38

Лекция 1. Материаловедение строительных материалов. Общие сведения, классификация

Материаловедением называют науку, изучающую связь состава, строения и свойств материалов, а также закономерности их измене­ния при физико-химических, физических, механических и других воздействиях. Всякий материал в конструкциях зданий и сооруже­ний воспринимает те или иные нагрузки и подвергается действию окружающей среды.

Ежегодно промышленность осваивает выпуск новых видов материала, отвечающих требованиям производства зданий и сооружений. Строительные материалы можно разделить по происхождению: на природные (естественные) и искусственные; по назначению; по технологическому признаку; по степени готовности.

К первой группе относят природные материалы — это древесина (круглый лес, пиломатериалы), каменные плотные и рыхлые горные породы (природные камни, гравий, песок, глина), торф, природные битумы и асфальты и др. Эти материалы получают из природного сырья путем несложной обработки без изменения их первоначального строения и химического состава.

Ко второй группе — искусственным материалам — относят: вяжущие вещества (цемент, известь), искусственные камни (кирпич, блоки); бетоны; растворы; металлические, тепло- и гидроизоляционные материалы; керамические плитки; синтетические краски, лаки и другие материалы, производство которых связано с химической обработкой в заводских условиях. Их получают из природного и искусственного сырья, побочных продуктов промышленности и сельского хозяйства с применением специальных технологий. Искусственные материалы отличаются от исходного сырья как по строению, так и по химическому составу.

Строитель­ные материалы по назначению можно разделить на две группы.

1-составляют материалы универсального типа, пригодные для несущих конструкций: природные каменные мате­риалы; искусственные каменные материалы: получаемые на основе вяжущих веществ без обжига (бетоны, строительные растворы); по­лучаемые термической обработкой минерального сырья (керамика, стекло, ситаллы, металлы): конструкционные пластмассы; лесные материалы и др.

2 - объединяет строительные материалы специаль­ного назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных влияний среды, а также для повышения эксплуатационных свойств зданий и создания комфорта: теплоизоляционные материалы; аку­стические; гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие; отделочные; антикоррозионные и др.

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 (например, огнеупорные или кислотоупорные), применяемые при возведении специальных сооружений.

Ряд материалов (например, цемент, известь, древесина) нельзя отнести к какой-либо одной группе, так как их используют и в чистом виде, 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) и механической обработкой природного сырья (природный камень, древесные материалы).

Таким образом, по технологическому признаку материалы подразделяют, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и вид его изготовления, на следующие группы:

Природные каменные материалы и изделия — получают из горных пород путем их обработки: стеновые блоки и камни, облицовочные плиты, детали архитектурного назначения, бутовый камень для фундаментов, щебень, гравий, песок и др.

Керамические материалы и изделия — получают из глины с добавками путем формования, сушки и обжига: кирпич, керамические блоки и камни, черепица, трубы, изделия из фаянса и фарфора, плитки облицовочные и для настилки полов, керамзит (искусственный гравий для легких бетонов) и др.

Стекло и другие материалы и изделия из минеральных расплавов — оконное и облицовочное стекло, стеклоблоки, стекло  профилит (для ограждений), плитки, трубы, изделия из ситаллов и шлакоситаллов, каменное литье.

Неорганические вяжущие вещества — минеральные материалы, преимущественно порошкообразные, образующие при смешивании с водой пластичное тело, со временем приобретающее камневидное состояние: цементы различных видов, известь, гипсовые вяжущие и др.

Бетоны — искусственные каменные материалы, получаемые из смеси вяжущего, воды, мелкого и крупного заполнителей. Бетон со стальной арматурой называют железобетоном, он хорошо сопротивляется не только сжатию, но и изгибу и растяжению.

Строительные растворы — искусственные каменные материалы, состоящие из вяжущего, воды и мелкого заполнителя, которые со временем переходят из тестообразного в камневидное состояние.

Искусственные необжиговые каменные материалы — получают на основе неорганических вяжущих и различных заполнителей: силикатный кирпич, гипсовые и гипсобетонные изделия, асбестоцементные изделия и конструкции, силикатные бетоны.

Органические вяжущие вещества и материалы на их основе — битумные и дегтевые вяжущие, кровельные и гидроизоляционные материалы: рубероид, пергамин, изол, бризол, гидроизол, толь, приклеивающие мастики, асфальтовые бетоны и растворы.

Полимерные материалы и изделия — группа материалов, получаемых на основе синтетических полимеров (термопластических нетермореактнвных смол): линолеумы, релин, синтетические ковровые материалы, плитки, древеснослоистые пластики, стеклопластики, пенопласты, поропласты, сотопласты и др.

Древесные материалы и изделия — получают в результате механической обработки древесины: круглый лес, пиломатериалы, заготовки для различных столярных изделий, паркет, фанера, плинтусы, поручни, дверные и оконные блоки, клееные конструкции.

Металлические материалы — наиболее широко применяемые в строительстве черные металлы (сталь и чугун), стальной прокат (двутавры, швеллеры, уголки), сплавы металлов, особенно алюминиевые.

Строительные материалы и изделия классифицируют по степени готовности:

По степени готовности различают собственно строительные материалы и строительные изделия - готовые изделия и элементы, монтируемые и закрепляемые на месте работы. К строительным материалам относятся древесина, металлы, цемент, бетон, кирпич, песок, строительные растворы для каменных кладок и различных штукатурок, лакокрасочные материалы, природные камни и т. д.

Строительными изделиями являются сборные железобетонные панели и конструкции, оконные и дверные блоки, санитарно-технические изделия и кабины и др. В отличие от изделий строительные материалы перед применением подвергают обработке - смешивают с водой, уплотняют, распиливают, тешут и т. д.

На строительные материалы, изготовляемые предприятиями, существуют Государственные общесоюзные стандарты — ГОСТы и технические условия — ТУ. В стандартах приведены основные сведения о строительном материале, дано его определение, указаны сырье, области применения, классификация, деление на сорта и марки, методы испытания, условия транспортирования и хранения. ГОСТ имеет силу закона, и соблюдение его является обязательным для всех предприятий, изготовляющих строительные материалы.

Номенклатура и технические требования к строительным материалам и деталям, их качеству, указания по выбору и применению в зависимости от условий эксплуатации возводимого здания или сооружения изложены в «Строительных нормах и правилах» — СНиП I-B.2-69, утвержденных Госстроем СССР в 1962—1969 гг. с изменениями, внесенными в 1972 г. Для каждого материала и изделия разработаны Государственные общесоюзные стандарты (ГОСТы).

Изделия, конструкции должны обеспечивать долговечность и надежность при длительной эксплуатации.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособ­ность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется разрушением изде­лия, требованиями безопасности или экономическими соображе­ниями. Долговечность строительных изделий измеряют обычно сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкрет­ных климатических условиях и режиме эксплуатации. Например, для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности: I - соответствует сроку службы не менее 100 лет, II - 50 лет, III - 20 лет.

Надежность представляет собой общее свойство, характери­зующее проявление всех остальных свойств изделия в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, без­отказности, ремонтопригодности и сохраняемости. Эти свойства связаны между собой.

Безотказностью называют свойство изделия сохранять рабо­тоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт. К показателям безотказности относят вероятность безот­казной работы.

Отказом называют событие, при котором система, элемент или изделие полностью или частично теряют работоспособность. Потеря работоспособности вызывается такой неисправностью, при которой хотя бы один ИЗ основных параметров выходит за пределы установленных допусков.

Ремонтопригодность - свойство изделия, характеризующее его приспособленность к восстановлению исправности и сохра­нению заданной технической характеристики в результате преду­преждения, выявления и устранения отказов. Показателем ремон­топригодности является среднее время ремонта на один отказ данного вида, а также трудоемкость и стоимость устранения от­казов.

Сохраняемость - свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного технической документацией. Сохраняемость количественно оценивают временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.

Лекция 2. Связь строения и свойств

Строение материала изучают на трех уровнях:1) макрострук­тура материала - строение, видимое невооруженным глазом; 2) микроструктура материала - строение видимое в оптический микроскоп; 3) внутреннее строение веществ, составляющих мате­риал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии и т.п.

Макроструктура твердых строительных материалов может быть следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопорис­тая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).

Искусственные конгломераты - это группа, объе­диняющая бетоны различного вида, ряд керамических и других материалов.

Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свойственных газо- и пеиобетонам, ячеистым пластмассам.

Мелкопористая структура свойственна, например, керамиче­ским материалам, поризованным способами высокого водозатворения и введением выгорающих добавок.

Волокнистая структура присуща древесине, стеклопласти­кам, изделиям из минеральной ваты и др. Ее особенностью явля­ется резкое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперек волокон.

Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, лис­товых, плитных материалов, в частности у пластмасс со слоистым наполнителем (бумопласта, текстолита и др.).

Рыхлозернистые материалы - это заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные материалы для мастичной тепло­изоляции, засыпок и др.

Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная.

Практическое значение для природных и искусственных ма­териалов имеет явление полиморфизма - когда одно и то же веще­ство способно существовать, в различных кристаллических фор­мах, называемых модификациями. Наблюдаются, например, по­лиморфные превращения кварца, сопровождающиеся изменением объема.

В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы беспо­рядочно. Подобные материалы рассматриваются как изотропные по своим строительно-техническим свойствам. Исключение со­ставляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).

Внутреннее строение веществ, составляющих материал, опре­деляет механическую прочность, твердость, тугоплавкость и дру­гие важные свойства материала.

Кристаллические вешества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, об­разующими пространственную кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или различных элементов, как вSiO₂); ионами (разноименно заряженными, как в СаСО₃), или одноимен­ными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда).

Ковалентная связь осуществляется обычно электронной па­рой, образуется в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) и в кристаллах некоторых соединений из двух элементов (кварц, кар­борунд, другие карбиды, нитриды). Такие материалы выделяются высокой механической прочностью и твёрдостью, они тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в ко­торых связь имеет преобладающе ионный характер. Распростра­ненные строительные материалы этого типа гипс и ангидрид имеют невысокую прочность и твердость, не водостойки.

Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи образуются преимущественно в кристал­лах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. При нагревании связи между молекулами легко разрушаются, поэтому вещества с молекулярными решетками обладают низкими температурами плавления (кристаллы льда).

Силикаты, занимающие особое место в строительных материалах, имеют сложную структуру. Так, волокнистые материалы (асбест) состоят из параллель­ных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия, недостаточные для разрыва цепей, разделяют такой материал на волокна. Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки.

Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров SiO_4, связанных между собой общими вершинами (общими ато­мами кислорода) и образующих объемную решетку, Это дало основание рассмотреть их как неорганические полимеры.

Лекция 3. Химические и физико-химические свойства

Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с веществами внешней среды, в которой он находится, или сохранять свой состав и структуру в условиях инертной окружающей среды. Последнее связано с тем, что некоторые материалы за счет неустановившегося равновесия внутренних химических связей склонны к самопроизвольным структурным изменениям («старению»). Оба явления могут изменить первоначальные основные свойства материала, иногда улучшая (например, взаимодействие вяжущих веществ с водой), а в большинстве случаев ухудшая показатели свойств, что приводит к уменьшению срока нормальной службы конструкций или сооружений (например, разрушение бетонных конструкций агрессивными жидкостями и газами, старение пластмасс).

Дисперсность — характеристика размеров твердых частиц и капель жидкости. Многие строительные материалы (гипсовые вяжущие, цемент, глины, пигменты и т. п.) находятся в тонкоизмельченном (дисперсном) состоянии и обладают большой суммарной поверхностью частиц. Величина, характеризующая степень раздробленности материала и развитости его поверхности, называется удельной поверхностью — поверхность единицы объема (см²/см³) или массы (см²/г) материала.

Физико-химические свойства поверхностного слоя дисперсных частиц сильно отличаются от свойств этого же вещества «в массе». Причина этого в том, что атомы (молекулы) вещества, находящиеся внутри материала, уравновешены действием окружающих атомов (молекул), в то время как атомы (молекулы) на поверхности вещества находятся в неуравновешенном состоянии и обладают особым запасом энергии. С увеличением удельной поверхности вещества возрастает его химическая активность (например, цемент с удельной поверхностью 3000...3500 см²/г через 1 сутки твердения связывает 10... 13 % воды, а с удельной поверхностью 4500...5000 см²/г — около 18 %).

Адгезия— свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Адгезия двух различных материалов зависит от природы материала, формы и состояния поверхности, условий контакта и т. д. Она появляется и развивается в результате сложных поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фаз, и характеризуется прочностью сцепления при отрыве одного материала от другого. Важное значение адгезионные свойства имеют при получении композиционных материалов и изделий (бетонов разных видов, клееных изделий и конструкций, отделочных материалов).

Многие строительные материалы в процессе их изготовления и применения проходят стадию пластично-вязкого состояния (гипсовое, цементное, глиняное тесто, свежеприготовленные растворные и бетонные смеси, мастики, формуемые материалы из полимеров и т. д.). По своим физическим свойствам пластично-вязкие тела занимают промежуточное положение между жидкими и твердыми телами. Так тесто можно разрезать ножом (что нельзя сделать с жидкостью), но вместе с тем это же тесто принимает форму сосуда, в который оно помещено, т. е. ведет себя, как жидкость. Пластично-вязкие смеси характеризуют реологическими показателями — структурной прочностью, вязкостью и тиксотропией.

Структурная прочность — прочность внутренних связей между частицами материала. Ее оценивают пре дельным напряжением сдвига, соответствующим напряжению в материале, при котором он начинает течь подобно жидкости. Это происходит тогда, когда в материале нарушаются внутренние связи между его частицами — разрушается его структура.

Вязкость — способность материала поглощать механическую энергию при деформировании образцов. Когда пластично-вязкий материал начинает течь, напряжения в материале зависят уже от скорости его деформации. Коэффициент пропорциональности, связывающий скорость деформации и необходимое для этого напряжение, называют вязкостью г/ (Па-с).

Тиксотропия — способность пластично-вязких смесей обратимо восстанавливать свою структуру, разрушенную механическими воздействиями. Физическая основа тиксотропии — разрушение структурных связей внутри пластично-вязкого материала, при этом материал теряет структурную прочность и «превращается в вязкую жидкость, а после прекращения механического воздействия материал обретает структурную прочность. Явление тиксотропии используют при виброуплотнении бетонных и растворных смесей, при нанесении мастичных и окрасочных составов шпателем или кистью и т. д.

Химическая стойкость — свойство материала сопротивляться действию агрессивной среды. Агрессивная среда (кислоты, щелочи, растворы солей, газы), взаимодействуя с материалом, может вызвать его разрушение (коррозию). Степень разрушения зависит от многих факторов и прежде всего от состава материала и его плотности. Коррозионную стой кость оценивают химическим анализом. Для приближен ной оценки химической стойкости материала в кислых и щелочных средах можно воспользоваться модулем основности М₀:1.25

При небольшом модуле основности, когда в неорганическом материале преобладает кремнезем, наблюдается высокая стойкость к кислотам. Когда в составе не органического материала преобладают основные оксиды и модуль основности достаточно высок, то этот материал обычно нестоек к кислотам, но щелочами не разрушается. Органические материалы (древесина, битумы, пластмассы) при обычных температурах относительно стойки к действию слабых кислот и щелочной среды. Однако значительная часть строительных материалов не обладает достаточной стойкостью к действию агрессивной среды и требует специальной защиты от коррозии.