🗊Презентация Строительное материаловедение и ее связь с другими науками. Основные свойства строительных материалов

Лекция 1. Строительное материаловедение и ее связь с другими науками. Основные свойства строительных материалов 1.1. Введение Строитель решает главную задачу – построить дом. При этом возникает очень сложная проблема – выбор пролета, материала и изготовление конструкции, коротко: пролет-материал-конструкция. При решении этой задачи важное место занимает: понимание природы прочности и долговечности материалов; работа этих материалов в различных конструкциях. Только в XIX столетии человечество начало делать первые научные шаги в представлении того, что же происходит с веществом (материалом), из которого выполняются различные конструкции. Именно из таких надежных конструкций делаются дома, самолеты, корабли и другие технические сооружения. Однако человечеству надо было пройти долгий путь, сопровождаемый разрушениями и катастрофами, прежде чем оно убедилось в пользе правильного подбора материалов и обоснованных расчетов на прочность. И даже сейчас не редкость разрушения несущих конструкций инженерных сооружений (см. Фото 1).

Фото 1. 4 июля 2009 г. во время празднования дня Независимости в Меррилвилле (США) обрушился мост, на котором находилось около 1000 человек.

Курс «Строительное материаловедение» в учебном плане подготовки инженеров-строителей – первая инженерная дисциплина, которая создает необходимую базу для изучения специальных направлений: МК и ЖБК, ДК и ТСП, ОЭСП. При изучении курса «о материале» необходимо помнить о неразрывности связи «состав – структура – свойства - область применения».

1.2. Строительное материаловедение как наука Строительное материаловедение - наука, которая устанавливает образовавшиеся связи между составом, структурой и свойствами строительных материалов и изучает закономерности их изменения под действием физических и химических сил. Состав и структура материалов определяют их свойства (способность материала определенным образом реагировать на отдельный или чаще всего действующий в совокупности с другими внешними или внутренними факторами воздействия). Свойства материалов связаны со свойствами тех веществ, из которых они состоят и особенностями их строения. Строение материала зависит: для природных материалов – от условий их образования; для искусственных материалов – от технологии производства.

1.3. Связь строительного материаловедения с другими науками. Главные задачи строительного материаловедения Строительное материаловедение тесно связано с целым рядом фундаментальных и прикладных наук: физикой, химией, математикой, геологией, минералогией, технологией строительных материалов, сопротивление материалов и т.д. Задачами строительного материаловедения являются: 1 – прогнозирование свойств материалов; 2 – улучшением свойств традиционных материалов; 3 – получение новых материалов. Главная задача – возводить здания и инженерные сооружения из высококачественных материалов и изделий, с надлежащей для их класса надежностью и долговечностью.

1.4. Общая классификация строительных материалов Общая классификация: природные и искусственные материалы. Основная классификация строительных материалов – по назначению: конструкционные и специальные. К конструкционным материалам (применяются для изготовления несущих и ограждающих конструкций) относятся: Природные каменные. Вяжущие. Искусственные каменные, получаемые: омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетоны, растворы); спеканием (керамические материалы); плавлением (стекло и ситаллы). Металлы (сталь, чугун, алюминий, сплавы). Полимеры. Древесные. Композиционные (асбестоцементные, бетонополимеры, стеклопластики и др.). К специальным материалам (применяются для защиты конструкций от вредных воздействий среды, повышения эксплуатационных свойств, создания комфортных условий проживания и работы) относятся: Теплоизоляционные. Акустические. Гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие. Отделочные. Антикоррозионные. Огнеупорные.

1.5. Связь состава, структуры и свойств Состав материалов характеризуется: а) в элементарном составе (химический состав); б) в соотношении отдельных фаз, которые разделены поверхностью раздела (фазовый состав); в) в количестве отдельных компонентов (количественный состав). В зависимости от элементарного (химического) состава все материалы делят: минеральные – природный камень, кирпич, бетон и т.п.; органические – древесные, битум, пластмассы и т.п.; металлы – чугун, сталь, алюминий и т.п. Все минеральные материалы – огнестойки; органические – горючи. Металлы хорошо проводят электричество, теплоту. Химический состав некоторых материалов (неорганические вяжущие вещества и др.) часто выражают количеством содержащихся в них оксидов. Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые характеризуют минеральный состав материала. Зная минералы и их количество (количественный состав) в материале, можно судить о свойствах материала. Например: способность неорганических вяжущих твердеть и сохранять прочность в водной среде, обусловлена присутствием в них минералов силикатов (Si), алюминатов (Al), ферритов (Fe), кальция (Ca). Так, состав типичного цементного клинкера: CaO – 67%; SiO2 – 22%; Al2O3 – 5%; Fe2O3 – 3%

Фазовый состав материала представлен: твердым веществом, образующим стенки пор («каркас» материала); порами, заполненными воздухом или водой. Размер и характер пор оказывают большое влияние на свойства материала. Например, известняк-ракушечник и известняк-нуммулит (см. Фото 2÷8). Фазовый состав материала и фазовые переходы воды в его порах оказывают влияние на все свойства и поведение материала при его эксплуатации. Фото 2. Природный вид песчаника и известняка-ракушечника. Фото 3. Мелкоштучный природный каменный материал известняк-ракушечник.

Фото 4. Макроструктура известняка-ракушечника. Фото 7. Макроструктура известняка-нуммулита. Фото 5. Крупные пильные блоки из известняка-нуммулита Фото 6. Карьер камнепиления мелкоштучных стеновых камней из известняка-нуммулита

Структура материалов – это размеры, форма, расположения и связи между структурными элементами (атомами, молекулами, ионами). Различают атомно- молекулярный, субмикроскопический, микро- и макроскопические структурные уровни. В зависимости от размеров структурных элементов разделяют четыре уровня структуры строительных материалов (см. рис. 1). Внутреннее строение веществ изучают: рентгеноструктурным анализом; электронной микроскопией и т.д. 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 0 Нм Мкм мм см дм м Рис. 1. Цифровая линейка, определяющая пределы изучения структуры строительных материалов в зависимости от размеров структурных элементов атомно-молекулярный: L<10-9; субмикроскопический: L=10-9÷10-7; микроскопический: L=10-7÷10-4; макроскопический: L>10-4.

В зависимости от формы и размера частиц и их строения макроструктура строительных материалов может быть: зернистой (рыхлозернистой и конгломератной); ячеистой (мелкопористой); волокнистой; слоистой. Рыхлозернистые материалы – состоят из отдельных не связанных одно с другим зерен (песок, гравий, различные порошкообразные материалы). Конгломератное строение – прочно соединенные между собой зерна, что характерно для некоторых видов природных, керамических материалов, бетона, композитов и др. Ячеистая (мелкопористая) структура – характеризуется наличием макро- и микропор. Например, в газо- и пенобетонах, ячеистых пластмассах и др. Волокнистые и слоистые материалы – представлены волокнами (слоями), расположенные одно к другому. Они обладают различными свойствами вдоль и поперек волокон – анизотропией. Такая структура характерна для древесины, изделий из минеральной ваты, с слоистая – для рулонных, листовых, плитных материалов со слоистым наполнителем (текстолит, бумажно-слоистые пластики и пр.).

По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть: кристаллическими; аморфными. Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические того же состава. Например: аморфные формы кремнезема: пемзы, трепелы, диатомиты в сравнении с кристаллическим кварцем. Различают кристаллические и аморфные вещества по следующему признаку: кристаллические вещества (при постоянном давлении) имеют определенную температуру плавления, а аморфные – размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние. Прочность аморфных веществ, как правило, ниже, чем кристаллических, поэтому для получения повышенной прочности специально проводят кристаллизацию, например, при получении стеклокристаллического материала - ситалла. Явление полиморфизма – проявление неодинаковых свойств у кристаллических материалов одного и того же состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификациями. Например, полиморфные превращения кварца сопровождаются изменениями объема. Изменением свойств материала путем изменения кристаллической решетки пользуются при термической обработке металлов (закалке и отпуске).