Сканави Н.А. Материаловедение. Строительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, УПРАВЛЕНИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И НЕДВИЖИМОСТИ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

(СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ)

Учебное пособие

для студентов заочного обучения по специальности 080502

«Экономика и управление на предприятии (по отраслям)»

Автор: профессор, канд. техн. наук Н.А.Сканави

Москва, 2010

Н.А.Сканави Материаловедение

УДК 691

Сканави Н.А. Материаловедение (строительные материалы)

М.: МГСУ. 2010, 85 с.

В учебном пособии приведены основы строительного материаловедения и описание

главнейших строительных материалов различного назначения. Дана взаимосвязь состава,

строения, свойств, областей применения и особенностей технологических процессов

производства материалов и изделий.

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения по

специальности «Экономика и управление на предприятии (по отраслям)». Учитывая

специфику специальности, делаются акценты на экономические аспекты производства и

применения материалов и изделий.

ISBN

Н.А.Сканави Материаловедение

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 6

Глава 1. Классификация строительных материалов и технологии их производства 6

1.1. Классификация строительных материалов и методический подход 6

к их изучению

1.2. Общие сведения о технологиях промышленности строительных материалов 7

1.3. Сырьевая база промышленности строительных материалов 8

Глава 2. Основные свойства строительных материалов 8

2.1. Связь состава, строения и свойств строительных материалов 8

2.2. Классификация и характеристика основных свойств строительных

материалов

Вопросы для самоконтроля к разделу 1 20

РАЗДЕЛ 2. ПРИРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 21

Глава 3. Природные каменные материалы 21

3.1. Общие сведения о горных породах 21

3.2. Технические требования к каменным материалам 24

3.3. Добыча, обработка и виды изделий из природного камня 24

Глава 4. Материалы и изделия из древесины 25

4.1. Состав и строение древесины 26

4.2. Свойства древесины 27

4.3. Защита древесины от гниения и возгорания 28

4.4. Виды материалов, изделий и конструкций из древесины 29

Вопросы для самоконтроля к разделу 2 31

РАЗДЕЛ 3. МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ 32

Глава 5. Керамические материалы 32

5.1. Общие сведения 32

5.2. Сырье для производства керамических материалов 32

5.3. Основы технологии керамических изделий 34

5.4. Виды керамических материалов 36

Вопросы для самоконтроля .к главе 5 39

Глава 6. Неорганические вяжущие вещества 40

6.1. Общие сведения. Классификация 40

6.2. Воздушные вяжущие вещества 40

6.2.1. Гипсовые вяжущие вещества 40

6.2.2. Воздушная известь 43

6.3. Гидравлические вяжущие вещества 44

6.3.1. Портландцемент 45

6.3.2. Специальные виды портландцемента 49

6.3.3. Глиноземистый цемент 49

Н.А.Сканави Материаловедение

6.3.4. Расширяющиеся цементы 50

Вопросы для самоконтроля к главе 6 51

РАЗДЕЛ 4. МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ

ВЕЩЕСТВ 54

Глава 7. Бетоны 54

7.1. Общие сведения, классификация 54

7.2. Материалы для бетона 54

7.3. Свойства бетонной смеси 57

7.4. Основы технологии бетона 58

7.5. Свойства бетона 60

7.6. Разновидности бетона 62

Вопросы для самоконтроля к главе 7 62

РАЗДЕЛ 5. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ

ОСНОВЕ 66

Глава 8. Битумные и дегтевые вяжущие и материалы на их основе 66

8.1. Общие сведения, классификация 66

8.2. Битумы 66

8.3. Дегти 69

Вопросы для самоконтроля к главе 8 70

Глава 9. Полимерные строительные материалы 70

9.1. Общие сведения 70

9.2. Состав пластмасс 71

9.3. Основы технологии строительных изделий из пластмасс 72

9.4. Основные свойства строительных пластмасс 73

9.5. Применение полимерных материалов и изделий 74

Вопросы для самоконтроля к главе 9 75

РАЗДЕЛ 6. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 76

Глава 10. Теплоизоляционные материалы 76

10.1. Общие сведения, классификация 76

10.2. Способы создания высокопористого строения 77

10.3. Свойства теплоизоляционных материалов 78

10.4. Основные виды теплоизоляционных материалов и особенности применения 79

Вопросы для самоконтроля к главе 10 80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 82

Примеры вариантов контрольного задания 82

Методические указания к выполнению контрольного задания 84

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 85

Н.А.Сканави Материаловедение

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Материаловедение (строительные материалы)» для студентов

заочного обучения по специальности «Экономика и управление на предприятии» написано в

соответствии с Рабочей программой дисциплины и ориентировано на экономистов и

менеджеров строительного профиля.

Программой дисциплины “Материаловедение (строительные материалы)”

предусматривается изучение общих основ современного строительного материаловедения:

номенклатуры, состава, строения, свойств, областей применения строительных материалов,

а также основных принципов технологических процессов производства материалов.

Учитывая вероятные сферы деятельности выпускников, а также существенный

удельный вес материалов в стоимости строительства, преподавание данной дисциплины

будущим экономистам строительного комплекса является необходимым и актуальным.

В результате изучения дисциплины “Материаловедение (строительные материалы)”

студенты должны знать материальную основу современного строительства - строительные

материалы и изделия: их разновидности, состав, строение, свойства, основы производства,

технически грамотное и экономически целесообразное применение.

Студенты должны уметь применять полученные знания на практике при оценке

качества строительных материалов, при выборе материалов для различных условий

эксплуатации, при решении вопросов ресурсосбережения, охраны окружающей среды,

экономической эффективности и т.д.

Учебное пособие содержит теоретическую и практическую часть. Материал

теоретической части сопровождается контрольными вопросами. Практическая часть

включает примеры задач, решение которых требует от студентов активного владения

материалом. В конце учебного пособия приводится список рекомендуемой литературы.

Учитывая специфические особенности заочной формы обучения и требования

компактности изложения, некоторые сведения о материалах даются в табличной форме

(основные свойства материалов, разновидности цементов, разновидности бетонов и проч.).

Это отличается от традиционной формы изложения (когда сведения о материале могут быть

«размыты» в тексте) и позволяет выявить именно те факторы, на которые следует обратить

внимание при сравнении материалов, их характерные особенности, например, наглядно

показать отличия различных видов цемента от традиционного портландцемента.

Н.А.Сканави Материаловедение

ВВЕДЕНИЕ

Промышленность строительных материалов - отрасль производства, от которой

зависит экономический потенциал страны. Необходимым условием роста любой отрасли

промышленности является сопутствующий рост и развитие промышленности строительных

материалов (сначала производятся строительные материалы, возводятся конструкции,

потом в них монтируется то или иное оборудование и т.д.).

Затраты на материалы составляют более половины общей стоимости строительно-

монтажных работ и около 1/3 капитальных вложений в хозяйство страны. Для нужд

промышленности строительных материалов ежегодно добываются миллиарды тонн

минерального сырья. Четверть всех железнодорожных и более половины речных перевозок

приходится на минеральные материалы.

Технологии промышленности строительных материалов очень разнообразны: от

простейших механических операций до сложных химических и физико-химических

процессов. Соответственно и продукты этих технологий - строительные материалы и

изделия отличаются огромным разнообразием.

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И

ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Классификация строительных материалов и методический подход к их

изучению

Строительные конструкции в процессе эксплуатации воспринимают те или иные

нагрузки и подвергаются действию окружающей среды. Поэтому строительные материалы

должны обладать определенными свойствами: прочностью, деформативностью,

способностью сопротивляться воздействию среды, а именно, воздуха и содержащихся в нем

паров и газов, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям влажности и температуры,

действию мороза, ультрафиолета и т.п.

Исходя из условий работы материалов в сооружении их можно разделить на две

группы:

- Универсальные или конструкционные материалы, применяемые для несущих

конструкций (природные и искусственные каменные материалы, металлы, конструкционные

пластмассы, материалы из древесины и др.);

- Материалы специального назначения, необходимые для защиты строительных

конструкций от вредных воздействий среды, повышения эксплуатационных свойств зданий

и сооружений и для создания комфорта в помещениях (теплоизоляционные,

гидроизоляционные, акустические, герметики, отделочные, антикоррозийные и др.).

Назначение (условия применения) материала определяется его свойствами, а свойства

зависят от состава и структуры (строения) материала. Рекомендуемый методический подход

к изучению строительных материалов можно представить в виде “цепочки” понятий:

“состав-строение-свойства-применение”. Для искусственных материалов в начале этой

Н.А.Сканави Материаловедение

“цепочки” должно стоять слово “технология”, так как именно от технологии будут зависеть

особенности последующих элементов этой “цепочки”.

1.2. Общие сведения о технологиях промышленности строительных материалов

Технология (от греческого techne - искусство, мастерство, умение и ...логия) -

совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы

сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции.

Задача технологии как науки - выявление физических, химических, механических и

других закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее

эффективных производственных процессов. Основными элементами технологического

процесса являются сырье, энергия и аппаратура (оборудование). Они тесно связаны между

собой, взаимно обуславливают друг друга и зависят от состояния экономики и научно-

технического прогресса в отрасли.

При механических технологиях сырью придают новую форму и необходимые

размеры частицам, иную текстуру поверхности (например, полированную вместо

грубооколотой) и другой внешний вид. Состав, агрегатное состояние, строение не меняются,

свойства - практически не меняются.

В промышленности строительных материалов на механических технологиях

базируется подготовка сырьевых материалов, а также получение, обработка и изготовление

изделий из природного камня и древесины. Механические технологии основаны на ударных,

истирающих, режущих и т.п. воздействиях на материал и связаны с такими свойствами

материалов как твердость, истираемость, прочность, износ, ударная вязкость.

При большом разнообразии механических технологий и их различиях между собой

все они содержат сходные операции и процессы. Это обусловлено сходными

кинематическими схемами оборудования и машинного парка.

При химической технологии сырье в результате процессов переработки полностью

или частично изменяет свой химический состав, агрегатное состояние (например, из

твердого переходит в жидкое состояние), а также приобретает новые формы, размеры, то

есть новое качество.

По характеру основного процесса химические технологии промышленности

строительных материалов можно разделить на обжиговые и безобжиговые. По обжиговым

технологиям получают неорганические вяжущие вещества, керамические изделия, стекло,

ситаллы, изделия из каменных расплавов, некоторые теплоизоляционные материалы,

искусственные пористые заполнители.

Основной технологической операцией при производстве всех этих материалов

является нагревание минерального сырья до высоких температур (обжиг), при которых

достигается желаемый результат: дегидратация полная или частичная, термическая

диссоциация, спекание, плавление.

По безобжиговым технологиям получают бетоны на неорганических и

органических вяжущих веществах, железобетон, строительные растворы, силикатные

изделия, некоторые теплоизоляционные материалы, полимерные материалы и т.д.

Технологии основаны на связующей способности неорганических (портландцемент, гипс,

известь и др.) и органических (битумы, дегти и др.) вяжущих веществ, либо (для пластмасс)

на реакциях полимеризации и поликонденсации.

Основными критериями эффективности (конкурентоспособности) технологии

является качество производимой продукции, ее себестоимость и экологические

Н.А.Сканави Материаловедение

характеристики технологии. Качество продуктов технологии - строительных материалов и

изделий определяется совокупностью их свойств.

1.3. Сырьевая база промышленности строительных материалов

Сырье - исходные вещества или смеси из нескольких компонентов (сырьевые смеси),

которые поступают в переработку для получения продукции.

Промышленность строительных материалов получает сырье из 3-х основных

источников:

- Неорганическое природное сырье (подавляющая часть) добывается из недр земли

или ее поверхностных наносных слоев: горные породы;

- Органическое природное сырье - вещества, содержащие углеводороды или углеводы

и их производные: различные угли, древесина, торф, растительные вещества, нефть, газ;

- Отходы и побочные продукты промышленности, образующиеся в огромных

количествах, а использующиеся пока в России крайне недостаточно. В то же время

установлено, что использование промышленных отходов позволило бы покрыть до 40%

потребности строительства России в сырьевых ресурсах, на 10-30 % сократить затраты на

изготовление строительных материалов и значительно снизить антропогенные нагрузки на

окружающую среду.

Для производства строительных материалов используются следующие виды

промышленных отходов: шлаки черной и цветной металлургии, золы и шлаки тепловых

электростанций, вскрышные породы, отходы угледобычи и углеобогащения, отходы

химической промышленности, отходы древесины и лесохимии, отходы самой

промышленности строительных материалов и проч.

Следует отметить, что промышленность строительных материалов является

единственной отраслью промышленности, которая способна переработать эти

многотоннажные отходы и создать на их основе эффективные материалы. Это путь к

созданию малоотходных и безотходных производств.

Глава 2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Связь состава, строения и свойств строительных материалов

Строение и свойства. Свойства материала в большой мере зависят от особенностей

его строения. Строение материала изучают на трех уровнях:

 макроструктура – строение, видимое невооруженным глазом,

 микроструктура – строение, видимое в оптический микроскоп;

 внутреннее строение веществ, составляющих материал – строение на

молекулярно-ионном уровне.

Макроструктура строительных материалов бывает следующих типов:

- конгломератная (например, бетоны различного вида);

- ячеистая (пено- и газобетоны, ячеистые пластмассы);

- мелкопористая (керамические специально поризованные материалы);

- волокнистая (древесина, минеральная вата, стеклопластики);

Н.А.Сканави Материаловедение

- слоистая (пластмассы со слоистым наполнителем и другие рулонные, листовые, плитные

материалы);

- рыхлозернистая (порошкообразная – различные засыпки, заполнители для бетона и проч.).

Конгломераты – материалы, представляющие собой плотно соединенные (обычно с

помощью какого-либо цементирующего вещества) отдельные зерна. Например, в бетоне

зерна песка и крупного заполнителя (щебня или гравия) прочно соединены в единое целое

при помощи вяжущего вещества – цемента.

По современным представлениям большинство традиционных строительных

материалов можно отнести к так называемым композитам. Композиты (композиционные

материалы) – материалы с организованной структурой. В композитах различают компонент,

образующий непрерывную фазу, называемую матрицей и играющую роль связующего, и

второй компонент, дискретно распределенный в матрице, - упрочняющий компонент. В

роли матрицы в строительных композитах используют полимерные и минеральные

вяжущие вещества, в роли упрочняющего компонента – волокнистые (стекловолокно,

отрезки металлической проволоки, асбестовое волокно и т.п.), листовые (бумага, древесный

шпон, ткани) материалы, тонкодисперсные порошкообразные частицы.

Матрица «заставляет» дискретный компонент работать как единое целое, обеспечивая

высокую прочность материала. В композиционных материалах достигается совокупность

свойств, не являющаяся простой суммой свойств исходных составляющих, возникает новое

качество материала («синергетический эффект»).

Материалы с волокнистой и слоистой макроструктурой имеют различные свойства в

разных направлениях, то есть обладают анизотропией свойств. Примером анизотропного

материала волокнистого строения является древесина, которая вдоль и поперек волокон

имеет различную прочность, теплопроводность, усадку, набухание.

Микроструктура вещества, составляющего материал, может быть кристаллическая и

аморфная. Нередко одно и то же вещество может существовать в обеих формах, например,

кристаллический кварц и различные виды аморфного кремнезема в виде вулканического

стекла, минерала опала и проч.

У кристаллических веществ молекулы, атомы или ионы расположены упорядоченно,

образуя так называемую кристаллическую решетку. Особенностью кристаллических веществ

является определенная температура плавления и геометрическая форма кристаллов,

характерная только для данного вещества. Аморфные вещества характеризуются

беспорядочным расположением частиц. Обладая нерастраченной внутренней энергией

кристаллизации, аморфные вещества химически более активны, чем кристаллические того

же состава. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую

форму.

Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определяет прочность,

твердость, тугоплавкость и другие важные свойства материала. Кристаллические вещества,

входящие в состав строительного материала, различаются по характеру связи между

частицами, образующими пространственную кристаллическую решетку. Ковалентная связь

осуществляется электронной парой, когда в «узлах» кристаллической решетки находятся

атомы. Это простые вещества (алмаз, графит) и некоторые соединения из двух элементов

(кварц, карборунд, карбиды, нитриды). Материалы с такой связью отличаются высокой

механической прочностью, твердостью, тугоплавкостью.

Материалы с ионной связью (в «узлах» кристаллической решетки находятся ионы)

имеют невысокую прочность и твердость, как правило, неводостойки (гипс, ангидрит). В

относительно сложных кристаллах, например CaCO

имеет место и ковалентная и ионная

Н.А.Сканави Материаловедение

связи. Внутри сложного иона CO

- ковалентная связь, а с ионами Са

- ионная, поэтому

кальцит обладает высокой прочностью, но малой твердостью.

Кристаллы веществ с молекулярной связью построены из целых молекул, которые

удерживаются друг около друга слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного

притяжения (например, лед, некоторые газы). При нагревании связи между молекулами

легко разрушаются.

Металлическая связь возникает в кристаллах металлов и придает им специфические

свойства: высокие электропроводность и теплопроводность, ковкость, тягучесть,

металлический блеск. Ковкость и тягучесть объясняются отсутствием жесткости в

кристаллических решетках металлов, их плоскости довольно легко сдвигаются одна

относительно другой. Электропроводность и теплопроводность обусловлены высокой

подвижностью и большой «свободой» электронов в пространственной структуре металлов.

Состав и свойства. Строительные материалы характеризуются химическим,

минеральным, вещественным и фазовым составами. Иногда для характеристики материала

используют элементный (элементарный) состав, показывающий, какие химические

элементы и в каком количестве входят в материал. Например, элементный состав битумов

колеблется в пределах: С - 70-80%, H – 10-15%, S – 2-9%, O – 1-5%, N – 0-2%.

Химический состав позволяет судить о ряде свойств материала: механических,

биостойкости, огнестойкости и других. Обычно его выражают процентным содержанием

оксидов, например, в состав портландцементного клинкера входит CaO - 63-66%, SiO

- 21-

24%, Al

– 4-8%, Fe

– 2-4%.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве входят в

каменный материал или вяжущее вещество. Например, в портландцементном клинкере

содержание главного минерала - трехкальциевого силиката 3CaOSiO

составляет 45-60%,

причем при большем его количестве ускоряется твердение, повышается прочность

цементного камня.

У строительных материалов, представляющих собой смесь различных веществ, свойства

во многом зависят от процентного содержания этих компонентов, то есть от вещественного

состава материала. Так, для портландцемента вещественный состав характеризуют

процентным содержанием клинкера, природного гипса, а также видом и количеством

активных минеральных или органических добавок.

Фазовый состав показывает соотношение между твердой, жидкой и газообразной

фазами. Твердая фаза – вещества, образующие «каркас» материала, жидкая и газообразная –

соответственно вода и воздух, заполняющие поры материала. При замерзании воды в порах

материала фазовый состав меняется, образуется лед, который изменяет свойства материала.

Увеличение объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние напряжения,

способные разрушить материал при повторных циклах замораживания-оттаивания.

2.2. Классификация и характеристика основных свойств строительных материалов

“Свойство” материала - это его способность определенным образом реагировать на те

или иные внешние или внутренние факторы. Действие этих факторов обусловлено как

составом и строением самого материала, так и эксплуатационными условиями, в которых

работает материал в сооружении.

В зависимости от природы факторов, действующих на материал, основные свойства

делят на группы: физические, механические, химические, технологические, комплексные.