книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение

УДК 666.9 К29

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент В.А. Голубев (Пермский государственный технический университет); кандидат технических наук, доцент В.Н Зелин

(Пермская государственная сельскохозяйственная академия им. Д.И. Прянишникова)

К атаева, Л.И.

К29 Материаловедение. Технология композиционных мате­ риалов: учеб, пособие. Ч. 1. Материаловедение / Л.И. Ка­ таева, И.Ф. Кочуров. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 81 с.

ISBN 978-5-88151-898-1

Составлено в соответствии с учебными программами дис­ циплины «Материаловедение. ТКМ» строительного факультета.

Изучаемый материал излагается с учетом специфики дис­ танционного и заочного образования, при которых важнейшим условием является самостоятельная работа студента. Каждый раздел учебного пособия содержит информационную часть и во­ просы для самоконтроля.

Предназначено для студентов дистанционной и заочной форм обучения и может быть использовано студентами дневного отделения, обучающимися по специальностям: ПГС, ГСХ, ЭУН, ПСК, ТВ, ВВ, а также слушателями курсов повышения квалифи­ кации строительной отрасли.

В сметной стоимости современных зданий и сооружений стоимость строительных материалов, изделий и конструкций составляет более 50%. Грамотно подобранные материалы, из­ делия и конструкции наряду с качественно выполненными про­ ектно-изыскательскими и строительно-монтажными работами определяют стоимость зданий и сооружений, их надежность и долговечность. Помимо этого, в 70-х гг. XX в. в мире возникла проблема дефицита органических энергоносителей, ограничен­ ности их запаса в недрах Земли.

В настоящий момент фонд всех эксплуатируемых в РФ жи­ лых зданий составляет около 3,2 млрд м2 общей площади, на отопление которой ежегодно требуется не менее 260 млн т ус­ ловного топлива. Основной резерв снижения энергопотребления скрыт в существующем фонде зданий России, при эксплуатации которых удельные расходы топлива вдвое выше, чем, например, в скандинавских странах и Канаде. В связи с этим, с 1 июля 1996 г. в РФ запрещено новое строительство, реконструкция, модернизация и капитальный ремонт зданий по проектам, кото­ рые не соответствуют новым требованиям норм по энергоэко­ номичности.

Таким образом, в строительном комплексе России в на­ стоящий момент существуют три основные проблемы:

1.Высокое энергопотребление зданий и сооружений.

2.Низкая долговечность построенных зданий и соору­

жений.

3.Быстрое моральное устаревание построенных зданий. Возникают закономерные вопросы о том, какие типы зда­

ний и из каких материалов надо строить, чтобы решить пробле­ мы энергоэкономичности, надежности и долговечности зданий и сооружений в РФ? ^ ^

Знания для решения поставленных проблем студент'может . получить в дисциплинах: «Материаловедение. ТКМ», «Архи­ тектура», «Отопление и вентиляция», «Теплотехника и тепло­ техническое оборудование», «Вяжущие вещества», «Строитель­ ные конструкции».

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

На протяжении многих веков человечество при строитель­ стве (ремонте) зданий и сооружений использовало как природ­ ные (каменные, древесные), так и искусственные материалы - композиты, полученные в результате переработки природно­ го сырья.

Современный искусственный строительный материал мо­ жет состоять из одного или множества компонентов, сцементи­ рованных вяжущим веществом (табл. 1). Вяжущее вещество оп­ ределяет технологию получения и основные показатели каче­ ства (свойства) композита. Другие компоненты композита видоизменяют эти свойства, уменьшая расход дорогостоящего вяжущего вещества и снижая его стоимость.

Технология получения композитов может быть очень энер­ гоемкой и происходить при высокотемпературном синтезе (плавлении и спекании (обжиге) сырья) и при низкотемператур­ ном синтезе (малоэнергоемкой (безобжиговой) технологии об­ работки сырья). Классификация материалов и изделий по виду исходного сырья и способу его переработки в композит приве­ дена на рис. 1.1.

Огромную номенклатуру строительных материалов и изде­ лий, выпускаемых в настоящее время, можно проклассифициро­ вать также по назначению в зданиях и сооружениях (табл. 1.2).

Рис. 1.1. Классификация строительных материалов и изделий по способу переработки и виду исходного сырья

Конструкционные или конструкционно-теплоизоляцион­ ные материалы несут основную нагрузку в зданиях; их исполь­ зуют для силового каркаса зданий и сооружений.

Теплоизоляционные и конструкционно-теплоизоляционные материалы определяют энергоэкономичность зданий и соору­ жений.

Специальные материалы используются для отделочных

изащитных целей при строительстве зданий и сооружений.

Ккаждой группе вышеперечисленных материалов в здани­ ях и сооружениях предъявляют определенные архитектурностроительные требования : общестроительные, эксплуата­ ционно-технические, санитарно-гигиенические, эстетические, экономические.

Классификация строительных материалов

по назначению в зданиях и сооружениях

П р и м е ч а н и е . *У каждой группы специальных материалов свой основной показатель качества.

Поскольку все производимые материалы и изделия и сырь­ евые материалы, используемые в их производстве, являются продуктами карьеров и различных производств, то с целью по­ лучения гарантированно качественного материала и изделия, а также защиты прав потребителя все продукты в России произ­ водятся по стандартам (ГОСТам) или техническим условиям (ГУ)ув которых излагаются все архитектурно-строительные тре­ бования в виде показателей качества производимых материалов, изделий и конструкций.

Отдельные специалисты строительной отрасли подразделяют ма­ териалы в зданиях и сооружениях на две группы: конструкционные

испециальные. В этом случае теплоизоляционные материалы входят

всостав специальных материалов.

Государственный стандарт (ГОСТ) распространяется на продукты, производимые по всей стране. Он оговаривает об­ ласть применения продукта, основные показатели качества про­ дукта, по которым его выпускают и применяют, методы оценки показателей качества, правила приемки, хранения, транспорти­ рования продукта, гарантийный срок сохранения основных по­ казателей качества продукта. Для изделий и конструкций в стандарте обязательно оговариваются конструктивные размеры.

На продукцию, выпускаемую в ограниченном размере от­ дельным предприятием или группой предприятий, могут разра­ батываться местные стандарты - технические условия (ТУ).

ГОСТы и ТУ позволяют осуществлять входной и выходной контроль качества сырья и продуктов на любом производстве.

Для операционного (промежуточного) контроля качества производимого продукта на предприятиях разрабатываются

технологические карты (ГК) и стандарты предприятий (СТП).

Основные положения строительного проектирования, про­ изводства строительно-монтажных работ, а также требования к строительным материалам, изделиям и конструкциям, приме­ няемым в разных областях строительства, регламентируются

Строительными нормами и правилами (СНиП) и Строитель­ ными правилами (СП).

Соответствие поступающих на строительную площадку ма­ териалов и изделий стандартам проверяют путем испытаний их

встроительной лаборатории.

Сцелью повышения уровня унификации изделий и конст­ рукций, их взаимозаменяемости, а также автоматизации произ­ водственных процессов, ремонтопригодности изделий и конст­ рукций при их проектировании, изготовлении и при возведении зданий и сооружений используют Модульную координацию раз­ меров в с?проительстве (МКРС).

МКРС - совокупность правил, на основе которых устанав­

ливаются размеры элементов зданий и сооружений, строитель­ ных изделий и конструкций, оборудования на базе основного модуля, равного 100 мм (1М). Умножением основного модуля на целые коэффициенты образуются укрупненные модули (2М, ЗМ, 6М, 12М, 15М, 30М, 60М). При умножении основного модуля

на коэффициенты менее единицы образуются дробные модули (1/2М, 1/5М, 1/10М, 1/20М, 1/100М). Модулирование позволяет устанавливать размеры изделий и конструкций, обеспечивать их увязку в конструктивной схеме зданий и сооружений, а также их взаимозаменяемость при строительстве и ремонте.

Вопросы для самоконтроля

1.В чем состоит различие между строительным материа­ лом, изделием и конструкцией?

2.Назовите важнейшие природные и искусственные строительные материалы.

3.Перечислите материалы общестроительного и специ­ ального назначения.

4.Как можно проклассифицировать материалы по спосо­ бу назначения в здании и сооружении?

5.Как можно проклассифицировать материалы способу получения и виду исходного сырья?

6.Какие вы знаете неорганические и органические строи­ тельные материалы?

7.Какие строительно-архитектурные требования предъ­ являют к MàTepnanaM и изделиям?

8.Какие стандарты действуют на строительные материа­ лы, изделия и конструкции в РФ? Для чего разрабатываются стандарты на продукты?

9. Чем отличается ГОСТ от СНиПа, ГОСТ от ТУ?

10. Для чего нужна Модульная координация размеров в строительстве и унификация строительных изделий и конст­ рукций?

11. Поясните, что означает размер IM, 30М, 1/2М, 1/100М.

2. СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Материаловедением называется наука, устанавливающая

связь меоюду системой, составом, структурой и свойствами материалов и изучающая закономерности их изменения при те­ пловых, химических, механических, электромагнитных и радио­ активных воздействиях.

Знание строения материала необходимо для понимания его свойств и в конечном итоге для решения практического во­ проса, где и как применить материал, чтобы получить наиболь­ ший технико-экономический эффект.

2.1.Основные понятия материаловедения

2.1.1.Понятия о дисперсной системе

При изучении строения материалов в материаловедении широко используют понятия «фаза», «система», «состав», «структура».

Фазой называют однородные {гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, свойства и одинаковое агрегатное состояние и отделенное от составных частей поверх­ ностями раздела.

Системой называют совокупность фаз, находящихся в со­ стоянии равновесия. Любой строительный материал можно на­ звать системой, состоящей из смеси твердой, газообразной и жидкоî? фаз.

Степень раздробленности фаз в системе, размер межфазной поверхности называют дисперсностью системы.

По степени дисперсности смеси подразделяют на истинные растворы и дисперсные системы. Если частицы дисперсной фа­ зы не крупнее молекул, мы имеет дело с истинным раствором; если же размеры частиц больше 1 нм (1 нм = 1(Г9 м) - это про­ сто дисперсные системы.

2 Жидкость - агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная проч­ ность на разрыв) и газообразного состояния (изменчивость формы).

Истинный раствор - молекулярно-дисперсная гомогенная

система переменного состава из двух и более компонентов. Рас­ твор называется истинным потому, что вещества действительно

и самопроизвольно растворяются в подходящем растворителе

собразованием гомогенной системы. Истинные растворы устой­ чивы в течение длительного времени. С истинным раствором че­ ловек имеет дело всякий раз, когда растворяет в воде кристаллы медного купороса, соды, соли, сахара, а также кислоту и спирт.

Дисперсные системы гетерогенны (неоднородны), так как состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплош­ ной и называется дисперсионной средой. Другая фаза раздробле­ на и распределена в первой; ее называют дисперсной фазой (она

существует в виде твердых частичек, капелек или пузырьков). Все дисперсные системы по кинетическим свойствам дис­

персной фазы можно разделить на два класса: свободнодисперс­ ные системы, в которых дисперсионная среда подвижна, и связ­ нодисперсные системы - с твердой дисперсионной средой, в ко­