Промышленность строительных материалов.

Промышленность СМ является одной из ведущих отраслей и определяет уровень развития жилищного, промышленного, гидротехнического и др. видов строительства. В настоящее время производство и реализация СМ является одной их самых доходных отраслей. В стоимости строительного объекта 50 и более процентов приходится на долю строительных материалов, следовательно, экономия в применении материалов и рациональное использование в соответствии с прочностными свойствами; теплотехническими характеристиками; эстетическими показателями; морозостойкостью и долговечностью является обязательным, т.к. обеспечивает понижение затрат при строительстве и эксплуатации объектов.

Классификация СМ

При изучении СМ. виды которых весьма многообразны, их классифицируют. В качестве классификационных признаков выбирают:

- производственное назначение материалов;

- вид исходного сырья;

- способ массового производства;

- основной критерий качества;

- происхождение (природное или искусственное)

Природные материалы– получают из горных пород или путем переработки местных массивов, этим материалам придают определенную форму и рациональный размер, но не изменяют химический и вещественный состав. Поэтому строительное материаловедение рассматривает в основном вопросы: переработки; приемы повышения эстетичности и долговечности; утилизации отходов.

На современном этапе развития промышленности строительных материалов большее развитие имеют производство искусственных строительных конгломератов- композиций получаемых путем переработки рациональных смесей, при этом реализуется возможность получения материалов с широким диапазоном свойств: от низко прочных до высокопрочных; способных избирательно поглощать или пропускать волны светового диапазона. УФ, ИК; с максимально низкой теплопроводностью и т.д.

Для работников строительной отрасли возможно наиболее приемлема классификация по назначению

1. Стеновые материалы (бетонные и железобетонные изделия, керамические кирпичи и камни, силикатный кирпич и крупноразмерные изделия, блоки из ячеистых бетонов и т.д.)

Стеновые материалы по основным параметрам могут быть отнесены к:

Конструкционным;

Конструкционно-теплоизоляционным;

Теплоизоляционным.

Такое деление обусловлено различными эксплуатационными параметрами, так для конструкционных основным свойством является прочность, для конструкционно-теплоизоляционных важны два параметра прочность и теплопроводность, для теплоизоляционных основным свойством является теплопроводность.

2. Гидроизоляционные и герметизирующие материалы

3. Теплоизоляционные материалы и изделия

4. Акустические материалы

2, 3, 4 – Материалы специального назначения

5. Кровельные

6. Отделочные

Материалы для отделки: потолков, пола. Внутренних стен и наружных- фасадные отделочные материалы.

7. Трубы (дренажные и канализационные, для систем инженерного обеспечения)

8. Санитарно-технические изделия

Кроме материалов строительного назначения существует большая группа материалов специального назначения: жаростойкие, кислотостойкие, защищающие от рентгеновских лучей и радиации и т.д.

Следует отметить, что в одну группу попадают материалы из различного сырья и с весьма несходными технологическими процессами.

Классификация по технологическому признаку – в основу положен: вид сырья и технологические основы производства: вяжущие; бетонные и железобетонные конструкции; керамические материалы; материалы и изделия на основе древесины; архитектурно-строительные стекла и материалы из каменного литья; металлы; строительные пластмассы; природные каменные материалы и т.д.

Физические свойства

Средняя плотность -характеризует массу единицы объема материала в естественном состоянии ( с учетом пор и пустот)

ρ = М/V, кг/м3

Это одно из основных свойств, по величине плотности можно предопределить ряд свойств.

Материал	Плотность. Кг/м3
Черные металлы
Алюминий
Бетон плотный на цементном вяжущем
Керамзитобетон	900-1800
Ячеистый бетон	500-1100
Керамический кирпич полнотелый	1600-1800
Керамический кирпич пустотелый	900-1400
Силикатный кирпич	1600-1850
Пенополистирол	25-45
Стекло
Пеностекло	200-400
Стекловата	75-200

Для определения средней плотности путем прямого измерения определяют массу и объем материала.

При воздействии статистических или циклических тепловых факторов материал характеризуется: теплопроводностью, теплостойкостью, огнестойкостью, термостойкостью, коэффициентом линейного температурного расширения

Теплопроводность – способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхности. Теплопроводность характеризуют коэффициентом теплопроводности λ, это количество тепла прошедшее через материал площадью 1м2, толщиной 1 м, за время 1 час при разности температур на поверхностях 1 градус :

λ = Q/ S •ΔΤ• τ• d где λ – коэффициент теплопроводности Вт/м °К ;Q – прошедший тепловой поток, Вт; S – площадь поверхности,м2; ΔΤ- разность температур на поверхностях, °К; τ- время, час; d- толщина материала, м.

Теплопроводность материала зависит от:

- Пористости, размера и характера пор. Для снижения теплопроводности поры должны быть мелкими, обязательно замкнутыми.

- Влажностного состояния. Содержащийся в порах неподвижный воздух имеет теплопроводность 0.023 Вт/мК, вода в 4 раза лучше проводит тепло, поэтому с повышением влажности на 1% теплопроводность возрастает на 0, 01 при замерзании воды в порах и образовании льда теплопроводность которого в 10-25 раз выше теплопроводность возрастает еще больше.

- Температуры материала. С ростом температуры теплопроводность возрастает:

λt = λо (1+ βt). где λt- теплопроводность при определенной температуре, λо- теплопроводность при температуре +20°С, β- температурный коэффициент.

Коэффициент теплопроводности можно рассчитать на основании данных по плотности используя эмпирическую формулу В.П. Некрасова

λ =1.163 √¯0.0196 + 0.22 ρ²– 0.14

Теплопроводность различных материалов

Материал	Теплопроводность
Кварц	0.63
Графит
Стекло строительное	1.34
Медь
Железо	73.2
Полиэтилен	0.34
Пенополистирол	0.032
Пенополиуретен	0.028
Полиметилметакрилат (орг.стекло)	0.16
Кирпич керамический пустотелый	0.435
Ячеистый бетон плотностью 600 кг/м3	0.16-0.18
Керамзитобетон плотностью 1100 кг/м3	0.68
Минеральная вата плотностью 200 кг/м3	0.05

В строительном материаловедении теплопроводность учитывается при расчете ограждающих конструкций для обеспечения:

- тепловой изоляции зданий и сооружений;

- для тепловой защиты поверхностей тепловых агрегатов и трубопроводов; - термостойкости огнеупорных материалов и специальных составов;

- хладоизоляции.

Поскольку ограждающие конструкции по своему назначению многофункциональны, составляющие их материалы являются гетерогенными пористыми телами. Общая, или эффективная Термическое сопротивление конструкции, важнейшая характеристика ограждающих конструкций здания, назначается по СНиП с учетом климатической зоны и расчета градусо-отопительных часов конкретного региона.

Термическое сопротивление рассчитывается по формуле:

R= d/ λ где R – термическое сопротивление, для Тюмени должно быть равным 3.53, d - толщина ограждающей конструкции, λ - коэффициент теплопроводности материала конструкции.

Тепловое расширение ТКЛР. Любая конструкция в процессе эксплуатации подвергается действию знакопеременных температур, при этом линейные размеры изменяются. Реально на границе двух фаз с разными коэффициентами температурного расширения одновременно возникают два вида напряжений- сжимающие, действующие на материал с высоким коэффициентом, и растягивающие, действующие на материал с меньшим коэффициентом. При напряжениях сверх некоторого критического значения появляются трещины. В поликристаллическом материале (например бетоне) имеющем много подобных внутренних контактов, как правило появляется несколько мельчайших трещин, которые не концентрируют напряжения, а релаксируют их.

Если поверхность контактов различных фаз велика и непрерывна, что имеет место в случае контакта керамического слоя с глазурью, то трещины из-за разности коэффициентов термического расширения не образуются и релаксация не наступает. Тогда напряжения суммируются и происходит отрыв слоев.

Тепловое расширение полностью обратимо или термически упруго, т.е. эффекты расширения при нагревании и сжатия при охлаждении по абсолютной величине одинаковы. Однако если циклически изменять температуру. То может возникнуть тепловой гистерезис. Это объясняется тем, что при колебаниях температуры едва измененная структура не успевает полностью восстановиться. Происходит запаздывание процесса расширения или сжатия.

Тепловой гистерезис чаще возникает в поликристаллических телах и зависит от макроструктуры (размера частиц, пористости и других показателей).

Паропроницаемость

Паропроницаемые материалы должны быть расположены с той стороны, где содержание водяного пара в воздухе больше. Т.к. при попадении водяного пара в холодную часть конструкции он конденсируется, резко повышается влажность, что постепенно приводит к разрушению слоев материала. Давление пара при отрицательных температурах приводит к миграции пара в наружную часть конструкции, где в порах образуется лед. Таким образом на морозостойкость конструкций особое влияние оказывает паропроницаемость.

В строительной практике применяют различные, в том числе условные характеристики паропроницаемости, так за 1 принята паропроницаемость керамического кирпича с пористостью 30%.

Трепельный кирпич пористостью 50% 2.2

Бетон пористостью 15% 0.25

Газопроницаемость

Газопроницаемость оконного стекла 10‾⁷

Кирпича 0.35

Модуль упругости

Алмаз 12.1· 10⁵МПа

Железо 2.11· 10⁵МПа

Алюминий 0.7· 10⁵МПа

Свинец 0.15· 10⁵МПа

Деформативные свойства

Основные понятия, термины

Деформативные свойства материалов проявляются при воздействии на них механических и термических нагрузок, в результате которых в материале возникают различного рода деформации, напряженное состояние и разрушение.

Деформация- это нарушение взаимного расположения множества частиц материала, которое приводит к изменению формы и размеров, вызывает изменение сил взаимодействия между частицами, т.е. возникновение напряжений. Простейшими элементами деформации являются относительное удлинение и сдвиг.

Относительное удлинение это отношение изменения длины к первоначальной длине

ξ=ℓк - ℓо

ℓо

Сдвигом называется изменение угла между элементарными волокнами, исходящими из одной точки и образующими прямой угол до деформации.

В твердых телах деформация называется упругой, если она исчезает после снятия нагрузки. И пластической, если она после снятия нагрузки не исчезает, если она исчезает не полностью, то называется упругопластической, если она изменяется во времени и обратима. То называется вязкоупругой.

Разрушение- это ослабление взаимосвязи между частицами при нарушении сплошности структуры.

Различают хрупкое,т.е. мгновенное (без деформации) и пластическое (с деформацией) разрушение твердого тела.

Упругость

Упругость- свойство изменять форму и размеры под действием нагрузок и самопроизвольно восстанавливать исходную конфигурацию при прекращении внешних воздействий.

Упругость тел обусловлена силами взаимодействия атомов. В твердых телах при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий атомы занимают равновесное положение, в котором сумма всех сил, действующих на каждый атом со стороны остальных, равна нулю, а потенциальная энергия атома минимальна. Под влиянием внешних воздействий атомы смещаются относительно своих равновесных положений. Что сопровождается увеличением потенциальной энергии тела на величину. Равную работе внешних сил на изменение формы и объема тела. В результате чего возникают напряжения, величины которых пропорциональны произведенной деформации.

Модуль Юнга

Модуль Юнга Е, показывает критическое напряжение σ, которое может выдержать структура материала при максимальной ее деформации ξ до разрушения, имеет размерность МПа и является основной характеристикой прочности материала:

Е= σ / ξ где – критическое напряжение МПа (МН/м2). – относительное удлинение (Δℓ /ℓ),ед.

μ теоретически должно быть равно 0.5. Однако практически эта величина значительно ниже теоретического показателя и для различных материалов изменяется по разному: для упругих ниже, для пластичных- выше. Это объясняется зависимостью между силами притяжения и отталкивания и изменением межатомного расстояния при деформации. Для хрупких материалов с ионно-ковалентной связью (бетон, керамика) μ колеблется в пределах 0.17-0.25. а для пластичных и эластичных, свойства которых обеспечиваются силами межмолекулярного взаимодействия (полимерные материалы) – 0.3-0.4.

При всестороннем сжатии (растяжении) изменение напряжения σ вдоль трех осей ΔX ·ΔY ·ΔZ /XYZ характеризуется объемным модулем упругости К. или модулем всестороннего сжатия (растяжения). Величина К растет с уменьшением расстояния между атомами, повышением валентности и атомной плоскости.

Таким образом, упругость характеризуется четырьмя константами, которые определяют физическую сущность структуры и взаимосвязь ее основных параметров в системе деформация - напряжение 6

- Модулем Юнга –Е, характеризующем жесткость тела;

- Модулем сдвига G, показывающем долю необратимой или пластической составляющей деформации;

- Модулем Пуассона μ , характеризующем поперечные деформации;

- Объемным модулем К, показывающим долю всестороннего сжатия при деформации твердого тела.