СМ 2013
.pdfГосударственная корпорация по атомной энергии «Росатом» |
ОАО «Атомэнергопром» |
Негосударственное образовательное учреждение дополнительного |
профессионального образования |
«Центральный институт повышения квалификации» |
Ю. Г. Мещеряков, С. В. Фёдоров |
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
УЧЕБНИК |
Рекомендуется Государственным образовательным учреждением |
высшего профессионального образования «Московский |
государственный строительный университет» в качестве учебника для |
студентов ВПО, обучающихся по направлению 270800 «Строительство» |
Санкт-Петербург |
2013 |
АТОМЭНЕРГОПРОМ |
Центральный институт |
повышения квалификации |
УДК 691(075.8) ББК 38.3я75 М-565
Мещеряков Ю. Г., Фёдоров С. В.
М-565 Строительные материалы : учебник для студентов ВПО, обучающихся по направлению 270800 «Строительство» / Ю. Г. Мещеряков, С. В. Фёдоров; НОУ ДПО «ЦИПК». – СПб, 2013. – 400 с.: ил.
ISBN 978-5-85855-122-5
Табл. 42. Ил. 170. Библиогр.: 19 назв.
Рецензенты:
государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»;
кафедра «Строительные конструкции и материалы», государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»;
академик ПАНИ, член-корр. РИА, доктор технических наук, профессор, Лауреат Государственной премии Российской Федерации В. В. Прокофьева (государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СанктПетербургский государственный архитектурно-строительный университет»).
УДК 691(075.8) ББК 38.3я75
ISBN 978-5-85855-122-5
Все права на данное издание защищены законодательством РФ, включая право на полное или частичное воспроизведение в любой форме. Все зарегистрированные товарные знаки, упоминаемые в настоящем издании, являются собственностью соответствующих фирм.
©Ю. Г. Мещеряков, С. В. Фёдоров, 2013
©НОУ ДПО «ЦИПК», 2013
3
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Глава 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ |
11 |
|
МАТЕРИАЛОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . |
||
1.1. Зависимость свойств строительных материалов от их |
|
|
химического, фазового состава и строения . . . . . |
. |
. 11 |
1.2. Физические свойства . . . . . . . . . . . . . . . |
. . |
12 |
1.3. Гидрофизические свойства . . . . . . . . . . . . |
. . |
15 |
1.4. Теплофизические свойства . . . . . . . . . . . . |
. . |
17 |
1.5. Механические свойства . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. 20 |
1.6. Химические свойства . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. 22 |
1.7. Акустические свойства . . . . . . . . . . . . . . |
. . |
23 |
1.8. Долговечность материалов . . . . . . . . . . . . |
. . |
23 |
1.9. Технологические свойства материалов . . . . . . . |
. . |
23 |
Глава 2. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ . . . . |
. . |
25 |
2.1. Изверженные (магматические) горные породы . . . |
. . |
28 |
2.2. Осадочные горные породы . . . . . . . . . . . . |
. . |
35 |
2.3. Метаморфические горные породы . . . . . . . . . |
. |
. 40 |
2.4. Добыча и обработка горных пород . . . . . . . . . |
. |
. 42 |
Глава 3. СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА . . . . . . . . . . . . 49 3.1. Сырье, применяемое для производства строительной
керамики . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2. Физико-химические процессы, протекающие при обжиге
глин и сырьевых смесей, содержащих глины . . . . . . 53 3.3. Добавочные материалы, применяемые
при производстве керамики . . . . . . . . . . . . . . 55 3.4. Производство строительной керамики . . . . . . . . . 56 3.5. Керамические изделия, применяющиеся в строительстве 63
Глава 4. СТРОИТЕЛЬНОЕ СТЕКЛО . . . . . . . . . . . . . . 71 4.1. Физические свойства расплава и стекла . . . . . . . . 72
4.2. Сырьевые материалы и приготовление шихты . . . . . .74 4.3. Производство стекла . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4. Стекло, применяющееся в строительстве . . . . . . . . 80
Глава 5. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ (МИНЕРАЛЬНЫЕ) ВЯЖУЩИЕ
ВЕЩЕСТВА . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1. Воздушные вяжущие вещества . . . . . . . . . . . . . 88
5.1.1. Гипсовые и ангидритовые вяжущие . . . . . . . 88 5.1.2. Магнезиальные вяжущие вещества . . . . . . . .111
4 Оглавление
5.1.3. Жидкое стекло . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.1.4. Воздушная строительная известь и материалы
на ее основе . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.1.5. Производство силикатных (автоклавных)
материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2. Гидравлические вяжущие вещества . . . . . . . . . . 125 5.2.1. Гидравлическая известь . . . . . . . . . . . . 125 5.2.2. Романцемент . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.3. Портландцемент . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.2.4. Разновидности портландцемента . . . . . . . . 144 5.2.5. Смешанные (композиционные) цементы . . . . . 147
5.2.6. Глиноземистые цементы (ГЦ и ВГЦ) . . . . . . . 152 5.2.7. Вяжущие вещества, расширяющиеся
при твердении . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Глава 6. БЕТОНЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . |
157 |
|||
6.1. Классификация бетонов . . . . . . . . . . . . |
. |
. . |
|
157 |
6.2. Тяжелые (обычные) цементные бетоны на плотных |
|
|
|
|
заполнителях . . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
159 |
||
6.3. Разновидности и свойства бетонных смесей . . . |
. |
. |
. 170 |
|
6.4. Свойства тяжелого (обычного) бетона . . . . . . |
. |
. |
. 175 |
|
6.4.1. Прочность бетона . . . . . . . . . . . . . . . .176 |
||||
6.4.2. Плотность и пористость бетона . . . . . . |
. |
. |
. 185 |
|
6.4.3. Водонепроницаемость бетона . . . . . . . |
. |
. |
. 186 |
|
6.4.4. Морозостойкость бетона . . . . . . . . . |
. |
. |
. 187 |
|
6.4.5. Огнестойкость и жаростойкость . . . . . |
. |
. . |
|
188 |
6.4.6. Упругопластические свойства бетона . . . |
. |
. . |
|
188 |
6.4.7. Тепловыделение бетона . . . . . . . . . . |
. |
. |
. |
189 |
6.5. Технология бетона . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. |
|
190 |
6.6. Сборные железобетонные и бетонные изделия и |
|
|
|
|
конструкции . . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
200 |
||
6.7. Разновидности цементных бетонов на плотных |
|
|
|
|
заполнителях . . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
|
203 |
|
6.8. Легкие бетоны . . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
|
209 |
|
6.8.1. Крупнопористый легкий бетон . . . . . . |
. . . .210 |
|||
6.8.2. Легкие бетоны на пористых заполнителях . |
. |
. |
. 211 |
|
6.8.3. Ячеистые бетоны . . . . . . . . . . . . . |
. |
. |
. |
217 |
Глава 7. СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ, СУХИЕ СМЕСИ И |
|
|
|
|
АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ . . . . . . . . . |
|
221 |
||
7.1. Строительные растворы . . . . . . . . . . . . |
. |
. . |
|
221 |
7.1.1. Материалы для строительных растворов. |
|
|
|
|
Вяжущие . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
222 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
7.1.2. Свойства растворной смеси . . . . . . . . |
. |
. |
|
. 224 |
7.1.3. Свойства строительного раствора . . . . . |
. |
. |
|
. 226 |
7.1.4. Разновидности строительных растворов . . |
. |
. |
|
. 230 |
7.2. Сухие строительные смеси . . . . . . . . . . . |
. |
. |
|
. 233 |
7.3. Асбестоцементные материалы . . . . . . . . . . |
. |
|
. |
240 |
Глава 8. ДРЕВЕСИНА, МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НЕЕ . |
|
. |
243 |
|
8.1. Запасы древесины, ее достоинства и недостатки . . |
. |
|
. |
243 |
8.2. Строение древесины . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. |
|
. 244 |
8.3. Физико–механические свойства древесины . . . . |
. |
|
. |
248 |
8.4. Древесные породы, применяющиеся в строительстве . |
|
. 253 |
||
8.5. Пороки древесины . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. |
|
254 |
8.6. Производство материалов из древесины . . . . . |
. |
. |
|
. 256 |
8.7. Защита древесины от загнивания . . . . . . . . |
. |
. |
|
. 258 |
8.8. Защита древесины от возгорания . . . . . . . . |
. |
. |
|
. 259 |
8.9. Применение древесины в строительстве . . . . . |
. |
. |
|
. 260 |
Глава 9. БИТУМЫ, МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ, |
|
|
|
|
КРОВЕЛЬНЫЕ И ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ |
265 |
|||
МАТЕРИАЛЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . |
||||
9.1. Природные битумы . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
|
. |
265 |
9.2. Искусственные битумы . . . . . . . . . . . . . |
. |
|
. |
266 |
9.2.1. Состав и структура битумов . . . . . . . . |
. |
|
. |
267 |
9.2.2. Физические свойства вязких битумов . . . |
. |
. |
|
. 268 |
9.2.3. Классификация битумов по назначению |
|
|
|
|
и техническим свойствам . . . . . . . . . |
. |
. |
|
. 269 |
9.2.4. Битумные эмульсии . . . . . . . . . . . . |
. |
|
. |
273 |
9.3. Дёгти и пеки . . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
|
273 |
|
9.4. Асфальтовые бетоны и растворы . . . . . . . . . |
. |
|
. |
.274 |
9.5. Кровельные и гидроизоляционные материалы . . . . . 275 |
||||
9.5.1. Рулонные кровельные и гидроизоляционные |
|
|
|
|
материалы . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
276 |
||
9.5.2. Мастики . . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
280 |
||
Глава 10. ПЛАСТМАССЫ . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
|
283 |
|
10.1. Материалы, применяемые при производстве пластмасс 283 |
||||
10.2. Технологии производства пластмасс . . . . . . |
. |
. |
|
. 290 |
10.3. Пластмассы, применяемые в строительстве . . . |
. |
. |
|
. 293 |
10.3.1. Конструкционные материалы . . . . . . . |
. |
|
. |
293 |
10.3.2. Материалы для полов . . . . . . . . . . |
. |
. |
|
. 294 |
10.3.3. Пластмассы, применяемые в отделке . . . |
. |
. |
|
. 296 |
10.3.4. Трубы и санитарно-технические изделия . |
. |
. |
|
. 299 |
10.3.5. Клеи, мастики и герметики на основе полимеров 299
6
Глава 11. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 11.1. Теплоизоляционные материалы . . . . . . . . . . . 301
11.1.1. Назначение и классификация теплоизоляционных
материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 11.1.2 Технические свойства теплоизоляционных
материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 11.1.3. Минеральные теплоизоляционные материалы . 304 11.1.4. Органические теплоизоляционные материалы . .311 11.2. Акустические материалы . . . . . . . . . . . . . . .314
Глава 12. ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ . . . . . . . . . 317 12.1. Номенклатура и характеристики . . . . . . . . . . . 317
12.2. Связующие вещества для красок . . . . . . . . . . . 321 12.2.1. Органические связующие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 12.2.2. Минеральные связующие . . . . . . . . . . . 323 12.3. Пигменты . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 12.3.1. Технические свойства пигментов . . . . . . . . 323 12.3.2. Способы производства пигментов . . . . . . . 325 12.3.3. Ахроматические пигменты . . . . . . . . . . 325
12.3.4. Хроматические пигменты . . . . . . . . . . . 326 12.3.5. Металлические пигменты . . . . . . . . . . . 328 12.3.6. Красители и органические пигменты . . . . . . 328 12.4. Наполнители . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 12.5. Разбавители и растворители . . . . . . . . . . . . . 329 12.6. Разновидности окрасочных составов . . . . . . . . . 329
Глава 13. МетаЛЛИЧЕСКИЕ маТЕРИАЛЫ и изДЕЛИЯ . . 333 13.1. Металлы и сплавы. Структура металлов и сплавов . . 333
13.2. Производство чугуна и стали . . . . . . . . . . . . 341
13.3. Производство изделий из чугуна и стали . . . . . . . 348 13.4. Классификация сталей и чугунов и их применение
в строительстве . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 13.5. Легкие и цветные металлы и сплавы . . . . . . . . . 357 13.6. Коррозия металлов и способы защиты от нее . . . . . 359
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . |
. . |
. |
. . . . 361 |
Список аббревиатур . . . . . . . . . . . . . |
. . . |
. |
363 |
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . |
. . |
. |
365 |
7
ВВЕДЕНИЕ
При проектировании и строительстве зданий и сооружений учитываются четыре условия: целесообразность, долговечность, экономичность (затраты на строительство) и эстетическая выразительность. Качество и стоимость строительства во многом зависят от применяемых строительных материалов. Затраты на строительные материалы достигают 50 % общей стоимости строительства. Поэтому важной задачей проектировщика и строителя является рациональный выбор строительных материалов по техническим свойствам и показателям затрат. При разработке технологий производства строительных материалов и изделий основной задачей является оптимизация технологических процессов с целью снижения затрат сырья, энергии, трудовых ресурсов. Промышленность строительных материалов относится к числу материалоемких: например, только на производство портландцемента расходуется до 2 млрд т минерального сырья ежегодно. Транспортировка минеральных материалов – щебня и песка – составляет более 40 % общего объема перевозок железнодорожным транспортом. Вследствие высокой материалоемкости промышленность строительных материалов относится к числу важных ресурсов по переработке промышленных отходов (шлаков, шламов и др.), что позволяет улучшить создаваемые человеком экосистемы и условия существования человека на Земле.
Строительные материалы, изделия и конструкции являются материальной основой строительства.
Строительными называют природные и искусственные материалы и изделия, которые используются при строительстве и ремонте зданий и сооружений.
Различное назначение и в соответствие с этим различные требования к строительным материалам определяют широкую их номенклатуру.
По происхождению строительные материалы подразделяют на природные и искусственные (техногенные). Природные материалы – горные породы, древесина, в естественном состоянии обладают требуемыми техническими свойствами, и требуют только механической обработки (дробление, распиловка и др.) Искусственные (техногенные) строительные материалы получают путем глубокой технологической переработки сырья, изменяющей его состав и свойства. Обоснованный выбор параметров технологических процессов позволяет получать материалы с требуемыми техническими свойствами, в том числе материалы, которые называют эффективными.
8Введение
Техногенные материалы, в свою очередь, можно подразделить по способу производства.
1.Материалы, полученные из минеральных расплавов, – стекло, ситаллы, металлы и металлические сплавы, каменное и шлаковое литье.
2.Материалы, полученные спеканием (частичным плавлением) сырья, – строительная керамика.
3.Материалы, полученные за счет твердения минеральных и органических вяжущих веществ, – бетон, строительные растворы, пластмассы, лакокрасочные материалы. Все они состоят из нескольких компонентов, поэтому их называют композиционными (композитами). Например, бетон может содержать заполнители (щебень, песок), цементный камень, воду в различных состояниях и газовую фазу.
По степени готовности различают строительные материалы и изделия. Материалы имеют полную заводскую готовность и могут быть использованы в строительстве (керамика, стекло и др.). Изделия требуют дополнительной обработки – перемешивания, уплотнения (вяжущие вещества, бетонные и растворные смеси).
По назначению в строительстве материалы подразделяют на следующие группы:
1.Конструкционные – применяются для изготовления строительных конструкций, воспринимающих и передающих расчетные нагрузки. Основным свойством этих материалов является прочность.
2.Конструкционно-теплоизоляционные – воспринимают и передают расчетные нагрузки и обеспечивают требуемый тепловой режим в помещениях, ограничивая теплообмен с окружающей средой.
3.Теплоизоляционные – обладают высоким сопротивлением теплопередаче.
4.Акустические (звукопоглощающие и звукоизоляционные) – обеспечивают снижение уровня шума в помещениях.
5.Гидроизоляционные и кровельные – защищают материалы и конструкции от воды и водяного пара.
6.Герметизирующие – заполняют швы и стыки в сборных конструкциях различных типов.
7.Отделочные – защищают материалы и конструкции от внешних воздействий и повышают декоративность.
8.Специальные – используются для строительства сооружений специального назначения (кислотоупорные, огнеупорные и др.).
Некоторые материалы, например минеральные и органические вяжущие, редко применяются в строительстве без других компонентов (наполнителей, заполнителей) и их называют материалами общего назначения. Например, на основе портландцемента можно получать конструкционные и теплоизоляционные бетоны, строительные растворы,
подмазки, цементные краски.
9
Для того чтобы рационально использовать строительные материалы, необходимо знать их технические свойства, способы производства, правила хранения, транспортировки и монтажа.
Все требования к качеству строительных материалов регламентируются государственной системой стандартизации. Стандарт устанавливает комплекс требований к объекту стандартизации и разрабатывается на все типы и разновидности серийной строительной продукции. При разработке стандартов учитываются новейшие достижения науки и промышленности, стандарт должен стимулировать повышение качества продукции.
В РФ действуют стандарты трех категорий: межгосударственные и государственные (ГОСТ) – на всей территории федерации; отраслевые (ОСТ) – для предприятий данной отрасли; технические условия (ТУ) – для отдельных предприятий. Строительство регламентируется также строительными нормами и правилами (СНиП), которые устанавливают требования для всей строительной продукции. ГОСТ содержит определение и назначение материала, его важнейшие свойства (деление на марки и сорта), а также методы испытаний (методики определения показателей свойств), правила приемки, транспортировки и хранения.
На многие строительные материалы разрабатываются два стандарта:
1.Технические условия. Стандарт содержит технические требования, требования безопасности и охраны окружающей среды, правила приемки, транспортировки и хранения, указания по применению.
Например, ГОСТ 31377-2008. «Смеси сухие строительные штукатурные на гипсовом вяжущем».
2.Методы испытаний. Стандарт содержит описание методик оп-
ределения основных технических свойств материала, которые регламентируются техническими условиями.
Например, ГОСТ 31376-2008. «Смеси сухие строительные на гипсовом вяжущем. Методы испытаний».
Вследствие совершенствования технологий, повышения требований к качеству строительной продукции нормативно-техническая доку ментация периодически (не менее, чем через 5 лет) пересматривается и обновляется.
Стандартизация унифицирует строительную продукцию и позволяет строить здания и сооружения, отвечающие требованиям по надежности
идолговечности. Систематическая корректировка стандартов, повышение требований к качеству стимулируют совершенствование технологий
ипроизводство эффективных строительных материалов.
ВГОСТе технические требования к материалам часто формулируются в виде марок. Марка – условный показатель, который устанавливается по наиболее важному эксплуатационному свойству и комплексу свойств.
10 Введение
Например, ГОСТ устанавливает марки по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, средней плотности и др.
Стандартизация предусматривает унификацию строительных материалов, приведение продукции к минимальному числу типоразмеров, марок и форм, что дает значительный экономический эффект как на стадии производства материала, так и на этапе строительства.
Кроме Российской Федерации, центры стандартизации существуют также в ЕЭС (европейские нормы, EN) и в США (ASTM). Методики испытаний, а следовательно и технические требования к материалам по ГОСТ РФ, EN и ASTM могут существенно различаться.
По условиям печати цветные иллюстрации к соответствующим разделам курса строительных материалов приведены в конце учебника.