Юхневский - Строительные материалы и изделия

Уважаемые студенты!

Значение курса "Строительные материалы и изделия" в подготовке  инженеров-строителей трудно переоценить, поскольку ни одно здание или  сооружение нельзя правильно спроектировать, построить и эксплуатировать без глубоких знаний основ строительного материаловедения. Будущий  инженер-строитель должен хорошо ориентироваться во всей многообразной номенклатуре строительных материалов как отечественного, так и  зарубежного производства, знать их свойства, определять рациональные области применения, уметь прогнозировать изменение механических характеристик материалов под нагрузкой и своевременно принимать эффективные меры по их защите от агрессивного воздействия  окружающей среды. Данный курс в соответствии с учебными планами подготовки инженеров строительных специальностей изучается одним из первых, так как он является базой для изучения других специальных дисциплин и в целом определяет общее профессиональное мировоззрение будущих специалистов.

Предлагаемое фундаментальное учебное пособие, подготовленное замечательными педагогами белорусской высшей школы, издается в нашей стране впервые, и я надеюсь, что оно послужит хорошей основой для становления Вас как высокопрофессиональных специалистов.

Искренне желаю всем успехов в приобретении глубоких фундаментальных знаний и успешной их реализации на практике во благо и процветание нашей родной Беларуси.

Крепкого Вам здоровья и благополучия!

С уважением Б. М. Хрусталев, ректор Белорусского национального технического университета, член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, заслуженный работник образования Республики Беларусь, доктор технических наук, профессор, выпускник строительного факультета

П. И. ЮХНЕВСКИИ

Г. Т. ШИРОКИЙ

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов строительных специальностей учреждений, обеспечивающих получение высшего образования

Минск

УП «Технопринт»

2004

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материаловедческая подготовка студентов строительных вузов обеспечивается в основном изучением курса «Строительные  материалы», а в последние годы - «Материаловедение». В соответствии с  программой курса «Строительные материалы», сложившейся еще в  довоенные годы, он представляет собой набор не всегда связанных между собой мини-курсов (природные камни, керамика, стекло, древесина, вяжущие, бетоны и растворы и др.). Изложение программных вопросов в пределах каждого из этих миникурсов обычно рекомендуется по  схеме «технология - свойства - применение материалов.

Основной недостаток традиционного вузовского курса  «Строительные материалы» заключается в отсутствии единой теоретической базы, что существенно обедняет содержание его как научной  дисциплины, не позволяет использовать общие фундаментальные  закономерности для прогнозирования свойств материалов, определения  эффективных направлений управления ими, создания новых материалов с заданными свойствами. Отсутствие в составе курса теоретических  основ не облегчает, а существенно затрудняет его изучение. Кроме того, учебник по курсу «Строительные материалы» не соответствует  программе дисциплины «Материаловедение», которая появилась в  учебных планах строительных специальностей вузов.

Со времени разработки основ курса «Строительные материалы» и классических учебников профессоров Б. Г. Скрамтаева, Н. А. Попова и В. А. Воробьева достигнуты значительные успехи в развитии физики твердого тела, физической и коллоидной химии, физико-химической механики, теории композиционных материалов, что создало  предпосылки введения современного вузовского курса «Строительное  материаловедение». Курс под таким названием предусмотрен в учебных планах студентов вузов на Украине и в России, а соответствующая  литература подготовлена под руководством профессоров Л. И. Дворкина и И. А. Рыбьева.

Строительное материаловедение - наука, изучающая взаимосвязи между структурой, составом и свойствами строительных материалов, а также закономерности их формирования под влиянием  технологических и эксплуатационных факторов. Это направление в течение многих лет развивалось в работах профессора И. Н. Ахвердова и его учеников на кафедре «Строительные материалы и изделия» Белорусского  национального технического университета.

Учебное пособие содержит два раздела: «Основные понятия строительного материаловедения» и «Строительные материалы и изделия».

В первом разделе описываются основные этапы развития  строительного материаловедения. Он содержит сведения о химической связи и строении твердого вещества, основных процессах структурообразования и формирования строительных материалов оптимальной  структуры, прочности, деформационных свойствах и долговечности  материалов с позиций физики твердого тела.

Второй раздел посвящен практике производства и применения  основных строительных материалов, используемых в жилищном и  гражданском строительстве. Большое внимание уделено искусственным материалам на основе минеральных вяжущих, в том числе  строительным растворам и бетонам, стеновым материалам и изделиям. С учетом специфики специальностей рассмотрены древесные и  теплоизоляционные материалы.

Наряду с традиционными (керамические, природно-каменные,  металлические) в строительном производстве широко используются  новые материалы на основе пластмасс, сухих смесей, а также химические добавки, характеристики которых также представлены в настоящем  пособии

Главы 1-4 написаны канд. хим. наук, доцентом П. И. Юхневским, главы 5-8, 10 канд. техн. наук, доцентом Г. Т. Широким, остальные - совместно.

Авторы выражают благодарность рецензентам ~- заслуженному деятелю науки Республики Беларусь, докт. техн. наук, профессору, заведующему кафедрой химической технологии вяжущих материалов Белорусского государственного технологического университета М- И. Кузьменкову и канд. техн. наук, доценту, заведующему  кафедрой строительных конструкций, зданий и сооружений Могилевского государственного технического университета С. Д. Семенюку за высказанные замечания, улучшающие содержание книги, а также докт. техн наук, заведующему кафедрой «Строительные материалы и изделия» Белорусского национальною технического университета Э. И. Батяновскому за полезные советы, которые он дал при  обсуждении материала рукописи.

Издание учебного пособия было бы невозможно без  организационной и финансовой поддержки со стороны ректората БНТУ, деканов факультетов строительного профиля и фирм-спонсоров.

Отзывы и замечания, улучшающие содержание учебного  пособия просим направлять по адресу: 220027, г. Минск, проспект Ф. Скорины 65 кафедра «Строительные материалы и изделия».

Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Г л а в а 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Основные этапы развития строительного материаловедения

Строительные материалы, изделия и конструкции - это материальная основа строительства. Затраты на них достигают 50 % общей стоимости строительно-монтажных работ.  Следовательно, грамотное и экономное расходование материалов позволяет существенно сократить стоимость строительства в целом.

Для того чтобы правильно использовать разнообразные строительные материалы, надо знать их свойства и назначение. Изучением свойств материалов занимается наука -  материаловедение. Материаловедение строительное - наука о  строительных материалах, их составе, свойствах, внутреннем строении технологиях изготовления и областях применения,  долговечности и надежности конструкций зданий и сооружений. 

Материаловедение относится к числу основополагающих строительных наук, поскольку без знания свойств строительных материалов невозможно проектировать, строить, реконструировать и  эксплуатировать объекты. Эта наука является многоотраслевой, так как посвящена изучению и систематизации строительных  материалов, вырабатываемых в соответствующих отраслях  промышленности в полной номенклатуре.

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.

Во-вторых, материаловедение - это область теоретических знаний. Известно, что теория призвана объяснять факты,  наблюдаемые в производственных и лабораторных исследованиях; в эмпирическом материале она открывает действие  закономерностей, сводит их в единую систему, что приводит к многим  другим обобщениям и гипотезам, к созданию теории, наличие  которой переводит систему знаний в подлинную науку.

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.

Развитие материаловедения происходит при тесном  взаимодействии практики и теории: производственные технологии  дают новые факты, а теоретические - принимают их, обогащая на их основе научные знания новыми обобщениями,  используемыми, в свою очередь, в развитии производства.

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 чаш;е и в больших количествах. В дальнейшем к меди стали добавлять другие металлы, и таким образом в Ш 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 помош;ью 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 в средние века, когда процветала алхимия, Парацельс (1493-1541) заменяет четыре элемента Аристотеля (земля, вода, воздух и огонь) тремя своими - солью, серой и ртутью, что можно расценить как интуитивное предсказание роли  межатомных связей в формировании свойств веществ. К этому же периоду относится и учение Декарта (1596-1650) о том, что природа представляет собой непрерывную совокупность материальных частиц, что движение материального мира вечно и сводится к перемещению мельчайших частиц - корпускул (атомов). 

Перемещение атомов составляло основу корпускулярной теории строения вещества, что было значительным достижением в  области познания составов, внутренних взаимодействий и свойств веществ.

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли великие русские ученые М. В. Ломоносов (1711-1765) и Д. И. Менделеев (1834-1907). М. В. Ломоносов заложил основы передовой русской философии и науки, особенно в области химии, физики и геологии. Он явился основоположником курса физической химии и химической атомистики, обосновывающей атомно-молекулярное строение вещества. Д. И. Менделеев  открыл важнейшую закономерность природы - периодический закон, в соответствии с которым свойства элементов находятся в зависимости от величины их атомной массы.

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.

Развитие строительной техники и технологии  способствовало совершенствованию качества материалов, расширению их номенклатуры, порождало новые архитектурные формы. С  открытием таких вяжущих, как строительный гипс и воздушная известь, появилась возможность изготовлять материалы  конгломератного типа, т. е. путем соединения вяжущего с сыпучими компонентами - песком и гравием. Получаемые таким образом бетоны и строительные растворы были известны уже в эпоху Древнего Рима и цивилизации индейцев майя. Однако  применение этих бетонов ограничивалось недостаточной  водостойкостью гипса и извести.

Второй этап в развитии строительных материалов  начался с изобретения во второй половине XIX в. гидравлического вяжущего - портландцемента - и закончился в первой  половине XX в. Появилась возможность изготовлять водостойкие бетоны и строительные растворы, что существенно расширило технические возможности строительства. Важнейшим  показателем этого этапа явилось массовое производство различных строительных материалов и изделий, непосредственно связанное с интенсификацией строительства промышленных и жилых  зданий, общим прогрессом промышленных отраслей,  электрификацией и т. д. Характерным является также конкретное изучение составов и качества производимых материалов, изыскание  наилучших видов сырья и способов переработки, методов оценки свойств строительных материалов со стандартизацией  необходимых критериев совершенствования практики изготовления продукции на всех стадиях технологии.

В номенклатуре материалов, кроме применявшихся на  первом этапе камня, меди, бронзы, железа и стали, керамики, стекла и отдельных вяжущих, начался массовый выпуск  портландцемента, появились новые цементы; сформировалась специальная наука о бетонах - бетоноведение. Были предложены новые  разновидности искусственных заполнителей для легких бетонов - керамические, шлаковые и др.

В конце XIX в. формируется технология изготовления  железобетона и получает развитие наука о железобетоне. В это же время в строительстве внедряется предварительно напряженный железобетон. Массовое производство преднапряженных конструкции началось несколько позже, а в нашей стране - на третьем этапе развития строительного материаловедения. К этому  периоду относится внедрение и сборного железобетона.  Развивались научные концепции производства многих других  строительных материалов. Уровень познания поднялся так, что в  цементной, полимерной, стекольной и некоторых других отраслях разрыв во времени между окончанием научной разработки и внедрением ее в производство становился весьма малым, т. е. наука превращалась в непосредственную производительную  силу. В то же время в других областях раскрытие теоретических принципов и общих закономерностей сдерживалось  необходимостью быстрейшего решения проблемы интенсификации  производства строительных материалов и изделий для  удовлетворения нужд строительства.

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, шлакокерамических 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.