Строительный материал – это материал, используемый для строительства . Многие природные материалы, такие как глина , камни , песок, дерево и даже ветки и листья, использовались для строительства зданий . Помимо материалов природного происхождения, используется множество искусственных продуктов, некоторые в большей или меньшей степени синтетические. Производство строительных материалов является устоявшейся отраслью промышленности во многих странах, и использование этих материалов обычно подразделяется на конкретные специализированные профессии, такие как столярные , изоляционные , сантехнические и кровельные работы. Они обеспечивают структуру среды обитания и построек , включая дома . [1]
В истории существуют тенденции в том, чтобы строительные материалы превращались из натуральных в более искусственные и композитные ; биоразлагаемый до нетленного; коренные (местные) для транспортировки по всему миру; ремонтопригодные к одноразовым; выбран из-за повышенного уровня пожаробезопасности и улучшенной сейсмостойкости . Эти тенденции имеют тенденцию к увеличению первоначальных и долгосрочных экономических, экологических, энергетических и социальных затрат на строительные материалы.
Первоначальная экономическая себестоимость строительных материалов – это закупочная цена. Часто именно это определяет принятие решения о том, какие материалы использовать. Иногда люди принимают во внимание экономию энергии или долговечность материалов и видят ценность оплаты более высоких первоначальных затрат в обмен на более низкие затраты в течение срока службы. Например, установка крыши из асфальтовой черепицы обходится дешевле, чем установка металлической крыши, но металлическая крыша прослужит дольше, поэтому ежегодные затраты на срок службы будут меньше. Некоторые материалы могут требовать большего ухода, чем другие, поэтому на окончательное решение также может повлиять сохранение затрат, характерных для некоторых материалов. Риски при рассмотрении стоимости материала в течение срока службы возникают в том случае, если здание будет повреждено, например, в результате пожара или ветра, или если материал не так долговечен, как рекламируется. Необходимо учитывать стоимость материалов, чтобы нести риск покупки горючих материалов для увеличения срока службы. Говорят, что «если что-то нужно сделать, то это нужно сделать хорошо».
Затраты на загрязнение могут быть макро- и микро-. Макрозагрязнение окружающей среды от строительных материалов добывающих отраслей, таких как горнодобывающая промышленность, нефть и лесозаготовки, наносит экологический ущерб у их источника, а также при транспортировке сырья, производстве, транспортировке продукции, розничной торговле и монтаже. Примером микроаспекта загрязнения является выделение газов из строительных материалов в здании или загрязнение воздуха внутри помещений . Строительные материалы, внесенные в Красную книгу, – это материалы, признанные вредными. Также углеродный след , общий набор выбросов парниковых газов, производимых в течение срока службы материала. Анализ жизненного цикла также включает повторное использование , переработку или утилизацию строительных отходов . Двумя концепциями строительства, которые учитывают экологическую экономику строительных материалов, являются «зеленое» строительство и устойчивое развитие .
Первоначальные затраты на электроэнергию включают количество энергии, затраченной на производство, доставку и установку материала. Долгосрочная стоимость энергии — это экономические, экологические и социальные издержки, связанные с продолжением производства и доставки энергии в здание для его использования, обслуживания и возможного удаления. Первоначальная воплощенная энергия конструкции — это энергия, потребляемая для добычи, производства, доставки и установки материалов. Энергия, воплощенная в течение всего срока службы, продолжает расти по мере использования, обслуживания и повторного использования/переработки/утилизации самих строительных материалов, а также того, как материалы и конструкция помогают минимизировать энергопотребление конструкции в течение всего срока службы.
Социальные издержки – это травмы и здоровье людей, производящих и транспортирующих материалы, а также потенциальные проблемы со здоровьем жителей зданий, 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 открытия новых предприятий. Аспектами справедливой торговли и трудовых прав являются социальные издержки глобального производства строительных материалов.
Материалы на биологической основе (особенно материалы растительного происхождения) используются в различных строительных целях, включая несущие, заполняющие, изоляционные и штукатурные материалы. [2] Эти материалы различаются по структуре в зависимости от используемого состава. [2] [3] Растительные волокна можно комбинировать со связующими веществами, а затем использовать в строительстве для обеспечения тепловых, гидравлических или структурных функций. Поведение бетона на основе растительного волокна в основном определяется количеством волокна, составляющего материал. Несколько исследований показали, что увеличение количества этих растительных частиц увеличивает пористость, способность буферизации влаги и максимальное содержание поглощенной воды, с одной стороны, и одновременно снижает плотность, теплопроводность и прочность на сжатие, с другой.
Растительные материалы в основном получают из возобновляемых ресурсов и в основном используют побочные продукты сельского хозяйства или деревообрабатывающей промышленности. При использовании в качестве изоляционных материалов большинство материалов на биологической основе проявляют (в отличие от большинства других изоляционных материалов) гигроскопические свойства, сочетая в себе высокую паропроницаемость и регулирование влажности. [4]
Структуры из кустарников построены полностью из частей растений и использовались в примитивных культурах, таких как коренные американцы и [5] карликовые народы в Африке. [6] Они построены в основном из ветвей, веток, листьев и коры, как у бобровых домиков. . Это были по-разному называемые викиупы , навесы и так далее.
Расширением идеи создания кисти является процесс плетения и мазания , при котором глинистая почва или навоз , обычно коровий , используются для заполнения и покрытия плетеной структуры кисти. Это придает конструкции большую тепловую массу и прочность. Плетение и мазня — одна из старейших строительных технологий. [7] Многие старые здания с деревянным каркасом включают в себя плетень и мазню в качестве ненесущих стен между деревянными каркасами.
Снег, а иногда и лед, [8] использовался инуитами для строительства иглу , а снег использовался для строительства убежища, называемого квинжи . Лед также использовался для строительства ледяных отелей в качестве туристической достопримечательности в северном климате. [9]
Здания из глины обычно делятся на два типа. Один из них представляет собой стены, построенные непосредственно из глиняной смеси, а другой — стены, построенные путем укладки высушенных на воздухе строительных блоков, называемых сырцовыми кирпичами .
Другие виды использования глины в строительстве – это сочетание с соломкой для создания легкой глины , плетня и мазни , а также глиняной штукатурки .
Мокрые, или влажные, стены строятся с использованием глины или глиняной смеси напрямую, без формирования блоков и их предварительной сушки. Количество и тип каждого материала в используемой смеси приводит к созданию разных стилей зданий. Решающий фактор обычно связан с качеством используемой почвы . Большее количество глины обычно используется при строительстве глиняных построек , тогда как малоглинистая почва обычно используется при строительстве дерновых домов или дерновых крыш . Другие основные ингредиенты включают в себя больше или меньше песка / гравия и соломы /травы. Утрамбованная земля — это одновременно старый и новый подход к созданию стен, когда-то сделанный путем уплотнения глинистой почвы между досками вручную; в настоящее время используются формы и механические пневмокомпрессоры . [10]
Почва, особенно глина, обеспечивает хорошую тепловую массу ; он очень хорошо поддерживает температуру на постоянном уровне. В домах, построенных из земли, обычно прохладно в летнюю жару и тепло в холодную погоду. Глина удерживает тепло или холод, выделяя его с течением времени, как камень. Земляные стены меняют температуру медленно, поэтому искусственное повышение или понижение температуры может потребовать больше ресурсов, чем, скажем, в деревянном доме, но тепло/прохлада сохраняется дольше. [10]
Люди, строящие в основном землю и глину, такую как глыба, дерн и саман, создавали дома, которые строились на протяжении веков в Западной и Северной Европе, Азии, а также в остальном мире и продолжают строиться, хотя и продолжают строиться. меньший масштаб. Некоторые из этих зданий оставались пригодными для проживания на протяжении сотен лет. [11] [12]
Сырцовые кирпичи , также известные под своим испанским названием саман , являются древними строительными материалами, свидетельства которых датируются тысячами лет до нашей эры. Блоки из прессованного грунта — это более современный тип кирпича, который чаще используется для строительства в индустриальном обществе, поскольку строительные блоки можно производить за пределами площадки, централизованно на кирпичном заводе , и транспортировать в несколько мест строительства. Эти блоки также можно легче монетизировать и продать.
Структурные сырцовые кирпичи почти всегда изготавливаются с использованием глины, часто единственными используемыми ингредиентами являются глинистая почва и связующее, но другие ингредиенты могут включать песок, известь, бетон, камень и другие связующие . Сформированный или сжатый блок затем высушивается на воздухе и может быть уложен всухую или с помощью раствора или глиняной шихты .
Песок используется с цементом , а иногда и известью , для приготовления раствора для кладки и штукатурки . Песок также используется в составе бетонной смеси. Важным недорогим строительным материалом в странах с почвами с высоким содержанием песка является песчано-бетонный блок, который слабее, но дешевле, чем обожженный глиняный кирпич. [13]
Скальные сооружения существовали столько, сколько помнит история. Это самый долговечный строительный материал, и он обычно легко доступен. Существует множество типов горных пород с разными свойствами, которые делают их лучше или хуже для конкретных целей. Камень — очень плотный материал, поэтому он обеспечивает надежную защиту; его основным недостатком как строительного материала является его вес и сложность обработки. Плотность энергии является одновременно преимуществом и недостатком. Камень трудно нагреть, не затратив при этом значительного количества энергии, но, когда он нагреется, 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 клали один камень на другой. Со временем для скрепления камней стали использовать различные виды раствора , причем сейчас наиболее распространенным является цемент .
Например, усыпанные гранитом возвышенности Национального парка Дартмур в Соединенном Королевстве предоставили ранним поселенцам обильные ресурсы . Круглые хижины были построены из рыхлых гранитных скал в эпоху неолита и раннего бронзового века , и останки примерно 5000 человек все еще можно увидеть сегодня. Гранит продолжал использоваться на протяжении всего средневекового периода (см. Длинный дом Дартмура ) и в наше время. Сланец — еще один тип камня, широко используемый в качестве кровельного материала в Великобритании и других частях мира, где он встречается.
Каменные здания можно увидеть в большинстве крупных городов, а также в некоторых цивилизациях, построенных преимущественно из камня, таких как египетские и ацтекские пирамиды и сооружения цивилизации инков .
Солома – один из старейших известных строительных материалов. «Солома» — это другое слово, обозначающее «трава»; трава — хороший изолятор, и ее легко собирать. Многие африканские племена круглый год жили в домах, полностью построенных из травы и песка. В Европе когда-то были распространены соломенные крыши домов, но этот материал вышел из моды, поскольку индустриализация и улучшение транспорта увеличили доступность других материалов. Однако сегодня эта практика возрождается. В Нидерландах, например, многие новые здания имеют соломенные крыши со специальной коньковой черепицей сверху.
Древесина использовалась в качестве строительного материала на протяжении тысячелетий в своем естественном состоянии. Сегодня инженерная древесина становится очень распространенной в промышленно развитых странах.
Древесина — это продукт деревьев , а иногда и других волокнистых растений, используемый в строительных целях при распиловке или прессовании пиломатериалов и древесины, таких как доски, доски и подобные материалы. Это универсальный строительный материал, который используется при строительстве практически любого типа конструкции в большинстве климатических условий. Древесина может быть очень гибкой под нагрузками, сохраняя прочность при изгибе, и невероятно прочной при вертикальном сжатии. У разных пород древесины есть много разных качеств, даже у одних и тех же пород деревьев. Это означает, что определенные виды лучше подходят для различных целей, чем другие. Условия выращивания важны для определения качества.
«Древесина» — это термин, используемый в строительных целях, за исключением термина «пиломатериалы», который используется в Соединенных Штатах. Необработанная древесина (бревно, ствол, ствол) становится древесиной, когда древесина была «преобразована» (распилена, отесана, расколота) в виде минимально обработанных бревен, уложенных друг на друга , деревянного каркаса и легкого каркаса. строительство . Основными проблемами деревянных конструкций являются пожароопасность и проблемы, связанные с влажностью. [ нужна цитата ]
В наше время хвойная древесина используется как недорогой сыпучий материал, тогда как лиственные породы обычно используются для отделки и мебели. Исторически в Западной Европе деревянные каркасные конструкции строились из дуба, но в последнее время ель Дугласа стала самой популярной древесиной для большинства типов строительных конструкций.
Многие семьи или общины в сельской местности имеют личный участок леса , на котором семья или община будут выращивать и заготавливать деревья для строительства или продажи. Эти участки, как правило, похожи на сад. Это было гораздо более распространено в доиндустриальные времена, когда существовали законы относительно количества древесины, которое можно было вырубить за один раз, чтобы обеспечить запас древесины на будущее, но это все еще была жизнеспособная форма сельского хозяйства.
Кирпичи изготавливаются аналогично сырцовым кирпичам, за исключением того, что они не содержат волокнистого связующего, такого как солома, и обжигаются ( «обжигаются» в кирпичном зажиме или печи ) после сушки на воздухе, чтобы окончательно затвердеть. Глиняный кирпич, обожженный в печи, представляет собой керамический материал. Обожженные кирпичи могут быть цельными или иметь полые полости, что облегчает их высыхание, а также облегчает их транспортировку. Отдельные кирпичи укладываются рядами друг на друга с использованием раствора . Последовательные ряды используются для возведения стен, арок и других архитектурных элементов. Стены из обожженного кирпича обычно значительно тоньше, чем глинобитные/саманные, 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, который сейчас называется римским кирпичом . [15] Строительство из кирпича приобрело большую популярность в середине 18-го и 19-го веков. Это произошло из-за снижения затрат за счет увеличения производства кирпича [16] и обеспечения пожарной безопасности в постоянно перенаселенных городах.
Шлакоблок дополнял или заменял обожженный кирпич в конце 20 века , часто используемый для внутренних частей каменных стен и сам по себе.
Структурные глиняные плитки (глиняные блоки) изготавливаются из глины или терракоты и обычно имеют перфорацию.
Композиты на цементной связке изготавливаются из гидратированной цементной пасты, которая связывает древесину, частицы или волокна для изготовления сборных строительных компонентов. В качестве связующих материалов использовались различные волокнистые материалы, в том числе бумага , стекловолокно и углеродное волокно .
Древесина и натуральные волокна состоят из различных растворимых органических соединений, таких как углеводы , гликозиды и фенольные соединения. Известно, что эти соединения замедляют схватывание цемента. Поэтому, прежде чем использовать древесину для изготовления цементных композитов, оценивают ее совместимость с цементом.
Древесно-цементная совместимость – это отношение параметра, связанного со свойствами древесно-цементного композита, к показателю 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 цементно-заполнительной смеси; [17] [18] [19] сравнение механических свойств цементно-заполнительных смесей [20] [21] и визуальная оценка микроструктурных свойств древесно-цементных смесей. [22] Было обнаружено, что тест на гидратацию путем измерения изменения температуры гидратации во времени является наиболее удобным методом. Недавно Караде и др. [23] рассмотрели эти методы оценки совместимости и предложили метод, основанный на «концепции зрелости», т.е. учитывающий время и температуру реакции гидратации цемента.
Кирпичи клали на известковый раствор со времен римлян, пока в начале 20 века его не вытеснил портландцементный раствор . Цементные блоки также иногда заполняются раствором или покрываются обмазочным слоем .
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 со временем затвердевает, превращаясь в материал, похожий на камень. В общем смысле это материал, обозначаемый термином «бетон».
Поскольку бетон имеет довольно низкую прочность на разрыв , бетонную конструкцию любого размера обычно укрепляют стальными стержнями или стержнями (известными как арматура ). Этот усиленный бетон тогда называют железобетоном . Чтобы свести к минимуму количество пузырьков воздуха, которые могут ослабить конструкцию, используется вибратор для удаления воздуха, вовлеченного при заливке жидкой бетонной смеси вокруг железных конструкций. Бетон стал преобладающим строительным материалом в современную эпоху благодаря своей долговечности, пластичности и простоте транспортировки. Последние достижения, такие как изоляционные бетонные формы , объединяют формование бетона и другие этапы строительства (установку изоляции). Все материалы необходимо брать в необходимых пропорциях, как описано в стандартах.
Палатка является излюбленным домом кочевников по всему миру. Два хорошо известных типа — это конический вигвам и круглая юрта . Палатка была возрождена как основной метод строительства с развитием натяжной конструкции и синтетических тканей. Современные здания могут быть изготовлены из гибкого материала, такого как тканевые мембраны, и поддерживаться системой стальных тросов, жестких или внутренних, или давлением воздуха.
В последнее время синтетический полистирол или пенополиуретан стали использовать в сочетании с конструкционными материалами, например бетоном. Он легкий, легко принимает форму и является отличным изолятором. Пена обычно используется как часть конструкционной изолированной панели , где пена зажата между древесиной, цементом или изоляционными бетонными формами.
Производство стекла считается формой искусства, а также промышленным процессом или материалом.
Прозрачные окна использовались с момента изобретения стекла для закрытия небольших проемов в зданиях. Стеклянные панели дали людям возможность пропускать свет в комнаты и в то же время сохранять ненастную погоду снаружи.
Стекло обычно изготавливается из смеси песка и силикатов в очень горячей печи, называемой печью , и оно очень хрупкое. Добавки часто включают в смесь, используемую для производства стекла с оттенками цвета или различными характеристиками (например, пуленепробиваемое стекло или лампочки).
Использование стекла в архитектурных зданиях стало очень популярным в современной культуре. Стеклянные « навесные стены » можно использовать для покрытия всего фасада здания или для перекрытия широкой конструкции крыши в « космической рамке ». Однако для этих целей требуется какая-то рама для скрепления частей стекла, поскольку стекло само по себе слишком хрупкое, и для покрытия таких больших площадей потребуется слишком большая печь.
Стеклянный кирпич был изобретен в начале 20 века.
Гипсобетон представляет собой смесь гипсовой штукатурки и стекловолоконной ровницы . Хотя штукатурка и волокнистая 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 ровницы толщиной 300 мм плюс стекловолокно. были расследованы. Благодаря обилию гипса (природного происхождения и побочных химических продуктов ДДГ и фосфогипса), доступных 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. В строительстве используется множество металлов . Металлические фигурки занимают видное место в сборных конструкциях, таких как хижина Квонсет , и их можно увидеть в большинстве космополитических городов. Производство металла требует большого количества человеческого труда, особенно в больших количествах, необходимых для строительной промышленности. Коррозия — главный враг металла, когда дело касается долговечности.
Термин « пластмассы» охватывает ряд синтетических или полусинтетических органических продуктов конденсации или полимеризации , которые можно формовать или экструдировать в предметы, пленки или волокна . Их название происходит от того, что в полужидком состоянии они податливы или обладают свойством пластичности . Пластмассы сильно различаются по термостойкости, твердости и упругости. В сочетании с этой адаптируемостью общая однородность состава и легкость пластиков обеспечивают сегодня их использование практически во всех отраслях промышленности. Высококачественные пластмассы, такие как ETFE, стали идеальным строительным материалом благодаря своей высокой стойкости к истиранию и химической инертности. Известные здания, в которых он представлен, включают: Пекинский национальный центр водных видов спорта и биомы проекта «Эдем» . [24]
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 для наружных стен, крыш и полов, а также для защиты рабочей площадки во время строительства. Дегтярная бумага была изобретена в конце 19 века и использовалась для тех же целей, что и канифольная бумага, и для гравийных крыш . Дегтярная бумага в значительной степени вышла из употребления и была заменена битумной бумагой . Войлочная бумага в некоторых случаях была заменена синтетической подкладкой, особенно в кровельных покрытиях синтетической подкладкой и сайдинге пленкой для дома .
Существует широкий выбор гидроизоляционных и гидроизоляционных мембран, используемых для кровли, гидроизоляции подвалов и геомембран .
Обожженный глиняный кирпич использовался еще со времен римлян. Специальная черепица используется для кровли, сайдинга, полов, потолков, труб, облицовки дымоходов и многого другого.
Относительно новая категория строительных материалов, живые строительные материалы — это материалы, которые либо состоят из живого организма, либо созданы им; или материалы, поведение которых напоминает такое. Потенциальные варианты использования включают самовосстанавливающиеся материалы и материалы, которые воспроизводятся (воспроизводятся), а не производятся.
На рынке термин «строительная продукция» часто относится к готовым элементам или секциям, изготовленным из различных материалов, которые устанавливаются в архитектурную фурнитуру и декоративные детали здания. В список строительных изделий не включены строительные материалы, используемые для построения архитектуры здания, а также вспомогательные приспособления, такие как окна, двери, шкафы, детали столярных изделий и т. д. Строительные изделия, скорее, поддерживают и заставляют строительные материалы работать по модульному принципу.
«Строительная продукция» может также относиться к предметам, используемым для сборки такого оборудования, например , герметика , клея , краски и всего остального, купленного для строительства здания.
Чтобы облегчить и оптимизировать использование новых материалов и современных технологий, проводятся постоянные исследования, направленные на повышение эффективности, производительности и конкурентоспособности на мировых рынках. [25]
Материальные исследования и разработки могут быть коммерческими, академическими или и теми, и другими, и могут проводиться в любом масштабе. Примером предприятия по прототипированию строительных материалов является проект Forty Walls House с открытым исходным кодом в Австралии, где до 40 новых устойчивых материалов быстро прототипируются и тестируются одновременно в здании, которое постоянно занято и находится под наблюдением. [26]
Быстрое прототипирование позволяет исследователям быстро разрабатывать и тестировать материалы, внося коррективы и решая проблемы в ходе процесса. Вместо теоретической разработки материалов, а затем их тестирования только для обнаружения фундаментальных недостатков, быстрые прототипы позволяют сравнительно быстро разработать и протестировать, сокращая время вывода новых материалов на рынок до нескольких месяцев, а не лет. [27]
В 2017 году здания и сооружения вместе потребляли 36% конечной энергии, производимой в мире, при этом на их долю приходилось 39% глобальных выбросов CO2 , связанных с энергетикой . [28] Доли только строительной отрасли составили 6% и 11% соответственно. Потребление энергии при производстве строительных материалов составляет доминирующую долю в общей доле строительной отрасли, преимущественно за счет использования электроэнергии в процессе производства. Энергия соответствующих строительных материалов в США представлена в таблице ниже. [29]
В эту статью включен текст С. Бурбиа1 · Х. Казеуи · Р. Беларби, доступный по лицензии CC BY 4.0.
СМИ, связанные со строительными материалами, на Викискладе?
