Конструкционные строительные материалы

Современное материаловедение полностью сложилось как наука во второй половине XX века, что было связано с быстрым возрастанием роли материалов в развитии техники, технологии и строительства. Создание принципиально новых материалов с заданными свойствами, а на их основе сложнейших конструкций позволило человечеству достичь за короткое время небывалых успехов в атомной и космической технике, электронике, информационных технологиях, строительстве и т.д. Можно считать, что материаловедение - это раздел научного знания, посвященный свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения материалов с заранее заданными рабочими характеристиками.

Он опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, химии, механики и смежных дисциплин и включает теоретические основы современных наукоемких технологий получения, обработки и применения материалов. Основу материаловедения составляет знание о процессах, протекающих в материалах под воздействием различных факторов, об их влиянии на комплекс свойств материалов.

В ходе выполнения данной работы нам необходимо рассмотреть такие вопросы, связанные со свойствами строительных материалов, как:

• 1. Влияние макроструктуры материала на его свойства и применение
• 2. Конструкционные стеновые материалы
• 3. Общие и специальные требования, предъявляемые к конструкционным материалам в зависимости от условий эксплуатации и назначения
• 4. Показать на примерах, за счет каких технологических приемов можно повысить долговечность кровельных рулонных материалов, по каким показателям оценивают их качество
• 5. Использование отходов растительного сырья для производства материалов и изделий различного назначения
• Для написания работы использовались учебные пособия по материаловедению строительных материалов.
• 1. Влияние макроструктуры материала на его свойства и применение
• Макроструктура материала - это его строение, видимое невооруженным глазом. Различают несколько видов макроструктур твердых строительных материалов (кроме природных каменных материалов): зернистая, ячеистая, волокнистая, мелкопористая и комбинированная.
• Зернистая структура включает в себя две разновидности: рыхлую и конгломератную.
• Рыхлозернистая структура присуща сыпучим и порошкообразным материалам: заполнители для бетонных и растворных смесей (гравий, щебень, песок), зернистые и порошкообразные материалы для приготовления мастик и засыпок, минеральные вяжущие вещества, сухие строительные смеси [3, 29].
• Конгломератная структура присуща обширной группе искусственных конгломератов: бетоны и строительные растворы, некоторые керамические материалы и строительные пластмассы и др.
• Ячеистая структура (структура застывшей пены) характеризуется наличием значительного количества условно замкнутых пор в виде ячеек, заполненных воздухом (газом) или паровоздушной смесью. Мелкие воздушные поры (ячейки) размером от 0,1 до 2 мм равномерно распределены в материале и разделены тонкими и прочными перегородками (стенки пор), которые образуют его пространственный каркас.
• Материалы ячеистой структуры встречаются в природе - вулканическая пемза. К искусственным материалам ячеистой структуры относятся ячеистые бетоны (пенобетон, газобетон и их разновидности), ячеистое стекло (газостекло), некоторые виды пластмасс (пеноизол, мипора, пенополиуритан и другие).
• Формируется ячеистая структура в материале происходит не только за счет использования газообразующих добавок (алюминиевая пудра, пергидроль - для газобетона и газогипса), но и в результате вспенивания (пенобетон) или использования добавок, которые при высокой температуре выделяют газ (например СО2), который вспучивает размягченную массу (ячеистое стекло, керамзит).
• Волокнистая структура характеризуется наличием множества волокон, расположенных с определенной ориентацией или хаотически в связанном или рыхлом состоянии. Природные материалы волокнистой структуры - это древесина, хризотил-асбест (горная порода), искусственные материалы - минеральная вата, стекловата и их разновидности, вискозное волокно, материалы на основе древесных волокон и другие [3, 32].
• Для всех материалов волокнистой структуры характерна анизотропность, т.е. резкое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперек волокон.
• Слоистая структура характеризуется наличием нескольких тонких слоев вещества или материала, расположенных вплотную или с воздушным зазором и образующих рулон, лист, плиту. Слоистую структуру имеют такие природные материалы, как слюда (мусковит, биотит, вермикулит). К искусственным материалам слоистой структуры следует отнести пластмассы с листовым наполнителем (древеснослоистые и бумажнослоистые пластики, текстолит) фанеру, вспученный перлит, некоторые виды рулонных основных кровельных материалов.
• Мелкопористая структура характеризуется наличием произвольного количества пор размером широкого диапазона (от сотни долей до 1 мм) и разной конфигурации. Она формируется в результате использования выгорающих добавок (для керамических материалов) или затворения смеси большим количеством воды.
• Выгорающие добавки в виде измельченных и просеянных опилок, угольной мелочи, торфа, отработанных масел и других органических веществ добавляют в массу для получения формованных изделий. В процессе обжига изделий добавки выгорают, а на их месте остаются воздушные поры. Способ высокого водозатворения основан на применении большого количества воды (до 300 %) при приготовлении формовочных масс для изготовления изделий. В процессе их сушки влага испаряется, а на месте ее в материале образуются поры.
• Комбинированная макроструктура характеризуется сочетанием двух и более разных макроструктур в одном материале. Примером может служить чаще всего сочетание зернистой и ячеистой структур. Так, керамзитовый гравий или песок - рыхлые материалы, но в куске имеют ячеистое строение. Керамзитобетон является типичным примером сочетания конгломератной и ячеистой структур, а асбестовермикулитовый кирпич - пример сочетания волокнистой и слоистой макроструктур [1, 54-55].
• Большое влияние на строение и поверхностных, и внутренних слоев материала оказывают примеси, смачивание поверхности активными жидкостями, диффузионные процессы.
• Примеси оказывают не однозначное влияние на свойства внешних и внутренних слоев. Если примеси имеют меньшую поверхностную энергию, чем материал, то они равномерно распределяются по поверхности, уменьшая его энергию. Если большую, - то концентрируются на отдельных участках поверхности или перемещаются во внутренние слои материала, где могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на его свойства.
• Рассмотрим далее основные характеристики строительных материалов, которые зависят от их макроструктуры. Эти характеристики имеют существенное значение для общей оценки качества того или иного материала. Они также помогают повысить объективность тех или иных показателей качества, регламентированных стандартами.
• Пористость - степень заполнения объема материала порами. Пористость строительных материалов колеблется от 0 до 90-98%. Помимо объема пор на свойства материалов большое влияние оказывают геометрическая и структурная характеристики пор. К геометрической характеристике относят размер пор, их общую удельную поверхность, общий объем пор. К структурной характеристике относят форму пор (ячеистая, замкнутая, волокнистая) и характер пор (открытые, замкнутые, сообщающиеся). Пористость как основная характеристика структуры во многом определяет такие ее свойства, как теплопроводность, прочность и др.
• Газопроницаемость - свойство пористой структуры пропускать газ при перепаде давлений. Газопроницаемость зависит от размеров и вида пор, поэтому этот показатель часто используют при оценке равномерности структуры. При расчете строительных конструкций учитывают газопроницаемость структуры материалов через сопротивление воздухопроницанию. Паропроницаемость является разновидностью газопроницаемости с той лишь особенностью, что пар способен в зависимости от условий изменять свое агрегатное состояние, т.е. конденсироваться, вытесняя газовую фазу, и значительно изменять свойство структуры [2, 38].
• Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, воззванных внешними силами или другими факторами, например, усадка, градиент температур.
• Твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. У металлов, как правило, ее определяют вдавливанием индикатора различной формы и материала под нагрузкой, прилагаемой по оси перпендикулярно к испытуемой поверхности. У каменных же материалов ее определяют по шкале Мооса. Твердость материалов имеет большое значение при их применении в конструкциях полов, тротуаров, дорог, взлетных полос аэродромов, подвергающихся истиранию. В этих сооружениях обычно имеет место одновременное воздействие истирающих и ударных нагрузок.
• 2. Конструкционные стеновые материалы
• Стеновые материалы - это строительные материалы и изделия, применяемые при возведении стен зданий. Важнейшие требования к С. м. (определяемые несущими и ограждающими функциями стен): достаточная прочность (обычно в пределах 5--20 Мп/м2), незначительная объёмная масса, низкие тепло и звукопроводность, высокие морозостойкость (как правило, не менее 15 циклов), водостойкость и огнестойкость. Существенная характеристика стеновых материалов-- трудоёмкость устройства из них стен.
• В современном капитальном строительстве наибольшее распространение получили каменные стеновые материалы, которые обычно подразделяют на мелкоштучные, укладываемые вручную, и крупноразмерные, монтируемые с помощью кранов. К мелкоштучным каменным материалам относят глиняный и силикатный кирпич, керамические многопустотные камни, бетонные и шлакобетонные камни, пилёные камни из лёгких горных пород (известняк, туф и т.п.). Максимальные размеры мелкоштучных стеновых материалов 50 Х 30 Х 20 см. Крупноразмерные каменные стеновые материалы -- блоки из обычного, лёгкого или силикатного бетона и стеновые панели -- однослойные (из лёгкого бетона) и многослойные (из обычного бетона с теплоизоляционным слоем).
• При устройстве стен малоэтажных зданий, временных построек и т.п., как правило, применяют местные стеновые материалы -- древесные материалы (брёвна, брусья), изделия из камыша, соломы, торфа (камышит, соломит, торфоплиты) и др. Сравнительно дешёвые, эти материалы имеют, однако, невысокую долговечность и требуют защиты от увлажнения.
• В сборном малоэтажном строительстве в качестве стеновых материалов получили распространение материалы, изготовляемые на основе органических заполнителей и минеральных вяжущих (арболит, фибролит), а также деревянные щиты с теплоизоляционными вкладышами заводского изготовления.
• Весьма перспективные стеновые материалы-- облегчённые стеновые панели из листовых материалов (асбестоцемент, алюминий, стеклопластик и т.п.) с эффективной теплоизоляцией (пенопласты, сотопласты и т.п.). Условно к стеновым материалам относят также бетонные смеси, применяемые при возведении монолитных бетонных стен.
• Рассмотрим такой конструкционный стеновой материал, как силикатный кирпич.
• Силикатный кирпич и камни изготавливаются методом прессования влажной смеси из кремнеземистых материалов и извести или других извести содержащих вяжущих с применением пигментов и без них с последующим твердением под действием насыщенного пара в автоклаве, где поддерживается высокое давление пара и температура 160 - 200 °С, при которых известь вступает в реакцию с кварцсодержащим песком и образует силикатное соединение.
• По внешнему виду и свойствам силикатный кирпич существенно отличается от керамического. Он, как правило, плотнее и прочнее керамического кирпича, но обладает очень высоким водопоглощением, что ограничивает область его применения. Такой кирпич может использоваться для возведения стен помещений с низкой влажностью воздуха, а также в качестве декоративных вставок в наружные стены из керамики.
• Из силикатного кирпича не рекомендуется делать фундамент, т.к. он не стоек к влаге. Нельзя класть из него печи и трубы - кирпич начинает разлагаться под действием высоких температур. Кладку из силикатного кирпича тяжело штукатурить, так как он очень гладкий, вследствие чего раствор к нему плохо пристает.
• Полнотелые изделия в зависимости от средней плотности подразделяются на пористые (до 1500 кг/м3) и плотные (свыше 1500 кг/м3)), а в зависимости от назначения - на лицевые и рядовые.
• Одинарные и утолщенные кирпичи бывают полнотелыми и пустотелыми, а камни - только пустотелыми.
• Силикатный кирпич имеет стандартную длину (250 мм) и ширину (120 мм). Толщина одинарного кирпича - 65 мм, а у одинарного камня - 138 мм, а также по согласованию с потребителем допускается выпуск кирпича толщиной 180 мм.
• Предельные отклонения от номинальных размеров и геометрической формы изделия не должны превышать ±2 мм.
• Отверстия в изделиях должны быть несквозными и расположены перпендикулярно постели. Толщина наружных стенок пустотелых изделий должна быть не менее 10 мм.
• Изделие может быть изготовлено другой пустотности, с отверстиями другой формы и расположения при условии соблюдения требований по прочности, морозоустойчивости и теплопроводности.
• Морозостойкость силикатного кирпича (особенно лицевого) так же, как и прочность, является важнейшим показателем его долговечности. Морозостойкость силикатного кирпича зависит, в основном, от морозостойкости цементирующего вещества, которая, в свою очередь, определяется его плотностью, микроструктурой и минеральным составом новообразований.
• Одним из важных показателей качества силикатного кирпича является степень водопоглощения. Оно должно составлять, согласно ГОСТу 379-95, не менее 6%.
• Прочность насыщенного водой силикатного кирпича снижается по сравнению с той, что бывает у кирпича в воздушно-сухом состоянии.
• При нагревании силикатного кирпича до 200 °С его прочность увеличивается, затем начинает постепенно уменьшаться, и только при температуре 600 °С достигает первоначальной. При температуре 800 °С плотность кирпича начинает резко уменьшаться вследствие разложения цементирующих кирпич гидросиликатов кальция.
• Цвет неокрашенного кирпича - белый. Силикатный объемно-окрашенный кирпич имеет самые различные цвета. Важно отметить, что объемное окрашивание обеспечивает полную "цветовую надежность", при котором становятся незаметными все мелкие изъяны - выщербины и даже сколы.
• Погрузка и выгрузка пакетов изделий должны производиться механизированным способом при помощи специальных грузозахватных устройств. Погрузка изделий навалом и выгрузка их сбрасыванием не допускаются.
• Материал рассматривался на основе стандарта «Силикатный кирпич ГОСТ 379-95».
• 3. Общие и специальные требования, предъявляемые к конструкционным материалам в зависимости от условий эксплуатации и назначения
• В зависимости от назначения, условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений подбираются соответствующие стройматериалы, которые обладают определёнными качествами и защитными свойствами (например: полимерные покрытия полов). Любой строительный материал должен обладать определёнными строительно-техническими свойствами. Материал для наружных стен зданий должен обладать наименьшей теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защищать помещение от наружного холода. Материал сооружения гидромелиоративного назначения - водонепроницаемостью и стойкостью к попеременному увлажнению и высыханию. Материал для покрытия дорог (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы выдержать нагрузки от транспорта [4, 118].
• Значение промышленности строительных материалов в нашей стране огромно - от уровня производства их всецело зависят темпы и качество строительных работ. Главными направлениями технического прогресса промышленности строительных материалов являются: создание новых и совершенствование существующих технологических процессов, обеспечивающих получение продукции с минимальными затратами энергетических, материальных и трудовых ресурсов; получение новых видов строительных материалов и изделий с заданными свойствами, отвечающими самым высоким требованием строительства; широкое внедрение малоотходных и безотходных технологий, использование вторичных продуктов производства.
• Различные эксплуатационные условия зданий и сооружений, параметры технологических процессов обуславливают разнообразные требования к строительным материалам, а отсюда вытекает весьма обширная номенклатура их свойств: прочность при нормальной или высокой температуре (последняя характеризует жаро - или огнестойкость материала), водостойкость, стойкость против действия различных солей, кислот и щелочей, шлакостойкость (имеющая особое значение в металлургических прочесах) и т.д. Не менее важна в строительстве и технике проницаемость (или не проницаемость) материалов для жидкостей, газов тепла, холода, электрического и радиоактивного излучения. Наконец материалы для отделки помещений жилых и общественных зданий, садов и парков должны быть красивыми, долговечными и прочными. Важнейшие свойства строительных материалов определяют области их применения. Только глубокое и всестороннее знание свойств материалов позволяет рационально и в техническом, и в экономическом отношениях выбрать материал для конкретных условий использования [5, 171-172].
• Основные специальные требования к строительным материалам определены в стандартах продуктов. В стандартах указаны минимальные требования к строительным изделиям в зависимости от способа их применения. Например, для теплоизоляционных материалов определен коэффициент теплопроводности, для горючих материалов - класс пожароопасности и т.д. Тот факт, что строительное изделие соответствует всем предъявленным требованиям, производитель или торговец подтверждает выдачей декларации о соответствии или декларацией вместе с сертификатом соответствия
• Таким образом, качественный конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований.
• 4. Показать на примерах, за счет каких технологических приемов можно повысить долговечность кровельных рулонных материалов, по каким показателям оценивают их качество
• В современных рулонных кровельных материалах для улучшения свойств используются три основных направления:
• - модификация битумного вяжущего;
• - замена картона новой прочной и долговечной основой;
• - использование новых видов бронирующих посыпок.
• Простейший способ модификации битума - введение тонкодисперсных наполнителей или окисление расплавленного битума продуванием воздуха через него, чем повышают его теплостойкость. Но при этом не повышается эластичность битума и устойчивость его к старению.
• Более эффективна модификация битума полимерными продуктами. Полимерные добавки позволяют расширить интервал рабочих температур битума, снижая температуру его хрупкости и повышая температуру размягчения, и обеспечивают сохранение эластичности вяжущего длительное время (т. e. повышают долговечность материала). В настоящее время для модификации битума используют, в основном, термоэластопласт тактический полипропилен (АПП) - побочный продукт при производстве полипропилена, по внешнему виду и свойствам напоминающий девулканизированный каучук, и синтетические каучуки, в частности, стирол-бутадиен-стирольный (СБС).
• По сравнению с обычным окисленным битумом, битумы, модифицированные АПП, характеризуются высокой теплостойкостью, хорошей гибкостью на холоде (до -20°С) и высокой устойчивостью к атмосферным воздействиям. Битумы, модифицированные СБС, характеризуются еще более высокой гибкостью на холоде (до -30°С), но они более чувствительны к УФ-облучению, в связи, с чем требуют применения защиты от солнечного света. Материалы на основе таких модифицированных битумов имеют расширенный диапазон эксплуатационных температур, повышенную долговечность и позволяют производить работы по устройству кровли из рулонных материалов при отрицательных температурах (т.е. практически круглый год).
• Положительный эффект от модификации битумного связующего в полной мере может быть реализован только в случае замены слабой и недолговечной картонной основы на более прочные и стойкие основы. Такие основы можно получить, используя стеклянные или синтетические волокна (главным образом полиэфирные волокна типа «полиэстер») в виде тканей, холста и нетканого полотна, а также путем дисперсного армирования короткими отрезками волокон. Стеклохолст представляет собой простейший вид стеклоткани, выполненный полотняным переплетением (через раз) из нескрученных прядей стеклянного волокна (ровницы). Нетканое полотно - полотно, в котором волокна расположены хаотически (например, сукно или войлок) и скрепляются между собой силой трения, клеевым составом или термической сваркой.
• Интересное решение - использование в роли основы металлической фольги (алюминиевой, медной). При этом фольга располагается на лицевой поверхности материала и служит не только основой, но защищает битумный слой от солнечных лучей и создает декоративный эффект. Благодаря этому материалы отличаются высокой долговечностью за счет замедления старения битумного связующего.
• Качество рулонных кровельных материалов оценивается в соответствии с ГОСТ 30547-97 (и соответствующими изменениями к нему, введенными приказом Министерства архитектуры и строительства РБ) «Материалы рулонные кровельные и гидроизоляционные. Общие технические условия» по следующим основным показателям, обязательным для всех материалов:
• - разрывная сила при растяжении образца шириной 5 см, Н;
• - относительное удлинение при разрыве, %;
• - гибкость на брусе R = 25 мм для основных и R = 5 мм - безосновных, °С;
• - теплостойкость, °С;
• - водопоглощение, %;
• - водонепроницаемость.
• Методика определения этих показателей регламентирована ГОСТ 2678-94.
• 5. Использование отходов растительного сырья для производства материалов и изделий различного назначения
• Анализ потребления древесины показывает, что ее заготовка и переработка сопровождаются огромными потерями. До 50% всей перерабатываемой древесины составляют побочные продукты в виде отходов, большая часть которых сжигается или вывозится в отвал. Между тем они являются ценным сырьем для производства разнообразных строительных материалов, а также для гидролизной, целлюлозной и других отраслей промышленности.
• Утилизация отходов древесины имеет огромное народнохозяйственное значение. С одной стороны, она позволяет удовлетворить потребность строительства во многих конструктивных, облицовочных и теплоизоляционных материалах, по техническим свойствам в ряде случаев превосходящих пиломатериалы, а с другой -- существенно сократить объемы вырубки леса.
• Объемы строительно-монтажных работ увеличиваются гораздо быстрее, чем объемы заготовляемой древесины. В связи с этим кондиционная древесина становится в строительстве все более дефицитным материалом. Удельные нормы расхода лесоматериалов в капитальном строительстве постоянно снижаются. Использование отходов заготовки и переработки древесины является важнейшим источником удовлетворения потребностей строительства в эффективных строительных материалах [4, 114].
• Отходы древесины образуются на всех стадиях ее заготовки и переработки. К ним относятся: ветви, сучья, вершины, откомлевки, козырьки, опилки, пни, корни, кора и хворост, которые в сумме составляют около 21% всей массы древесины.
• При переработке древесины на пиломатериалы выход продукции составляет в среднем 65%, а остальная часть образует отходы в виде горбыля (14%), опилок (12%), срезок и мелочи (9%). При изготовлении из пиломатериалов строительных деталей, мебели и других изделий получают отходы в виде стружки, опилок и отдельных кусков древесины, составляющие до 40% массы переработанных пиломатериалов.
• Отходы, образующиеся в процессе обработки древесины, классифицируют в зависимости от их вида на три группы: твердые (или кусковые), мягкие (опилки, стружка) и кора. Отходы классифицируют также в зависимости от последовательности получения: образуемые при заготовке леса; использовании древесины в круглом виде; первичной и вторичной обработке и переработке древесного сырья.
• Для производства строительных материалов и изделий в основном используют опилки, стружку и кусковые отходы. Последние применяют как непосредственно для изготовления клееных строительных изделий, так и перерабатывая их на техническую щепу, а затем на стружку, дробленку, волокнистую массу и т. д.
• Заключение
• По итогам выполнения работы можно сделать следующие основные выводы:
• 1. Макроструктура строительных материалов оказывает существенное влияние на их эксплуатационные свойства, такие, как прочность, газопроницаемость и т.п.
• 2. К основным конструкционным стеновым материалам относят глиняный и силикатный кирпич, керамические многопустотные камни, бетонные и шлакобетонные камни, пилёные камни из лёгких горных пород, блоки из обычного, лёгкого или силикатного бетона, стеновые панели и т.д.
• 3. К общим требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам относятся строительн-технические, защитные, экономические и др. требования. Специальные требования зависят от условий эксплуатации и назначения материалов и регламентируюся соответствующими ГОСТами, СНИПами и т.п.
• 4. К основным технологическим приемам, с помощью которых можно повысить долговечность кровельных рулонных материалов - это:
• - модификация битумного вяжущего;
• - замена картона новой прочной и долговечной основой;
• - использование новых видов бронирующих посыпок.
• 5. Основными направлениями использования отходов растительного сырья для производства клееных строительных изделий и технологической стружки.
• Список использованных источников
• 1. Воробьев В.А., Комар А.Г. Строительные материалы: Учебник. - М.: Стройиздат, 1976.
• 2. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы: Учеб. для вузов. - М.: Стройиздат, 1986.
• 3. Микульский В.Г. Строительные материалы: учебник. - М.: АСВ, 1996.
• 4. Попов Л.Н., Попов Н.Л. Строительные материалы и изделия: Учебник. - М.: ГУПЦПП, 2000.
• 5. Синяков В.К. Строительные материалы и работы. - М.: Стройиздат, 1986.
• Размещено на Allbest.ru