6684
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
А.В. Веселов, В.П. Сучков
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям по дисциплинам «Теоретические основы
строительного материаловедения» и «Строительные материалы» для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство,
профиль Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
А.В. Веселов, В.П. Сучков
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Теоретические основы
строительного материаловедения» и «Строительные материалы» для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство,
профиль Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций
Нижний Новгород ННГАСУ
2016
УДК 691
Веселов А.В., Сучков В.П. Строительное материаловедение, строительные материалы и изделия. [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / А.В. Веселов, В.П. Сучков; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 100 с; ил. 20 электрон. опт. диск (CD-R)
Изложены основные сведения в области производства строительных материалов, изделий и конструкций, а также сфера их применения в строительстве. Работа базируется на мировом и общественном опыте и последних достижениях в указанной области.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным занятиям по дисциплинам «Теоретические основы строительного материаловедения» и «Строительные материалы» по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций.
© |
А.В. Веселов, В.П. Сучков, 2016 |
© |
ННГАСУ, 2016. |
3
ВВЕДЕНИЕ
Значение курсов «Строительное материаловедение» и «Строительные материалы и изделия» в общей подготовке строителей важно потому, что ни одно сооружение нельзя правильно спроектировать, построить и эксплуатировать без наличия соответствующих строительных материалов и всестороннего знания их свойств.
Настоящее учебное пособие соответствует программе дисциплин «Строительное материаловедение», «Строительные материалы и изделия» для строительных специальностей вузов. Характер приводимых сведений преимущественно материаловедческий, данные о технологических процессах приведены в минимально необходимом объеме.
Курсы «Строительное материаловедение» и «Строительные материалы и изделия» являются одними из первых инженерных дисциплин, которые создают необходимую базу для изучения других: строительные конструкции, технология строительного производства, экономика и организация строительства, архитектура и др. Поэтому роль и значение материалов рассматриваются в неразрывной связи с их работой и поведением в изделиях и конструкциях зданий и сооружений за длительный период эксплуатации в реальных условиях.
Ввиду небольшого объема учебного пособия в приложении указана рекомендуемая дополнительная литература для углубленного изучения отдельных положений. Приведены основные вопросы для самоконтроля и осмысления проработанного материала.
Текст изложен в соответствии с мировой тенденцией развития строительных материалов, и акцент делается на те или иные направления, которые способствуют повышению рентабельности и прогрессу строительной техники.
Рассматриваются некоторые экологические аспекты производства и применения строительных материалов.
Стоимость материалов в общих затратах на строительство составляет не менее половины, а для уникальных зданий и сооружений - и более.
Все материалы и изделия соответствуют определенным государственным стандартам (ГОСТ), разрабатываемым на основе новейших достижений науки и техники. В каждом стандарте имеются: точное определение материала, классификация по маркам и сортам, технические условия на изготовление, методы испытаний, условия хранения и транспортирования.
4
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ, ИХ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА
1.1. Общие сведения
Материаловедением называют науку, изучающую связь состава, строения и свойств материалов, а также закономерности их изменения при физикохимических, физических, механических и других воздействиях. Всякий материал в конструкциях зданий и сооружений воспринимает те или иные нагрузки и подвергается действию окружающей среды.
Нагрузки вызывают деформации и внутренние напряжения в материале, поэтому проектирование зданий и сооружений требует точных характеристик прочностных и деформативных свойств применяемых материалов, называемых механическими свойствами.
Кроме прочности строительные материалы должны обладать стойкостью, т.е. способностью сопротивляться физическим и химическим воздействиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров и газов, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям температуры и влажности, совместному действию воды и мороза при многократном замораживании и оттаивании, воздействию химически агрессивных веществ - кислот, щелочей и др.
Исходя из условий работы материала в сооружении, строительные материалы можно разделить по назначению 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, строительные растворы); получаемые термической обработкой минерального сырья (керамика, стекло, ситаллы, металлы); конструкционные пластмассы; лесные материалы и др.
Вторая группа 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.
Изделия, конструкции должны обеспечивать долговечность и надежность зданий при длительной эксплуатации.
5
1.2. Основные свойства
Свойства строительных материалов определяют области их применения. Только при правильной оценке качества материалов, т. е. их важнейших свойств, могут быть получены прочные и долговечные строительные конструкции зданий и сооружений высокой технико-экономической эффективности.
Все свойства строительных материалов по совокупности признаков разделяются на физические, химические, механические и технологические.
Физические свойства характеризуют какую-либо особенность физического состояния материала - характеристики массы, проницаемость для жидкостей, газов, тепла и радиации; способность сопротивляться внешнему воздействию среды, например, мороза.
Химические свойства оцениваются показателями стойкости материала при действии агрессивных химических веществ: кислот, щелочей, растворов солей и т.п.
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушению при внешних силовых воздействиях - сжатии, растяжении, ударах, истирании и др.;
Технологические свойства - это способность материала подвергаться обработке при изготовлении из него изделий.
Все эти группы свойств взаимосвязаны и взаимообусловлены. Так, например, колебания влажности или химическое воздействие приводит в ряде случаев к изменению прочности и деформациям материалов.
Ниже приведены основные свойства строительных материалов.
Средняя плотность [г/см3, кг/м3, кг/дм3] - физическая величина, определяемая отношением массы тела в естественном состоянии ко всему занимаемому им объему, включая пустоты и поры:
ρm |
= |
m |
, |
(1) |
|
||||
|
|
V |
|
|
где m - масса сухого материала; V - объем материала;
Истинная плотность [г/см3, кг/м3] - предел отношения массы тела или вещества к его объему без учета имеющихся в нём пустот или пор:
ρ = |
m′ |
, |
(2) |
|
V ′ |
||||
|
|
|
где m' - масса материала;
V' [т/м3, кг/м3, кг/л] - объем, занимаемый материалом или веществом без пор и пустот.
Насыпная плотность - отношение массы зернистых материалов или материалов в виде порошка ко всему занимаемому ими объему, включая межзерновое пространство:
ρн = |
m′′ |
, |
(3) |
|
V ′′ |
||||
|
|
|
6
где m''- масса материала;
V''- объем, занимаемый материалом или веществом c учётом межзернового пространства.
Пористость материала - степень заполнения объема материала порами, в процентах:
Vпор |
= (1- |
ρm |
) ×100 , |
(4) |
|
||||
|
|
ρ |
|
|
где ρm - средняя плотность; ρ - истинная плотность.
Влажность - процентное содержание влаги в материале при данных условиях. Различают влажность относительную (Wо) и абсолютную (Wа).
W = |
m1 - m2 |
×100 , |
(5) |
|||
|
|
|||||
а |
|
|
m2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W = |
m1 - m2 |
×100 , |
(6) |
|||
|
||||||
|
о |
|
m1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где m1 - масса влажного материала; m2 - масса сухого материала.
Водопоглощение - это способность материала впитывать и удерживать в себе воду. Вычисляется водопоглощение в процентах. Количество воды, поглощенной образцом, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе (Wпогл. ), а отнесенное к его объему – водо-
поглощением по объему (Wпогл.о. ).
W |
= |
|
m1 − m2 |
×100 , |
(7) |
|
|
||||
погл |
|
|
m2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
W |
= |
m1 − m2 |
×100 , |
(8) |
|
|
|||||
погл.о. |
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
где m1- масса материала в насыщенном водой состоянии; m2 - масса материала в сухом состоянии;
V - объём материала.
Прочность - способность материала в определённых условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянии внешних механических, тепловых и других факторов. Прочность материалов к тем или иным внешним воздействиям оценивают пределом прочности при сжатии, изгибе, скалывании, кручении, растяжении и т.п. Наиболее часто у строительных материалов определяются предел прочности при сжатии (R) [МПа] и при изгибе (Rиз.) [МПа]. Схема испытаний для их определения представлена на рис. 1.
R = |
F |
, |
(9) |
|
A
Rиз = 3Fl2 , (10)
2bh
где F - разрушающая нагрузка, Н;
7
А - площадь поперечного сечения, мм2; l - пролет между опорами, мм;
b - ширина поперечного сечения образца, мм; h - толщина поперечного сечения образца, мм.
а) |
б) |
Рис. 1. Схемы испытаний для определения пределов прочности: а - при изгибе, б - при сжатии
Морозостойкость - свойство материала выдерживать в насыщенном водой состоянии многократное и попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и потери прочности и массы. Морозостойкость материала количественно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости.
2.ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИХ
2.1.Породообразующие минералы и классификация горных
пород
Главным источником для получения строительных материалов являются горные породы, их используют как сырье для изготовления керамики, стекла, металла, теплогидроизоляционных и других материалов, а также для производства неорганических вяжущих веществ - цементов, извести, гипса и др.
Горная порода - это природный минеральный агрегат более или менее определенного 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 породы (или изверженные), образовавшиеся в процессе кристаллизации сложного природного силикатного расплава - магмы; осадочные, возникшие в поверхностных слоях земной коры в условиях низкой температуры и атмосферного давления из продуктов разрушения других пород, в результате химических процессов и накопления продуктов жизнедеятельности растительных и животных организмов на суше и в воде; метаморфические, являющиеся продуктом перекристаллизации осадочных и магматических пород под влиянием высоких давлений и температур.
Важнейшие горные породы, применяющиеся в строительстве и про-
8
мышленности строительных материалов, приведены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1 Генетическая классификация важнейших горных пород
|
|
Глубинные |
Граниты, диориты, |
|
|
|
сиениты, габбро |
||
|
Массивные |
|
||
Магматические |
Излившиеся |
Порфиры, диабазы, |
||
|
||||
|
трахиты, базальты |
|||
(изверженные) |
|
|
||
|
|
Вулканические |
||
породы |
|
Рыхлые |
||
|
пеплы, пемзы |
|||
|
Обломочные |
|
||
|
Цементиро- |
Вулканические |
||
|
|
|||
|
|
ванные |
туфы |
|
|
Химические |
|
Гипс, ангидрит, |
|
|
|
магнезит, доломит, |
||
|
осадки |
|
||
|
|
известковые туфы |
||
|
|
|
||
|
Органогенные |
|
Известняки, мел, |
|
|
|
ракушечник, |
||
Осадочные |
отложения |
|
||
|
диатомит, трепел |
|||
породы |
|
|
||
Механические |
Рыхлые |
Глины, пески, |
||
|
||||
|
гравий |
|||
|
отложения |
|
||
|
|
Песчаники, |
||
|
(обломочные |
Цементирован |
||
|
породы) |
ные |
конгломераты, |
|
|
брекчии |
|||
|
|
|
||
|
Продукты |
|
|
|
|
видоизменения |
|
Гнейсы |
|
Метаморфические |
магматических |
|
||
|
|
|||
(видоизменённые) |
пород |
|
|
|
породы |
То же, осадочных |
|
Мраморы, |
|
|
|
кварциты, |
||
|
пород |
|
||
|
|
глинистые сланцы |
||
|
|
|
||
Свойства горных пород обусловливаются химическим составом и |
||||
свойствами породообразующих минералов. Минералы - это природные физически и химически однородные тела, возникающие в земной коре в результате физико-химических процессов. Минералы обладают определёнными свойствами.
Основные свойства минералов представлены ниже.
Спайность - способность кристаллических минералов раскалываться при ударе по определенным ровным плоскостям, называемым плоскостями спайности.
Цвет минералов бывает самым разнообразным, он не является постоянным даже для одних и тех же минералов.
Блеск - большинство минералов имеет способность отражать свет, что обусловливает их блеск. Он бывает металлический, полуметаллический (металловидный) и неметаллический.
9
Твердость характеризуется по шкале твердости.
Не смотря на то, что породообразующие минералы весьма различны по химическому составу, они в основном содержат следующие соединения: кремнезем, силикаты, алюмосиликаты, железисто-магнезиальные силикаты, карбонаты и сульфаты.
Изверженные горные породы состоят главным образом из следующих породообразующих минералов: кварца, полевых шпатов, слюды и железистомагнезиальных минералов.
Остывание магмы происходило в различных условиях и средах, в результате чего образовались и разные горные породы - глубинные, излившиеся и обломочные.
Глубинные и излившиеся породы встречаются в природе в виде больших массивов, т. е. имеют массивное сложение (текстуру). В зависимости от
содержания кремнезема глубинные и |
излившиеся породы делят на кислые |
(больше 65% Si02), средние (65—55% SiO |
2) и основные (меньше 55% SiO2). |
Глубинные (интрузивные) породы. В некоторых случаях магма остывала и оставалась на большой глубине земной коры. При медленном остывании магмы под большим давлением создавались условия для полной кристаллизации расплава с образованием крупных зерен минералов. При этом отдельные зерна, различимые простым глазом, прочно срастались друг с другом без какого-либо цементирующего вещества. Такая зернистая (гранитная) структура является характерной для глубинных пород.
Важнейшими представителями глубинных пород являются гранит, сиенит, диорит и габбро.
Излившиеся (эффузивные) горные породы образовались при быстром остывании магмы, вышедшей на поверхность земли в виде лавы или близко к поверхности. Охлаждение магмы в таких условиях способствовало быстрому прекращению роста кристаллических зерен и возникновению новых генетических структур излившихся пород: скрытокристаллической, стекловатой (аморфной) или порфировой. Порфировая структура характеризуется наличием в массе мелких зерен породы крупных «вкрапленников» — порфиров, которые появились в магме еще в период ее медленного охлаждения в недрах земной коры. Отличие излившихся пород от глубинных состоит в их структуре, обусловленной быстрым остыванием магмы. Если глубинные породы залегают в земной коре (в недрах земли) в виде отдельных гнезд, то излившиеся имеют часто пластообразную форму покровов большой мощности или располагаются в виде конусов, жил и т. п.
Важнейшими представителями излившихся пород являются: порфиры, трахиты, андезиты, диабазы и базальты.
Обломочные породы. Иногда громадное давление поднимало магму к поверхности земной коры и выбрасывало ее при извержении вулканов в атмосферу, откуда она в виде кусков разной величины падала на поверхность земли. Быстрое охлаждение магмы на воздухе способствовало образованию обломочных пород стекловатой пористой структуры. Вначале продукты вулканических извержений откладывались в виде отдельных обломков, образуя