке или прессовании в пиломатериалы и древесину, такие как доски, планки и подобные материалы. Это универсальный строительный материал, который используется при строительстве практически любого типа конструкции в большинстве климатических зон. Древесина может быть очень гибкой под нагрузкой, сохраняя прочность при изгибе и невероятно прочной при вертикальном сжатии. Существует множество различных качеств различных видов древесины, даже среди одних и тех же пород деревьев. Это означает, что определенные породы лучше подходят для различных целей, чем другие. И условия выращивания важны для определения качества.
«Timber» — это термин, используемый в строительных целях, за исключением термина «pilom» (пиломатериалы), который используется в Соединенных Штатах. Необработанная древесина (бревно, ствол, ствол) становится древесиной, когда древесина была «преобразована» (распилена, обтесана, расколота) в формы минимально обработанных бревен, уложенных друг на друга , каркасного строительства и легкокаркасного строительства . Основными проблемами с деревянными конструкциями являются пожароопасность и проблемы, связанные с влажностью. [ необходима цитата ]
В настоящее время хвойная древесина используется как менее ценный сыпучий материал, тогда как твердая древесина обычно используется для отделки и мебели. Исторически каркасные конструкции из древесины строились из дуба в Западной Европе, в последнее время пихта Дугласа стала самой популярной древесиной для большинства типов структурных зданий.
Многие семьи или общины в сельской местности имеют личные лесные участки , на которых семья или община выращивают и собирают деревья для строительства или продажи. Такие участки, как правило, похожи на сады. Это было гораздо более распространено в доиндустриальные времена, когда существовали законы относительно количества древесины, которую можно рубить за один раз, чтобы обеспечить запас древесины на будущее, но это все еще жизнеспособная форма сельского хозяйства.
Кирпичи изготавливаются таким же способом, как и глиняные кирпичи, за исключением того, что в них нет волокнистого связующего вещества, такого как солома, и они обжигаются («обжигаются» в кирпичном зажиме или печи ) после того, как они высохнут на воздухе, чтобы окончательно затвердеть. Обожженные в печи глиняные кирпичи представляют собой керамический материал. Обожженные кирпичи могут быть сплошными или иметь полые полости, которые способствуют высыханию, делают их легче и удобнее для транспортировки. Отдельные кирпичи укладываются друг на друга рядами с использованием раствора . Последовательные ряды используются для возведения стен, арок и других архитектурных элементов. Стены из обожженного кирпича обычно значительно тоньше, чем саманные/самановые, сохраняя при этом ту же вертикальную прочность. Для их создания требуется больше энергии, но их легче транспортировать и хранить, и они легче каменных блоков. Римляне широко использовали обожженный кирпич той формы и типа, которые теперь называются римскими кирпичами . [15] Строительство из кирпича приобрело большую популярность в середине 18-го и 19-го веков. Это было обусловлено снижением затрат в связи с ростом производства кирпича [16] и необходимостью пожарной безопасности в густонаселенных городах.
В конце XX века шлакоблоки дополняли или заменяли обожженные кирпичи , часто применяясь для внутренних частей каменных стен и самостоятельно.
Строительная глиняная плитка (глиняные блоки) изготавливается из глины или терракоты и обычно имеет перфорированные отверстия.
Композиты на основе цемента изготавливаются из гидратированного цементного теста, которое связывает древесину, частицы или волокна для изготовления сборных строительных компонентов. В качестве связующих использовались различные волокнистые материалы, включая бумагу , стекловолокно и углеродное волокно .
Древесина и натуральные волокна состоят из различных растворимых органических соединений, таких как углеводы , гликозиды и фенолы. Известно, что эти соединения замедляют схватывание цемента. Поэтому перед использованием древесины в производстве цементно-связанных композитов оценивается ее совместимость с цементом.
Совместимость древесины и цемента — это отношение параметра, связанного со свойством композита из древесины и цемента, к параметру чистого цементного теста. Совместимость часто выражается в процентах. Для определения совместимости древесины и цемента используются методы, основанные на различных свойствах, таких как характеристики гидратации, прочность, межфазная связь и морфология. Исследователи используют различные методы, такие как измерение характеристик гидратации смеси цемента и заполнителя; [17] [18] [19] сравнение механических свойств смесей цемента и заполнителя [20] [21] и визуальная оценка микроструктурных свойств смесей древесины и цемента. [22] Было обнаружено, что испытание на гидратацию путем измерения изменения температуры гидратации со временем является наиболее удобным методом. Недавно Караде и др. [23] рассмотрели эти методы оценки совместимости и предложили метод, основанный на «концепции зрелости», т. е. учитывающий как время, так и температуру реакции гидратации цемента. Недавние исследования старения лигноцеллюлозных материалов в цементном тесте показали гидролиз гемицеллюлозы и лигнина [24] , который влияет на взаимодействие частиц или волокон с бетоном и вызывает деградацию. [25]
Кирпичи клали на известковый раствор со времен римлян, пока их не вытеснил портландцементный раствор в начале 20 века. Цементные блоки также иногда заполняли раствором или покрывали слоем штукатурки .
Бетон — это композитный строительный материал, изготовленный из комбинации заполнителя и связующего вещества, такого как цемент . Наиболее распространенной формой бетона является портландцементный бетон, который состоит из минерального заполнителя (обычно гравия и песка ), портландцемента и воды .
После смешивания цемент гидратируется и в конечном итоге затвердевает в камнеподобный материал. При использовании в общем смысле это материал, который обозначается термином «бетон».
Для бетонной конструкции любого размера, поскольку бетон имеет довольно низкую прочность на растяжение , его обычно укрепляют с помощью стальных стержней или прутков (известных как арматура ). Этот укрепленный бетон затем называют железобетоном . Чтобы свести к минимуму любые пузырьки воздуха, которые могут ослабить конструкцию, используется вибратор для устранения любого воздуха, который был вовлечен, когда жидкая бетонная смесь заливается вокруг металлоконструкции. Бетон является преобладающим строительным материалом в современную эпоху из-за его долговечности, формуемости и простоты транспортировки. Последние достижения, такие как изоляционные бетонные формы , объединяют формовку бетона и другие этапы строительства (установку изоляции). Все материалы должны быть взяты в требуемых пропорциях, как описано в стандартах.
Палатка является домом, который выбирают кочевые группы по всему миру. Два известных типа включают конический типи и круглую юрту . Палатка возродилась как основная строительная техника с развитием растяжимой архитектуры и синтетических тканей. Современные здания могут быть сделаны из гибкого материала, такого как тканевые мембраны, и поддерживаться системой стальных тросов, жестких или внутренних, или давлением воздуха.
В последнее время синтетический полистирол или полиуретановая пена используются в сочетании с конструкционными материалами, такими как бетон. Он легкий, легко формуется и является отличным изолятором. Пена обычно используется как часть структурной изоляционной панели , где пена зажата между деревом, цементом или изоляционными бетонными формами.
Стеклоделие считается одновременно и видом искусства, и промышленным процессом или материалом.
Прозрачные окна использовались с момента изобретения стекла для закрытия небольших отверстий в здании. Стеклянные панели дали людям возможность пропускать свет в комнаты и в то же время удерживать непогоду снаружи.
Стекло обычно изготавливается из смеси песка и силикатов в очень горячей печи, называемой килном , и является очень хрупким. Добавки часто включаются в смесь, используемую для производства стекла с оттенками цветов или различными характеристиками (например, пуленепробиваемое стекло или лампочки).
Использование стекла в архитектурных сооружениях стало очень популярным в современной культуре. Стеклянные « навесные стены » могут использоваться для покрытия всего фасада здания или для покрытия широкой конструкции крыши в « пространственной раме ». Однако для этих целей требуется некая рама, которая будет удерживать вместе секции стекла, поскольку само по себе стекло слишком хрупкое и для покрытия таких больших площадей потребуется слишком большая печь.
Стеклянные кирпичи были изобретены в начале 20 века.
Гипсобетон представляет собой смесь гипсовой штукатурки и стекловолоконных ровингов . Хотя гипс и фиброволокнистая штукатурка использовались в течение многих лет, особенно для потолков, только в начале 1990-х годов были проведены серьезные исследования прочности и качеств стеновой системы Rapidwall с использованием смеси гипсовой штукатурки и стекловолоконных ровингов толщиной 300 мм и более. С обилием гипса (природного и побочного продукта химической ДДГ и фосфогипса), доступного во всем мире, строительные изделия на основе гипсобетона, которые полностью подлежат вторичной переработке, предлагают значительные экологические преимущества.
Металл используется в качестве структурного каркаса для более крупных зданий, таких как небоскребы , или в качестве внешнего покрытия поверхности. Существует много типов металлов , используемых для строительства. Металл занимает видное место в сборных конструкциях, таких как хижина Quonset , и его можно увидеть в большинстве космополитических городов. Для производства металла требуется много человеческого труда, особенно в больших количествах, необходимых для строительной промышленности. Коррозия — главный враг металла, когда дело касается долговечности.
Термин «пластики» охватывает ряд синтетических или полусинтетических органических продуктов конденсации или полимеризации , которые могут быть отлиты или экструдированы в предметы, пленки или волокна . Их название происходит от того факта, что в полужидком состоянии они податливы или обладают свойством пластичности . Пластики сильно различаются по термостойкости, твердости и упругости. В сочетании с этой приспособляемостью общая однородность состава и легкость пластиков обеспечивают их использование практически во всех промышленных приложениях сегодня. Высокопроизводительные пластики, такие как ETFE, стали идеальным строительным материалом благодаря своей высокой стойкости к истиранию и химической инертности. Известные здания, в которых он используется, включают: Пекинский национальный центр водных видов спорта и биомы проекта «Эдем» . [26]
Строительная бумага и мембраны используются в строительстве по многим причинам. Одной из старейших строительных бумаг является красная канифольная бумага , которая, как известно, использовалась до 1850 года и использовалась в качестве подложки на внешних стенах, крышах и полах, а также для защиты рабочей площадки во время строительства. Битумная бумага была изобретена в конце 19 века и использовалась для тех же целей, что и канифольная бумага, и для гравийных крыш . Битумная бумага в значительной степени вышла из употребления, вытесненная битумной бумагой . В некоторых случаях войлочная бумага была вытеснена синтетическими подложками, в частности, в кровле синтетическими подложками, а в сайдинге — рулонными материалами .
Существует широкий ассортимент гидроизоляционных и гидроизоляционных мембран, используемых для кровли, гидроизоляции подвалов и геомембран .
Обожженные глиняные кирпичи использовались со времен римлян. Специальная плитка используется для кровли, сайдинга, пола, потолков, труб, дымоходов и многого другого.
Относительно новая категория строительных материалов, живые строительные материалы — это материалы, которые либо состоят из живых организмов, либо созданы ими; или материалы, которые ведут себя так, что это напоминает таковые. Возможные варианты использования включают самовосстанавливающиеся материалы и материалы, которые реплицируются (воспроизводятся), а не производятся.
На рынке термин «строительные изделия» часто относится к готовым частицам или секциям, изготовленным из различных материалов, которые устанавливаются в архитектурные и декоративные элементы конструкции здания. В список строительных изделий не входят строительные материалы, используемые для возведения архитектуры здания и вспомогательных приспособлений, таких как окна, двери, шкафы, столярные изделия и т. д. Строительные изделия, скорее, поддерживают и заставляют строительные материалы работать модульным образом.
«Строительные изделия» могут также относиться к предметам, используемым для сборки таких конструкций, таким как герметики , клеи , краски и все остальное, что приобретается с целью строительства здания.
Для облегчения и оптимизации использования новых материалов и современных технологий проводятся постоянные исследования с целью повышения эффективности, производительности и конкурентоспособности на мировых рынках. [ необходима ссылка ]
Исследования и разработки материалов могут быть коммерческими, академическими или и теми, и другими и могут проводиться в любом масштабе.
Быстрое прототипирование позволяет исследователям быстро разрабатывать и тестировать материалы, внося коррективы и решая проблемы в ходе процесса. Вместо того, чтобы разрабатывать материалы теоретически, а затем тестировать их, только чтобы обнаружить фундаментальные недостатки, быстрые прототипы позволяют сравнительно быстро разрабатывать и тестировать, сокращая время выхода на рынок новых материалов до нескольких месяцев, а не лет. [27]
В 2017 году здания и строительство в совокупности потребляли 36% конечной энергии, произведенной в мире, при этом они были ответственны за 39% мировых выбросов CO2 , связанных с энергетикой . [28] Доли только строительной отрасли составили 6% и 11% соответственно. Потребление энергии при производстве строительных материалов является доминирующим фактором в общей доле строительной отрасли, в основном из-за использования электроэнергии во время производства. Воплощенная энергия соответствующих строительных материалов в США представлена в таблице ниже. [29]
