- •Теория строительного материаловедения
- •Глава 1 Общие сведения о строительном материаловедении
- •1.1. Некоторые исходные понятия
- •1.2. Исторические этапы развития строительного материаловедения
- •1.3. Теория искусственных строительных конгломератов
- •1.3.1. Классификация строительных материалов
- •1.3.2. Составные части общей теории иск
- •Глава 2 Теория структурообразования и оптимизации структуры иск (теоретическая технология)
- •2.1. Сырьевые материалы, поступающие на переработку в иск
- •2.2. Основные процессы в технологии строительных материалов
- •2.2.1. Подготовительные работы
- •2.2.2. Перемешивание отдозированных компонентов смеси
- •2.2.3. Формование и уплотнение изделий из смеси
- •2.2.4. Обработка отформованных изделий
- •2.2.5. Общая теория отвердевания матричных веществ в иск
- •2.3. Структура строительных материалов и изделий
- •Глава 3 Теория прочности, деформативности и конгруэнции свойств
- •3.1. Основные свойства строительных материалов
- •3.1.1. Механические свойства
- •3.1.2. Физические свойства
- •3.1.4. Технологические свойства
- •3.1.5. Оценка качества материалов
- •3.2. Основные закономерности при оптимальных структурах иск
- •3.2.1. Закон створа1
- •3.2.2. Закон и формулы прочности иск оптимальной структуры
- •3.2.3. Закон конгруэнции свойств
- •3.2.4. Деформационные свойства иск оптимальной структуры
- •3.3. Подобие оптимальных структур и две теоремы в теории иск
- •3.4. Научные принципы и общий метод проектирования состава иск оптимальной структуры
- •3.5. Корректирование проектного состава иск
- •3.6. Создание новых строительных конгломератов
- •3.7. Оценка технико-экономической эффективности иск оптимальной структуры
- •Глава 4 Теория долговечности иск в конструкциях
- •4.1. Общие понятия о долговечности материалов
- •4.2. Временные элементы долговечности материала
- •4.3. Критические уровни ключевых характеристик структуры и свойств
- •4.4. Теоретические расчеты долговечности и принятые в них ограничения
- •4.5. Некоторые вопросы надежности материала в конструкциях
- •Глава 5 Элементы теории методов научного исследования и технического контроля качества
- •Глава 6 Введение в практическую технологию
- •6.1. Основные компоненты и разновидности производственных технологий
- •6.2. Связь производственных процессов с общей теоретической технологией
- •6.3. Прогрессивные технологии в строительном материаловедении
- •6.3.1. Смысловые и количественные критерии
- •6.4. Оптимизирующие факторы при совершенствовании технологий до уровня прогрессивных
- •Практика строительного материаловедения (строительные материалы и изделия)
- •А. Природные строительные материалы и изделия
- •Глава 7 Древесина и древесные строительные материалы
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Состав, структурные элементы и свойства древесины
- •7.3. Анатомическое строение древесины
- •7.4. Качественные показатели древесных материалов
- •7.5. Пороки древесины
- •7.6. Защита древесины от гниения, поражения насекомыми и возгорания
- •7.7. Модификация древесины
- •7.8. Древесные породы в строительстве
- •7.9. Материалы и строительные изделия из древесины
- •7.10. Использование древесных отходов
- •Глава 8 Природные каменные материалы и изделия1
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Породообразующие минералы
- •8.3. Горные породы, применяемые в строительстве
- •8.4. Энергетическая активность минералов и горных пород
- •8.5. Закономерности свойств природного камня
- •8.6. Добыча и обработка природного камня
- •8.7. Материалы и изделия из горных пород
- •8.8. Защита природного камня в конструкциях
- •Б. Искусственные строительные материалы и изделия
- •1. Безобжиговые искусственные конгломераты
- •Глава 9 Строительные конгломераты на основе неорганических вяжущих веществ
- •9.1. Цементный камень как матричная часть в конгломератах и исходные компоненты
- •9.1.1. Вода и водные растворы
- •9.1.2. Неорганические вяжущие вещества
- •9.1.3. Воздушные вяжущие вещества и их производство
- •9.1.4. Гидравлические вяжущие вещества и их производство
- •9.1.5. Смешанные цементы как разновидности комплексных вяжущих веществ
- •9.2. Взаимодействие воды или водных растворов с неорганическими вяжущими веществами и процессы твердения
- •9.3. Заполняющие компоненты в конгломератах и добавки, вводимые в смеси
- •9.3.1. Заполнители неорганические
- •9.3.2. Заполнители органические
- •9.3.3. Наполнители
- •9.3.4. Добавочные вещества (добавки)
- •9.4. Основные разновидности строительных конгломератов
- •9.4.1. Общие сведения о бетонах
- •9.4.2. Тяжелые (обычные) бетоны
- •9.4.3. Легкие бетоны
- •9.4.4. Ячеистые бетоны
- •9.4.5. Арболиты (деревобетоны)
- •9.4.6. Специальные бетоны
- •9.5. Железобетон — изделия, конструкции
- •9.5.1. Общие сведения
- •9.5.2. Исходные материалы для железобетона
- •9.5.3. Производство сборных железобетонных изделий и конструкций
- •9.5.4. Технологические схемы изготовления сборных железобетонных изделий
- •9.5.5. Технология монолитного железобетона
- •9.5.6. Технический контроль и хранение железобетонных изделий
- •9.6. Разновидности других материалов и изделий на основе неорганических вяжущих веществ
- •9.6.1. Строительные растворы Общие сведения.
- •9.6.2. Сухие строительные смеси
- •9.6.3. Гипсовые и гипсобетонные изделия
- •9.7. Силикатные изделия автоклавного твердения
- •9.7.1 Общие сведения о силикатных материалах
- •9.7.2. Силикатный (известково-песчаный) кирпич
- •9.7.3. Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич
- •9.7.4. Силикатные бетоны
- •9.7.5. Силикатные изделия ячеистой структуры
- •9.8. Асбестоцементные изделия
- •9.8.1. Общие понятия
- •9.8.2. Краткие сведения об исходных материалах
- •9.8.3. Основы производства асбестоцементных изделий
- •9.8.4. Продукция асбестоцементных заводов
- •9.8.5. Основные свойства асбестоцементных изделий
- •9.9. Строительные материалы на основе магнезиальных вяжущих веществ
- •9.10. Коррозия строительных конгломератов в эксплуатационных условиях
- •Глава 10 Искусственные строительные конгломераты на основе органических вяжущих веществ
- •10.1. Основные исходные материалы для получения иск
- •10.1.1. Битумы
- •10.1.2. Дегти
- •10.1.3. Отвердевание битумов и дегтей
- •10.1.4. Минеральные наполнители в качестве асфальтирующих добавок
- •10.1.5. Формирование асфальтового вяжущего вещества
- •10.2. Заполняющие компоненты в иск на основе органических вяжущих веществ
- •10.3. Основные разновидности иск на основе органических вяжущих веществ
- •10.3.1. Асфальтовые бетоны
- •10.3.2. Разновидности асфальтовых бетонов
- •10.3.3. Дегтебетоны
- •10.4. Деструкция асфальтобетона при эксплуатации покрытий
- •Глава 11 Строительные конгломераты на основе органических полимеров и пластмассы
- •11.1. Природные и искусственные органические полимеры
- •11.1.1. Полимеризационные полимеры (термопласты)
- •11.1.2 Поликонденсационные полимеры (реактопласты)
- •11.2. Наполнители, заполнители и добавочные вещества в иск
- •11.3. Основные технологические операции
- •11.4. Отверждение полимерных и наполненных вяжущих веществ
- •11.5. Разновидности искусственных полимерных конгломератов и пластических масс
- •11.5.1. Полимербетоны и полимеррастворы
- •11.5.2. Полимерные строительные материалы и изделия
- •11.5.3. Материалы для санитарно-технического оборудования и трубы
- •11.5.4. Отделочные полимерные материалы и изделия
- •11.5.5. Гидроизоляционные и герметизирующие материалы
- •11.6. Старение и деструкция полимерных материалов
- •Глава 12 Строительные конгломераты с применением комплексных вяжущих веществ
- •12.1. Конгломератные материалы на основе смешанных вяжущих веществ
- •12.2. Материалы и изделия на основе компаундированных и комбинированных вяжущих веществ
- •Глава 13 Теплоизоляционные материалы и изделия
- •13.1. Общие сведения
- •13.2. Способы поризации материалов
- •13.3. Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия
- •13.4. Органические теплоизоляционные материалы и изделия
- •13.5. Полимерные теплоизоляционные материалы
- •Глава 14 Акустические материалы и изделия
- •14.1. Общие сведения
- •14.2. Звукопоглощающие материалы
- •14.3. Звукоизоляционные материалы и изделия
- •Глава 15 Гидроизоляционные материалы и изделия
- •15.1. Общие сведения
- •15.2. Жидкие гидроизоляционные материалы
- •15.3. Пластично-вязкие гидроизоляционные материалы
- •15.4. Упруго-вязкие и твердые кровельные и гидроизоляционные материалы и изделия
- •Глава 16 Материалы для отделочных работ: краски, лаки, обои
- •16.1. Общие сведения
- •16.2. Исходные основные связующие и вспомогательные вещества для лакокрасочных материалов
- •16.3. Пигменты в красочных составах
- •16.4. Основные разновидности красочных веществ
- •16 5. Антикоррозионная защита полимерными материалами
- •16.6. Обои для отделки стен
- •2. Обжиговые искусственные конгломераты
- •Глава 17 Керамические материалы и изделия
- •17.1. Общие сведения
- •17.2. Глина — основное сырье для строительной керамики
- •17.3. Краткие сведения из технологии керамики
- •17.4. Структура и природа свойств керамических материалов
- •17.5. Керамические материалы и изделия
- •Глава 18 Стеклянные и другие плавленые материалы и изделия
- •18.1. Значение стеклянных изделий в строительстве
- •18.2. Состав и строение стекол
- •18.3. Свойства стекол
- •18.4. Основы производства стекла
- •18.5. Стеклянные материалы и изделия
- •18.6. Материалы и изделия из шлаковых расплавов
- •18.7. Каменное литье и материалы на его основе
- •Глава 19 Металлические материалы и изделия
- •19.1. Общие сведения
- •19.2. Основы получения чугуна и стали
- •19.2.1. Получение чугуна
- •19.2.2. Получение стали
- •19.3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •19.4. Углеродистые стали
- •19.5. Углеродистые конструкционные стали
- •19.6. Легированные стали и твердые сплавы
- •19.7. Термическая обработка стали
- •19.8. Сортамент стального проката
- •19.9. Алюминий и его сплавы
- •19.10. Коррозия железа и других металлов
- •Глава 20 Заключительная
8.5. Закономерности свойств природного камня
Все минералы и горные породы обладают определенными зависимостями их свойств от состава и структуры. Но эти частные зависимости исходят из некоторых обобщенных, когда одна из них оказывается общей для многочисленных разновидностей природного камня. Подобная общая зависимость становится закономерностью и может иметь большое практическое значение при выборе камня для строительных целей.
Выше отмечалось, что по составу породы могут быть моно- и полиминеральными. Качественные характеристики первых определяются свойствами их породообразующего минерала, формой и размером его частиц, дефектами структуры, типом химической связи между частицами, макро- и микропористостью и т. п. Кварцитам, например, передаются свойства их породообразующего компонента кварца: высокие твердость, плотность и механическая прочность; малые деформативность (хрупкость), раковистость излома, высокая стойкость к химическому выветриванию и др. На физико-механических свойствах известняков отражаются характерные особенности породообразующего кальцита: сравнительно легкая растворимость в воде, низкая твердость и совершенная спайность, с которыми связана пониженная прочность этих пород. Такое влияние свойств кальцита отражается также на свойствах мраморов, являющихся метаморфизованными разновидностями известняков. И хотя высокие температура и давление несколько уменьшают влияние кальцита как породообразующего компонента, его физико-химические свойства и кристаллохимические особенности играют определяющую роль в процессе формирования структуры и свойств мраморов. Но особенно отчетливо прослеживается негативное влияние совершенной спайности кальцита на прочность крупнокристаллических разновидностей карбонатных пород химического генезиса. Снижение их прочности при механическом воздействии объясняется прежде всего разрушением частиц кальцита по плоскостям спайности, а также по границам их контакта друг с другом.
В отношении известняков, осадочных мономинеральных пород, отчетливо прослеживается следующая закономерность: у малопористых их разновидностей значения показателей прочности, плотности, упругости и некоторых других свойств приближаются к величинам показателей тех же свойств их породообразующего минерала кальцита. Эта же закономерность справедлива для кварцитов и мраморов — пород метаморфического генезиса, несмотря на то, что в условиях метаморфизации могут нарушаться структура и свойства не только исходной породы, но и ее породообразующего минерала (принцип Ле-Шателье), даже при неизменном химическом составе, т. е. в случае изохимической перекристаллизации.
С увеличением пористости, а также с появлением неплотностей в контактах и некоторых других структурных дефектов, неизбежно возникающих при формировании мономинеральных пород, их упругие и прочностные свойства интенсивно снижаются.
Аналогичные явления происходят в полиминеральных породах, когда превалирующий количественно породообразующий минерал оказывает наиболее заметное влияние на формирование определенных свойств породы. У магматических пород, например гранитов, с увеличением содержания кварца, имеющего очень высокий предел прочности при сжатии (около 2000 МПа), повышается механическая прочность. Наоборот, увеличение количества полевых шпатов и слюды в этих породах снижает их прочность, обычно составляющую до 200 МПа для мелкозернистых и до 120—140 МПа для крупнозернистых их разновидностей. Это происходит вследствие того, что полевой шпат не отличается высоким пределом прочности при сжатии, аналогично кварцу (всего около 170 МПа), а слюда с присущей ей высокой спайностью и способностью образовывать плоскости скольжения способствует механическому разрушению гранита с появлением внутренних скалывающих напряжений. При небольшом количестве слюды или полной ее замене роговой обманкой гранит приобретает повышенные вязкость и прочность (в том числе и на ударную нагрузку). С повышением пористости у выветрелых и одресвелых гранитов их прочность быстро снижается, достигая 80—60 МПа и ниже. Аналогичное влияние увеличения пористости обнаруживается на показателях модуля упругости: при возрастании пористости в 5 раз, т. е. с 0,6 до 3,0%, значение этого показателя у крупнозернистого гранита понижается с 6,0∙104 до 1,6∙104 МПа и вместе с тем в связи с необратимым расшатыванием его структуры одновременно отмечается повышение остаточной деформации.
Многие осадочные породы также являются полиминеральными агрегатами, часто состоящими из неодинаковых по размеру обломков минералов и горных пород. Свойства этих сложных пород (брекчий, конгломератов и др.) обусловливаются как свойствами самих обломков, так и особенно свойствами природного вяжущего вещества, выполняющего роль матричного компонента моно- или полиминерального состава. Природные цементы могут быть аморфными или кристаллическими. Наиболее прочные — кварцевый, кремнистый и опаловый мономинеральные равномерно-зернистые цементы. Значительно уступают им по прочности разнозернистые полимиктовые цементы, состоящие из минеральных зерен различного химического состава с неодинаковыми размерами частиц. Наименьшей цементирующей способностью отличаются глинистые и растворимые соединения (глины, гипсы и др.). Эту группу пород можно по аналогии сравнивать с искусственными строительными конгломератами (например, с бетонами), формирование структуры которых происходит под влиянием вяжущих веществ в заводских условиях.
Выше отмечалось, что на прочность и другие качественные показатели горных пород существенное влияние оказывает пористость. В породах она может быть очень грубой (туфы), крупной (ракушечники), мелкой и тончайшей, незаметной даже под микроскопом (диатомиты). В породах различают первичную пористость, обычно закрытую, и тонкодисперсную, зависящую от характера упаковки, формы и размера частиц, их взаимного расположения, величины того первоначального давления, которое испытывали породы в процессе формирования структуры. Пористость может быть также вторичной и чаще всего открытой, возникшей на более поздних стадиях отвердевания породы или осадка, при растворении или замещении в них отдельных минералов, особенно в результате последующего выветривания. Вторичные поры всегда имеют более устойчивые и сохранившиеся размеры, так как, возникая в уже затвердевшей массе, они в меньшей степени подвержены последующему спрессовыванию или заполнению новыми минеральными веществами.
Являясь важным структурным элементом, поры вместе с минеральными частицами непосредственно и активно участвуют в формировании свойств горных пород. Б.П. Беликовым и другими были выполнены исследования упругих характеристик многих горных пород общим импульсным ультразвуковым методом. Изучались как изотропные моно- и полиминеральные, так и анизотропные породы с определением модуля Юнга Е, модуля сдвига С, модуля объемного сжатия К, скорости распространения продольной волны \р и некоторых других параметров упругих свойств. Установлено, что при весьма малой пористости, например меньшей 1%, упругие свойства минералов и пород определяются в основном их минеральным составом. С увеличением же пористости значения упругих и прочностных свойств снижаются в соответствии с эмпирическим уравнением
(8.1)
где через М и Мo обозначены любые из упругих свойств (параметров) камня с порами (М) и без пор или с их минимумом (Мo), а через т1 и т2 — величины вторичной и первичной пористости.
Общий характер влияния пористости на механические свойства пород и минералов можно выразить наглядно в виде графической зависимости в системе координат «свойства =f(пористость)». График имеет вид сложной экстремальной кривой, состоящей из вершины и двух ниспадающих от нее ветвей (рис. 8.7). Вершина кривой соответствует наибольшим значениям параметров упругости, прочности, плотности минералов и пород, когда их пористость предельно мала (меньше 1%). На ветви, расположенной слева от вершины экстремальной кривой, располагаются показатели свойств, которые снижаются по мере возрастания первичной пористости пород. Это снижение характеризуется сравнительно умеренной интенсивностью, вызываемой наличием закрытых мелких и тончайших по своим размерам пор, особенно у минералов. На абсолютные значения свойств кроме пористости влияют также характер внутренних связей между микро- и макрочастицами минерального вещества, свойства минералов и другие факторы, которые обусловливают, кроме того, сравнительно большой разброс опытных данных, особенно при испытании интрузивных и метаморфических пород.
Рис. 8.7. Схема действия закона створа в горных породах и минералах
Справа от вершины экстремальной кривой размещается ветвь интенсивного спада упругих и прочностных свойств при увеличении вторичной (открытой) пористости с характерными для нее более крупными порами. Разброс опытных данных здесь меньше, чем в области левой ветви, и совсем незначителен на отрезке кривой, близкой к вершине. Аналогичное совпадение показателей свойств при изменении вторичной пористости отмечается и при испытании образцов из эффузивных и осадочных пород.
В мономинеральных породах на максимум величин показателей свойств влияет, как отмечалось, уровень соответствующих значений породообразующего минерала; в полиминеральных — некоторый усредненный их уровень, обусловленный минеральным составом, количественным соотношением и характером связей минералов. А в обоих случаях на величины экстремумов свойств влияют наличие пор и микропор, степень дефектности структуры и др. К экстремумам показателей свойств горные породы и минералы приближаются в результате очень длительных процессов структурообразования с постепенным набором в природных условиях таких параметров, при которых возникает своеобразная оптимальная структура. Закономерное протекание этих процессов в природе может прерываться стихийными, в том числе тектоническими, осложняемыми вулканической деятельностью явлениями, которые могут резко изменять и даже прерывать процесс формирования структур и свойств пород как на ограниченных, так и на огромных участках земной коры. Нарушение закономерного процесса структурообразования возможно также под влиянием изменения климатических, географических условий и других факторов. В одном и том же месторождении могут встречаться представители пород, разнородные по структуре и свойствам, причем только некоторые участки пород в данном месторождении могут оказаться с оптимальной структурой и комплексом экстремальных значений свойств в вершине кривой. Породы других участков того же месторождения, испытавшие влияние неблагоприятных факторов, отмеченных выше, не приобретают оптимальной структуры и не отличаются высокими показателями свойств (например, прочностных). Несмотря на то, что естественный процесс оптимизации структуры может неоднократно прерываться, он постоянно и последовательно продолжается во времени, поскольку связан в конечном итоге с приближением ее к равновесному состоянию и нарастанию термодинамической устойчивости горных пород.
Зависимость свойств природного камня от состава и оптимальной структуры отражает объективно существующую закономерность, которую при обобщении многочисленных опытных данных можно выразить следующим образом: при определенном наборе структурных параметров формируется оптимальная структура природного камня, при которой имеется комплекс экстремумов механических и некоторых физических свойств, непосредственно связанных со структурой и отражающих ее характер. Действует и обратная связь: комплекс экстремумов свойств горной породы или минерала отражает наличие оптимальной структуры с характерными для нее относительной однородностью, минимальной пористостью, минимумом других микро- и макроструктурных дефектов, с наиболее устойчивым равновесным состоянием внутренних связей, с минимумом внутренней свободной энергии, с мелкозернистой плотной кристалличностью или непрерывной пространственной сеткой (прослойкой) цементирующего вещества, с оптимальным содержанием стеклофазы и наличием других структурных параметров в соответствующем их наборе. Эти закономерности проявляются как в отношении твердых, так и упруговязкопластичных природных образований, к которым относятся глины, суглинки, лессы, мел, гипсы, асфальтовые породы и др. Они служат основой тождественного закона створа, вскрытого в теории ИСК.
Наблюдается также другая закономерная связь между свойствами главного породообразующего минерала и свойствами породы со спадом показателей свойств по мере накопления дефектов структуры, которая является также обобщающей основой закона конгруэнции в теории ИСК (см. 3.2). Такая тождественность закономерного изменения свойств под влиянием структурных параметров у природного камня и ИСК возникает при сходных процессах, которые характерны как для природного генетического, так и заводского технологического периодов. В обоих этих случаях, при формировании структур и свойств, прослеживается воздействие законов кристаллизации из растворов и расплавов, закона эвтектики, правила фаз и др. Различие состоит только в том, что в короткие технологические периоды производства ИСК можно направленно регулировать процессы структурообразования; избегая влияния элементов случайности и аномальных отклонений, которые возможны при формировании структур и свойств пород в природных условиях. Именно поэтому более отчетливо выразились закономерности створа, конгруэнции и др., известные в теории ИСК, базирующиеся на логически обобщенном и обширном практическом материале. В природе эти объективные закономерности проявляются наиболее полно и объективно, хотя вскрыть их сложнее, чем у ИСК.