m33170

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежский государственный аграрный университет имени К.Д. Глинки»

Н.С. КОВАЛЕВ, В.В. ГЛАДНЕВ

ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

(СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ)

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области природообустройства и водопользования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 280300, 280400 по специальностям: 280311 – «Инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения и водоотведения», 280402 – «Природоохранное обустройство территорий»

Воронеж

2011

УДК 65.32 – 5ц я7 ББК 38.3 К 56

Рецензенты:

В.И. Грозав, д.т.н., зав. кафедрой сельскохозяйственного строительства и архитектуры (Московский государственный университет природообустройства)

В.К. Курьянов, д.т.н., профессор, зав. кафедрой транспорта леса и инженерной геодезии (Воронежская государственная лесотехническая академия)

Вл.П. Подольский, д.т.н., профессор, зав. кафедрой строительства автомобильных дорог (Воронежский государственный архитектурно-строительный университет)

Ковалев Н.С. Основы материаловедения. Технология конструкционных материалов : учебное пособие / Н.С. Ковалев, В.В. Гладнев. – Воронеж : ФГОУ ВПО Воронежский ГАУ, 2011. – 274 с.

Учебное пособие написано в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению подготовки дипломированного специалиста по специальностям: 280311 – «Инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения и водоотведения»; 280402 – «Природоохранное обустройство территорий». Рассматриваются вопросы строительного материаловедения, методы оценки и контроля качества конструкционных строительных материалов и технология их производства.

Ил. 48, табл. 30. Библиогр.: 7 назв.

ISBN 978-5-7267-0538-5

©Ковалев Н.С., Гладнев В.В., 2011

©Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный аграрный университет имени

К.Д. Глинки», 2011

2

Введение

Целью изучения дисциплины является приобретение студентами основных сведений и знаний по технологии изготовления и об основных технических свойствах конструкционных строительных материалов, изделий, а также решение задач о принципах их эффективного использования в области водохозяйственного строительства.

Изучение дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» базируется на знаниях и навыках, полученных при изучении общеобразовательных дисциплин: химии, физики, математики. Она является основой для изучения курсов сопротивления материалов, строительных конструкций, технологии и организации работ по водохозяйственному строительству.

Изучение курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов» при общей подготовке специалистов строительного профиля важно потому, что ни одно сооружение нельзя правильно спроектировать, построить и эксплуатировать без наличия соответствующих материалов и всестороннего знания их свойств.

Средства, потраченные на приобретение материалов, составляют не менее половины от общих затрат на строительство. Промышленность строительных материалов является наиболее емкой, ежегодно в стране перерабатывается для этих целей более млрд. т различных компонентов. Железнодорожный транспорт примерно на четверть загружен перевозкой строительных материалов, речной – более чем на половину. Стоимость строительных материалов существенно зависит от затрат на их перевозку. При транспортировании материалов на большие расстояния, учитывая размеры России, стоимость может возрасти в несколько раз. Для снижения стоимости строительства следует максимально использовать местные строительные материалы, производимые вблизи строящегося объекта. Целесообразно и промышленность строительных материалов организовать как можно ближе к сырьевой базе. Стоимость строительных материалов зависит от различных факторов, но должна отвечать требованиям рентабельности и конкурентоспособности. Сюда можно отнести качество изделий, долговечность их работы, теплоэнергетические затраты на

3

производство, возможность переработки отходов и даже экологические аспекты, которые в конечном итоге сказываются на экономике страны в целом. Если все не предусматривать, то первоначально небольшая стоимость материала может со временем обернуться значительными расходами на ремонт и реконструкцию зданий, восстановление окружающей среды и т.д.

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:

–основы строительного материаловедения;

–технологии производства конструкционных строительных материалов, изделий и конструкций;

–методы оценки и контроля качества конструкционных строительных материалов, изделий и конструкций;

–основные свойства строительных материалов;

–принципы выбора и рационального использования конструкционных строительных материалов, изделий и конструкций для объектов водохозяйственного строительства;

уметь:

–правильно оценивать качество конструкционных строительных материалов, изделий и конструкций;

–грамотно назначить требования к конструкционным строительным материалам, изделиям и конструкциям и опреде-

лять области их применения с учетом характера действующих нагрузок и условий внешней среды;

–решать задачи повышения качества конструкционных строительных материалов, их долговечности;

–обеспечивать надлежащие условия транспортирования, хранения и приёмки конструкционных строительных материалов, изделий и конструкций;

иметь навыки:

– по определению свойств строительных материалов; - по определению вида строительных материалов в конст-

рукциях;

–по использованию нормативно-инструктивной документации: ГОСТы, ТУ, СНиПы.

–по рациональному использованию материалов в строительстве.

4

1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Свойства строительных материалов

Диалектическое положение о взаимной связи и обусловленности явлений, их зависимости от окружающей среды имеет исключительно важное значение и целей технологии строительных материалов. Нельзя решить вопрос о стойкой работе конструкций в отрыве от качества материала и условий, в которых они должны работать.

Материаловедением называют науку, изучающую связь состава, строения и свойств материалов, а также закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и других воздействиях.

Свойствами материалов называют его особенности, проявляющиеся при взаимосвязи с какими-либо явлениями или при процессах взаимодействия с другими материалами.

Знание свойств материала неотделимо от всестороннего глубокого изучения свойств химических элементов, различных химических соединений на основе знания физики и химии.

Без глубокого знания всего многообразия свойств нельзя выбрать материал, соответствующий проекту конструкций, а следовательно, и производить работы высокого качества при минимальной стоимости.

Исходя из условий работы материала в конструкциях сооружений строительные материалы по назначению можно разделить на две группы.

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

Вторая группа объединяет строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты строительных конструкций от вредных влияний среды, а также для повышения эксплуатационных свойств зданий и создания комфорта: тепло-

5

изоляционные материалы; акустические; гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие; отделочные; антикоррозионные и др.

В последние годы проводится усиленная работа по стандартизации строительных материалов. В каждом стандарте имеются: точное определение материала, классификация по маркам, сортам, технические условия для изготовления, прочностные характеристики, методы испытания, условия хранения и транспортирования.

Кроме стандартов действует система нормативных документов, объединенная в «Строительные нормы и правила» (СНиП). СНиП – это свод нормативных документов по проектированию, строительству, строительным материалам и сметным нормативам, обязательных для всех организаций и предприятий.

Основные свойства материалов можно разделить на несколько групп.

К первой группе относят физические свойства, которые подразделяют на:

параметры состояния (средняя плотность, истинная плотность, насыпная плотность);

структурные характеристики (пористость общая, коэф-

фициент плотности, открытая и закрытая пористости). Эти свойства в большой степени оказывают влияние на другие важные в строительном отношении свойства строительных материалов.

Гидрофизические свойства, характеризующие отношение материалов к воздействию воды и отрицательных температур: (водопоглощение, влажность, капиллярное всасывание, гигроскопичность, водопроницаемость, водостойкость, коэффициент размягчения, газо- и паропроницаемость, усадка и набухание, морозостойкость).

Теплофизические свойства, характеризующие отношение материалов к действию тепла (теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, огнеупорность, коэффициент линейного температурного расширения).

Во вторую группу включены механические свойства: (деформационные свойства - упругость, пластичность, хрупкость, напряжение, относительная деформация; прочность - при сжатии, растяжении, изгибе; ударная прочность, твердость; истираемость

6

и износ; особые механические свойства - релаксация и вязкость). Помимо этих основных свойств различают и специальные, присущие лишь отдельным видам строительных материалов. Так, свойство материалов сопротивляться разрушающему действию кислот, щелочей, солей и газов носит общее название химиче-

ской (коррозионной) стойкости (старение материалов, токсич-

ность, адгезия, когезия, контракция, долговечность и надежность).

Особую группу составляют технологические свойства, которые характеризуют особые свойства материала, проявляющиеся в процессе технологических операций: колка, теска, ковкость, полировка, удобоукладываемость, формуемость, дробимость, спекаемость, плавление, затвердевание, высыхание и т.д.

Некоторые свойства (плотность, пористость, прочность) одинаково важны для всех материалов, другие - только для части их и в определенных условиях службы. Так, морозостойкость важна для тех материалов, на которые может действовать вода в условиях попеременного замораживания и оттаивания.

1.2. Физические свойства

Физические свойства материала характеризуются особенностью его физического состояния, структурными характеристиками или отношением к различным физическим процессам. Различают следующие физические свойства.

1.2.1. Параметры состояния

Это средняя плотность, насыпная плотность, истинная плотность.

Средняя плотность ρм (г/см3, кг/м3) - физическая величина, определяемая отношением массы вещества в естественном состоянии ко всему занимаемому объему, включая имеющиеся в них пустоты и поры:

ρт = Vт ,

где m - масса сухого материала, г, кг; V - объем материала, см3, м3, л.

Значения средней плотности данного материала в сухом и

7

влажном состоянии связаны соотношением:

ρmв = ρьс (1+ Wm ) ,

где W m - влажность материала, доли от его массы.

Некоторые параметры средней плотности приведены в таблице 1.

Таблица 1. Средняя плотность строительных материалов

Истинная плотность ρ - масса единицы объема материала

в абсолютно плотном состоянии, т.е. без учета в нем пустот или пор, г/см3:

ρ = т ,

Vа

где m - масса материала, г, кг;

Vа - объем, занимаемый материалом или веществом без пор или пустот, см3, м3.

Насыпная плотность ρн - отношение массы зернистых и волокнистых материалов или материалов в виде порошка ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между ними:

ρ н = тVс ,

где mc - масса сыпучих материалов, г, кг; V - объем материала, см3, м3, л.

1.2.2. Структурные характеристики

Строение пористых материалов характеризуется общей, от-

8

крытой и закрытой пористостью, распределением пор по размерам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Пористость материала - степень заполнения объема материала порами.

Пористость вычисляют по формуле:

где ρт - средняя плотность материала, кг/м3; ρ - истинная плотность материала, кг/м3.

Коэффициент плотности – степень заполнения объема материала твердым веществом:

В сумме П + К ПЛ = 1 (или 100%).

Открытая пористость (Пo ) равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала V:

где m1 и m2 - соответственно масса образца в сухом и насыщенном состоянии.

Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой. Они увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость.

Закрытая пористость (Пз ) равна:

П3 = П - П О .

По размеру воздушных пор материалы разделяют на мелкопористые (поры имеют размеры в сотые и тысячные доли миллиметров) и крупнопористые (размеры от десятых долей до 1 – 2 мм). Чем больше замкнутых пор, тем меньше водопоглощение, меньше теплопроводность, выше морозостойкость и коррозионная стойкость.

Пористость некоторых материалов представлена в таблице 2.

9