Основні властивості будівельних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекціія

Основні властивості будівельних материалів

Роль і значення матеріалів розглядаються в нерозривному зв'язку з їхньою роботою і поводженням у конструкціях і спорудах за тривалий період експлуатації в реальних умовах. Жодну споруду не можна правильно спроектувати, побудувати й експлуатувати без наявності відповідних будівельних матеріалів і всебічного знання їхніх властивостей.

Основні задачи «Будівельного матеріалознавства»:

- вивчення фундаментальних властивостей будівельних матеріалів та їхньої зміни в умовах експлуатації;

- вивчення асортименту будівельних матеріалів та технології їхнього одержання;

- вивчення особливостей взаємозв'язку « склад - структура ? властивості», а також закономірностей їхньої зміни при фізико-хімічних, фізичних, механічних та інших впливах;

- виявлення шляхів ефективного використання будівельних матеріалів поліфункціонального призначення

Мета 1 лекції курсу - встановити важливу роль будівельних матеріалів для надійної і довговічної роботи споруди в реальних умовах експлуатації.

В результаті опрацювання лекції студент повинен:

1. Знати, що вивчає дисципліна «Будівельне матеріалознавство». Її задачі, значення. будівництво міст тунель конструкція

2. Мати уявлення про різноманіття будівельних матеріалів та їх роль у будівлі.

3. Знати визначення складу, структури та властивостей і зв'язку між цими поняттями.

Основи будівельного матеріалознавства. Історія розвитку

Будівельне матеріалознавство - це наука, яка вивчає зв'язок між складом, структурою та властивостями будівельного матеріалу, а також закономірності їхньої зміни під впливом фізичних, механічних та фізико-хімічних факторів.

Будівельні матеріали - це різні за складом, структурою, формою та властивостями речовини, застосовувані безпосередньо для будівництва споруд або для виготовлення з них збірних елементів на спеціалізованих підприємствах.

«Будівельне матеріалознавство» є однією з основних інженерних дисциплін, що формує базу знань студента, необхідних для вивчення курсів: будівельні конструкції, технологія будівельного виробництва, економіка й організація будівництва, архітектура та ін.

«Будівельне матеріалознавство» пов'язане з технологією виготовлення матеріалів і базується на використанні таких дисциплін, як загальна й фізична хімія, хімічна термодинаміка та процеси хімічної технології.

Завдяки розвитку теоретичних основ будівельного матеріалознавства відмічається поступовий перехід від традиційних проблем, пов'язаних з вивченням технічних характеристик будівельних матеріалів та оцінкою їхньої поведінки в різних умовах експлуатації, до встановлення фізико-хімічних закономірностей утворення матеріалів з наперед заданими властивостями та розкриття механізмів їх руйнування.

Значення курсу «Будівельне матеріалознавство» у підготовці фахівців важливе тому, що жодну споруду не можна правильно спроектувати, побудувати й експлуатувати без наявності відповідних будівельних матеріалів і всебічного знання їхніх властивостей. Вартість матеріалів у загальних витратах на будівництво складає не менше половини, тому знання функціональних особливостей кожного матеріалу дозволяє вирішувати питання, пов'язані не тільки з економією в будівельному виробництві, але і дає можливість фахівцю:

- зробити і професійно обґрунтувати вибір матеріалу з урахуванням експлуатаційних характеристик;

- правильно застосовувати прийоми його обробки та укладання в споруди;

- при необхідності замінити одні матеріали іншими без зниження якості споруди;

- організувати правильне транспортування та зберігання матеріалу.

Вивчення цієї дисципліни дозволяє вирішити широкий спектр проблем:

- створення нових матеріалів за рахунок використання раціональних рецептур з урахуванням ймовірнісних показників якості й надійності;

- розширення вимог до матеріалів з урахуванням умов експлуатації;

- керування якістю матеріалів за рахунок ускладнення рецептури при введенні коригуючих добавок.

Дисципліна «Будівельне матеріалознавство» для підготовки інженерів-будівельників викладається більше ста років.

Будівельні об'єкти відіграють важливу роль у розвитку цивілізації людства. Залежно від матеріалу, який визначає рівень розвитку техніки, береться і відповідна назва цивілізації.

Першими матеріалами, які люди навчилися використовувати, були глина, очерет, лоза, дерево і камінь. Їх можна було брати в природі без особливої переробки. Гірські породи оброблювалися у вигляді каменів і плит правильної форми. Там, де було мало природних каменів, використовувалися висушену цеглу з глини, лесу або річкового мулу, а пізніше обпалені вироби з глини. В якості в'яжучих речовин, в давнину, використовували глину, гіпс, вапно, асфальт. Пізніше для гідротехнічних споруд навчилися застосовувати суміш вапна з різними добавками.

Пройшли сотні тисяч років, поки люди навчилися видобувати з руд метал і виготовляти з нього знаряддя праці, зброю, прикраси тощо.

На зміну мідному віку прийшов бронзовий. За 3 тисячі років до нашої ери бронзу отримували за допомогою спільної плавки олов'яних і мідних руд, а через 1,5...2 тисячі років - за допомогою сплаву олова і міді.

Залізо застосовувалося ще в бронзовому столітті, але широке його використання почалося лише з другої половини другого тисячоліття до нашої ери. З цього часу людина вступила в залізний вік. Виробництво заліза та сталі набуло масового характеру тільки за останні 100 років. З чорних металів в сучасній техніці широко використовуються якісні і високоякісні сталі. Кольорові метали, відомі з давніх часів, - мідь, олово, цинк, свинець, отримали нове широке застосування. Легкі метали - алюміній і магній, які відіграють дуже важливу роль в сучасній техніці, вперше були відкриті в 20-х роках XIX ст., але отримали масове застосування лише в XX в. після розробки більш економічних методів їх виробництва на основі використання дешевої гідроелектроенергії. За останні роки все ширше стали застосовуватися також кольорові, рідкісні і розсіяні елементи та метали.

Розвиток залізничного будівництва привів до утворення матеріалів високої міцності. В 70-х роках XIX в. з'явилися спеціальні сталі і залізобетон. Винаходу останнього передувало створення ряду міцних в'яжучих речовин. Цемент стає основним в'яжучим для виготовлення бетону та залізобетону.

Наприкінці XIX-початку XX ст. отримало розвиток виробництво штучних кам'яних матеріалів (силікатної цегли, азбестоцементу, шлакобетону, литих каменів і ін.), а також різноманітних термо-і гідроізоляційних матеріалів.

В XX в. були створені нові, більш економічні будівельні матеріали - саман, цемент шлаковий з активними добавками, легкий бетон і пр. Почали широко застосовуватися готові будівельні деталі - залізобетонні, металеві, дерев'яні, гіпсові, крупні шлакобетонові блоки, панелі для перекриттів і стін будівель. Отримало розвиток виробництво збірних житлових будинків і стандартних деталей з дерева, гіпсу, азбестоцементу, виробництво нових термоізоляційних матеріалів - мінеральної вати і деревно-волокнистих плит, нових видів цементу, пустотілої кераміки, крупних панелей та інших високоякісних і ефективних будівельних матеріалів і виробів.

Використання готових будівельних деталей, панелей, будівель дозволило індустріалізувати будівництво, підвищити продуктивність праці, прискорити темпи роботи і здешевити будівництво.

За останні роки надзвичайно широкий розвиток отримує виробництво високомолекулярних сполук, або полімерів, таких речовин, молекулярна вага яких вимірюється тисячами, а іноді навіть мільйонами умовних одиниць.

З 20-х років XX в. почалося інтенсивне впровадження цих матеріалів в усі галузі техніки і побуту. Перші штучні полімери служили для заміни кольорових металів, природного каучуку, природних волокон. В даний час вони набувають велике самостійне значення. З них можна отримувати вироби, що відрізняються підвищеною механічною міцністю, хімічною стійкістю, легкістю, гарним зовнішнім виглядом, дешевизною. Все це робить багато полімери незамінними високоякісними матеріалами.

Пластичні маси широко застосовуються як облицювальних, термо-, звуко-, гідро-, електроізоляційних матеріалів.

Виходячи з умов роботи матеріалу в споруді, будівельні матеріали поділяють за призначенням на:

- матеріали для несучих конструкцій (конструкційні), призначені для сприйняття та передачі навантаження: природні камені, бетони, розчини, кераміка, скло, ситали, метали;

- оздоблювальні матеріали та вироби, призначені для надання декоративних властивостей будівельним конструкціям, а також для захисту матеріалів цих конструкцій від впливу зовнішніх факторів(архітектурно-будівельне скло, вироби на основі полімерів і цементу, гірські породи, синтетичні фарби, шаруваті пластики, деревно-волокнисті плити, облицювальні керамічні плитки, вологостійкі шпалери та плівки, суха гіпсова штукатурка і т.п.);

- теплоізоляційні, основне призначення яких - зведення до необхідного рівня втрат тепла крізь будівельні конструкції із забезпеченням потрібного теплового режиму (мінераловатні вироби, теплоізоляційні пластмаси, піноскло і т.п.);

- акустичні матеріали й вироби, звукопоглинаючі й звукоізоляційні, призначені для зниження рівня «шумового забруднення» помешкання до регламентованих меж;

- гідроізоляційні й покрівельні матеріали для створення водонепроникних прошарків у будинках та спорудах, які піддаються впливу води та водяної пари: покрівельне залізо, азбоцементні плити (шифер),рулонні матеріали на основі полімерних, бітумних в'яжучих,

- герметизуючі - для обробки стиків різних конструкцій.

В основу класифікації матеріалів також покладено походження, у зв'язку з чим матеріали можуть бути:

- неорганічними (природні камені, цементи, кераміка, стекло);

- органічними (деревина, полімери, бітуми, дьогті).

За способом виготовлення матеріали поділяють на:

- природні (деревина, природне каміння), які піддають тільки механічній обробці;

- безвипалювальні - матеріали,які твердіють у звичайних умовах, а також матеріали автоклавної обробки;

- отримані за допомогою теплової обробки та при випалюванні зі спіканням (кераміка, мінеральні в'яжучі);

- отримані плавленням - скло, метали.

Поняття про склад, структуру і властивості будівельних матеріалів

Будівельні матеріали характеризуються хімічним, мінеральним і фазовим складом. Склад матеріалу - це якісне наповнення матеріалу.

Хімічний склад дозволяє судити про ряд властивостей матеріалу: вогнестійкість, біостійкість та інші технічні характеристики. Виражається процентним вмістом основних і кислотних оксидів.

Мінеральний склад показує, які мінерали й у якій кількості містяться в матеріалі. Мінерали являють собою зв'язані основні й кислотні оксиди.

Фазовий склад матеріалу і фазові переходи води, що знаходяться в його порах, впливають на властивості й поведінку матеріалу при експлуатації. З погляду фазової будови в матеріалі виділяють тверді речовини, що утворюють стінки пор (каркас) і пори, заповнені повітрям чи водою. Зміна вмісту води і її станів змінює властивості матеріалу.

Будова матеріалу - це внутрішнє розташування складових компонентів в об'ємі матеріалу. Ще будову матеріалу називають структурою - це внутрішня будова матеріалу, обумовлена формою, розмірами, взаємними розташуванням складових його частинок, пор, капілярів, поверхонь розділу фаз, мікротріщин та інших структурних елементів. Структуру вивчають на трьох рівнях:

1. Макроструктура матеріалу - будова, видима неозброєним оком.

2. Мікроструктура матеріалу - будова, видима в оптичний мікроскоп.

3. Внутрішня будова речовин, що складають матеріал на молекулярно-іонному рівні (вивчається з використанням ІЧ-скопії, диференційно-термічного і рентгено - структурного методів аналізу).

Макроструктура твердих будівельних матеріалів може бути: конгломератною, ніздрюватою, дрібнопористою, волокнистою, шаруватою, рихлозернистою. Штучні конгломерати уявляють собою велику групу; це різного виду бетони, керамічні й інші матеріали. Ніздрювата структура матеріалу відрізняється наявністю макропор; вона властива газо- і пінобетонам, газосилікатам і ін. Дрібнопориста структура характерна, наприклад, для керамічних матеріалів, одержуваних в результаті вигоряння введених органічних речовин. Волокниста структура властива деревині, виробам з мінеральної вати й ін. Шарувата структура характерна для листових, плитних і рулонних матеріалів. Рихлозернисті матеріали - це заповнювачі для бетонів, розчинів, різного виду засипання для теплозвукоізоляції й ін.

Мікроструктура речовин, що складають матеріал, може бути кристалічною і аморфною. Кристалічна й аморфна форми нерідко є різними станами тієї самої речовини. Найбільш стійкою є кристалічна форма.

Внутрішня будова визначає механічну міцність, твердість, тугоплавкість і т.д. Розрізняють за характером зв'язку між частками (ковалентна, іонна).

Для оцінки складу і структури матеріалу використовують такі фізико-хімічні методи аналізу:

- петрографічний метод аналізу застосовують для дослідження цементного клінкера і каменю, бетонів, вогнетривів, шлаків і т.д.. Здійснюється з використанням поляризаційного мікроскопа. Метод заснований на визначенні характерних для кожного мінералу оптичних властивостей (показник переломлення, колір, сила подвійного переломлення), зв'язаних з його внутрішньою будовою;

- електронна мікроскопія застосовується для дослідження матеріалів у вигляді тонкокристалічної маси. Сучасні електронні мікроскопи мають корисне збільшення до 300000 разів, що дозволяє бачити частки розміром 0,3 - 0,5 нм;

- рентгенографічний аналіз. Застосування рентгенівського випромінювання для дослідження кристалічних речовин засноване на тому, що довжина хвилі порівнянна з міжатомною відстанню у кристалічних ґратах речовини. Кожна кристалічна речовина характеризується своїм набором визначених ліній на рентгенограмі. Вказаний метод аналізу використовується для контролю сировини і готової продукції, для спостереження технологічних процесів;

- диференційно-термічний аналіз (ДТА) використовується для визначення мінерально-фазового складу будівельних матеріалів. Метод заснований на тому, що будь-які фазові перетворення, які відбуваються в матеріалі, супроводжуються тепловими ефектами. Для виконання аналізу використовують дереватограф, що фіксує і записує ендо- і екзотермічні ефекти. Потім поводження матеріалу порівнюють з еталоном, речовиною, що не зазнала ніяких теплових перетворень;

- спектральний аналіз - фізичний метод якісного і кількісного аналізу речовини, заснований на вивченні їх спектрів. При дослідженні будівельних матеріалів використовується в основному ІЧ-спектрокопія. ІЧ-спектроскопічний метод аналізу заснований на взаємодії досліджуваної речовини з електромагнітними випромінюваннями в інфрачервоній області. ІЧ-спектри є характерними для певних груп і сполучень атомів.

Під властивостями розуміють здатність матеріалів певним чином реагувати на вплив окремих або сукупних зовнішніх чи внутрішніх факторів (механічних, фізичних, хімічних, біологічних та ін.). Властивості будівельного матеріалу визначаються його структурою. Для отримання матеріалу заданих властивостей варто створити його внутрішню структуру, що забезпечить необхідні технічні характеристики. В остаточному підсумку знання властивостей матеріалів необхідно для найбільш ефективного його використання в конкретних умовах експлуатації.

Критерії вибору будівельних матеріалів в залежності від їх структури і властивостей для будівництва мостів і тунелів

Різні експлуатаційні умови будинків і транспортних споруд, параметри технологічних процесів обумовлюють різноманітні вимоги до будівельних матеріалів, а звідси випливає і дуже велика номенклатура їхніх властивостей: міцність при нормальній чи підвищеній температурі, водостійкість, стійкість проти дії різних солей, кислот і лугів і т.д. Не менш важлива в будівництві і техніці проникність (чи непроникність) матеріалів для рідин, газів, тепла, холоду, електричного струму, радіоактивних випромінювань. Нарешті, матеріали для будівництва транспортних споруд, які повністю чи частково використовуються у водному середовищі, повинні бути водонепроникними, міцними, корозійностійкими і довговічними.

Найважливіші властивості будівельних матеріалів визначають галузі їхнього застосування. Тільки глибоке і всебічне знання властивостей матеріалів дозволяє раціонально й у технічних, і економічних відносинах вибрати матеріал для конкретних умов використання.

Размещено на Allbest.ru