ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................. 5
Тема 1 (лекция 1). ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
И КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПО НАЗНАЧЕНИЮ ............................................................... 7
1.1. Основные понятия ........................................................ 7
1.2. Значение строительных материалов ........................... 7
1.3. Классификация строительных материалов ................. 8
1.4. Стандартизация .......................................................... 10
1.5. Принципы обеспечения комплекса требуемых
свойств .............................................................................. 12
Тема 2 (лекция 2). СОСТАВ И СТРОЕНИЕ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ...................................... 13
2.1. Состав материалов ..................................................... 13
2.2. Строение материалов ................................................. 18
Тема 3 (лекции 3–4). СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 25
3.1. Виды сырья ................................................................. 25
3.1.1.Природное неорганическое сырье
(нерудные полезные ископаемые) ................................ 25
3.1.2.Природное органическое сырье .......................... 28
3.1.3.Решение экологических проблем при производстве строительных материалов 29
Тема 4 (лекция 5). ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ...................................... 33
4.1. Основные принципы производства ........................... 33
4.2. Технологические приемы обеспечения заданной структуры и свойств 38
4.3. Использование технологических добавок ................ 39
Тема 5 (лекции 6–12). СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ........................................................................ 41
5.1. Классификация свойств............................................... 41
5.2.1.Свойства материала, характеризующие
его как физическое тело................................................ 42
5.2.2.Гидрофизические свойства строительных материалов (свойства материалов по отношению
к действию воды)........................................................... 47
5.2.3.Теплофизические свойства................................... 64
5.3. Механические свойства строительных материалов... 75
5.3.1.Механические свойства........................................ 75
5.3.2.Специальные механические свойства.................. 85
5.3.3.Неразрушающие методы испытаний.................. 88
5.4. Химические свойства материалов............................... 89
5.4.1.Химические свойства............................................ 89
5.4.2.Выветривание горных пород и способы защиты 95
5.4.3.Коррозия цементных материалов и способы повышения коррозионной стойкости 98
5.5. Долговечность и срок эксплуатации материалов
и конструкций..................................................................... 99
5.6. Технико-экономическое обоснование
выбора материалов............................................................ 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................... 102
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................... 103
ВВЕДЕНИЕ
Материаловедение как наука о природе согласно точности экспериментальных результатов и глубине идей включает в себя знания физики, химии, биологии. Вследствие интеграции наук и установления связи между ними материаловедение сформиро- валось как самостоятельная наука. Развитие кристаллографии и кристаллохимии, а затем структурного анализа и представлений о реальной структуре материалов повлияло на развитие мате- риаловедения как системы упорядоченных знаний. Каждая из этих наук как подсистема материаловедения представляет свою развивающуюся систему знаний со своей конкретной концепци- ей, а само материаловедение, естественно, выступает подсисте- мой в естествознании (математике, физике, химии, биологии). Материаловедение является наукой, которая представляет собой не просто сумму знаний (набор фактов), а единую систему зна- ний с обобщениями и классификацией, способную предсказать не только цепь преобразования веществ при тех или иных воз- действиях на них, но и свойства вновь получаемых веществ и материалов.
Потребность техники в прочных материалах тесно связана с химией и физикой. Свойства материалов напрямую зависят от взаимодействия между атомами, формирующими пространст- венную структуру, от размера зерен (микрокристаллов), состав- ляющих материал, а также от процессов на границах зерен при технологическом изготовлении материалов.
Сегодня достигнуты границы прочности материалов при величине зерен 5–10 нм = (50–100 А), т.е. при значениях энер- гии объема зерна, близких к значениям энергии на его поверх- ности, и активно изучается взаимодействие и влияние нанораз- мерных частиц. Современное материаловедение требует знаний о веществе и материалах на уровне атомов и взаимодействия между ними.
Все это способствует знаниям о веществе как идеально упорядоченных атомах (молекулах) в пространстве и установ- лению связей между структурой и способами получения или технологического изменения вещества (материала). Становится понятным, что от структуры зависят конкретные свойства ве- ществ и материалов.
Настоящее учебное пособие представляет оригинальную область физического материаловедения, связанную со структу- рой и свойствами строительных материалов. Знание материало- ведения необходимо для дальнейшего изучения курса «Строи- тельные материалы» студентами строительных специальностей.
Цель дисциплины– дать базовые знания:
· по свойствам строительных материалов;
· по их связи с составом и строением;
· по основным закономерностям изменения свойств под воздействием различных факторов;
· по грамотному подходу к выбору строительного мате- риала для конкретных условий эксплуатации.
Основные сведения о дисциплине:
В течение семестра: лекций – 24 часа, лабораторных ра- бот – 10 часов, самостоятельная работа (по заданию преподава- теля) – 26 часов. Форма контроля – тест и зачет.
Тема 1 (лекция 1)
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО НАЗНАЧЕНИЮ
Основные понятия
Строительный материал – материал, используемый в строительстве зданий или сооружений или для производства строительных изделий и конструкций.
Строительные изделия – изделия из строительных мате- риалов, имеющие определенную форму и постоянные размеры.
Номенклатура – перечень названий основных видов гото- вой продукции (материалов, изделий).
Сырье, сырьевые материалы – исходные вещества или их смеси (сырьевые смеси) из 2-х или большего числа компонен- тов, которые подвергаются переработке при получении строи- тельных материалов и изделий.
Технология – в широком смысле это наука о процессах и способах производства, в более узком – это последовательность операций по переработке сырья в готовое изделие или в строи- тельный материал.
Классификация строительных материалов
1. Конструкционные материалы и изделия – предназначены для создания несущих конструкций, т.е. воспринимающих экс- плуатационные механические нагрузки:
· природные каменные материалы (например, блоки, кам- ни, бутовый камень из плотных горных пород);
· искусственные каменные материалы:
–на основе неорганических вяжущих веществ – цемент- ные и силикатные бетоны;
– керамические кирпич и камень;
–стеклянные изделия (стеклоблоки, стеклопрофильные изделия);
· металлические конструкции (фермы, балки);
· железобетонные конструкции (колонны, плиты покры- тий и перекрытий);
· конструкции из пластмасс;
· деревянные конструкции.
2. Вяжущие вещества –предназначены для соединения («склеивания») сыпучих зернистых материалов в единое целое с приданием определенной формы:
· неорганические (минеральные) вяжущие – гипс, известь, портландцемент;
· органические вяжущие – битум и деготь;
· полимерные связующие – поливинилхлорид, эпоксид- ные смолы, акриловые водные дисперсии.
3. Теплоизоляционные материалы изделия – предназначены для предотвращения потерь тепла (или холода):
· минеральные (стеклянная и минеральная вата, пеностек- ло, пенокерамика);
· органические (древесноволокнистые плиты, фибролит);
· полимерные – ячеистые пластмассы (пенополистирол, пенополиуретан, фенольные поропласты).
4. Гидроизоляционные материалы – предназначены для за- щиты (изоляции) конструкций от воды:
· битумные и дегтевые рулонные материалы (рубероид, толь, гидроизол), эмульсии и мастики;
· полимерные материалы – пленки (полиэтиленовая, по- ливинилхлоридная) и мастики.
5. Отделочные материалы – предназначены для придания привлекательного внешнего вида, улучшения санитарно-гигиени- ческих свойств поверхности и защиты материалов конструкций:
· из природного камня – плиты с полированной поверхно- стью из гранита, мрамора, плит;
· керамические – плитки для облицовки фасадов и внут- ренней поверхности стен;
· стеклянные – марблит, стемалит;
· материалы и изделия из древесины;
· из пластмасс – моющиеся обои, бумажно-слоистые пла- стики.
6. Материалы для пола и дорожные материалы.
7. Кровельные материалы.
8. Гидротехнические материалы.
9. Материалы и изделия специального назначения – акусти- ческие, огнеупорные, кислотостойкие, радиационно-защитные.
Качество, долговечность и стоимость сооружений в боль- шой мере зависят от правильного выбора и применения строи- тельных материалов.
Для выбора строительного материала из обширной номенк- латуры в каждой группе по назначению надо учитывать условия эксплуатации, диктующие требования к свойствам материала, долговечность материала и срок службы сооружения, стоимость и другие факторы.
Тема 2 (лекция 2)
СОСТАВ И СТРОЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Тема 4 (лекция 5) ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИИ
ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Использование технологических добавок
Это самый распространенный прием в технологии произ- водства строительных материалов:
· для корректирования свойств сырья;
· для изменения свойств сырьевых смесей;
· для снижения затрат сырья, топливно-энергетических ресурсов;
· для обеспечения заданных структуры и свойств готовой продукции.
Примеры использования технологических добавок
1. Добавки при производстве керамических материалов
Керамические материалы изготавливаются из глинистого сырья, которое в процессе обжига превращается в искусствен- ный камень (керамический черепок) в результате спекания.
Спекание сопровождается образованием расплава, который заполняет пустоты между твердыми частицами, стягивая их друг к другу. В результате снижается пористость, происходит усадка (уменьшение в размерах). При охлаждении расплав час- тично кристаллизуется, частично образует стекловидную фазу; в результате обеспечивается прочность структуры.
Добавки к глине
Таблица 4.4
| Виды добавок | Влияние на свойства | Изделия |
| Добавки – плавни (полевые шпаты, железная руда, до- ломит), при обжиге взаимодействуют с глинистым вещест- вом с образованием легкоплавких соеди- нений | ¯ температура появления расплава (температура обжи- га) ¯ пористость ¯ водопоглощение (спекший- ся (плотный) керамический черепок имеет водопоглоще- ние менее 5 %) прочность | Керамиче- ские плитки |
| Выгорающие добав- ки (опилки, уголь) – сгорают при обжиге | пористость ¯ теплопроводность | Кирпич, теплоизоля- ционные керамиче- ские мате- риалы |
2. Добавки при производстве искусственного камня на ос- нове неорганических вяжущих (бетонов)
Добавки в бетоны
Таблица 4.5
| Строительный материал | Добавка | Назначение | Результат |
| Тяжелый цементный бетон | Пластифици- рующие | Уменьшение со- держания воды в смеси (¯ В/Ц) | ¯ пористость прочность |
| Воздуховов- лекающие | пористость (мелкие замкну- тые воздушные поры) | морозостой- кость | |
| Газобетон (ячеистый бетон) | Газообра- зующие (алюминиевая пудра) | пористость (крупные замкну- тые воздушные поры) | ¯ теплопро- водность |
Тема 5 (лекции 6–12)
СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Классификация свойств
Свойствами называют способность материалов определен- ным образом реагировать на воздействие отдельного или не- скольких внешних или внутренних факторов: силовых, усадоч- ных, тепловых и других.
Каждый материал обладает комплексом свойств.
Кроме понятия «свойство» существуют количественные показатели, по которым оценивают «степень» его проявления для каждого материала, сравнивают материалы между собой.
Все многообразие свойств строительных материалов при- нято разделять на четыре группы.
1. Физические свойства характеризуют материал как физи- ческое тело, а также его отношение к различным физическим факторам (действию воды, различных температур, электриче- ского тока и т.д.).
2. Механические свойства характеризуют способность ма- териала сопротивляться действию внешних механических сил, приводящих к сжатию, растяжению, изгибу и т.д.
3. Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться обработке и переработке (шлифоваться и полироваться, изменять форму, уплотняться и т.д.).
4. Химические свойства характеризуют способность мате- риала к химическим превращениям под действием различных веществ и факторов (превращениям полезным – гидратация вя- жущих веществ и вредным – коррозия материалов).
Выбор материала
Технико-экономическое сопоставление взаимозаменяемых ма- териалов
− Стоимость материалов
− Трудозатраты при строительстве
− Срок службы сооружения и долговечность материалов
− Ремонтоспособность
− Затраты на ремонты
− Возможность переработки (утилизации) после завер- шения срока службы и др.
Одна из основных экономических характеристик – показа- тель себестоимости строительных материалов (изделий), кото- рая складывается из всех затрат на их производство. Этот пока- затель подробно будет рассмотрен в курсе «Экономика строи- тельства».