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

Физические свойства

Гидрофизические свойства. Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения подвергаются действию воды или водяных паров, находящихся в воздухе. При этом их свойства существенно изменяются. Так, при увлажнении материала повышается его теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства. Во всех случаях при применении и хранении пористые строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Гидрофильность и гидрофобность – свойства поверхности материала по отношению к воде. Мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью вещества, из которого состоит материал.

Гидрофильные (от греч. рhileo – люблю) материалы имеют высокую степень связи с водой. На гидрофильной поверхности капля воды растекается (Рисунок 1а), а капиллярные поры гидрофильных веществ способны втягивать воду и поднимать ее на значительную высоту.

Гидрофобные (от греч. рhobos – страх) материалы имеют низкую степень связи с водой. На их поверхности капли воды почти не растекаются (Рисунок 1б), а в капиллярные поры вода проникает на минимальную глубину или вообще не проникает.

а)	б)
Рисунок 1 – Поведение капли воды на гидрофильной (а) и гидрофобной (б) поверхностях

 

Гигроскопичность – способность материала изменять свою влажность при изменении влажности воздуха. При увеличении влажности воздуха гигроскопичный материал поглощает и конденсирует водяной пар на своей поверхности, в том числе и на поверхности пор. Этот процесс называется сорбцией.

Капиллярное всасывание – способность материала всасывать и передавать по своей толще влагу с помощью тонких капиллярных пор. Происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так грунтовая вода может подниматься по капиллярам и увлажнять нижние части стен здания.

Характеризуется высотой подъема воды в материале, количеством поглощенной влаги и интенсивностью всасывания.

Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюрена:

, (7)

где - поверхностное натяжение,

- краевой угол смачивания,

– радиус смачивания,

- плотность жидкости,

- угол свободного падения.

Поры в бетоне и других строительных материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула пригодна для качественного рассмотрения явления, высоту всасывания определяют по изменению электропроводности материала.

Объем воды, поглощенной материалом путем всасывания за время , в начальной стадии подчиняется параболическому закону: , где - константа всасывания.

Уменьшение интенсивности всасывания, т.е. , отражает улучшение структуры материала и повышает его морозостойкость.

Водопоглощение – интегральный показатель способности материала поглощать влагу и удерживать ее в своих порах.

Водопоглощение характеризуется максимальным количеством воды, поглощаемым образцом материала при выдерживании его в воде, отнесенным к массе сухого образца (водопоглощение по массе W_m) или к его объему (водопоглощение по объему W_o).

Водопоглощение по Wm и Wo (%) определяют по формулам:

, (8)

, (9)

где m_НАС – масса материала в насыщенном водой состоянии, г;

m_СУХ – масса сухого материала, г;

V_О – объем материала в сухом состоянии, см³;

Ρ_m – средняя плотность материала, г/см³;

ρ_Н2О – плотность воды, равная 1 г/см³.

Коэффициент размягчения k_Р – отношение прочности материала, насыщенного водой R_В, к прочности сухого материала R_C:

. (10)

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Материал считается неводостойким, если коэффициент размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением, характеризуемое коэффициентом фильтрации k_Ф, м/ч:

, (11)

где V_В – количество воды, м³, проходящей через стенку площадью S = 1 м за время t = 1 ч при разности гидростатического давления на границах р₁ – р₂ = 1 м вод. ст.

Чем ниже коэффициент фильтрации, тем выше марка по водонепроницаемости материала.

Воздухостойкость – способность материала длительно выдерживать многократное систематическое увлажнение и высушивание без значительных дефектов и потери механической прочности.

Данное свойство связано с тем, что при увлажнении материал разбухает, при высыхании дает усадку, иногда коробление материала. Это вызывает напряжения в материале и со временем приводит к разрушению. Повысить Воздухостойкость можно введением гидрофобных добавок.

Газо- и паропроницаемость – способность материала пропускать газ или пар через толщу при наличии разности давления на поверхностях.

, г/м²Па. (12)

Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью, тогда стена будет «дышать», т.е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха. Поэтому стены жилых зданий, больниц и т.п. не отапливают материалами задерживающими апр. Стены производственных зданий и покрытия необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения водяного пара, т.к. внутри производственных помещений в зимнее время в 1 м³ воздуха содержится значительно больше водяного пара, чем снаружи, поэтому пар будет стремиться выйти наружу, при этом увлажнит стенки концентруясь и тем самым снизит морозостойкость.

В ряде случаев нужна полная газонепроницаемость, это относится к емкостям для хранения газов, а так же к специальным сооружениям (газоубежища).

Газо- и паропроницаемость зависят от строения материала, средней плотности, пористости.

Влагоотдача – способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20⁰С и относительной влажности 60%.

Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Чередование высыхание и увлажнения пористого материала вызывает появление трещин, ускоряющих разрушение.

Морозостойкость – способность материала, насыщенного водой, выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного снижения прочности.

От морозостойкости в большой мере зависит долговечность материалов. Основная причина разрушения материала при замерзании воды заключается в давлении на стенки пор. Плотность воды при 0⁰С = 999,9 кг/м³, а льда – 916,8 кг/м³. Таким образом, при замерзании вода увеличивается в объеме на 9%, при этом давление на стенки пор может достигнуть десятков и даже сотен МПа.

Для испытания материала на морозостойкость обычно применяют метод попеременного замораживания и оттаивания. Температура замораживания должна быть не выше -17⁰С, т.к. в капиллярах вода замерзает только при этой температуре. К морозостойким относятся те материалы, которые после установленного для них числа циклов замораживания и оттаивания не имеют трещин, расслоения и не теряют в массе более 5%, а прочность не должна снижаться более чем на 25%.

Приблизительно оценить морозостойкость можно по коэффициенту насыщения.

. (17)

Если К_НАС < 0,6 – морозостойкий материал.

Ускоренный метод испытания: материал помещают в насыщенный раствор Na₂SO₄*10H₂O и затем высушивают при t = 105⁰С, повторяя это испытание 5 раз. Кристаллы Na₂SO₄ давят на стенки поры гораздо сильнее, чем вода. Такое испытание является довольно жестким. И если материал его не выдержал, делают обычное замораживание и оттаивание.

Осадочные горные породы

Породообразующие минералы осадочных горных пород

Кремнезем – в осадочных горных породах встречается в виде кристаллического (кварца) и минерала (опала – SiO₂ nH₂O).

Опал имеет рыхлую высокодисперсную структуру, поэтому обладает повышенной микропористостью и большой реакционной способностью к гидроксиду кальция.

Каолинит – водный алюмосиликат Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O. Каолинит образуется при разрушении полевых шпатов. Это рыхлый землистый минерал, состоящий из микроскопических чешуек и пластинок белого цвета. Обладает малой прочностью и рассыпается в порошок. Благодаря такому строению каолинит может образовывать с водой пластическую, легко формующуюся массу, которая при прокаливании спекается в твердое огнеупорное тело без изменения формы.

Кальцит (СаСО₃) – самый распространенный минерал осадочных пород. У кальцита совершенная спайность в 3-х направлениях. Легко растворяется в HCl с выделением газа СО₂.

Магнезит (MgCO₃) по своим свойствам близок к кальциту. Магнезит труднее растворим в кислотах, чем кальцит.

Доломит (CaCO₃ MgCO₃) по физическим свойствам близок к кальциту, но более твердый и прочнее, хуже растворяется в HCl. Доломит образует горную породу того же названия.

Гипс (CaSO4 2H₂O) имеет кристаллическую структуру. Прозрачен и бесцветен, но часто окрашивается в разнообразные цвета. При нагревании до 130⁰С теряет большую часть воды, которую способен снова набрать с выделением тепла. Гипс образует горную породу того же названия.

Ангидрит (CaSO₄) – безводная разновидность гипса. От действия воды постепенно переходит в гипс, с увеличением объема на 60%.

Важнейшие осадочные горные породы

Осадочные горные породы подразделяются на механические(рыхлые, сцементированные); химические; органогенные.

Механические образовались из магматических горных пород под действием температуры, воды, льда, ветра – рыхлые; из рыхлых образуются сцементированные при помощи выкристаллизации из воды, гипса и известняка.

Химические образовываются из водных растворов, в результате изменения растворимости частицы выпадают в осадок.

Органогенные образуются из остатков растений и животных из нераспадающихся частей.

Механические отложения (рыхлые) состоят из обломков окатанных – гравий, неправильной формы – щебень размером зерна более 5 мм, менее 5 мм – песок.

Глина – механическая смесь каолинита с кварцевым песком, CaCO₃ и другими продуктами разрушения горных пород.

Сцементированные – конгломераты, песчаники.

Песчаники состоят из зерен кварцевого песка, сцементированного карбонатом кальция, кремнеземом или гипсом.

Химические осадки

Гипс образуется или непосредственно путем осаждения из морской воды, или сначала может осаждаться ангидрит, который затем переходит в гипс. Применяется для производства вяжущих. Гипс может быть трех видов: гипсовый шпат, гипс волокнистой структуры и алебастр мелкозернистый.

Доломит - =2200-2800 кг/м³, R_СЖ = 150-200 МПа. Применяют в качестве строительного камня, щебня, сырья для производства теплоизоляционных материалов и огнеупорных изделий.

Органогенные осадки

Известняк – горная порода, состоящая из кальцита с небольшим содержанием примесей. В зависимости от средней плотности и прочности делится на: плотный = 2000-2600 кг/м³, R_СЖ до 100 МПа; пористые - = 900-2000 кг/м³, R_СЖ = 0,4-12,5 МПа.

Плотные известняки имеют аморфное строение, стойки против выветривания. Применяют для облицовки.

Пористые известняки и известняки-ракушечники состоят только из аморфного кальцита. Их используют для облицовки стеновых конструкций.

По содержанию глины в породе делятся на: известняк (глины не более 6+%), мергелистый известняк (глины 6-20%), мергель (глины более 20%).

Диатомит и трепел – богатые опалом SiO₂ nH₂O рыхлые или землистые массы. Диатомиты образовались из панцирей диатомитовых водорослей, живущих в пресной или соленой воде. Панцири остаются на дне водоема и уплотняются вместе с глиной. Трепел – порода более раннего происхождения, в которой панцири превратились в мельчайшие шарики опала, сцементированные опаловым цементом.

Мел – состоит из мелких частиц раковин простейших животных, по химическому составу мел – это карбонат кальция. Применяют для красок, замазок, производства извести и цемента.

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).