Строительное материаловедение. Краткое учебное пособие

4

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ _____________________________________________________ 5

3. СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ _______________ 10

3.1. Общие сведения

3.2. Физические свойства ____________________________________ 10

3.2.1 Параметры состояния ____________________________________ 11

3.2.2 Гидрофизические свойства _______________________________ 12

3.2.3 Теплофизические свойства ______________________________ 16

3.3 Механические свойства ___________________________________ 18

3.3.1. Общие сведения

3.3.2. Деформационные свойства ______________________________ 22 3.3.3. Прочностные свойства ___________________________________ 23

3.4. Химические свойства ___________________________________ 25

3.5. Технологические свойства ______________________________ 26

Контрольные вопросы ______________________________________

4. СТАНДАРТИЗАЦИЯ СВОЙСТВ _________________________ 26

5. СТРУКТУРА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ___________________-

5.1. Общие сведения

5.2.Структура конгломератов_________________________________ 31

5.3.Структура металлических сплавов_________________________ 32

Контрольные вопросы ______________________________________

6. СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ГОРНЫХ ПОРОД _____________________

Контрольные вопросы _____________________________________

7. ПРИНЦИПЫ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ____

Контрольные вопросы _______________________________

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _______________________________ 40

4

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие всех отраслей техники непосредственно связано с прогрессом материаловедения. В строительной отрасли, как наиболее материалоемкой, все большее значение приобретает проблема обеспечения высокого качества строительных материалов, с которым связана надежность сооружений и их технико-экономическая эффективность.

Строительная продукция – это сооружения или конструкции, качество которых отражаются в свойствах и параметрах материалов. Свойства строительных материалов зависят от их состава и структуры, которые задают в процессе проектирования и получают в технологических процессах производства материалов. Свойствами материалов можно управлять.

Знание основ строительного материаловедения – основа производства качественных строительных материалов, отражающегося в составе сырья, оптимальной структуре и соответственно свойствах строительных материалов, а также грамотного их использования. Особенно это относится к материалам для гидротехнических сооружений.

Гидротехнические сооружения – это комплекс специальных со-

оружений, ориентированных на использование водных ресурсов для различных народнохозяйственных целей, в том числе на борьбу с водной стихией.

Примерами уникальных гидротехнических сооружений могут служить:

портовые причальные сооружения;

оградительные сооружения и волноломы;

судоходные шлюзы;

плотины;

комплексные гидроузлы.

Уникальность каждого из гидротехнических сооружений требует от специалистов-гидротехников - проектировщиков и строителей высочайшего профессионализма и высокой квалификации, что определяет широкий профиль специальности «строитель-гидротехник».

Сложность и разнообразие конструкций гидротехнических, гражданских и промышленных объектов требует глубоких проработок, научных исследований и особого искусства при их проектировании и строительстве.

Курс «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» относится к базовым дисциплинам, определяющих подготовку квалифицированных специалистов – строителей, в особенности в области гидротехники, связанной с разнообразием конструктивных решений и сложнейшими условиями строительства и эксплуатации: резкое изменение температур и нагрузок, активность агрессивных факторов, сейсмические воздействия. Поэтому в учебном плане подготовки специалистов - строителей эта дисциплины является одной из первых инженерных дисциплин.

В образовательном стандарте специальности 170240 общий курс «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» состоит

5

6

из двух разделов: «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов». Материаловедение является общеинженерной дисциплиной, однако для инженеров строительных специальностей наиважнейшим является знание строительных материалов. Поэтому в настоящей разработке представлен раздел «Строительное материаловедение», в котором рассмотрены основы именно строительного материаловедения, включающие классификацию строительных материалов, их состав, структуру, свойства и их взаимосвязь. Показана также взаимосвязь: материал - конструкция – срок эксплуатации – надежность – экономичность.

Значение курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов» в общей подготовке строителей важно потому, что ни одно сооружение нельзя правильно спроектировать, построить и эксплуатировать без использования соответствующих строительных материалов и всестороннего знания их свойств. Материалоемкость строительного объекта составляет (50…70 %) общей стоимости строительства.

Инженер строитель обязан:

ориентироваться в рынке строительных материалов;

уметь выбрать и применить наиболее эффективный материал для определенных эксплуатационных условий строительства из обширной номенклатуры строительного рынка;

вносить определенный вклад в создание новых материалов;

прогнозировать открытие принципиально новых законов в науке о материалах.

Знание раздела «Строительное материаловедение» позволяет управлять свойствами строительных материалов с помощью специальных технологий, рассматриваемых во втором разделе дисциплины «Технология конструкционных материалов».

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ И ПОНЯТИЕ О РАБОТЕ МАТЕРИАЛОВ В СООРУЖЕНИИ

Материаловедение – наука, изучающая зависимость между строением, составом и строительно-техническими свойствами материалов, закономерности их изменения под воздействием внешних факторов.

Свойства используемых в строительстве материалов должны соответствовать определенным эксплуатационным условиям и выдерживать все предполагаемые воздействия на проектируемое сооружение.

Особенно это касается гидротехнических сооружений, работающих, как правило, в чрезвычайно сложных условиях. Примером может служить эксплуатация портового гидротехнического сооружения – причала. На рис. 1.1 показаны нагрузки и воздействия на причал типа «больверк», которые должны учитываться при выборе строительных материалов в процессе проектировании. Роль и значение выбранных материалов рассматриваются в неразрывной связи с их работой и поведением в причале за длительный период эксплуатации в реальных условиях. Только знания основ строительного материаловедения позволит оптимально использовать свойства

6

7

материалов, обеспечив надежность и экономичность проектируемого причала.

Рис.1.1 Пример условий работы материалов в причальном сооружении порта: УВ – уровень воды в акватории порта; W – гидростатическое давление воды;

Е– давление грунта; Ш – швартовые нагрузки

Вобщем аспекте знание обширной номенклатуры строительных материалов и оптимальное использование их нормативных свойств в увязке со сложной работой конструкций, создание качественно новых эффективных их видов – принципиально важные инженерные задачи, обеспечивающие долговечность, надежность и технико-экономическую эффективность сооружений.

Далее рассматриваются свойства, состав и строение строительных материалов, их взаимосвязь, а также и закономерности изменения свойств при различных эксплуатационных воздействиях.

Контрольные вопросы

1.Значение строительных материалов в строительной индустрии.

2.Критерии выбора материалов для гидротехнических сооружений.

3.Закономерности изменения строительно-технических свойств материалов под воздействием внешних факторов.

4.Приведите примеры условий работы материалов в причальных сооружениях.

5.Приведите примеры условий работы материалов в напорных гидротехнических сооружениях.

2.КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

7

8

теплоизоляционные; кислотоустойчивые; водонепроницаемые.

Строительные материалы можно также классифицировать по составу, структуре, искусственные – по способу получения.

Основной классификационный признак строительных материалов – производственное назначение.

Назначение:

А: конструкционные – строительные материалы универсального типа, используемые в несущих конструкциях. К ним относятся различные виды бетонов, кирпич, дерево, металлы, каменные материалы.

В: специальные – группа материалов, необходимых для защиты конструкций от вредных влияний среды, для создания комфорта. К таким материалам относятся теплоизоляционные, акустические, гидроизоляционные, кровельные, герметизирующие, отделочные, антикоррозионные, электрозащитные и огнеупорные строительные материалы.

В гидротехническом строительстве используются материалы конструкционные - группы «А», специальные – группы «В», а также материалы, объединяющие свойства этих групп

На рис. 1.1 показан пример использования в причальном сооружении материалов из группы «конструкционных» в виде железобетонных или металлических изделий – шпунтов. Для уменьшения агрессивного воздействия воды на причал и увеличения его долговечности должны быть использованы материалы группы «специальные», в частности, в виде защитного покрытия железобетонных или металлических шпунтов.

Происхождение:

Природные материалы получают непосредственно из недр земли

или лесных массивов без переработки или только путем механической обработки без изменения их внутреннего строения и химического состава. (мрамор, гранит, глина, песок, древесина).

Искусственные материалы производятся по специальной технологии из природного сырья или побочных продуктов промышленности и сельского хозяйства с изменением внутреннего строения и химического состава. Эти материалы отличаются большим многообразием ассортимента и свойств, что является очень важным фактором в сложной строительной индустрии.

8

знаку их получения - отвердевания:

Безобжиговые - отвердевание при обычных или сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов; Обжиговые - с кристаллизацией при высоких температурах, в том числе в условиях автоклавов; Расплавы - при остывании огненно-жидких расплавов, выполняющих функцию вяжущего вещества.

По характерные признакам:

Характерные признаки материалов определяют их свойства по отношению к холоду, воде и другим эксплуатационным средам. Эти признаки являются также наиважнейшими при выборе материалов для определенных конструкций.

Полная классификация включает более широкую сеть классифика-

ционных признаков. Так, конгломератные строительные материалы, по-

являющиеся в строительной индустрии по мере разработки новых или модернизации существующих технологий, классифицируются по вяжущим веществам или заполнителям. (Конгломератами называют искусственные строительные каменные материалы, состоящие из нескольких компонентов.)

Все материалы при определенных условиях объединены общим законом: их свойства взаимосвязаны, структуры подобны между собой.

Знание общих законов позволяет не случайно открывать новые строительные материалы, а научно обоснованно их проектировать с заранее заданными свойствами, определяющими их качество.

Критериями качества всех строительных материалов являются:

-изученность условий назначения; -обоснованность заданных свойств; -вид и качество исходного сырья; -стабильность показателей качества; -технический уровень производства; -экономическая эффективность; -конкурентоспособность.

Контрольные вопросы

1.Что изучает предмет «Строительное материаловедение»?

2.По каким признакам классифицируются строительные материалы?

3.Перечислите критерии качества строительных материалов.

4.Приведите классификацию строительных материалов по свойствам.

5.Приведите классификацию строительных материалов по составу.

6.Перечислите критерии качества строительных материалов

7.Классификация искусственных строительных материалов по главному признаку их получения.

8.Приведите примеры групп материалов, различающихся назначением и свойствами.

9.Требования, предъявляемые к конструкционным строительным материалам.

9

3. СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Общие сведения

Область применения материалов определяется их свойствами.

Свойствами называют способность материалов определенным образом реагировать на воздействие силовых или других эксплуатационных факторов.

Свойства материалов можно разделить на группы по эксплуатационным воздействиям на них и по их сопротивляемости этим воздействиям.

Физические свойства характеризуются параметрами состояния материалов и выражают их способность реагировать на воздействие физических факторов: гравитационных, температурных, акустических, электрических, водной среды, радиации и др. Числовые показатели свойств определяют качество материалов и, следовательно, возможность их применения в конструкциях, работающих при определенных эксплуатационных воздействиях.

Механические свойства отражают способность материалов сопротивляться всем видам силовых воздействий, в том числе усадочным и тепловым напряжениям, а также статическим, действующим постоянно, и динамическим, возникающим внезапно. Механические свойства разделяют на прочностные и деформационные.

Химические свойства определяют способность материалов сохранять постоянный химический состав и структуру в условиях агрессивной и инертной окружающей среды в процессе эксплуатации.

Технологические свойства выражают способность материалов к восприятию определенных технологических операций, выполняемых в целях изменения их формы, размеров, характера поверхности.

3.2. Физические свойства

3.2.1. Параметры состояния.

Средняя плотность 0 – масса единицы объема в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами), (г/см3, кг/дм3, кг/м3):

0 = m / V0,

где m – масса материала, г (кг);

V0 – объем материала в естественном состоянии, см3( дм3, м3).

Средняя плотность определяет свойства материала, в частности прочность, а также массу строительных конструкций, их размеры, используется при расчете транспорта и подъемного оборудования, подсчете силовых нагрузок.

10