МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Майкопский государственный технологический университет»

Технологический факультет

Кафедра строительных и общепрофессиональных дисциплин

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

По дисциплине «Технология конструкционных материалов»

Для студентов очной и заочной форм обучения по специальностям

270102 «Промышленное и гражданское строительство»

270105 «Городское строительство и хозяйство

И по направлению подготовки бакалавров

270800.62 «Строительство»

(профили подготовки «Промышленное и гражданское строительство», «Городское строительство и хозяйство»)

УДК

ББК

Печатается по решению научно-технического совета ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Рецензенты:

канд. техн. наук Барышова Т.Л.

Составители:

доцент кафедры строительных и общепрофессиональных дисциплин ФГБОУ ВПО «МГТУ», к.т.н. Хадыкина Е.А.,

доцент кафедры строительных и общепрофессиональных дисциплин ФГБОУ ВПО «МГТУ», к.т.н Левашова Л.М.

Учебное пособие по дисциплине «Технология конструкционных материалов» Для студентов очной и заочной форм обучения по специальностям 270102 «Промышленное и гражданское строительство»

270105 «Городское строительство и хозяйство И по направлению подготовки бакалавров 270800.62 «Строительство» . - Майкоп: , 2014. – 230 с.

Введение

Курс «Технология конструкционных материалов» - комплексная дисциплина, рассматривающая способы получения материалов, начиная с выбора сырья, получения материала и модифицирования его состава, структуры и свойств.

Цели изучения курса: приобретение студентами знаний в области теоретических и технологических основ производства конструкционных материалов, основы термической обработки металлов; основные сведения по технологии сварочных работ; типы сварочных швов и соединений.

Задачи курса:

• Дать теоретические основы производства черных и цветных металлов на основе строения и их механических свойств;

• Ознакомить с современным способами получения материалов и изделий из них с заданным уровнем эксплуатационных свойств.

• Ознакомить с методами формообразования и обработки заготовок для изготовления деталей заданной формы и качества, их технологические особенности.

• Ознакомить с влиянием условий технологической обработки и эксплуатации на структуру и свойства современных металлических и неметаллических материалов.

• Сформировать навыки научно-технического мышления и творческого применения полученных знаний в инженерной деятельности.

Курс «Технология конструкционных материалов» совместно с другими общетехническими дисциплинами направлен на обеспечение общетехнической подготовки студентов. Вместе с тем он способствует более глубокому усвоению профилирующих дисциплин, формирующих специальные знания будущих инженеров, бакалавров.

Учебное пособие написано в соответствии с государственным стандартом дисциплины «Технология конструкционных материалов» и предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по специальностям 270102 «Промышленное и гражданское строительство»

270105 «Городское строительство и хозяйство И по направлению подготовки бакалавров 270800.62 «Строительство».

1. Принципы формирования строительных материалов оптимальной структуры

Создание новых строительных конгломератов основывается на открытых закономерностях, количество которых возрастает по мере развития строительного материаловедения. Оно осуществляется по определенной системе, в которой исходные положения прогнозирования сочетаются с новыми экспериментальными исследованиями.

Под структурой или внутренним строением строительных материалов понимают пространственное расположение частиц разной степени дисперсности, находящихся в устойчивых взаимных связях (первичных или вторичных). В структуре искусственных конгломератов условно можно выделить микро- и макродисперсный уровни.

Под микроструктурой подразумевается расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных или одинаковых по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются вещества в определенных агрегатных состояниях. Сформировавшееся атомно-молекулярное строение предопределяет микроскопические особенности материала. На микроскопическом уровне также устанавливаются в той или иной мере устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков и других сравнительно крупных частиц, составляющих материалы, а также соотношения компонентов, фаз и поверхностей раздела более сложной материальной системы - композиционного материала.

В зависимости от характера контактируемых частиц, согласно П. А. Ребиндеру, однородные микроструктуры делятся на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.

Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами - ван-дер-ваальсовы силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды. Коагуляционные структуры возникают при непосредственном взаимодействии частиц или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов или под влиянием ионных и ковалентных связей. Вещества с коагуляционной структурой обладают пониженной прочностью, однако имеют способность к тиксотропному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования.

 Кристаллизационными называют структуры, имеющие пространственную сетку, возникающую при срастании кристаллов новой твердой фазы. Кристаллизационные структуры образовываются путем выкристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в их прочный агрегат, в том числе под влиянием химических связей. При этом возможным является образование и смешанных структур, например, коагуляционно-кристаллизационных и др. Кристаллизационные структуры являются наиболее прочными и водостойкими.

Конденсационными называют структуры, имеющие хрупкие пространственные микросетки, которые образуются из коагуляционных структур вследствие уменьшения в системе жидкой фазы (например, высушенная глина). В таких структурах возникает непосредственный контакт между частицами фазы, в результате чего прочность увеличивается, а пластичность, тиксотропность и эластичность утрачивается.

Макроструктура - строение материала, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 6 раз). Она образована под влиянием цементирующей способности вяжущего вещества, благодаря чему частицы заполнителя (зернистые, волокнистые и др.) скрепляются между собой в общий монолит. Большинство материалов в своем составе, кроме твердого вещества, имеют воздушные включения - поры размером от долей миллиметра до сантиметра. Количество, размер и характер пор во многом определяют свойства материала.

Наличие в каждом элементарном объеме пор или трещин означает, что целые группы атомов не имеют взаимодействия друг с другом, так как между ними могут быть газовые, водные или другие инородные преграды, не обладающие прочностью. Следовательно, количество связей на единицу площади оказывается значительно меньше, что должно отрицательным образом отразиться на прочности твердого тела. Можно пояснить, что наличие в 1 см³ материала замкнутой поры размером 0,001 см, т. е. 10 мкм, приводит к следующему: во-первых, на площади сечения 1 см² отсутствует 1014 межатомных связей; во-вторых, кристаллическая решетка значительно искажена и является энергетически неустойчивой, особенно на границе раздела фаз; в-третьих, в указанном объеме возникают остаточные напряжения, способные вызвать самопроизвольное разрушение; в-четвертых, на поверхности раздела пор начинают развиваться физико-химические процессы, также снижающие прочность материала.

Под влиянием бесконечного многообразия комбинаций микрочастиц в пространстве или комплексов этих комбинаций, слагающих микрочастицы, возникают тела, которые отличаются по своей структуре и свойствам.

Существенным является разделение структур на оптимальные и неоптимальные. Рыбьевым И. А. предложен общий метод проектирования оптимальных составов и структур искусственных строительных материалов (конгломератов), применяемый для различных безобжиговых и обжиговых материалов. В его основе лежат общие научные принципы создания оптимальных структур:

• достижение по возможности наиболее плотной упаковки полидисперсных частиц;

• обеспечение непрерывности пространственной сетки вяжущего вещества или наиболее развитых поверхностей контакта при первичных типах связи;

• придание минимальных значений отношению массы жидкой среды к массе твердой фазы вяжущего вещества;

• приближение принимаемых условий проектирования состава смеси к реальной технологии изготовления смеси и изделий;

• перевод системы в наименее стабильное (мета-стабильное) состояние с последующим максимальным упорядочением микро- и макроструктур, приданием повышенной термодинамической устойчивости;

• равномерное распределение частиц разной крупности, пор, поверхностей раздела фаз и других структурных элементов по объему материала;

• придание смеси реологического состояния, соответствующего реальным технологическим параметрам и режимам;

• обеспечение совпадения заданных показателей свойств с экстремумами тех же свойств при оптимальных структурах;

• соблюдение стадийности проектирования оптимального состава, а также корректирование принятого состава в производственных условиях.

  Метод проектирования состава материала включает три взаимосвязанных этапа.

На первом этапе:

а)  обосновывают главные показатели строительно-технологических или эксплуатационных свойств материала, что достигается тщательным анализом условий работы конструкции. Иногда для этого используют СТБ, ГОСТы, СНБ, СНиПы или параметры, заданные в техническом проекте;

б)   производят выбор и проверяют свойства исходных материалов (например, вяжущего, наполнителей и заполнителей), изыскивают способы дополнительного повышения их качества;

в)  назначают лабораторные условия изготовления и испытания образцов с предельно возможным моделированием производственных условий.

На втором этапе:

а) определяют рекомендуемый состав искусственного строительного конгломерата (расход материалов на 1 т или 1 м³ смеси);

б) производят проверку свойств конгломерата принятого состава.

Для расчета состава используют научно обоснованные методики или опытные данные. В качестве определяющего показателя вместо прочности может быть принято другое свойство материала - упругая деформация, плотность, вязкость, морозостойкость и т. п.

На третьем этапе:

а) изготавливают пробный замес в производственных условиях.

С помощью этого замеса производят окончательную проверку качества смеси и конгломерата запроектированного состава, устанавливают наличие оптимальной структуры путем сравнения планируемых и фактических характеристик материала.

б) устанавливают наличие оптимальной структуры, например, по индикатору подобия или по кривым оптимальных структур;

в) производят корректирование состава (если замечены отклонения от требуемого состава или свойствам).

Последнее может потребоваться и при выпуске массовой продукции на заводе, если с течением времени исходные материалы получают другого качества и других свойств, чем были приняты в лаборатории на стадии проектирования состава.

Максимальная экономическая эффективность конгломератов оптимальной структуры устанавливается расчетными данными, в частности, путем сравнения приведенных затрат при оптимальной и неоптимальной структурах.

Понятно, что чем меньше приведенные затраты, тем выше экономическая эффективность производства конгломерата и конструкций из него.

2. Состав, строение и свойства сырья для производства строительных материалов.

В качестве сырья для производства многочисленных разновидностей строительных материалов используют исходные вещества или смеси различных веществ (сырьевые смеси). Наиболее широко применяется природное сырье.

Природное сырье

Неорганическое природное сырье представляет собой горные породы, сложенные из минералов. Горная порода – это природный минеральный агрегат более или менее постоянного состава и строения, являющийся продуктом геологических процессов и образующий в земной коре самостоятельные тела.

В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы: магматические (или изверженные), образовавшиеся в процессе кристаллизации сложного природного силикатного расплава – магмы; осадочные, возникшие в поверхностных условиях из продуктов разрушения любых других пород; метаморфические, являющиеся продуктом перекристаллизации и приспособления пород к изменившимся в пределах земной коры физико-химическим условиям. (табл. )

Минералы – это природные физические и химические однородные тела, возникающие в земной коре в результате физико-химических процессов. Каждый минерал отвечает определенному состоянию и составу среды, в которой он возникает.

Таблица. Генетическая классификация горных пород

Магматические породы (изверженные)	Массивные	Глубинные (интрузионные)	Граниты, сиениты, диориты, габбро
		Излившиесы (эффузионные)	Порфиры, диабазы, трахиты, базальты, порфириты, андезиты
	Обломочные	Рыхлые Цементированные	Вулканические пеплы, пемзы Вулканические туфы
Осадочные породы	Механические отложения (обломочные породы) Химические осадки Органогенные отложения	Рыхлые Цементированные	Глины, пески, гравий Песчанники конгломераты, гипс, брекчии, ангидрит, магнезит, доломит, известковые туфы Известняки, мел, ракушечник, диадомиты и трепелы
Метаморфические (видоизмененные) породы	Продукты видоизменения горных пород	Гнейсы
	Продукты видоизменения осадочных пород	Мраморы, кварциты

Следует отметить, что относительно легкодоступные запасы природного сырья, чаще всего представленного веществами стабильной кристаллической структуры (огнеупорные глины - кристаллогидраты, известняки, кварц, некоторые изверженные горные породы), добываемого современными техническими средствами, находятся в ряде стран СНГ под угрозой исчерпания. Добывать сырье становится все труднее, поэтому приходится решать эти проблемы за счет увеличения расхода энергии, разработки менее богатых месторождений, усложнения технологической переработки сырья путем его обогащения и т. д.

Частично решить эту задачу позволит использование горных пород нестабильной кристаллической структуры, обладающих значительным резервом кинетической энергии. К ним относится аморфизованный кремнезем: трепелы, опоки, диатомиты, туфы, стекловидные породы - базальты, обсидианы, перлиты. Целесообразность их использования заключается в том, что эти вещества, содержащие значительную часть нерастраченной кинетической энергии, позволяют перерабатывать их в общественно полезный продукт с гораздо меньшими материальными и энергетическими затратами.

 Из органических природных видов сырья в производстве строительных материалов используют каменные и бурые угли, нефть, растительные вещества, торф и другие, как правило, неоднородные по своему составу и с содержанием различных соединений углерода вещества, запасы которых также ограничены.

Искусственное сырье

Ввиду затруднений с природным сырьем и постоянно возрастающим загрязнением окружающей среды всевозможными отходами других отраслей промышленности, для производства строительных материалов все более широко используют побочные продукты от других производств: шлаки металлургических производств, золы от сжигания каменного угля и кокса. Их используют в производстве минеральной ваты, ячеистых бетонов, керамических изделий; отходы горно-обогатительных комбинатов - в производстве керамических и теплоизоляционных материалов; древесную стружку и опилки, костру - в производстве отделочных и теплоизоляционных материалов и изделий. При этом промышленные отходы зачастую представлены веществом в аморфном или субмикроскопическом состоянии и являются носителями избыточной кинетической энергии, которая аккумулирована и зафиксирована в них в процессе производства основного продукта.

Отходы производства – это все виды остатков данного производства, которые имеют какую-либо потребительскую ценность и могут быть использованы в материальном производстве (как правило, после дополнительных технологических операций).

Побочные продукты промышленности – продукты, получение которых не являлось целью производственного процесса и которые не могут быть использованы как готовая продукция после соответствующей обработки или как сырье для переработки.

Вторичное сырье – материалы и изделия, которые после полного первоначального использования (износа) могут применяться повторно в производстве как исходное сырье.

Все отходы можно разделить на две большие группы: минеральные и органические. Наибольшее значение для производства строительных материалов имеют минеральные отходы. На их долю падает преобладающая доля всех отходов, производимых добывающими и перерабатывающими отраслями промышленности. Эти отходы изучены в большей мере, чем органические.

Баженовым П.И. предложено классифицировать промышленные отходы в момент выделения их из основного технологического процесса на три класса: А, Б, В.

Продукты класса А (карьерные остатки и остатки после обогащения на полезное ископаемое) имеют химико-минералогический состав и свойства соответствующих горных пород. Область их применения обусловлена агрегатным состоянием, фракционным и химическим составом, физико-механическими свойствами. Преимущественно минеральные продукты класса А применяются как заполнители бетонов, а также как исходное глинистое, карбонатное или силикатное сырье для получения разнообразных искусственных строительных материалов (керамики, извести, автоклавных материалов и др.).

Продукты класса Б – искусственные вещества. Они получены как побочные продукты в результате физико-химических процессов, протекающих при обычных или чаще высоких температурах. Диапазон возможного применения этих промышленных отходов шире, чем продуктов класса А. Особенно эффективно использование этих отходов там, где продуктивно реализуются затраты топливно-энергетических ресурсов и рабочей силы на их получение. Применение продуктов этого класса рационально прежде всего при производстве цементов, материалов автоклавного твердения, где повышенная реакционная способность исходного сырья дает высокий экономический эффект. Так, при использовании доменного шлака для изготовления шлакопортландцемента почти в два раза снижаются топливно-энергетические затраты на единицу продукции, а себестоимость уменьшается на 25-30%.

Продукты класса В образуются в результате физико-химических процессов, протекающих в отвалах. Такими процессами могут быть самовозгорание, распад шлаков и образование порошка. Типичными представителями отходов этого класса являются горелые породы.

Многие отходы по своему составу и свойствам близки к природному сырью. Использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10-30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья. Кроме того, из промышленных отходов можно создавать новые строительные материалы с высокими технико-экономическими данными.

Шлаки черной металлургии

Являются неизбежным побочным продуктом основного производства, выход которых составляет от 10 до 40% произведенного металла. Наибольшее значение для строительной индустрии и первое место по объему среди отходов черной металлургии имеют доменные шлаки - побочный продукт при выплавке чугуна из железных руд - доменные мартеновские, ферромарганцевые.

Химический состав доменных шлаков представлен в основном четырьмя оксидами: оксидом кальция СаО (29-30%), оксидом магния MgO (0-18%), оксидом алюминия А1₂О₃(5-23%) и оксидом кремния SiО₂ (30-40%). В небольшом количестве в них содержатся оксиды железа (0,2-0,6%) и марганца (0,3-1%), а также сера (0,5-3,1%). Сталеплавильные шлаки характеризуются более высоким содержанием оксидов железа (до 20%) и марганца (до 10%).

В зависимости от величины модуля основности (отношение содержащихся в шлаке основных оксидов к сумме кислотных, %) все доменные шлаки делятся на кислые (М₀1) и более активные основные (М₀≥1).

Их химический состав и структура изменяются в зависимости от состава пустой породы, вида выплавляемого металла, особенностей металлургического процесса, условий охлаждения и др.

В производстве строительных материалов используется до 75% общего количества доменных шлаков.

Доменные шлаки - это материалы с потенциальными вяжущими свойствами, способность к твердению прояв­ляется у них в гранулированном виде. Наиболее распространенным способом переработки шлаков является грануляция, сущность которой заключается в резком охлаждении шлаковых расплавов водой, паром или воздухом и образовании в результате этого стекловидных зерен размером до 10 мм. Применяют два способа грануляции: мокрый и полусухой.

Мокрая грануляция заключается в резком охлаждении расплавленного шлака обычно в железобетонных резервуарах объемом до 800 м3, наполненных водой, и диспергировании его образующимся паром, а также газами, выделяющимися из расплава. Однако шлаки мокрой грануляции имеют высокую влажность (10-30%), что приводит к смерзанию их в зимнее время, повышению стоимости транспортирования, вызывает необходимость значительных затрат тепла на их сушку.

Более эффективна полусухая грануляция, основанная на комбинированном охлаждении шлаков: сначала водой, а затем воздухом. Конечная влажность гранулированного шлака при этом достигает 4-7%.

Сталеплавильные (мартеновские) шлаки применяются в меньшей степени. Трудности их использования связаны с неоднородностью, непостоянством химико-минералогического состава и физико-механических свойств.

Особую проблему представляет использование шлаков, ранее накопленных в отвалах, так как с течением времени они подвергаются распаду, гидратации и рассыпанию из-за изменения из химического состава.

Шлаки цветной металлургии

Потенциально шлаки цветной металлургии являются перспективной базой различных строительных материалов. Их выход в 10-25 раз превышает выход цветных металлов.

При производстве алюминия и ряда других металлов в больших количествах образуются отходы в виде водных суспензий дисперсных частиц

- шламы. Для производства строительных материалов промышленное значение имеют нефелиновые, бокситовые, сульфатные, белые и монокальциевые шламы. Объем только нефелиновых шламов, пригодных для использования, составляет ежегодно свыше 7 млн т. По содержанию оксидов СаО, SiО₂, А1₂О₃, Fe₂О₃ они занимают промежуточное место между портландцементом, доменным шлаком и глиноземистым цементом.

Золы и шлаки тепловых электростанций (ТЭС).

При сжигании твердых видов топлива в топках тепловых электростанций образуются зола в виде пылевидных остатков и кусковой шлак, а также золошлаковые смеси. Они являются продуктами высокотемпературной (1200-1700 °С) обработки минеральной части топлива. Зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий в основном из частиц размером 5-100 мкм. Ее химико-минералогический состав соответствует составу минеральной части сжигаемого топлива. Например, при сгорании каменного угля зола представляет собой обожженное глинистое вещество с включением дисперсных частиц кварцевого песка, при сгорании сланцев - мергели с примесями гипса и песка. По химическому составу топливные золы и шлаки состоят из оксидов SiО₂, А1₂О₃, Fe₂О₃ , СаО, MgO и др., а так же содержат несгоревшее топливо.

Шлаки - основной вид отходов при кусковом сжигании топлива. При пылевидном сжигании шлаки составляют 10-25% от массы образуемой золы. Шлаки образуются в результате спекания отдельных частиц. Используются топливные золы и шлаки всего на 3-4 % от их ежегодного выхода.

Отходы горнорудной промышленности

В процессе добычи и переработки железных руд, руд цветных металлов, химического сырья, нерудных материалов получают побочные продукты двух типов: в виде вскрышных и других пустых пород, добываемых при ведении горных работ, и отходов горно-обогатительных комбинатов. Наибольшее количество попутно добываемых пород и отходов обогащения связано с добычей и переработкой железных руд. Только в Криворожском бассейне ежегодный выход попутно извлекаемых пород составляет около 50 млн. м³. На железорудных предприятиях страны объем удаляемых пустых пород достигает 400 млн. м³, в том числе скальных пород более 70%. Кроме того, отходы после обогащения руды составляют более 200 млн. т. Однако в настоящее время они используются лишь на 6-7%.

Попутнодобываемые породы и отходы промышленной переработки рудных полезных ископаемых отличаются по происхождению, минеральному составу , структуре от традиционно применяемых сырьевых источников при производстве строительных материалов. Они находят применение в зависимости от своего состава (карбонатные, глинистые, мергелистые, песчаные и т.д.).