ВЗАИМОСВЯЗЬ СОСТАВА И СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ИХ СВОЙСТВАМИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«Братский государственный университет»

 

А.В. Косых, Н.А. Лохова, И.А. Макарова

 

ИСКУССТВЕННЫЕ И ПРИРОДНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ

 

 

Учебное пособие

 

Рекомендовано Учебно-методическим объединением ву-зов РФ по образованию в области строительства в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направле-нию 653500 «Строительство»

 

Братск 2006
УДК 691

Косых, А.В. Искусственные и природные строительные материалы и изделия: учеб. пособие / А.В. Косых, Н.А. Лохова, И.А. Макарова. – Братск: БрГУ, 2006. – 188 с.

 

 

ISBN 5-8166-0164-4

 

В учебном пособии приведены сведения об основных свойствах главнейших видов искусственных строительных материалов и изделий, а также методах их оценки, которые позволят определить области их рационального применения в конкретных условиях эксплуатации зданий и сооружений.

 

 

Рецензенты:	В.В. Воронин, д-р техн. наук, проф. кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов (МГСУ).
	Кафедра строительных материалов и спецтех-нологий (НГАСУ).

 

ISBN 5-8166-0164-4

Ó ГОУ ВПО «БрГУ», 2006 Ó Косых А.В., Лохова Н.А., Макарова И.А., 2006

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Строительные композиционные материалы во всем своем многообразии могут рассматриваться как искусственные и природные композиты.

Изучение общих закономерностей формирования их структуры и свойств является основной целью дисциплины «Строительное материаловедение. Технология конструкционных материалов».

Триада «структура – технология – свойства» иллюстрирует невозможность изучения строительных материалов в отрыве от технологии, поскольку управление их структурой и свойствами осуществляется именно через технологию.

Пособие содержит информацию об эффективных строительных материалах, методах определения их ключевых свойств и способах управления их структурой.

Выбор конкретных видов искусственных строительных материалов и изделий различных способов омоноличивания, описанных в пособии, произведен с учетом отечественного и зарубежного опыта их применения, а также сложившихся рыночных приори-тетов.

При этом учтено разделение вяжущих веществ на воздушные и гидравлические, c детальным освещением типичных представителей каждой группы.

В разделах, содержащих сведения о древесине и горных породах, раскрыты возможности архитектурно-строительных мате-риалов с улучшенными показателями эстетических и эксплуатационных свойств из природных ресурсов Сибири. Включение раздела по оценке свойств зернистых нерудных материалов обосновано массовостью их использования в строительстве.

Представленная в пособии теоретическая информация о технологических особенностях производства строительных материалов в совокупности с основными сведениями о методах определения их свойств служит базой для творческого восприятия строительного материаловедения студентами, обучающимися по направлению 653500 Строительство. Таким образом, изложенный в пособии теоретический материал, содержащий информацию прикладного значения, позволит дополнить и углубить сведения, полученные на лекционных занятиях.

Введение, заключение, разделы «Взаимосвязь состава и строения строительных материалов с их свойствами», «Керамические стеновые и теплоизоляционные материалы», «Металлы и сплавы» составлены Н.А. Лоховой; разделы «Древесина», «Природные
каменные материалы», «Основные свойства строительных материалов» (п.1.1 – 1.7) – И.А. Макаровой; разделы «Строительный гипс», «Портландцемент», «Проектирование состава тяжелого бетона», «Строительные растворы», «Нерудные зернистые материалы» – А.В. Косых.

Авторы выражают глубокую благодарность профессорам, докторам технических наук В.В. Воронину (МГСУ), Н.А. Машкину и В.Ф. Завадскому (НГАСУ) за ценные замечания и информационную поддержку при создании пособия.

 

 

ВЗАИМОСВЯЗЬ СОСТАВА И СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ИХ СВОЙСТВАМИ

 

Строительные материалы подразделяют на природные и искусственные. Природные материалы получают непосредственно из недр земли или путем механической переработки природных ресурсов, придавая им рациональную форму и размеры, но не изменяя внутреннего строения и химического состава сырья.

Искусственные строительные материалы производят из природного или техногенного сырья путем переработки с привле-чением специального оборудования и энергетических затрат. Искусственные материалы отличаются от исходного сырья как по строению, так и по химическому составу.

В свою очередь, искусственные материалы разделяют по способу их «отвердевания» (омоноличивания) на безобжиговые, автоклавные и обжиговые материалы.

Материалы, отвердевание которых происходит при обычных, сравнительно невысоких температурах, с кристаллизацией новообразований из растворов относят к безобжиговым материалам.

Автоклавными называют материалы, омоноличивание которых осуществляется в условиях автоклавирования, т.е. при повышенных температуре и давлении пара, с синтезированием цементирующих и кристаллизующихся соединений непосредственно в автоклавах.

Материалы, отвердевание которых происходит при остывании расплавов, выполняющих функцию вяжущего вещества или, по выражению академика А.А. Байкова, «цемента высоких температур», относят к обжиговым материалам.

Выделение этих трех типов условно, так как нередко отвердевание происходит при совмещенных процессах кристаллизации и остекловывания. Кроме того, в безобжиговых конгломератах частично применяются обжиговые минеральные вяжущие вещества.

Строительные материалы во всем своем многообразии могут рассматриваться как искусственные и природные композиты на полиструктурной основе. Композиционные строительные материалы состоят из двух компонентов или фаз, взаимодействующих между собой через поверхности раздела, при этом качественные признаки композита и его составляющих различаются.

Свойства строительного материала зависят от его вещественного состава и структуры. Под последней подразумевается пространственное расположение частиц.

Качество строительных материалов определяется степенью соответствия их свойств техническим требованиям с учетом климатических и иных условий работы конструкций и сооружений.

Используя данное учебное пособие, можно ознакомиться с определением ключевых свойств ряда природных и искусственных материалов, наиболее широко применяемых в строительстве в условиях Восточной Сибири. Перечень обязательных мероприятий по испытанию этих материалов, методики их определения и предъявляемые к ним требования приведены в пособии в соответствии с действующими ГОСТами и техническими условиями.

Учебное пособие способствует расширению и закреплению знаний, полученных студентами на занятиях по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», а также подготавливает к освоению процедуры оценки качества, рассматриваемой при изучении дисциплины «Стандартизация и метрология».

Для более подробного и детального изучения теоретических вопросов и нормативных требований целесообразно обращение к источникам информации, приведенным в списке литературы.

Строительные материалы обладают макро- и микроструктурой. Макроструктура различима невооруженным глазом или при помощи лупы. Изучение микроструктуры требует специального оснащения. Так, макроструктура искусственного строительного композита образована совмещением микроструктуры вяжущего вещества и полизернистых или иных видов (волокнистых и др.) грубодисперсных частиц заполнителя, а также поровой частью.

Макроструктуру с выраженной прослойкой «вяжущего» между частицами «заполнителя» называют порфировой. Контактная макроструктура отличается прямым контактированием «заполнителя».

В зависимости от характера связей контактируемых частиц различают (по П.А. Ребиндеру) следующие типы микроструктур: коагуляционные, конденсационные, кристаллизационные.

В образовании коагуляционных микроструктур участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия – ван-дер-ваальсовы силы сцепления, действующие через прослойку жидкой фазы. Такие структуры характеризуются пониженной прочностью, способностью к тиксотропии, к восстановлению структуры, разрушенной под механическим воздействием.

Конденсационные микроструктуры возникают при непосредственном взаимодействии частиц в соответствии с валентностью контактирующих атомов или под влиянием ионных и ковалентных связей.

Кристаллизационные микроструктуры образуются путем выкристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в прочный агрегат, в том числе под влиянием химических связей.

Формирование последних двух микроструктур обуславливает повышенную прочность и хрупкость материала, но лишает его тиксотропии.

Типичны смешанные структуры как совокупности двух или трех одновременно.

Одним из обязательных условий образования композита необходимо считать перевод системы в термодинамически нестабильное состояние. Наиболее простым и часто применяемым способом изменения энергетического состояния рассматриваемых структур является обжиг, когда термодинамическая стабильность нарушается путем передачи тепловой энергии.

Для природных материалов вещественный состав и структура определяются генезисом природного сырьевого ресурса, для искусственных материалов – рецептурой масс и технологией их переработки.

Используемые в настоящее время традиционные строительные материалы, изделия и конструкции не позволяют перейти к созданию качественно нового поколения зданий и сооружений [24].

Создание новых материалов и технологий должно основываться на историческом опыте и учитывать новые требования к архитектурно-эстетическим качествам и социальной комфортности, а также требования по предельно возможной энергоэкономичности, быстроте возведения и экологической безопасности при эксплуатации.

По мнению академика В.И. Соломатова, основными задачами в области строительного материаловедения [36] являются:

– разработка и внедрение интенсивных и ресурсосберегающих технологий с гидромеханической, физической и биологической активацией бетонов и изделий из них на минеральных и органических вяжущих с экономией последних до 60–70 % путем раздельного приготовления смеси, применения эффективных наполнителей и модификаторов;

– создание интенсивных биотехнологий производства эффективных и экологически чистых строительных материалов и изделий без использования каких-либо вяжущих с резкой экономией ресурсов, а также биоклеев, биомодификаторов бетона и широкого внедрения биологических методов в традиционные технологии;

– разработка новых технологий строительных материалов с широким использованием шламов, шлаков, зол и других техногенных отходов промышленного и сельскохозяйственного производства;

– обоснование и разработка количественной теории химического, физического и биологического сопротивления строительных материалов с учетом механических воздействий и создание на ее основе прогрессивных методов расчета конструкций, прогноза повышения долговечности зданий и сооружений; создание бетонов-«консервантов» и особо прочных бетонов до 200 МПа и выше;

– разработка эффективных архитектурно-строительных материалов с повышенными показателями эстетических и эксплуатационных свойств, прежде всего материалов с высоким термическим сопротивлением, кровельных, вибропоглощающих, акустических и др.;

– развертывание работ по компьютерному материаловедению – формированию структуры и конструированию новых композиционных материалов на молекулярном уровне.

Всемерно способствовать формированию кадров строительной индустрии, подготовленных к решению современных задач материаловедения, – основное назначение этого пособия.

 

1.1. Виды нормативной документации.
Классификация материалов и их свойств

Строительные материалы, применяемые при возведении зданий и сооружений, характеризуются разнообразными свойствами, которые определяют качество материалов и области их применения. Особенности строительных материалов, проявляющиеся при воздействии различных явлений и других материалов, называются их свойствами, а совокупность свойств, определяющих пригодность материалов для применения по назначению, характеризует их качество.

Свойства строительных материалов оценивают числовыми показателями, которые устанавливают путем лабораторных испытаний по единообразной стандартной методике.

В Российской Федерации в настоящее время действует Единая государственная система стандартизации, основной целью которой является упорядочение производства и применения строительных материалов, установление высоких требований к их качеству, приведение показателей качества в соответствие с возрастающими запросами строительства. Стандартизация технических требований и методов испытания строительных материалов позволяет осуществлять единую техническую политику, получать воспроизводимые данные в качественных показателях материалов, независимо от места их испытания и применения.

Основными нормативными документами, действующими в нашей стране, являются государственные стандарты (ГОСТы), которые являются обязательными для всех предприятий и организаций независимо от их ведомственного подчинения и формы собственности.

Государственные стандарты разделяются на отдельные виды: технические требования, типы изделий и их основные параметры, методы испытаний, правила приемки, маркировки, упаковки, транспортирования и хранения. Большинство стандартов на строительные материалы и изделия – это стандарты технических требований. Значительная их часть связана с физико-механическими характеристиками материалов (плотность, влажность, водопоглощение, прочность, морозостойкость и др.).

Помимо стандартов существуют строительные нормы и правила (СНиП). СНиП – это свод общероссийских нормативных документов по проектированию, строительству и строительным материалам, обязательный для всех организаций и предприятий [17, 37].

Для оценки качества импортных строительных материалов и изделий в стране действует Система сертификации.

Все строительные материалы и изделия можно классифицировать на группы по различным классификационным признакам: видам продукции (штучные, рулонные, мастичные и т.д.); применяемому основному сырью (керамические, на основе минеральных вяжущих, полимерные и т.д.); способам производства (прессованные, вальцево-каландровые, экструзионные и т.д.); назначению (конструкционные, конструкционно-отделочные, декоративно-отделочные); конкретным областям применения (стеновые, кровельные, теплоизоляционные и т.д.); происхождению (естественные, или природные, и искусственные, минерального и органического происхождения) и т.п.

Обоснованный выбор материала для целевого строительного назначения осуществляется с учетом комплекса его свойств.

Свойствами называют способность материалов определенным образом реагировать на воздействие отдельных или совокупности внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов. Обычно выделяют пять групп свойств.

Физические свойства характеризуют какую-либо особенность физического состояния или отношение материала к различным физическим процессам. Эта группа включает параметры состояния, гидрофизические и теплофизические свойства, радиационную стойкость.

Механические свойства отражают способность материала сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры.

 

К механическим относят деформативные свойства: прочность, твердость, истираемость, сопротивление износу.

Химические свойства определяют способность материала к химическим превращениям при контакте с веществами внешней среды (в том числе агрессивной), к сохранению состава и структуры в условиях инертной окружающей среды, химическому взаимодействию компонентов при получении материалов.

Физико-химические свойствахарактеризуют влияние физического состояния материала на протекание определенных химических процессов (например, степень дисперсности материала влияет на кинетику химических реакций).

Технологические свойства определяют способность материала к восприятию некоторых технологических операций, изменяющих состояние материала, структуру его поверхности, придающих наружную форму, размеры и т.п. Эта группа свойств включает пластичность, дробимость, гвоздимость, шлифуемость и полируемость.

В прил. 1 указаны основные свойства некоторых строительных материалов.

Существует глубокая связь между свойствами, строением материала и условиями его образования в природных или искусственно созданных условиях. Например, из одних и тех же сырьевых компонентов путем изменения технологических параметров производства можно получить тяжелые, обычные и легкие материалы. Для того чтобы правильно применять в строительстве тот или иной материал, необходимо знать его основные свойства и учитывать условия, в которых он будет работать в строительной конструкции [15, 37].

 

Физические свойства

 

Параметры состояния

 

Истинная плотность (r) – масса (m) единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (V_a):

. (1.1)

Размерность истинной плотности – г/см³, кг/м³.

Истинная плотность жидкости и материалов, полученных из расплавленных масс (металла, стекла, а также гранита, мрамора, базальта и других подобных горных пород), практически соответствует их плотности в естественном состоянии, так как объем внутренних пор у них весьма мал.

Средняя плотность (r_m) – масса (m) единицы объема материала в естественном состоянии (V_e), т.е. вместе с порами и пус­тотами:

(1.2)

Размерность средней плотности – г/см³, кг/м³ (т/м³). Средняя плотность не является величиной постоянной и изменяется в зависимости от пористости материала. Искусственные материалы можно получать с необходимой средней плотностью. Например, меняя пористость, получают бетон тяжелый (со средней плотностью
1800–2500 кг/м³) или легкий (со средней плотностью 500–800 кг/м³).

На величину средней плотности влияет влажность материала: чем выше влажность, тем больше средняя плотность. Среднюю плотность материалов необходимо знать для расчета их пористости, теплопроводности, теплоемкости, прочности конструкции (с учетом собственной массы) и подсчета стоимости перевозок материалов.

Для большинства строительных материалов (кирпич, газо­бетон, дерево и др.) r > r_m.

Для абсолютно плотных материалов (стекло, металл, битум)
r = r_m.

Пористость (П) – степень заполнения объема материала порами:

 

;

.

 

где V_n – объем пор; V_a и V_e – объем материала соответственно в абсолютно плотном и естественном состоянии.

Расчетно-экспериментальным методом общая пористость определяется по формуле

Пористость выражают в долях объема материала, принимае­мого за 1, или в % от объема.

Общая пористость (П) равна сумме объема закрытых (П₃) и открытых (П_о) пор: П = П₃ + П_о. От характера пористости (открытые или закрытые, мелкие или крупные) зависят эксплуатационные свойства материала. В частности, П₃ определяет теплозащитные свойства и долговечность (морозостойкость), а П_о полезна при создании акустических и звукопоглощающих материалов.

Пористость различных строительных материалов колеблется в значительных пределах и составляет для гранита 0,1 – 4 %, керамического материала 25 – 30 %, тяжелого бетона 5 – 10 %, газобетона 55 – 85 %, пенопласта 95 %, а пористость стекла и металла равна нулю.

Большое влияние на свойства материала оказывают не только величина пористости, но и размер и характер пор: мелкие (0,1 мм) или крупные (от 0,1 до 2 мм), замкнутые или сообщающиеся. Мелкие замкнутые поры, равномерно распределенные по всему объему материала, придают ему теплозащитные свойства.

Плотность и пористость в значительной степени определяют такие свойства материалов, как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.

Насыпная плотность(r_н) – масса (m) единицы объема (V_н) рыхло насыпных зернистых или волокнистых материалов (цемент, песок, щебень, глина и др.):

Насыпная плотность составляет [кг/м³]: для песка – 1500, щебня –1450, глинистых пород – 1600.

Насыпную плотность необходимо знать для расчета складов, бункеров, транспортных и грузоподъемных операций, а также для определения межзерновой пустотности сыпучих материалов.