1) Определение и назначение дисциплины «Материаловедение».
Материаловедение — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ. Материаловедением называют науку, изучающую связь состава, строения и свойств материалов, а также закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и других воздействиях. Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука — материаловедение.
2) Классификация строительных материалов.
Жилые, общественные и производственные здания представляют собой сооружения, предназначенные для размещения людей и различного оборудования и защиты их от воздействия окружающей среды. Все здания состоят из одинаковых по назначению частей:
фундамента, служащего основанием здания и передающего нагрузку от всего здания на землю; '
каркаса — несущей конструкции, на которой устанавливаются ограждающие элементы здания; каркас воспринимает и перераспределяет нагрузки и передает их на фундамент
;ограждающих конструкций, изолирующих внутренний объем здания от воздействия внешней среды или разделяющих отдельные части внутреннего объема между собой; к ограждающим конструкциям относятся стены, перекрытия и кровли, причем в малоэтажных зданиях стены и перекрытия часто выполняют функцию каркаса.
По назначению материалы делят на следующие группы:
конструкционные, которые воспринимают и передают нагрузки в строительных конструкциях;
теплоизоляционные, основное назначение которых — свести до минимума перенос теплоты через строительную конструкцию и тем самым обеспечить необходимый тепловой режим помещения при минимальных затратах энергии;
акустические (звукопоглощающие и звукоизоляционные) — для снижения уровня «шумового загрязнения» помещения;
гидроизоляционные и кровельные — для создания водонепроницаемых слоев на кровлях, подземных сооружениях и других конструкциях, которые необходимо защищать от воздействия воды или водяных паров;
герметизирующие — для заделки стыков в сборных конструкциях;
отделочные — для улучшения декоративных качеств строительных
конструкций, а также для защиты конструкционных, теплоизоляционных и других материалов от внешних воздействий;
специального назначения (огнеупорные или кислотоупорные и др.), применяемые при возведении специальных сооружений.
Некоторые материалы (например, цемент, известь, древесина) нельзя отнести к какой-либо одной группе, так как их используют и в исходном состоянии, и как сырье для получения других строительных материалов и изделий — это так называемые материалы общего назначения. Трудность классификации строительных материалов по назначению состоит в том, что одни и те же материалы могут быть отнесены к разным группам. Например, бетон в основном применяют как конструкционный материал, но некоторые его виды имеют совсем иное назначение: особо легкие бетоны — теплоизоляционные материалы; особо тяжелые бетоны — материалы специального назначения, используемые для защиты от радиоактивного излучения.
В основу классификации по технологическому признаку положены вид сырья, из которого получают материал, и способ изготовления. Эти два фактора во многом определяют свойства материала и соответственно область его применения. По способу изготовления различают материалы, получаемые спеканием (керамика, цемент) плавлением (стекло, металлы), омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетоны, растворы), механической обработкой природного сырья (природный камень, древесные материалы).
Рис. 1.1. Схема классификации строительных материалов:
1 - керамика; 2 - стекло; 3 - шлаки; 4 - каменные расплавы; 5 - кирпич; 6 - бетоны; 7 асбестоцементные изделия; 8 - другие изделия; 9 - футеровочная обработка; а - материалы; б — изделия
Для лучшей систематизации природных строительных материалов их разделяют на классы по сходным признакам, в классах по разновидностям пород или изделий. Так, лесные материалы и изделия по породам подразделяют на лиственные и хвойные, по признаку ассортимента — на круглые, пиленые и штучные. Имеется и дальнейшее их подразделение, например по свойствам, структуре и др. Природные каменные материалы и изделия имеют свою классификацию, в основу которой положен генетический признак, т.е. происхождение горных пород. Их разделяют также по признаку технических свойств — средней плотности, прочности, морозостойкости; по химическому составу, например по содержанию кремнезема, — кислые, средние, основные и ультраосновные. Большое значение в строительстве имеют горные породы вторичного происхождения — осадочные, а среди них — природные конгломераты, брекчии, песчаники и др. Так были названы осадочные горные породы, которые образовались в результате цементации скоплении гальки, гравия, песка и других природным вяжущим веществом. Практическое значение этих пород невелико, однако характерная их структура (вяжущее цементирует рыхлый минеральный материал) является самой распространенной в ИСК структуры бетонов.
Искусственные строительные материалы, находящиеся в тесной взаимосвязи между собой, разделяют по главному признаку их отвердевания: 1) материалы, отвердевание которых происходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов, а также материалы, отвердевание которых происходит в условиях автоклавов при повышенных температуре (175—200°С) и давлении водяного пара (0,9—1,6 МПа). Условно те и другие материалы относят нередко к безобжиговым материалам. Часто выделяют автоклавные материалы в самостоятельную группу; 2) материалы, отвердевание которых происходит в основном при остывании огненно-жидких расплавов, выполняющих в структуре функцию вяжущего вещества, или цемента высоких температур. Их нередко относят к обжиговым материалам. Выделение этих двух-трех типов из многообразия материалов является условным потому, что не всегда возможно определить четкую границу между ними, так же как между отвердевающими растворами и расплавами. Нередко отвердевание происходит при совмещенных процессах кристаллизации и остек-ловывания растворов и расплавов. Условность указанного деления выражается еще и в том, что в безобжиговых конгломератах применяют обычно обжиговые вяжущие вещества, например портландцемент, известь, гипс и др.
В конгломератах безобжигового типа цементирующие вяжущие представлены неорганическими, органическими, полимерными и комплексными веществами, а в ИСК обжигового типа цементы высоких температур ( по выражению А.А. Байкова) представлены расплавами керамическими, шлаковыми, стекломассовым, каменным литьем и комплексными.
К неорганическим вяжущим веществам относят клинкерные и клинкер содержащие цементы, гипсовые, магнезиальные и др.; к органическим — битумные и дегтевые вяжущие вещества, производные от них, — эмульсии, пасты; группу полимерных веществ представляют термопластичные и термоактивные с последующим более дробным подразделением. Комплексные включают смешанные, компаундированные и комбинированные вяжущие вещества. К смешанным относятся неорганические вяжущие вещества, получаемые путем тщательного смешения двух или нескольких их разновидностей, с порошкообразными добавками или без них; к компаундированным — сплавы, или механические смеси нескольких органических материалов; под комбинированными понимают объединение вяжущего неорганического с органическим или полимерным.
Цементирующая часть обжиговых конгломератов разделяется: на шлаковые расплавы — по химической основности исходного сырья (шлака); керамические расплавы — по характеру и разновидности использованной глины и других компонентов сырья; стекломас-совые расплавы — по показателю щелочной шихты; каменное литье — по виду, горной породы, поступающей на расплав; комплексные расплавы — по виду соединяемых компонентов: шлакокерамические, стеклошлаковые и др.
Единая классификация включает широкую сеть ответвлений конгломератных строительных материалов как от вяжущих веществ, так и от расплавов (цементов высоких температур) в связи с применением в них различных заполняющих материалов.
Из клинкерных и клинкер содержащих цементов изготовляют бетоны, строительные растворы, арболиты и фибролиты, бетоны с полимерным зернистым заполнителем, асбестоцементные материалы и изделия; из гипса — гипсобетоны, арболиты и др.; из магнезиальных вяжущих — фибролиты и ксилолиты; из извести — силикатные бетоны и изделия и строительные растворы; из жидкого стекла — жаростойкие легкие бетоны, кислотоупорные бетоны и др. Получаемые конгломераты подразделяются в свою очередь по средней плотности — на особо тяжелые, тяжелые, легкие и особо легкие (ячеистые) бетоны; по производственному назначению — на конструкционные, конструкционнотеплоизоляционные, теплоизоляционные, гидротехнические, дорожные, жаростойкие и т.п. Разделение этих конгломератов возможно и по другим признакам.
Органические вяжущие вещества позволяют получать конгломераты, отличающиеся по температуре их применения в строительстве, — горячие, теплые и холодные асфальтовые бетоны; по удобооб-рабатываемости — жесткие, пластичные, литые и др.; по размеру частиц заполнителя — крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые, песчаные. Полимерные вяжущие вещества — важные компоненты при изготовлении полимербетонов, строительных пластмасс, стеклопластиков и др., нередко называемых композиционными материалами.
На основе комплексных вяжущих получают конгломераты типа бетонов, например гипсоцементнопуццолановые (ГЦП) бетоны и растворы, полимерцементные и силикатополимерные бетоны и др.; мастики, в том числе герметизирующие — твердеющие и нетвердеющие, горячие и холодные; другие строительные материалы с конгломератным типом структуры.
Обжиговые конгломераты классифицируют по использованию в них расплавов как связующих компонентов. Следует отметить, что эта часть классификации имеет много пока неоткрытых, неизвестных материалов (их места в классификации условно показаны в виде свободных клеток). Перспективными являются конгломераты, которые должны быть получены на основе керамической связки. Среди них уже известны керамобетоны. Изучаются конгломераты на основе стеклосвязки с использованием тугоплавких гранулированных заполнителей и добавочных веществ; шлаколитные бетоны с заполнителями типа термозитов, агломерированных зол и др., бетонов со связкой из расплавов золы, например ТЭЦ, сланцевых; камнебетоны — на основе связи из литья с применением в них огнеупорных заполнителей.
Более ограниченное применение в строительстве находят материалы без крупных и мелких заполнителей; их можно отнести к микроконгломератам — цементный камень, асфальтовое вяжущее вещество, мастики, каменный расплав и др.