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 (Va):
. (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 (rm) – масса (m) единицы объема материала в естественном состоянии (Ve), 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 > rm.
Для абсолютно плотных материалов (стекло, металл, битум)
r = rm.
Пористость (П) – степень заполнения объема материала порами:
;
.
где Vn – объем пор; Va и Ve – 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 (По) пор: П = П3 + По. От характера пористости (открытые или закрытые, мелкие или крупные) зависят эксплуатационные свойства материала. В частности, П3 определяет теплозащитные свойства и долговечность (морозостойкость), а По 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(rн) – масса (m) единицы объема (Vн) 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.