Состав и строение материалов

Вводная лекция

Курс строительных материалов – это наука об изучении свойств материалов, применяемых в строительстве, способах их получения, хранения, транспортирования и правильного использования для той или иной конструкции, или сооружения.

Строительные материалы – это первый курс по высшей специальности, он послужит основой для прохождения в дальнейшем ряда специальных инженерных дисциплин: строительные конструкции, строительное производство, водоснабжение, вентиляция и др.

Значение курса «Строительные материалы» в учебном плане подготовки инженеров-строителей любых специальностей очень велико, т.к. ни одно сооружение нельзя правильно спроектировать, а готовые сооружения нельзя технически грамотно эксплуатировать без знания свойств строительных материалов. Вот почему для будущего инженера-строителя изучение строительных материалов является необходимым.

Под строительными материалами понимают как естественные, так и искусственные материалы минерального или органического происхождения.

К естественным строительным материалам относятся такие материалы, которые применяются в строительстве, не проходя сложную, т.е. химическую или тепловую обработку. Это, прежде всего, естественные каменные материалы, полученные разработкой и последующей механической обработкой: дробление, шлифовка, распиловка и т.д. Это гранит, мрамор, известняк, песчаник, ракушечник, туф. Эти породы или дробят на мелкие камни – щебень, или обрабатывают и делают из них облицовочные плиты, кирпичи или камни для дорог.

Искусственные материалы получаются в результате более сложной переработки – обжига, плавки, пропаривания или сушки исходного сырья. В результате такой переработки существенно изменяются химический состав продукта и его свойства. К таким материалам относятся: керамика – полученная из глины при помощи обжига; цемент – получают тонким измельчением клинкера с гипсом – материалом, полученным обжигом тонкоизмельченной смеси известняка с глиной; шлаковая вата – распылением шлакового расплава; известь – получаемая из известняковых пород.

Крупнейшим вкладом в производство строительных материалов явились исследования, проведенные Смитоном в 1756 г. в области вяжущих веществ. Смитон сделал попытку выяснить: какое влияние на качество вяжущего оказывает известь, полученная в результате обжига различных сортов известняка. Оказалось, что чем больше в обжигаемом известняке было глинистых примесей, тем вяжущее получалось более высокого качество. Так впервые были открыты свойства гидравлической извести, т.е. такой извести, которая уже способна твердеть в воде.

Во второй половине 18 века был открыт железобетон, где прочность на сжатие затвердевшего бетона удачно сочетается с прочностью на растяжение стальной арматуры. Официально изобретение железобетона приписывается французскому садовнику Малье, который в 1867г. взял патент на изготовление цветочных горшков из проволочной сетки, обмазанной с обеих сторон цементным раствором. С развитием промышленности стали развиваться керамическая и стекольная промышленности.

В 1813 г. начал изготовлять цемент Егор Герасимович Челиев, начальник военно-рабочих команд по восстановлению Кремля, разрушенного Наполеоном.

В 1825г. в Москве была издана книга, в которой Челиев описывает производство цемента из сырьевой смеси, но он не запатентовал свой изобретение.

Мощное развитие промышленности строительных материалов, как и всех других отраслей народного хозяйства, началось в нашей стране после Октябрьской революции. I мировая, а затем и гражданская войны нанесли большой ущерб хозяйству страны. В первые годы после этих войн в связи с общим упадком народного хозяйства, производства строительных материалов практически не происходило, так в 1920 г. произведено лишь 36 тыс. тонн цемента – это составило около 2% к 1913 г. (Такое количество цемента вырабатывает за 8-9 дней завод «Гигант»). Подобная ситуация была и в производстве кирпича. 1920 г. – 20 млн. шт. ~ 0,6% 1913 г. (примерно месячная производительность одного кирпичного завода).

В 1954 г. было положено начало созданию промышленности сборного железобетона, производство которого 1965 г. выросло в 20 раз, а темпы роста абсолютного объем производства явились невиданными по сравнению с любой другой отраслью. С 1960 г. стали развиваться заводы и комбинаты КПД.

Создание промышленности с ЖБИ явилось стимулом для технического прогресса в технологии бетона в целом. Если в 1954 г. уровень механизации технологических процессов составлял 10-15%, а автоматизация, кроме приготовления бетонных смесей, отсутствовала, то в 1966 г. на передовых предприятиях этот уровень достиг 70-72%, а автоматизация 6-7%.

Большое значение в строительстве имеют вяжущие вещества. При этом особую роль играет цемент, сейчас известно 36 наименований цемента и постоянно разрабатываются новые виды цемента. За последние годы значительно повысилась средняя марка цементов. Организовано производство быстро и особобыстротвердеющих ПЦ, без усадочных и расширяющихся цементов.

В современном строительстве широко используются вяжущие на основе гипса (строительный гипс, высокопрочный и т.д.). Из него при помощи прокатных станов изготавливают гипсо-картон, перегородочные панели и др.

В течение последних лет ведутся исследования по повышению водостойкости изделий из гипса, повышению прочности, получению теплоизоляционных материалов из гипса.

Известь – практически самое древнее вяжущее и до настоящего времени широко используемых. Советские ученые разработали теорию гидротермального твердения известково-кремнеземистых композиций.

Значительно преобразилась одна из старейших отраслей промышленности строительных материалов – керамическая, и особенно керамическая, производящая сан.-тех. Изделия, облицовочные плитки, кислотоупорную керамику и т.д.

Строительное стекло является одним из непременных материалов при возведении зданий и сооружений. Помимо оконного стекла получило развитие витринное, полированное, увиолевое, армированное, теплопоглощающее стекла и изделия из стекла такие как, трубы, газостекло, стеклопрофилит, изделия из ситаллов и шлакоситаллов.

Для повышения теплозащитных свойств конструкций широко используют теплоизоляционные материалы. В 20 веке появились минеральные теплоизоляционные материалы из расплавов – мин. ваты, шлаковата, стекловата. Разработаны технологии получения известковокремнеземистых, перлитовых, вермикулитовых, асбестосодержащих ТИМ. В настоящее время успешно решаются задачи дальнейшего развития производства ТИМ, увеличения их ассортимента, экологичности и безопасности.

С 1559 г. в СССР используются в строительстве пластмассы и синтетические смолы, производство которых в нале 1967 г. уже превысило 1 млн. тонн. Большой интерес представляют: полимербетоны, полимеррастворы, мастики, замазки и т.д., где роль цемента выполняет отверждающая смола. На основе полимеров изготавливают: сан.-тех. оборудование, различные материалы для теплоизоляции, гидроизоляции, облицовочные материалы и др. Синтетические смолы широко используют также в производстве лакокрасочных материалов взамен природных и растительных масел.

В этой лекции рассказано не обо всех отраслях строительной промышленности.

Расходы на строительные материалы составляют более 60% стоимости строительно-монтажных работ.

В начале применения строительных материалов приходится решать следующие вопросы:

1) необходимость правильного выбора материала, который соответствовал бы назначению данной конструкции и условиям эксплуатации. Например, а) кирпич, обладающий относительно хорошими теплоизоляционными свойствами лучше применять для стен зданий, а не для фундаментов; б) в ряде случаев сборный железобетон применяется недостаточно обоснованно взамен монолитного и конструкций из других материалов, например, при больших пролетах с тяжелыми нагрузками или в сельском хозяйстве. Это явилось причиной нетехнологичности и высокой стоимости конструкций;

2) необходимо знать правила хранения и транспортирования материалов. Так цемент и известь надо перевозить и хранить в плотной таре, чтобы не попадала вода, т.к. материалы комкуются и резко снижается их качество;

3) индустриализация строительства. Отличительной особенностью такого строительства является применение сборных строительных конструкций, стеновых панелей, плит перекрытий и т.д., изготовленных на специальных заводах. А на строительной площадке лишь монтируют готовые сборные элементы;

4) в случае отсутствия необходимого материала или большой его дефицитности, необходимо правильно заменить недостающий материал другим, не снижая качества этого материала. При этом лучше использовать местные строительные материалы;

5) необходимо знать виды разрушения материала, чтобы правильно уметь защитить материал во время эксплуатации от коррозии и различных разрушающих факторов: воды, газа, хим. веществ, температуры.

В курсе «Строительные материалы» мы рассмотрим следующие разделы:

1) основные свойства;

2) природные каменные материалы;

3) керамика;

4) вяжущие;

5) бетоны;

6) материалы и изделия из мин. расплавов (стекло);

7) теплоизоляционные материалы;

8) изделия из пластических масс;

9) гидроизоляционные материалы;

10) лесные материалы.

Основные свойства

Состав и строение материалов

Химический состав. В зависимости от химического состава принято выделять органические и неорганические вещества.

Органические вещества представляют собой соединения углерода с другими элементами. Можно считать, что все органические вещества ведут свое начало от продуктов фотосинтеза растений (глюкозы, крахмала и т.д.), т.е. все органические вещества представляют собой не окисленные как минеральные (каменные) вещества, а восстановленные вещества, аккумулирующие энергию солнца и отдающие ее при окислении (горении, гниении).

Среди строительных материалов из органических веществ чаще всего применяется древесина и битум. В XX в. Появились и быстро завоевали прочные позиции полимерные материалы, синтезируемые из продуктов переработки нефти, угля и т.п.

С точки зрения строителя органические вещества имеют серьезные недостатки:

1) при температурах выше 200-300⁰С большинство органических соединений горит (горение – это процесс окисления, протекающий очень быстро и сопровождается концентрированным выделением теплоты);

2) при развитии на органических материалах грибов или микроорганизмов происходит гниение – ферментативное окисление этих материалов.

Принципиально сущность процесса горения и гниения одна и та же – это окисление, но протекающее с разной скоростью и при разных температурах.

Из сказанного можно заключить, что долговечность органических материалов невелика. Однако многие положительные свойства органических материалов (невысокая плотность, относительно высокая прочность, легкость обработки и др.) с давних пор привлекали и привлекают до сих пор к ним внимание строителей.

Неорганические (минеральные) вещества, применяемые в строительстве (керамика, природный камень и др.), представляют собой соединения уже окисленных химических элементов. Например, песок – оксид кремния SiO₂; глина – водный алюмосиликат Al₂O₃ nSiO₂ mH₂O; стекло – вещество, состоящее из оксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и некоторых других оксидов. Будучи уже в окисленном состоянии, они не способны окисляться, т.е. гнить и гореть. В этом отношении они устойчивее (долговечнее) органических веществ. Однако их переработка в изделия, как правило, более трудоемка и энергоемка, чем переработка органических материалов.

Кристаллические и аморфные тела. Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов и молекул. В зависимости от степени упорядоченности расположения атомов (или молекул) твердых веществ различают кристаллические и аморфные (стеклообразные) тела.

Кристаллическими называют тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причем этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непосредственной близости друг от друга (ближний порядок), так и на значительном расстоянии (дальний порядок).

Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в более или менее упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.

Истинная плотность определяется, при установлении объема, занимаемого образцом без пор, имеющихся в материале в его природном состоянии. Для этого пористые материалы предварительно тонко измельчают, а затем определяют объем, занимаемый этим порошком, методом вытеснения воды.

Микро- и макроструктура материалов. Под структурой материала подразумевают взаимное расположение, форму и размер частиц материала, наличие пор, их размер и характер. Структура материала не в меньшей степени, чем состав, влияют на его свойства.

Различают микроструктуру – строение материала, видимое только под микроскопом, и макроструктуру – строение материала, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении.

Поры – один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов – представляют собой воздушные ячейки в материале размером от долей микрона до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во много определяют свойства материала. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное, легкое (плавает в воде) и может распиливаться обычной пилой.

Крупные поры размером более 5 мм и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.

Форма и размер частиц твердого вещества, из которого состоит материал, также влияют на свойства материала. Так, из хрупкого стекла можно получить тончайшие гибкие волокна, из которых изготавливают стеклоткань.

В зависимости от формы и размера частиц и их строения различают: зернистые, волокнистые и слоистые материалы.