Г л а в а 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основные этапы развития строительного материаловедения
Материаловедение может быть сведено к трем основным взаимодействующим составляющим. Во-первых, в материаловедение входят эмпирические знания в виде новых и ранее полученных данных на производстве, в институтах в ходе экспериментальных и опытно-промышленных исследований, наблюдений за работой материалов в конструкциях зданий и сооружений при эксплуатации.
В-третьих, материаловедение как неотъемлемый компонент всякой науки содержит ее мировоззренческие основы.
С развитием науки о строительных материалах изменились представления о прогрессивных и передовых технологиях их производства на уровне мировых достижений, закономерностях изменения свойств материалов, долговечности при критическом уровне деструкции, экологии окружающей среды и материалов как непременного критерия прогрессивной технологии, максимальном использовании техногенного сырья при минимальном расходе природного и др.
Целенаправленное использование материалов для возведения построек различного функционального назначения известно человечеству с древнейших времен. На начальных этапах цивилизации применяли такие материалы, которые не требовали значительных усилий и энергетических затрат для придания им заданной формы: древесину и природные камни, необожженную глину.
Исходным моментом для становления науки о материалах явилось получение керамики путем сознательного изменения структуры глины при ее нагревании и обжиге. Со временем чрезмерную пористость изделий научились уменьшать глазурованием.
С течением времени человечество познало самородные, а затем и рудные металлы, крепость и жесткость которых были известны уже в VIII тыс. до н. э. Холоднокованая самородная медь была вытеснена медью, выплавленной из руд, которые встречались в природе чаще и в больших количествах. В дальнейшем к меди стали добавлять другие металлы, и таким образом в III тыс. до н. э. люди научились изготовлять и использовать бронзу как сплав меди с оловом, а также обрабатывать благородные металлы, уже широко известные к тому времени.
Получение новых керамических и металлических материалов и изделий было обусловлено определенным прогрессом производства. Возрастала необходимость в более глубоком понимании свойств материалов, особенно прочности, ковкости и других качественных характеристик, а также способов их возможного изменения.
Однако подлинных научных знаний о составе и свойствах материалов не было. Теория строилась в основном на догадках, интуиции, хотя были и удивительные решения, например в Ш в. до н. э. люди уже умели придавать строительным растворам гидравлические свойства, т. е. способность к твердению в водной среде с помощью природных добавок.
Источниками информации были личные контакты между мастерами и передача ими опыта, впоследствии получившие организующее начало в цеховых объединениях, естественная миграция и насильственное переселение специалистов-мастеров завоевателями из порабощенных стран. Письменная информация в области производства материалов и изделий в течение многих столетий отсутствовала, ибо мастера и ремесленники были неграмотны, а владевшая письменностью знать была бесконечно далека от непосредственного производства
Для первого этапа становления и развития строительного материаловедения характерно сравнительно ограниченное количество разновидностей материалов и опытных данных по их качественным характеристикам. Его можно характеризовать как становление науки о материалах вообще, о составе веществ, внутренних взаимодействиях мельчайших частиц и их свойствах.
Третий этап охватывает период со второй половины XX в. до настоящего времени. Он характеризуется, во-первых, процессом дальнейшего расширения производства строительных материалов и углублением знаний соответствующих им специализированных наук и, во-вторых, интеграцией научных знаний о строительных материалах и изделиях в их сложной совокупности. Расширение производства материалов вызывалось по-прежнему необходимостью восстановления жилищного и промышленного фонда после Второй мировой войны. Строительство было переведено на индустриальные способы, в частности путем заводского изготовления изделий из железобетона, конвейеризации производства бетона и железобетона. Индустриализация строительного производства привела к расширению номенклатуры и совершенствованию способов производства штучных теплоизоляционных, гидроизоляционных и герметизирующих материалов, в особенности материалов на полимерной основе или с их применением.
Керамическое производство стало высокомеханизированной и автоматизированной отраслью в промышленности строительных материалов. Во второй половине XX в. годовая производительность одной технологической линии составляла на заводах до 30 млн шт. стандартного кирпича. Были внедрены поточно-конвейерные линии с годовой производительностью до 1 млн м2 облицовочных керамических плиток и до 800 тыс. м2 плиток для полов.
Наше время характеризуется бурным развитием промышленности строительных материалов. Наряду с традиционными возрастает применение новых материалов. Механические способы переработки сырья все более вытесняются физико-химическими методами, при которых свойства строительных материалов формируются скрытой энергией вещества. Это позволяет сократить непроизводительные затраты труда, топлива и электроэнергии.
Современный этап характеризуется быстрым развитием производства и дальнейшей дифференциацией наук в различных отраслях промышленности строительных материалов. Науки обогащаются новыми практическими данными и переводят их в теоретические категории, раскрываются новые специфические закономерности технологических процессов, что оказывает помощь производству. Производство и наука обогащают друг друга, что особенно характерно для стадии современного развития строительного материаловедения. В результате появляются стыковые, пограничные области знаний о строительных материалах, например полимерцементных, силикатополимерных, шлакоке-рамических и др.
Для современного периода характерным является создание материалов с наперед задаваемыми свойствами на основе достижений физики твердого тела. Изучив природу межатомной связи твердого тела, строение элементов его пространственной решетки с учетом всех видов его дефектности, удается не только управлять его химическими, физическими и механическими свойствами, но и прогнозировать потенциальные оптимальные характеристики, заложенные в любом веществе его химической природой и структурными особенностями строения.
Для обеспечения потребностей населения в жилье в Республике Беларусь реализуется программа жилищного строительства, под которую требуется соответствующая материально-техническая база. В этой связи увеличивается выпуск цемента, кирпича, стеновых блоков, линолеума и других материалов. Особое внимание обращается на монолитное и монолитно-каркасное домостроение. В связи с интенсивным развитием индивидуального строительства взят курс на увеличение выпуска газосиликатных блоков как наиболее экономичного стенового материала.
В строительстве и отделке зданий широкое применение находят сухие смеси, защитно-отделочные и клеевые композиции, эффективные полимерные, металлополимерные, керамические и стеклянные материалы.
Строительное материаловедение. Курс лекций
Главная > Конспект >Строительство
Уважаемые слушатели мы приступаем к изучению курса «Строительное материаловедение». Лекции, которые будут прочитаны в течение данного семестра, помогут Вам разобраться в физико-химической сущности строения и свойств различных материалов. Вы узнаете, почему природные и искусственно созданные материалы имеют различные теплопроводность, механические и эксплуатационные свойства, как связаны эти свойства друг с другом, как и в каких пределах их можно изменять. Одновременно с изучением этих вопросов, вы более глубоко познакомитесь с физическими и химическими свойствами элементов, информация о которых заложена в периодической системе Д.И. Менделеева. Особо отмечу, что строение атомов химических элементов определяет структуру и энергию образуемых ими химических связей, которые, в свою очередь, лежат в основе всего комплекса свойств веществ и материалов. Лишь опираясь на понимание химического взаимодействия атомов, можно управлять процессами, происходящими в веществах, и получать заданные рабочие характеристики.
Однако более важной, чем изучение отдельных проблем, изложенных в лекциях, является предоставляемая вам возможность объединить основные положения физики, химии и прикладных научных направлений (теплофизики, механики) для комплексного понимания взаимодействия веществ и их свойств.
В лекциях главное внимание уделено фундаментальным основам материаловедения в связи с тем, что современное материаловедение направлено на получение материалов с заданными характеристиками и служит базой для наукоемких технологий XXI века.
Материалом называется вещество, обладающее необходимым комплексом свойств, для выполнения заданной функции отдельно или в совокупности с другими веществами.
Курс материаловедения и технологии строительных материалов служит цели познания природы и свойств материалов, методов получения материалов с заданными характеристиками для наиболее эффективного использования в строительстве.
Основные задачи изучения курса:
— дать понимание физико-химической сущности явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации, и их влияния на свойства материалов;
установить зависимость между химическим составом, строением и свойствами материалов;
изучить теоретические основы и практику реализации различных способов получения и обработки материалов, обеспечивающих высокую надежность и долговечность строительных конструкций;
дать знания об основных группах неметаллических материалов, их свойствах и областях применения.
В лекциях раскрываются:
основы взаимодействия атомов и молекул, позволяющие в
дальнейшем объяснить влияние на свойства материала его химического состава и процессов направленной обработки;
строение твердого тела, дефекты кристаллической структуры
и их роль в формировании свойств материалов;
явления переноса тепла, массы и заряда, составляющие суть
любого технологического процесса;
теоретические основы получения аморфных структур материалов;
элементы механики упругой и пластической деформации и
разрушения материала, лежащие в основе формирования прочности и надежности современных строительных материалов и конструкций, а также
методы их испытаний;
Физико-химические свойства вещества определяются электронным строением его атомов. Взаимодействия атомов связаны, в первую очередь, с взаимодействием их электронных оболочек. Поэтому при разработке материалов и процессов их получения необходимо четко представлять, как различные химические элементы отдают и принимают электроны, как изменение электронного состояния влияет на свойства элементов.
1. Электронное строение атома
Для изучения химических превращений в большинстве случаев нам достаточно указать три частицы, входящие в атом: протон, электрон и нейтрон.
Современная наука представляет атом, устроенным приблизительно, также как утроена наша солнечная система: в центре атома находится ядро (солнце), вокруг которого на относительно большом расстоянии вращаются электроны (как планеты вокруг солнца). Эта «планетарная» модель атома, предложенная в 1911 году Эрнестом Резерфордом и в 1913 году уточнённая постулатами Бора, сохранила своё значение до настоящего времени.
В ядре, состоящим из протонов и нейтронов и занимающем очень малую часть объема атома, сосредоточена основная масса атома (масса электронов в химических расчётах атомных и молекулярных масс обычно не учитывается).
Число протонов в ядре определяет вид атома. Всего сейчас открыто более ста видов атомов, которые и представлены в Таблице элементов под номерами, соответствующими числу протонов в ядре.
2. Спектры излучения и поглощения. Главное квантовое число
Согласно планетарной модели строения атома в центре атома находится ядро, содержащее протоны и нейтроны и сосредоточивающее, таким образом, фактически всю массу. Число протонов определяет вид атома а также его порядковый номер в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (при записи элемента число протонов указывается перед буквенным символом элемента внизу).
Вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Число электронов атома равно числу протонов в ядре, так что в целом атом электронейтрален.
Согласно такой Резерфордовской модели атома электрон, вращаясь вокруг ядра, должен излучать энергию и, с каждым оборотом теряя её, упасть на ядро. Это излучение должно быть непрерывным, т.е. спектр излучения атома должен быть сплошным. Представление о такого рода (сплошном) спектре может дать разложение солнечного света призмой на плавно переходящие друг в друга цвета радуги.
Однако уже в конце Х1Х века было экспериментально доказано, что спектры излучения атомов (в газообразном состоянии) не сплошные, а состоят из ряда чётко фиксированных полос ( «полосатый» спектр).
Кроме того, данная простейшая модель не могла объяснить устойчивости (долгоживучести) атома: электрон, теряя энергию в форме электромагнитного излучения, должен был упасть на ядро (согласно простейшим расчётам в течении 10 секунд).
Эти два основных противоречия модели Резерфорда были устранены постулатами Бора (1913 год), согласно которым допускалось что:
1. В атоме имеются орбитали, находясь на которых, электрон не излучает и не поглощает энергию (так называемые стационарные орбиты).
Стационарные орбиты расположены вокруг ядра слоями. Для обозначения номера слоя, в котором находится данный электрон, введено первое или главное квантовое число.
Для обозначения главного квантового числа используют заглавные латинские буквы: K, L, M, N, O, P, Q.
Если мы говорим, что для данного электрона главное квантовое число равно единице (n = 1), то с физической точки зрения это равносильно утверждению: данный, электрон находится в первом (наиболее близком к ядру) электронном слое.
Основные понятия строительного материаловедения
ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Введение
Строительство – наиболее материалоемкая отрасль народного хозяйства. Материальную основу строительства составляют строительные материалы. Строительные материалы оказывают решающее влияние на технико-экономическую эффективность, безопасность, долговечность и эксплуатационные свойства зданий и сооружений. Строительные материалы – одна из наиболее динамичных отраслей строительства, на ней опробуется наибольшее число новых технологий. Стоимость строительных материалов составляет до 40…50 % сметной стоимости объектов.
По назначению строительные материалы классифицируют на 2 группы:
— 1 группа: материалы универсального типа, пригодные для несущих конструкций – природные каменные материалы, бетоны, растворы, керамика, стекло, металлы, конструкционные пластмассы, древесина, композиты и др.;
— 2 группа: строительные материалы специального назначения – теплоизоляционные, акустические, гидроизоляционные, герметики, кровельные, отделочные, антикоррозионные, огнеупорные материалы, материалы для радиационной защиты и т.д.
Строительные материалы «работают» в конструкциях и строительных системах. Как правило, к строительной конструкции предъявляются требования по несущей способности, теплоизоляции, гидроизоляции, функциональности, архитектурной выразительности и др. Всё это возможно обеспечить лишь совместным использованием строительных материалов различного функционального назначения. Так формируются строительные системы.
Система (от др.-греч. σύστημα – целое, составленное из частей; соединение) – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство.
Практически любой объект, любая строительная конструкция может быть рассмотрена как система.
Строительная система – совокупность конструктивных элементов и строительных материалов различного функционального назначения, имеющих определённое взаимное расположение и связи, обеспечивающая целостность, геометрическую неизменяемость, несущую способность, надежность и заданные эксплуатационные характеристики строительной конструкции в целом.
На выбор строительного материала оказывает влияние ряд факторов:
— требуемые свойства конструкции;
— условия эксплуатации конструкции, в т.ч. риск коррозионного воздействия;
— технология строительных работ;
— требования по безопасности (в т.ч. экологической, пожарной);
— экономическая эффективность строительства;
— обеспечение комфортной среды и архитектурного облика здания и др. факторы.
Кроме того, материалы необходимо грамотно сочетать между собой. Область применения того или иного материала и возможность совмещения с другими материалами определяется его свойствами.
Свойство – способность материалов определённым образом реагировать на воздействие отдельных внешних или внутренних факторов. Свойства материалов имеют названия и оцениваются численными значениями, имеющими определенную размерность, которые устанавливаются путем стандартных испытаний.
Основные понятия строительного материаловедения
Материаловедение – это наука, изучающая взаимосвязь состава, строения и свойств материалов, закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и др. воздействиях.
Свойства материала можно регулировать путём направленного модифицирования его состава и управления структурой.
Все строительные материалы имеют состав. Они характеризуются элементным, химическим, минеральным, фазовым и вещественным составом.
Элементный состав – выражает содержание химических элементов в материале, % по массе. Например, элементный состав битума: С – 70…80%; H – 10…15%; S – 2…9%; O – 1…5%; N – 0…2%.
Химический состав– позволяет судить об огнестойкости, биостойкости, механических свойствах и т.д. материалов. Так, органические материалы не выдерживают высоких температур и горят. Минеральные материалы, напротив, имеют значительно более высокие температуры применения, а металлы хорошо проводят электрический ток и тепло.
В зависимости от химического состава строительные материалы принято делить на:
— органические (древесина, битумные материалы, пластмассы);
— минеральные (природный камень, бетон, керамика и т.п.);
— металлические (сталь, чугун, цветные металлы).
Химический состав минеральных материалов обычно выражают суммой оксидов, % по массе. Например, химический состав клинкера портландцемента: СаО – 63…66%; SiO2 – 21…24%; Al2O3 – 4…8%; Fe2O3 – 2…4%.
Химический состав простых органических материалов в некоторых случаях можно выразить химической формулой.
Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве, % по массе, содержатся в строительном материале. Например, минеральный состав клинкера портландцемента:
Фазовый состав материала – это наличие твердого вещества или каркаса, пор, заполненных воздухом или другим газом, и воды. Причем, если поры материала заполнены водой, то его, например, теплофизические свойства существенно изменяются, так же, как и влажностные деформации. Если вода в порах замерзает, то она изменяет свое фазовое состояние и возникают большие внутренние напряжения, которые изменяют механические и деформативные свойства материала.
Вещественный состав выражает содержание веществ, % по массе, входящих в состав материала. Например, вещественный состав портландцемента: клинкер – более 95%; вспомогательные компоненты – до 5%; природный гипс – 3…5% (сверх 100%).
Не меньше, чем состав, на свойства материала влияет его строение. При одном и том же химическом составе материалы различного строения обладают разными свойствами. Например, мел и мрамор – две горные породы, состоящие из карбоната кальция СаСО3, но пористый рыхлый мел имеет низкую прочность и легко размокает в воде, а плотный мрамор прочен и стоек к действию воды.
Структура (строение)материала – пространственное расположение частиц различной степени дисперсности с совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления между собой. В понятие структуры входит расположение пор, капилляров, микротрещин и т.д.
Строение материала изучают на 3-х уровнях:
— Макроструктура материала – строение, видимое невооруженным глазом.
— Микроструктура материала – строение, видимое в оптический микроскоп.
— Внутреннее строение материалов – строение, изучаемое на молекулярно-ионном уровне методами рентгенофазового анализов, рентгеноструктурного и электронной микроскопии.
Макроструктура твердых строительных материалов может быть следующих типов:
— конгломератная (бетоны, строительные растворы);
— ячеистая (ячеистые бетоны, ячеистые пластмассы);
— волокнистая (древесина, стеклопластики, минеральная вата);
— слоистая (рулонные, листовые и плитные материалы);
— рыхлозернистая (заполнители для бетона, наполнители для цементов, пластмасс и др.);
— макроструктура природных каменных материалов.
Микроструктура материала может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллическая форма всегда более устойчивая. Она имеет постоянную температуру плавления и определенную геометрию кристаллов, составляющих материал.