Міністерство освіти і наук, молоді та спорту України

Запорізький гідроенергетичний коледж

Запорізької державної інженерної академії

Конспект лекцій

з дисципліни

«Матеріалознавство»

для студентів груп ІІ ЕТО

спеціальності: «Монтаж і обслуговування теплотехнічного устаткування

і систем теплопостачання»

Розробив викладач

ЗГЕК ЗДІА Дичок Г.М.

Розглянуто і схвалено

на засіданні 5.05060103

Протокол №__ від ____р.

Голова ЦМК _________

Штокаленко В.Ф.

Запоріжжя

20__

ВСТУП

Процес будівництва зв’язан з створенням конструкцій підвищеної міцності, вогнестійкості та звукопроникнення. У зв’язку з цим підвищується значення спеціальних будівельних матеріалів – теплоізоляційних, акустичних, жароупорних, а також тих які відрізняються підвищеною міцністю та стійкістю до фізико – хімічних корозійних діянь.

Недивлючись на різноманіття спеціальних будівельних матеріалів, є відома закономірність в пред’являємих до них вимогах. Спеціальні будівельні матеріали, як правило працюють в важких умовах експлуатації, при яких особисто важливо зберегти монолітність та довговічність конструкцій.

Довговічність споруд можливо підвищити в наслідок збільшення стійкості конструкційних матеріалів (бетону, сталі, кераміки і т.д.), а також за допомогою спеціальних матеріалів, яки захищають конструкцію від агресивних діянь. Ці матеріали покращують умови праці на промислових підприємствах. Вони допомагають захищати зайнятих на підприємстві людей від тепла яке виділяється різноманітними агрегатами, від вільного шуму та небезпечних випромінювань.

Найважливішою задачею є зниження ваги будівель та споруд. Легкі споруди дають можливість збільшувати прольоти, полегшувати монтаж, підвищують проізводність труда та знижують вартість будівництва. Тому збільшується застосування бетонів на пористих заповнювачах та чаруночних бетонах. Наприклад: виробництво алюмінієвих конструкцій збільшилось до 200 тис. тон в рік.

В теперішній час розвивається виробництво спеціальних видів скла: теплопоглинального, армованого, склопрофіліту, скляної вати і т.д. Особисту увагу приділяють швидкому збільшенню випуску синтетичних полімерних матеріалів.

Зараз насамперед ставиться задача покращити якість пластичних мас та виробів з них, освоїти виробництво термостійких, високоміцних та корозійностійких полімерних матеріалів.

Знання матеріалознавства допомагає вірно орієнтуватися при обиранні матеріалів для виготовлення інженерних споруд та деталей, що підвищує якість та надійність виробу. Невірне обирання матеріалу чи технології обробки матеріалу тягне за собою передчасну поломку та зношування інструментів.

В будівництві використовують велику кількість різноманітних матеріалів, в тому числі електроізоляційних, теплоізоляційних, гідроізоляційних.

РОЗДІЛ 1. Основа будівельного діла.

Тема 1.1 Основні будівельні матеріали.

Мета: Вивчити основні поняття про будівельні матеріали та розчини, їх властивості. Їх застосування укладка та зберігання в будівництві.

ПЛАН

1. Основні властивості будівельних матеріалів.

2. Мінерально - в’яжучі речовини.(СІ)

3. Будівельні розчини.(СІ)

4. Бетон та залізобетон. (СІ)

5. Гідроізоляційні та теплоізоляційні матеріали. (СІ)

6. Кам’яні та лісові будівельні матеріали. (СІ)

Питання 1. Основні властивості будівельних матеріалів.

Для будівництва будівель та споруд застосовуються різноманітні будівельні матеріали. Вони поділяються на природні та неприродні.

До природних відносяться лісові – круглий ліс, пиломатеріали; природні кам’яні матеріали – природний камінь, гравій, пісок, глина.

До неприродних матеріалів відносяться мінерально – в’яжучі речовини (цемент, вапно), керамічні матеріали (цегла, будівельна кераміка); бетони та будівельні розчини; металеві, теплоізоляційні, звукоізоляційні, акустичні гідроізоляційні матеріали. Будівельні матеріали характеризуються різноманітними властивостями.

Фізичні властивості будівельних матеріалів характеризують його будівництво чи відношення до фізичних процесів навколишнього середовища.

1. Середня міцність - відношення маси матеріалу до його об’єму в природному стані.

2. Пористість – це ступень заповнення його об’єму порами.

3. Пустотність - повітряні чарунка, які створюються між зернами пухко насипаного матеріалу (піску та щебеню), чи полості, які містяться в деяких виробах. Наприклад: пустотіла цегла, панелі з залізобетону.

4. Гігроскопічність – властивість матеріалу поглинати водяну пару з повітря та утримувати їх внаслідок капілярної конденсації.

5. Водопоглинення – властивість матеріалу поглинати та утримувати воду. Характеризується воно кількістю води, поглиненою сухим матеріалом, розташованим повністю в воді та виражається в відсотках від маси матеріалу (водопоглинення за масою) чи в відсотках від об’єму зразка ( об’ємне водопоглинення).

6. Вологовіддача – властивість матеріалу віддавати вологу навколишнього середовища при відповідних умовах (нагрівання, рух повітря). Швидкість вологовіддачі (висушування) залежить від різниці між вологістю матеріалу і відносною вологістю повітря.

7. Вологість – зміст води в матеріалі в відсотках від маси абсолютно сухого матеріалу. Чим вище вологість, тим нижче міцність матеріалу. Наприклад: міцність насиченої водою цегли знижується до 25 відсотків.

8. Повітрястійкість - здібність матеріалу довго витримувати багатократне систематичне зволоження та висушування без значних деформацій та втрати механічної міцності.

9. Водопроникнення – властивість матеріалу проводити воду під тиском. Водопроникнення характеризується кількістю води, яка пройшла протягом однієї години крізь 1м² площі матеріали, який випробовується.

10. Морозостійкість – властивість насиченого водою матеріалу витримувати багатократне навперемінно заморожуватися та відтаювати без ознак зруйнування та значного зниження міцності.

11. Теплопровідність – властивість матеріалу пропускати крізь свою товщу тепло. Теплопровідність матеріалу оцінюють кількістю тепла, яке проходить крізь зразок матеріалу товщею один метр та площею 1м² за 1 годину при різниці температур на протилежних плоско паралельних поверхнях зразка в 1^оС. Теплопровідність залежить від структури матеріалу, ступені пористості, вологості та ряду інших факторів.

12. Теплоємність – властивість матеріалу поглинати при нагріві тепло. Теплоємність характеризується питомою теплоємністю, яка визначається кількістю теплоти, необхідної для нагрівання 1 кг матеріалу на 1^оС.

13. Вогнестійкість – властивість матеріалу витримувати дію високої температури в умовах пожежі без втрати несучої властивості (великого зниження міцності та значних деформацій).

14. Вогнеупорність – властивість матеріалу протистояти довгій дії високих температур, при цьому не деформуючись та не розплавляючись. Матеріали за ступенем вогнеупорності поділяються на вогнеупорні, тугоплавкі та легкоплавкі.

15. Проникнення випромінення ядерного розпаду. В атомної промисловості особисту значимість придбає властивість матеріалів затримувати

гама – промини та потоки нейтронів, які небезпечні для живих організмів. Потік радіоактивного випромінювання при зустрічі з конструкціями може поглинати в різній ступені в залежності від товщі огородження, виду випромінювання та природи речовини захисту.

16. Хімічна стійкість – властивість матеріалу опиратися дії кислот та лугу, розчинних в воді солей та газів.

17. Довговічність – властивість матеріалу опиратися комплексній дії атмосферних та других факторів в умовах експлуатації.

Механічні властивості матеріалів характеризують властивість матеріалу опиратися різноманітним силовим діям.

1. Міцність – властивість матеріалу опиратися зруйнуванню під дією напруги, яка виникає від навантаження. Міцність будівельних матеріалів характеризується межею міцності – яка називається напругою, яка відповідає навантаженню та викликає зруйнування.

2. Твердість – властивість матеріалу опиратися проникненню в нього іншого більш твердого матеріалу. Ця властивість, наприклад, в природних кайм’яних матеріалах визначається по методу нанесення за допомогою царапання одним матеріалом по іншому.

3. Проникнення – це властивість матеріалу під дією діючих напруг змінювати власні форми та розміри без розривів та тріщин та зберігати змінену форму та розміри після зняття навантаження. Наприклад: глина, розігрітий асфальт.

4. Пружність – властивість матеріалу поновлювати попередню форму та розміри після зняття навантаження, під дією якого форми матеріалу деформуються. Наприклад: резина, сталь, дерево.

5. Стирання – властивість матеріалу зменшуватися в об’ємі та масі під дією посилень стирання.

Питання 2. Мінерально – в’яжучі речовини.(СІ)

Мінерально - в’яжучими речовинами називаються тонко дрібні порошкообразні матеріали, які при змішуванні з водою створюють пластичне тісто з часом твердіє до кам’яного стану. Ця властивість в’яжучих речовин використовується для приготування на їх основі розчинів бетону, безобжигових неприродних кам’яних матеріалів та виробів.

Мінерально - в’яжучі речовини отримують внаслідок обжигу в печах природних кам’яних матеріалів (вапно, гіпсу, ангідриту, доломіту, магнезиту). Шматки, які отримані після обжигу, внаслідок помелу обертають в тонкий порошок.

Чим менше розмір зерен після помелу, тим вище активність в’яжучого. Час твердіння в’яжучего називається зхватуванням. Час зхватуванням починають лічити від моменту повного насичення водою. Речовина повинна зхватуватися після того, як воно буде покладено в форму.

Найбільшою швидкістю твердіння володіють гіпсові в’яжучі (вони повністю твердіють через декілька хвилин), найменшою – повітряне вапно: час її твердінні може продовжуватися роками.

Прийнято поділяти дві стадії твердіння: зхватуванням та безпосередньо твердіння. Міцність в’яжучих речовин вимірюється часом, тому оцінюють в’яжучі за міцністю набраною за деякий час твердіння в умовах, встановлених стандартом.

Мінерально - в’яжучі речовини поділяють на повітряні та гідравлічні.

Повітряні в’яжучі речовини твердіють довго зберігають та підвищують свою міцність тільки на повітрі (гіпсові та магнезійні в’яжучі, повітряне вапно, кіслотоупорний цемент).

Гідравлічні в’яжучі речовини можуть твердіти та довго зберігати власну міцність не тільки на повітрі, але і в воді (портландцемент та його різновиди, шлакові в’яжучі, глиноземистий та розширюючий цемент).

Питання 3. Будівельні розчини.(СІ)

Будівельним розчином називаються матеріали які отримують в наслідок раціонально підібраної суміші в’яжучої речовини (цементу чи вапна), мілкого заповнення (піску) та води, в необхідних випадках і спеціальних добавок.

За призначенням будівельні розчини бувають:

• кладочні (для кладки з цегли, штучного каменя та блоків);

• обробні ( штукатурні для оштукатурювання зовнішніх та внутрішніх поверхнею конструкцій;

• спеціальні (для омонолічування збірних залізобетонних конструкцій для устрою гідроізоляції та інших спеціальних цілей.

За середньою щільністю розрізняють розчини:

• звичайні важкі (щільністю більш 1500 кг/м³), їх отримують на важких заповнювачах таких як природний пісок;

• важкі (щільністю менш 1500 кг/м³), їх виготовляють на пористих заповнювачах таких як керамзитових пісок, вспучений перліт і т.д.

Розчинна суміш повинна володіти наступними властивостями:

• гарна зручність вкладання;

• висока водоутримуюча властивість;

• легко розподілятися по пористій основі;

• не поглинати в себе воду, необхідну для твердіння;

• затверділий розчин повинен мати необхідну міцність та морозостійкість.

Питання 4. Бетон та залізобетон.(СІ)

Бетон це неприродний кам’яний матеріал, який отримують в наслідок затвердіння раціонально підібраної, гарно перемішаної та ущільненої суміші, складеній з в’яжучей речовини (цементу), води, заповнювача та спеціальних добавок.

До затвердіння ущільнену суміш називають бетонною суміщу. Класифікують бетони за видом в’яжучого на : цементні, гіпсові, вапняні, полімерні; за середньою щільністю: особливо тяжкі (щільність більш 2500 кг/м³), важкі звичайні (1800-2500 кг/м³), легкі (500-1800 кг/м³), особливо легкі (щільність менш ніж 500 кг/м³); за призначенням в будівництві: конструктивні, теплоізоляційні, гідротехнічні, жаростійкі, кислотоупорні, дорожні.

До основних властивостей бетону відносять: міцність – характеризується його класом, зручноукладкість та рухомість, водонепроникнення, середня щільність, вогнестійкість, самонапруга, морозостійкість.

Залізобетон – це будівельний матеріал, в якому з’єднані в одне ціле затверділий бетон та сталева арматура, вони разом працюють в конструкції.

Основа роботи разом бетону та залізобетону є вірний підбір властивостей цих матеріалів. Бетон гарно опирається стисканню, а арматура володіє значною міцністю на розтягування. Бетон при твердінні міцно поєднується з сталевою арматурою та обидва матеріали деформуються разом. Щільний бетон захищає арматуру від корозії та оберігає її від безпосередньої дії вогню.

Основну мету армування можливо пояснити на елементах, які працюють на вигін (балка). В таких елементах частина поперечного перетину елементу піддається стисканню, а інша – роз тяжінню. Як що балку виготовити з неармованого бетону, то внаслідок низької його міцності на роз тяжіння (1 – 4 МПа) вже під невеликим навантаженням бетон в розтягнутій зоні потріскається, та балка розрушиться. Як що в зону розтягування ввести сталеву арматуру, то вона прийме на себе розтяжне навантаження (міцність сталі при розтягуванні 200 МПа) та балка, але на ній можуть з’явитися тріщини, розрушаться майже при великих навантаженнях. В ряду випадків армують елементи, які працюють на стиснення (колони та палі (сваи)), так як і на стискання сталь в 5 – 10 разів міцніше бетону. (Дивись малюнок 1).

СТИСКАННЯ

РОЗТЯГУВАННЯ

арматура

СТИСКАННЯ

РОЗТЯГУВАННЯ

Малюнок 1 – Залізобетонна конструкція.

Залізобетонні конструкції по засобу виконування можуть бути збірними та монолітними. Збірні конструкції виготовляються на спеціальних заводах залізобетонних конструкцій в багатократно використовуємих формах та транспортом постачаються до місця будівництва, де з них монтуються будівлі та споруди. Збірно – монолітні конструкції збираються з елементів заводського виробника з заповненням окремих ділянок монолітним бетоном на місці будівництва. Конструкції з монолітного залізобетону виготовляються безпосередньо на місці в якості форм використовуються різноманітних видів опалубки. В цьому випадку до місця будівництва підвозиться окремо бетон та арматура. Монолітний залізобетон в основному застосовують в гідротехнічному будівництві.

Питання 5 Гідро- та теплоізоляційні матеріали. (СІ)

Будівельні конструкції, як що на них довго впливають атмосферні , ґрунтові та технологічні вологості знижають свої експлуатаційні якості. Багато будівельних матеріалів при тривалій дії на них вологи втрачають свої якості відповідальні за міцність, корозостійкість, морозостійкість та довговічність. Особисто велику негативну дію оказує волога на будівельні конструкції, які знаходяться в агресивному середовищі в якому є суміші солей, кислот ф т.ін.

Тому всі будівельні споруди, особисто ті які дуже схиляються до дії вологи , захищають покриттям з гідрофобних матеріалів, такі покриття називаються гідроізоляцією, а роботи зв’язані з їх улаштуванням гідроізоляційними.

Тип та загальна товща ізоляційного покриття залежить від корозійних властивостей ґрунту, призначення трубопроводу, присутності блукаючих токів та інших умов.

Ізоляційне покриття повинне бути довговічним, тому до нього пред’являють високі вимоги за щільністю та міцністю, окрім того воно повинне володіти високою теплостійкістю, вологостійкістю та морозостійкістю, високим електроопором.

Для виготовлення мастичних гідроізоляційних матеріалів, широко використовуємих в будівництві застосовують органічні ( бітумні чи дьогтьові) в’яжучі речовини. Бітумні в’яжучі – суміш високомолекулярних вуглеводородів та їх з’єднань з сіркою, киснем, азотом. Ці речовини розчиняються в сіровуглероді, хлороформі, бензолі та інших органічних розчинах. Бітумні в’яжучі поділяються на природні та нафтяні бітуми.

К дьогтьовим в’яжучим відносяться кам’яновуглеродний дьоготь, масла.

Мастики – неприродні суміші нафтового бітуму чи дьогтю з мінеральними наповнювачами та добавками. В залежності від початкового в’яжучого мастики поділяють на бітумні, бітумно – полімерні. По засобу приготування та застосування мастики бувають гарячі, тобто розчинні, та холодні – без попереднього підігріву.

Для захисту споруд чи окремих їх елементів від проникання вологі з навколишнього середовища та попередження корозії в матеріалах конструкцій застосовують різноманітні рулонні гідроізоляційні матеріали. (руберойд, направлений руберойд, кровельний гідроізоляційний толь, склоруберойд, гідроізол, ізол, бризол, скло ізол, фольгоізол.).

Конструкція гідроізоляційного покриття визначається робочим проектом, а засоби, час їх виконання, склад бригади та ланки, підбір комплекту машин для комплектації механізованих робот визначають проектом виробництва робіт.

Теплоізоляційними називають матеріали які потрібні для теплової ізоляції огороджуючих конструкцій будівель різноманітного призначення, а також для промислового та енергетичного обладнання та трубопроводів з метою зменшення теплових втрат.

Ці матеріали мають високу пористість, невелику середню щільність та низький коефіцієнт теплопровідності . По хімічному складу теплоізоляційні матеріали поділяються на мінеральні та органічні, за зовнішнім виглядом теплоізоляційні матеріали бувають сипучі, рулонні та штучні.

В будівництві для характеристики теплоізоляційних властивостей матеріалу звичайно використовують не показник теплопровідності, визначати який дуже важко , а щільність матеріалу.

Теплоізоляційні матеріали повинні бути біостійкими, тобто не підвергатися загниванню та порчі комахами та гризунами, сухими з малою гігроскопічністю, так як при зволоженні їх теплопровідність значно знижується, хімічно стійкими, а так же володіти тепло – та вогнестійкістю.

За формою та зовнішньому вигляду теплоізоляційні матеріали можуть бути:

• штучні (плити, блоки, шкарлупи, цегла, сегменти, циліндри);

• рулонні та шнурові ( мати, шнури, джгути);

• рихлі та сипучі (вата, перлітовий пісок, вермикуліт).

За структурою теплоізоляційні матеріали можуть бути:

• волокнисті (мініраловатні, скловолокнисті);

• зернисті (перліт, вермикуліт);

• чаруночні (ячеистые) (піноскло, чаруночний бетон).

В залежності від жорсткості ( остаточна деформація) теплоізоляційні

матеріали поділяють на :

• легкі (М) це мінеральна і скляна вата, з каолінового та базальтового волокна і т.д.;

• напівжорсткі (П) - це плити з штапельного скловолокна на синтетичному в’яжучому і т.д.;

• жорсткі (Ж) – це плити з мінеральної вати на синтетичному в’яжучому;

• підвищеної жорсткості (ПЖ);

• тверді (Т).

За теплопровідністю теплоізоляційні матеріали поділяють на класи:

А – низької теплопровідності до 0,06 Вт/(мК);

Б – середньої теплопровідності від 0,06-0,115 Вт/(мК)

В – підвищеної теплопровідності від 0,115-0,175 Вт/(мК).

За щільністю теплоізоляційні матеріали поділяються на марки:

• особисто низької щільності – 15, 25, 35, 50, 75;

• низької щільності – 100, 125, 150, 175;

• середньої щільності – 200, 225, 250, 300, 350;

• щільні – 400, 450, 500, 600.

Щільність теплоізоляційних матеріалів не висока, звичайно 0,2 – 2,5 МПа, але

в окремих випадках вона досягає 10 МПа.

В залежності від матеріалу з якого виготовляють теплоізоляційний матеріал його класифікують на неорганічні ( мінеральна вата, чаруночний бетон, піноскло, азбестні матеріали), органічні (дерев'яно – волокнисті та дерев'яно – пилкові плити, комишит, торф’яні плити та газонаповнювальні пластмаси) та змішані ( фіброліт, перліто – пластбетон і т.д.).

Питання 6. Кам’яні та лісові будівельні матеріали.

Природні кам’яні матеріали отримують при допомозі механічної обробці, а саме дробінням, розкалуванням, розпиленням гірських порід. Таким образом отримують облицювальний плити, кам’яні та блоки для кладки стін, щебінь.

Всі ці види будівельних матеріалів називаються нерудними.

Природні кам’яні матеріали є найбільш доступними. Вони застосовуються в будівництві з даних часів завдяки великій міцності та довговічності. До наших днів збереглися монументальні споруди з природного каменя: єгипедськи піраміди, грецькі та римські храми, арени, собори Древньої Русі.

Природні кам’яні матеріали класифікуються за щільністю:

• важкі (щільністю більш ніж 1800 кг/м³;

• легкі (щільністю менш ніж 1800 кг/м³.

В залежності від засобу виготовлення виробу та матеріалу з

природного каменю поділяють на слідуючи види:

• пилянні, отримують з масиву каменерізними чи камнедробарними машинами (блоки – напівфабрикати, крупні камені);

• пилині з блоків – напівфабрикатів з подальшою обробкою (облицювальні плити, цілі ступені, підвіконні дошки і т.д.);

• колоті отримують розколюванням блоків з послідуючою обробкою (плити та камені тесані, бортовий камінь, брусчатка і т.д.);

• грубоколоті отримують направленим розколюванням блоків без послідуючої обробки (постелистий камінь);

• рвані отримують за допомогою вибуху гірської породи та отеленням мілких фракцій (бутовий камінь);

• дроблені отримують дробленням гірської породи з послідуючим поділенням на фракції (щебінь, пісок неприродній);

• молоті отримують за допомогою помелу гірської породи (молотий мінеральний порошок, кам’яна мука);

Лісові матеріали широко застосовуються в своєчасному будівництві. Вони володіють цінними якостями: малою середньою щільністю, високою щільністю, малою теплопровідністю, звичайністю технологічної обробки. До недоліків деревини необхідно віднести: загнивання, займання, неоднорідність будови та гігроскопічність.

В будівництві застосовують такі види лісових матеріалів:

1. Деревину хвойних порід: сосни, ялини, модрина;

2. Деревину твердих модринних порід: дубу, буку, грабу, клена, ясеня, берези;

Для тимчасових споруд та допоміжних конструкцій (опалубка, навіси, обрешітка) використовують деревину м’яких листвяних порід: осини, Ольги, тополі, липи.

Круглі лісоматеріали – відрізки дерев'яного ствола різних порід та розмірів, очищені від кори та сучків. В цілому вигляді круглі лісоматеріали застосовують в будівництві в якості стінового матеріалу, опор та стовбурів для повітряних ліній зв’язку та ліній електропередачі в якості палів (свай) та настилу при будівництві мостів, доріг, для огородження території.

Пиломатеріали отримують після поздовжнього розпилювання бревен: на дошки товщиною 100 мм та менш при відношенні ширини до товщини більш 2; брусся товченою та шириною більш 100 мм, бруски товщиною до 100 мм та шириною не більш двійної товщини.

Питання для контролю знань:

1. Основні властивості будівельних матеріалів.

2. Як виготовляються, застосовуються і класифікуються мінерально - в’яжучі речовини?

3. Як виготовляються, застосовуються і класифікуються будівельні розчини?

4. Як виготовляються, застосовуються, класифікуються, зберігаються та основні властивості бетону та залізобетону?

5. Як добуваються, застосовуються, класифікуються, зберігаються та основні властивості кам’яних та лісових матеріалів?