![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Некоторые исходные понятия
В настоящем курсе изложены научные основы качества, производства и применения строительных материалов, номенклатура которых обширна. Она объединяет многие сотни названий различных материалов. Каждый материал отличается своим внешним видом, химическим (вещественным) составом и качественными показателями. Отдельным разновидностям строительных материалов придают определенную форму и постоянные размеры, в результате чего они приобретают названия строительных изделий или деталей, например бетонная панель, кирпичный блок, паркетный щит и др. В зависимости от вида и состава применяемого сырья, технологии его переработки создается множество материалов и изделий, различных по своему функциональному назначению в строительстве. Но между материалами имеются не только значительные различия, но еще больше и общих признаков. Наука о строительных материалах призвана не только излагать теоретические и практические сведения о каждом материале с его спецификой качественных характеристик, но должна раскрыть сущность явлений, процессов и закономерностей, характерных при определенных условиях для всех материалов, взятых в их совокупности. Все строительные материалы и изделия, как природные, так и искусственные, являются определенной и вполне конкретной формой существования материи. Именно эта главная особенность лежит в основе общности материалов. Уместно в связи с этим напомнить, что материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущение; материя есть объективная реальность, данная нам в ощущении (см.: Ленин В. И. Соч. 3-е изд. Т. 13. С. 119). Материя находится в вечном движении. Движение есть форма,
Вещества, которые составляют материалы и тела (т. е. вещества, которым приданы формы и размеры), состоят, как известно, из молекул — наименьших частиц данного вещества, сохраняющих его состав. Молекулы, в свою очередь, состоят из наименьших частиц, называемых атомами. Атомы и молекулы находятся в беспрерывном движении подобно самой материи. Атомы различаются между собой по массе, способности соединяться с другими атомами, а также некоторыми качественными характеристиками, именуемыми их химическими свойствами. Они остаются электрически нейтральными, но в центре атома находится ядро, в котором сосредоточивается основная масса атома. Ядро несет положительный электрический заряд, тогда как окружающие его электроны несут отрицательные электрозаряды и вращаются вокруг ядра по тем или иным орбитам. Определенный вид атомов с одинаковым химическим свойством называется химическим элементом. Они могут быть как свободными, так и соединенными в молекулах. Последние, в свою очередь, могут образовывать простые вещества (металлы и металлоиды), если их молекулы состоят из атомов одного химического элемента, и сложные вещества, если их молекулы состоят из атомов разных химических элементов. Среди сложных веществ, встречающихся при образовании строительных материалов, особенно распространены оксиды (молекулы состоят из атомов кислорода и атомов другого элемента), основания (молекулы которых состоят из атома металла и связанных с ним гидроксильных групп ОН), кислоты (в молекулах которых содержатся атомы водорода, способные замещаться атомами металлов) и соли (молекулы которых состоят из атомов металла и кислотных остатков). Различные атомы и их скопления (ансамбли) под влиянием действия разных типов связей — ионных, ковалентных, молекулярных, водородных и металлических — образуют различные материалы. Наиболее распространенными являются молекулярные связи, именуемые также как связи Ван-дер-Ваальса. Они сравнительно слабые, возникают при низком уровне энергии. Весьма типичной химической связью является ионная, а также очень широко представлены в материалах связи ковалентные. Величины энергии этих связей весьма значительные, особенно в сравнении с энергией ван-дер-ваальсовой связи. Большим значением энергии отличается и металлическая связь, характерная для металлических материалов. В природе материалов важную роль играет водородная связь, хотя она имеет относительно слабую энергию. Следует отметить, что в чистом виде эти пять разновидностей (типов) связей встречаются редко, поскольку практически всегда налагается два типа связи или более, хотя обычно и превалирует одна из них. Указанные выше типы связей в сочетании со значительным количеством атомов (около десяти из них наиболее часто встречаются в земной коре) образуют разнообразнейшие комбинации в веществах, составляющих материалы. Частицы располагаются в пространстве с определенными взаимными связями, характером силовых воздействий друг на друга (притяжение, отталкивание), непрерывным процессом взаимодействия. Структура выражает способ объединения атомов, составляющих данный материал, или ансамбль атомов, а также молекул. В результате таких объединений образуется либо упорядоченная структура кристалла, либо неупорядоченная структура аморфного тела. Возможны отклонения от этих двух крайних идеальных типов структур в реальных материалах с наличием дефектов и несовершенств как в расположении частиц, так и в связях между ними. На качественные характеристики материала, именуемые его свойствами, влияет не только вещественный состав, но и особенно структура, причем при определенной так называемой оптимальной структуре существует теснейшая взаимосвязь между свойствами. Эта закономерность позволила в значительной мере решить одну из самых важных задач — обеспечение необходимых и заранее заданных показателей качества (свойств) строительных материалов, принимаемых для их использования в зданиях и сооружениях. Теоретические и практические аспекты этих вопросов раскрываются в следующих главах настоящего общего курса. 1.2. Краткий обзор развития производства строительных материалов Многообразные строительные материалы и изделия с их различным вещественным (химическим) составом и с различными структурами изготовляются на предприятиях различных отраслей, но в наибольшей мере — в промышленности строительных материалов как крупной отрасли социалистической индустрии. Развитие этой отрасли проходит опережающими темпами по сравнению с темпами роста строительства и объемов строительно-монтажных работ. Применение и получение материалов было известно в самой глубокой древности, поскольку они играли непосредственную роль ' в обустройстве быта и развитии культуры. Именно поэтому античные греки в истории человечества выделяли золотой, серебряный, бронзовый и железный века. Материалы применялись по мере надобности без особого их изучения, так как было изобилие хорошо зарекомендовавших себя природных материалов — горных пород, И
На территории нашей страны в древние, а затем и в средние века строились крупные и монументальные здания и сооружения в Армении, Грузии, Азербайджане, Средней Азии, на Украине с применением камня, керамического кирпича, простых и сложных строительных растворов, многоцветных глазурованных плиток, древесины, черепицы и другой строительной керамики, кровельного железа и др. Более глубокое изучение материалов началось позже и особенно быстро материаловедение развивалось с тех пор, когда была установлена возможность влиять на свойства (качество) материала путем изменения его внутреннего строения (структуры). Керамика принадлежит к первому неорганическому материалу, который был получен путем обжига глины, легко изменяющей форму в сыром состоянии. Этот период относится к глубокой древности, и, естественно, тогда еще не имелось для перевода глины в камень научной основы. Кирпичные заводы в Москве, Петербурге были впервые созданы в XVII—XVIII вв., после чего относительно быстро развивается керамическое производство, Для благоустройства городских улиц и площадей широко применяются каменные природные материалы, а также используются отечественные асфальтовые и другие строительные материалы. Однако в дореволюционной России производство строительных материалов находилось на невысоком уровне. Многие материалы, например цемент, гранит, мрамор, пуццолану, лакокрасочные и другие материалы, привозили из-за рубежа, несмотря на наличие своей богатой сырьевой базы. Научные основы горного дела, металлургии и других производств были заложены в трудах М. В. Ломоносова (1711—1765), а основы «стеклянного производства» — Д. И. Менделеева (1834— 1907). Развитию отечественной науки и технологии строительных материалов способствовали труды Н. А. Белелюбского (1864— 1922) по испытанию и изучению природных каменных материалов, А. Р. Шуляченко (1841—1903) в области вяжущих веществ, Е. Г. Челиева — первооткрывателя мергеля (в будущем названного портландцементом) и описавшего его в своей книге в 1825 г. А. Р. Шуляченко, Н. А. Белелюбский и И. Г. Малюга разработали первые в нашей стране технические условия на отечественный портландцемент. Крупные изыскания и исследования были выполнены Н. Н. Ляминым и С. И. Дружининым по открытию крымских месторождений пуццоланы как активной (гидравлической) добавки к вяжущим веществам. Новый импульс в развитии техники и науки по строительным материалам был связан с декретом Совнаркома о существенном увеличении объемов капитального строительства, принятым в первые годы Советской власти. Особый размах и подъем в строительстве отличают в на'шей стране период после Великой Отечественной войны 1941—1945 гг., что потребовало интенсивного развития промышленности строительных материалов. Строительство переводилось на индустриальные способы, особенно за счет внедрения крупноразмерных ичлрлиЙ и конструкций из железобетона. В 1954 г. было принято постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О развитии сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства» что явилось началом конвейеризации в технологии изготовления этой массовой продукции. В последующие периоды наращивались темпы развития технологий производства различных строительных материалов, особенно, выпуск сборного железобетона, строительной керамики, санитарно-технического оборудования, полимерных и других строительных материалов и изделий, что в известной мере отражало степень индустриализации и благоустройства строительства. Прогрессивное движение отмечалось также в технологии и ассортименте выпускавшейся заводской продукции. Возрос удельный вес портландцемента, быстротвердеющих и высокомарочных цементов, декоративных цементов; увеличилась доля выпуска цемента по сухому и комбинированному способам производства, внедрена технология двухстадийной формовки стекла, в том числе архитектурно-строительных изделий из упрочненного стекла. Увеличен выпуск крупноразмерных асбестоцементных листов усиленного профиля, длинноразмерных труб и других изделий на основе технического перевооружения асбестоцементной отрасли; расширено производство рубероида, стеклорубероида, наплавляемого рубероида и других эффективных рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов. Был организован массовый выпуск минераловатных плит повышенной жесткости, постепенно наращивались объемы и темпы выпуска пластмасс, изделий и конструкций на их основе. В одиннадцатой пятилетке увеличился выпуск специальных и высокомарочных цементов, использование шлаков, зол, побочных продуктов (техногенного сырья) горнодобывающей отрасли промышленности и углеобогатительных фабрик. Выпускаются прогрессивные железобетонные (например, вибропрессованные напорные трубы), металлические, а также деревянные клееные конструкции, эффективные отделочные изделия, тепло- и звукопоглощающие и изоляционные материалы. Осуществляется техническое перевооружение производства кирпича при увеличенном выпуске пустотелого кирпича, повысился объем изготовления профильного, армированного и цветного стекла крупноразмерных стеклоблоков (табл. 1.1). Главными задачами текущего периода стали существенный подъем и интенсификация производства продукции высокого качества. Основными факторами при выполнении этих задач признаны увеличение производительности труда за счет комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, всемерного внедрения новейших достижений в отраслевой и смежных отраслях науки и техники.
Таблица 1.1. Выпуск основных строительных материалов в СССР (по годам)
Внедрение прогрессивной поточно-конвейерной линии по производству облицовочной керамической плитки полностью механизирует технологический процесс, улучшает условия труда, увеличивает производительность труда в 1, 5...2 раза, снижает удельный расход топлива на 19...20%. Автоматизация линии термической обработки стекла обеспечивает повышение производительности труда на формовании ленты в З..Д5 раза. Важным достоинством автоматизации является возможность оптимизировать технологический процесс или отдельные его операции. В последнем случае используются не полные автоматизированные системы, а только автоматические или сбалансированные манипуляторы. Кроме оптимизации процесса, упрощаются задачи оптимизации структур и составов изготовляемых материалов и изделий. Представляется возможным устанавливать автоматический контроль качественных и структурных показателей. Соответствующая аппаратура для этого включается в единые системы автомати- ческого управления производством (АСУП) с привлечением для той же цели электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и другой, в том (числе микропроцессорной, техники. В настоящее время АСУП внедрены и действуют на некоторых цементных, асбестоцементных и других заводах. Для них были разработаны алгоритмы, составлены.и; заданы программы. Практика полностью подтвердила высокую эффективность АСУ и АСУП. \ Большая роль, которую играет промышленность строительных материалов и изделий в развитии народного хозяйства страны, объясняется тем, что ни проектировать, ни строить, ни ремонтировать здания и инженерные сооружения нельзя без достаточного количества этой важнейшей продукции. Сейчас возросло количество изделий с государственным Знаком качества. Наша страна занимает, первое место в мире по объемам выпуска цемента, железобетона, ойонного стекла, асбеста, асбестоцементных изделий (труб, кровли), извести, кирпича. Вместе с ростом производства развивалась наука о материалах. К. Маркс и Ф. Энгельс отмечали, что в развитии наук определяющим фактором является прежде всего потребность развития материального производства и техники. До первой половины XX в. науку о строительных материалах можно было охарактеризовать как сложную совокупность знаний -о каждом материале или группе материалов. Глубокому и всестороннему познанию каждого материала способствовали исследования, выполняемые в отраслевых научно-исследовательских институтах и высших учебных заведениях, дискуссии ученых на международных и национальных конгрессах и конференциях, публикации научных работ и т. п., а также обширная производственная практика. Продолжается глубокое изучение традиционных и новых материалов с целью улучшения их качества и снижения стоимости. В нашей стране известные достижения в этой отрасли знаний связаны с именами научных школ многих крупных ученых. Всеобщее признание получили научные разработки в области керамической промышленности В. И. Вернадского, П. А. Земятченского, П. П. Будникова и др.; минеральных вяжущих веществ — работы А. А. Байкова, В. А. Кинда, В. Н. Юнга и др.; тяжелых и легких бетонов, совершенствования их технологии — Н. М. Беляева, К. С, Завриева, Б. Г. Скрамтаева, Н. А. Попова и др.; научных основ технологии и качества асфальтовых материалов — П. В. Сахарова, Н. Н. Иванова, А. Я. Тихонова и др. В основе современных достижений в промышленности пластических масс и синтетических полимеров лежат открытия А. М. Бутлерова (середина XIX в.) в области химических реакций получения полимеров из простейших веществ, в частности на основе нового соединения формальдегида, С. В. Лебедева (конец XIX — начало. XX в.) —полимеризации ненасыщенных соединений с созданием первого в мире промышленного производства синтетического каучука, Н. Н. Семенова — по созданию теории реакций, описанию закономерностей цепной реакции полимеризации и др. Определенными историческими этапами раз Заметным импульсом развития науки о строительных материалах явилась физико-химическая механика, разработанная академиком П. А. Ребиндером и его научной школой. Эта пограничная отрасль науки решает в основном задачи получения тел с высокими механическими, особенно прочностными, свойствами, определения наилучших условий механической обработки — дробления/ и тонкого измельчения (диспергирования), резания и давления, обеспечения физико-химическими и механическими приемами наилучшей обрабатываемости твердых тел с учетом воздействия окружающей среды. Наука о строительных материалах на современном этапе своего-развития включает не только сумму расширяющихся знаний о каждом материале, но и комплекс общих положений, принципов, законов, понятий о материалах как в конкретной, так и абстрактно-логической формах. Этому развитию существенно способствовала теория искусственных строительных конгломератов, разработанная проф. И. А. Рыбьевым и его научной школой. Опираясь на обобщения коллективного опыта и многочисленные данные экспериментальных исследований, на фундаментальные науки — химию, физическую химию, термодинамику, физику, физико-химическую механику, а также марксистско-ленинскую философию, — теория искусственных строительных конгломератов (ИСК) вобрала в себя понятия об оптимальных структурах и их критериях, общие закономерности изменения свойств и структур, ряд важных научных принципов, общий метод проектирования оптимальных составов и структур и т. п. Оказалось, что при определенных условиях все материалы подчиняются общим законам, их свойства взаимосвязаны, структуры подобны между собой и т. д. Случайные открытия новых материалов сменились научно обоснованным проектированием материалов с заранее заданными свойствами, заполняя собой вакантные места в общей классификации строительных материалов— природных и искусственных. Развитие современной науки о строительных материалах успешно происходит в нашей стране под влиянием исследований А. В. Вол-женского, П. И. Боженова, И. Н. Ахвердова, Г. И. Горчакова, В. Д. Глуховского, И. А. Иванова, Г. И. Книгиной, В. В. Михайлова, Л. М. Перелыгина, В. В. Тимашова, Л. Г. Шпыновой и многих других. В развитии той части науки, которая относится к обобщениям и интеграции знаний о строительных материалах, большую пользу приносят исследования О. П. Мчедлова-Петросяна, А. В. Не-хорошева, В. И. Соломатова и др. Вместе с развитием науки модернизируется производство строительных материалов на основе научно-технического прогресса, существенно улучшается качество, обновляется и расширяется номенклатура материалов и изделий. 1.3. Классификация строительных материалов Огромное количество наименований строительных материалов,. составляющих сейчас широкую их номенклатуру, стремятся представить в виде системных классификаций из более или менее сходных по каким-либо признакам групп. В качестве классификационных признаков выбирают: производственное назначение строительных материалов, вид исходного сырья, основной показатель качества, например их масса, прочность, и др. В настоящее время в классификации учитывают также и функциональное назначение, например теплоизоляционные материалы, акустические материалы и другие в дополнение к делению на группы по признаку сырья — керамические, полимерные, металлические и т. п. Одна часть материалов, объединенных в группы, относится к природным, а другая их часть — к искусственным. Каждой группе материалов или отдельным их представителям в промышленности соответствуют определенные отрасли, например цементной промышленности, стекольной промышленности и т. п., а планомерное развитие этих отраслей обеспечивает выполнение планов строительства объектов.
Природные, или естественные, строительные материалы и изде-> > j лия получают непосредственно из недр земли или путем переработок ки лесных массивов в «деловой лес». Этим материалам придают V* определенную форму и рациональные размеры, но не изменяют их д^ внутреннего строения, состава, например химического. Чаще других S[y из природных используются лесные (древесные) и каменные материалы и изделия. Кроме них в готовом виде или при простой обработке можно получить битум и асфальт, озокерит, казеин, кир, некоторые продукты растительного происхождения, например солому, камыш, костру, торф, лузгу и др., или животного мира, например шерсть, коллаген, боннскую кровь и др. Все эти природные продукты в сравнительно небольших количествах тоже используют в строительстве, хотя главными остаются лесные и природные каменные материалы и изделия. Искусственные строительные материалы и изделия производят в основном из природных сырьевых материалов, реже — из побочных продуктов промышленности, сельского хозяйства или сырья, получаемого искусственным путем. Вырабатываемые строительные материалы отличаются от исходного природного сырья как по строению, так и по химическому составу, что связано с коренной переработкой сырья в заводских условиях с привлечением для этой цели специального оборудования и энергетических затрат. В заводской переработке участвует органическое (дерево, нефть, газ и др.) и неорганическое (минералы, камень, руды, шлаки и др.) сырье, что позволяет получать многообразный ассор Рубцовский фплгкм j нии и качестве, но они и взаимосвязаны как элементы единой материальной системы. И хотя еще немного имеется известных общих закономерностей, выражающих связь между качественно разнородными и отличными по происхождению материалами или между явлениями и процессами при образовании их структур, но и того, что уже известно, достаточно для объединения практически всех материалов в одну систему. В строительстве гораздо большим многообразием отличаются материалы искусственные, что относится к важному достижению человечества. Но и природные материалы продолжают находить широкое применение в своем «первозданном» виде с приданием им необходимых внешних форм и размеров. Для лучшей систематизации природных строительных материалов их разделяют на классы по сходным признакам; в классах их тоже разделяют. Лесные материалы и изделия классифицируют по разновидностям пород — лиственные и хвойные, по признаку ассортимента — круглые, пиленые и штучные изделия. Имеется дальнейшее их подразделение, например, по свойствам и структуре и др. Природные каменные материалы и изделия имеют классификацию (см. гл. 7), в составе которой лежат либо генетический признак, т. е. происхождение горных пород, либо технические свойства— по средней плотности, прочности, морозостойкости. Имеются еще более дробные разделения их по другим признакам. Искусственные строительные материалы, находясь в тесной взаимосвязи между собой в единой системе, разделяют по главному признаку их отвердевания: 1) материалы, отвердевание которых происходит при обычных сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов (их нередко относят к безобжиговым материалам); 2) материалы, отвердевание которых происходит в основном в условиях автоклавов, т. е. повышенных температур и давлений пара с синтезированием цементирующих и кристаллизующихся соединений непосредственно в автоклавах; 3) материалы, отвердевание которых происходит главным образом при остывании огненно-жидких расплавов, выполняющих функцию вяжущего вещества, или «цемента высоких температур» (их нередко относят к обжиговым материалам). Выделение этих трех типов из огромного многообразия материалов является в достаточной мере условным, поскольку не всегда возможно провести четкую границу между ними, так же как и между отвердевающими растворами и расплавами. Нередко отвердевание происходит при совмещенных процессах кристаллизации и остекловывания растворов и расплавов. Условность указанного деления выражается еще и в том, что в безобжиговых конгломератах частично применяются обжиговые минеральные вяжущие вещества и они даже занимают доминирующее положение в современной номенклатуре строительных материалов. В конгломератах безобжигового типа цементирующую часть представляют неорганические, органические, полимерные и комплексные вяжущие вещества. В конгломератах обжигового типа по разновидности цементов высоких температур (по выражению академика А. А. Байкова) можно выделить расплавы керамические, стекломассы, шлаковые, каменного литья и комплексные. В конгломератах автоклавного типа наиболее типичными являются вяжущие, синтезированные из исходных сырьевых компонентов в условиях автоклавной обработки, хотя в них могут быть привнесены цементы, способные к твердению в обычных условиях. Все искусственные конгломераты, как уже отмечалось, можно представить в виде классификационной схемы (рис. 1.1). К вяжущим веществам безобжиговых конгломератов из группы неорганических относятся и клинкеросодержащие цементы (портландцемент, специальные портландцементы, глиноземистый цемент и др.), гипсовые, магнезиальные, известковые и другие вяжущие на основе шлаков, горелых пород и др. Из группы органических — битумные и дегтевые вяжущие материалы, а также производные от них — эмульсии, пасты, растворы. Группу полимерных веществ представляют термопластичные и термореактивные с последующим дробным разделением. Комплексные объединяются в смешанные, компаундированные и комбинированные вяжущие вещества.. К смешанным относят неорганические вяжущие вещества, получаемые тщательным смешением двух или нескольких их разновидностей с порошкообразными добавками или без них; компаундированными служат сплавы или механические смеси нескольких органических материалов; под комбинированными понимают объединение вяжущего — неорганического и органического, или полимерного. Цементирующая часть обжиговых конгломератов также разделяется: шлаковые расплавы— по химической основности исходного сырья (шлака); керамические — по характеру и разновидности использованной глины и других компонентов сырья; стекломассо-вые — по показателю щелочной шихты; каменное литье — по виду горной породы, поступаюгчей на расплав; комплексные расплавы — по виду соединяемых компонентов: шлакокерамические, стеклошлаковые и др. Единая классификация включает широкую сеть ответвлений конгломератных строительных материалов как от вяжущих веществ, так и от расплавов («цементов высоких температур») в связи с применением в них различных заполняющих материалов. Из клинкерных и клинкеросодержащих цементов изготовляют бетоны, строительные растворы, арболиты и фибролиты, бетоны с полимерным зернистым заполнителем, асбестоцементные материалы и изделия; из гипса — гипсобетоны, арболиты и др.; из магнезиальных вяжущих — фибролиты и ксилолиты; из извести — силикатные бетоны и строительные растворы, силикатные изделия; из жи -кого стекла — жаростойкие легкие бетоны, кислотоупорные бетоны
|