Автор: Пользователь скрыл имя, 17 Февраля 2013 в 18:52, курс лекций
Ця дисципліна вивчає будівельні матеріали і вироби, їх значення для розвитку будівництва та підвищення ефективності капіталовкладень. Приділяється увага питанням класифікації будівельних матеріалів, їх складу і структури, корозії матеріалів, економії паливно-енергетичних ресурсів, використанню вторинної сировини та охорони довкілля при виробництві будівельних матеріалів. Розглядаються принципові питання технології виробництва найважливіших будівельних матеріалів, способи підвищення їх довговічності.
Вступ………………………………………………………………………6
Лекція 1. Загальні технічні властивості будівельних матеріалів….......…………7
1.1. Фізичні властивості…………....……………………………………..7
1.2. Механічні властивості……..……………………………………….13
1.3. Хімічні властивості……………....…………………………………17
1.4. Технологічні властивості…………………………………………..17
Лекція 2. Природні кам’яні матеріали…………………...………………………..19
2.1. Характеристика породотвірних мінералів…………………………..20
2.1.1. Група кварцу…………...…………………………………………….20
2.1.2. Група алюмосилікатів……………………………………………….20
2.1.3. Група залізисто-магнезіальних силікатів……………...…………...21
2.1.4. Група карбонатів……………….…………………………………….21
2.1.5. Група сульфатів…………..…………………………………………..22
2.2. Будова та властивості гірських порід різного походження………….22
2.2.1. Вивержені породи…………………………………………………….22
2.2.2. Осадові породи………..………………………………………………23
2.2.3. Метаморфічні породи………………...………………………………24
2.3. Класифікація та характеристика матеріалів і виробів
із природного каменю………………………………………………………25
2.4. Використання відходів видобування і обробки гірських порід…... 28
Завдання для самостійної роботи…………………………………………28
Лекція 3. Керамічні матеріали й вироби…………....…………………………….29
3.1. Класифікація керамічних матеріалів…………………....……………..31
3.2. Сировина для виробництва кам’яних матеріалів………....…………..32
3.3. Матеріали для декорування (глазур, ангоби, керамічні фарби)……..33
3.4. Основи технології керамічних матеріалів і виробів……………….....34
3.5. Характеристика керамічних матеріалів різного призначення…….....35
3.5.1. Стінові вироби………………………………………………………...35
3.5.2. Вироби спеціального призначення………………………………......36
Лекція 4. Матеріали та вироби з мінеральних розплавів
і металічні матеріали…………………………………………………………….38
4.1.1. Сировина, технологія отримання та властивості скла……......…….38
4.1.2. Матеріали та вироби зі скла………….………………………………39
4.1.3. Склокристалічні матеріали…………………….……………………..43
4.1.4. Матеріали й вироби із кам’яного литва…………………………......45
4.2. Металеві матеріали…………...…………………………………………47
4.2.1. Загальна характеристика металів……………...……………………..47
4.2.2. Основні властивості металів………………………………………....47
4.2.3. Фізико-хімічні основи отримання чорних металів
та сплаві на їх основі……………………………………………………48
4.2.4. Класифікація і характеристика чавунів………………………….......49
4.2.5. Класифікація вуглецевих сталей…………………………………......50
4.2.6. Вироби зі сталей……………………………………………………....52
4.2.7. Кольорові метали та сплави й матеріали на їх основі………….......52
Лекція 5. Неорганічні в’яжучі речовини.................................................................54
5.1. Фізико-хімічні закономірності формування складу та
структури мінеральних в’яжучих речовин……………………………54
5.2. Класифікація неорганічних в’яжучих речовин……………..............…54
5.3. Повітряні в’яжучі речовини……….....…………………....……………55
5.3.1. Технічні характеристики гіпсових в’яжучих……………………......57
5.3.2. Повітряне будівельне вапно…….....…………………………………59
5.3.3. Магнезіальні в’яжучі речовини............................................................62
5.4. Гідравлічні в’яжучі речовини………………......………………………63
5.5. Технологія виробництва цементу………………………………….......65
5.6. Хіміко-мінералогічний склад портландцементного клінкеру…….....66
Завдання для самостійної роботи…………………………………………..66
Лекція 6. Матеріали та вироби на органічній основі………………………….....67
Бітумні й дьогтеві в’яжучі речовини…………………………………......67
6.1. Особливості утворення в’яжучих речовин
органічного походження та їхня класифікація…………………...………………67
6.2. Бітумні в’яжучі речовини…………………...………………………….68
6.3. Дьогтьові в’яжучі речовини…………………………………………....70
6.4. Асфальто- й дьогтебетони………………………………………….......71
6.5. Характеристика матеріалів на основі бітумних
та дьогтьових в’яжучих речовин……………………………………………….....71
Завдання для самостійної роботи…………………………………………..73
Лекція 7. Матеріали та вироби з деревини……………………………………......74
7.1. Загальні відомості…………………………………………………….....74
7.2. Будова деревини………………………………………………………...74
7.3. Мікроструктура й хімічний склад………………………………….......75
7.4. Деревні породи………………………………………………………….75
7.5. Основні властивості деревини………………………………………....77
7.6. Біокомпозити та композиційні матеріали
на основі відходів переробки деревини……………………………………….......80
7.7. Захист деревини від гниття та займання……………………………....81
Лекція 8. Лакофарбові матеріали……………………………………………….....82
8.1. Особливості композиційної побудови лакофарбових матеріалів…....82
8.2. Класифікація лакофарбових матеріалів…………………………….....83
8.3. Характеристика основних компонентів лакофарбових матеріалів.....86
Завдання для самостійної роботи…………………………………………..89
Лекція 9.Полімерні матеріали……………………………………………………..90
9.1. Класифікація полімерних речовин та матеріалів на їхній основі…....90
9.2. Основні властивості полімерних матеріалів (пластмас)………….......91
Завдання для самостійної роботи…………………………………………...93
Список літератури……………………………………………………………….....94
5.3. Повітряні в’яжучі речовини
Гіпсові в’яжучі речовини (ДСТУ Б. В. 2.7-82-99) є типовим прикладом повітряних в’яжучих речовин. Вони складаються переважно з напівводяного гіпсу CaSO4· 0,5H2O або ангідриту CaSO4 , отримують їх внаслідок теплової обробки вихідної сировини та її розмелювання. Продукт твердіння таких в’яжучих вважається майже ідеальним будівельним матеріалом, оскільки є екологічно безпечним, негорючим і вогнестійким.
Як вихідну сировину для виготовлення гіпсових в’яжучих речовин використовують природний гіпс, ангідрит, відходи промисловості (борогіпс, фосфогіпс).
Залежно від умов термообробки гіпсової сировини утворюються α- або β-модифікації напівгідрату і розчинного ангідриту.
Твердіння гіпсових в’яжучих речовин відбувається внаслідок розчинення напівводного сульфату кальцію (напівгідрату) й появи насиченого розчину, в якому відбуваються реакції гідратації з утворенням двоводного сульфату кальцію:
CaSO4· 0,5H2O + 1, 5 H2O = CaSO4· 2H2O.
Гіпсові в’яжучі речовини, що складаються переважно з α –модифікації
CaSO4· 0,5H2O і відрізняються підвищеною міцністю (25…60 МПа) і меншою пористістю, виготовляють обробкою гіпсового каменю під тиском (0,13…0,7 МПа) або витримуванням у рідких середовищах (наприклад, з використанням CaCl2). Залежно від параметрів теплової обробки гіпсові в’яжучі речовини поділяються на дві групи: низько- й високовипалювальні.
Низьковипалювальні гіпсові в’яжучі речовини, що швидко тужавіють та тверднуть, отримують тепловою обробкою природного гіпсу при низьких температурах (110…160 оС), або обробкою парою під тиском 0,13…0,70 МПа. Дегідратація сировини у вказаних умовах обумовлює перетворення двоводного гіпсу на напівгідрат за схемою:
CaSO4· 2H2O = CaSO4· 0,5H2O + 1, 5 H2O.
До низьковипалювальних гіпсових в’яжучих речовин належать: гіпс будівельний, формувальний і високоміцний, різновидом якого є супергіпс.
Будівельний гіпс характеризується невисокою міцністю (2…16 МПа).
Формувальний гіпс відрізняється від будівельного гіпсу тонкістю помелу, більшою міцністю та постійністю властивостей. Застосовують його у керамічній, фарфоро-фаянсовій, машинобудівній промисловостях для виготовлення форм і моделей.
Високоміцний гіпс отримують термічною обробкою гіпсового каменю в автоклавах у середовищі насиченої пари при тиску, вищому за атмосферний, або при кип’ятінні у водних розчинах деяких солей з наступним сушінням та помелом до отримання тонко дисперсного порошку. Міцність матеріалу 25…60 МПа.
Супергіпс використовують для виготовлення облицювальних плит, фігурних виробів, для влаштування безшовних наливних підготовок для підлог.
Характеристика готового продукту: кількість води для отримання тіста нормальної консистенції становить 24…26%, початок тужавіння – 5…8 хв, кінець – 9…12 хв, міцність при стиску в сухому стані – 60…70 МПа.
Низьковипалювальні гіпсові в’яжучі речовини застосовують у будівництві для виготовлення панелей-перегородок, блоків, тепло- і звукоізоляційних плит, декоративних плит, пінобетонних виробів, сухої штукатурки. Гіпс використовують для виробництва форм і моделей у фарфоро-фаянсовій, машинобудівній та інших галузях промисловості.
Високовипалювальні гіпсові в’яжучі речовини, що повільно тужавіють і тверднуть, виготовляють випалюванням гіпсового каменю при температурі вище 600 оС. До них належать ангідритовий цемент, опоряджувальний гіпсовий цемент, високовипалювальний гіпс (естрих-гіпс).
Ангідритовий цемент отримують тонким помелом нерозчинного ангідриту з добавками-каталізаторами. Як активатори твердіння використовують сульфати (Na2SO4, NaH SO4, K2SO4, FeSO4 та інші), а також матеріали, що містять певну кількість вільного вапна (доменний шлак, вапно, доломіт та ін.).Ангідритовий цемент порівняно з будівельним гіпсом характеризується меншою водопотребою (30…35 %), більш повільними строками тужавлення та більш високою водостійкістю (коефіцієнт розм’якшення 0,4…0,5). Цей цемент використовують для влаштування безшовних підлог, підготовок під лінолеум, для приготування розчинів та отримання штучного мармуру, а також для бетонів, призначених для мурування стін малоповерхових будівель при відносній вологості повітря не більше 70 %.
5.3.1. Технічні
характеристики гіпсових в’
Істинна щільність гіпсових в’яжучих коливається у межах 2,6…2,75 г/см3 і обумовлена їхнім фазовим складом.
Насипна щільність гіпсу становить 800…1100 кг/м3. Тонкість помелу оцінюється залишком на ситі №02 і для гіпсу грубого помелу становить не більше 23 %, середнього – 14 % і тонкого – 2 % (позначається відповідно І, ІІ, ІІІ). Збільшення тонкості помелу зумовлює підвищення пластичності гіпсового тіста, міцності гіпсових виливків, але збільшує водопотребу.
Водопотреба визначається кількістю води, потрібною для приготування тіста стандартної консистенції (діаметр розпливу 180±5 мм), і залежить від виду і співвідношення модифікацій сульфату кальцію. Для отримання тіста нормальної щільності з β- CaSO4· 0,5H2O потрібно 50…70 % води, а з модифікації α- CaSO4· 0,5H2O – 30…40 %. Теоретично для реакції гідратації потрібно 18,6 % води. Висока водопотреба гіпсових в’яжучих призводить до того, що вироби з них відрізняються підвищеною пористістю (40…60 %), невисокою міцністю.
Строки тужавлення. Гіпсові в’яжучі за строками тужавлення поділяють на такі види: швидкотверднучі (А) – з початком тужавлення не раніше 2 хв і кінцем не пізніше 15 хв, нормальнотверднучі (Б) – з початком тужавлення не раніше 6 хв і кінцем не пізніше 30 хв і повільнотверднучі (В) - з початком тужавлення не раніше 20 хв .
При зниженні температури до 10 оС строки тужавлення подовжуються. При підвищенні температури до 40…50 оС відмічається скорочення строків тужавлення. При подальшому підвищенні температури строки тужавлення подовжуються, а при Т=90…100 оС гіпс не тужавіє взагалі.
Міцнісні характеристики гіпсових в’яжучих визначають випробуванням зразків-балочок розмірами 40×40×160 мм з гіпсового тіста стандартної консистенції через 2 години після виготовлення. Висушування гіпсових виливків до сталої маси збільшує їхню міцність майже у два рази.
Передбачено 12 марок гіпсових в’яжучих – від Г-2 до Г-25, де цифра означає нормовану межу міцності при стиску в МПа. Межа міцності при згині змінюється відповідно від 1,2 до 8 МПа.
Гіпсові вироби мають високу вогнестійкість. Через малу теплопровідність вони повільно прогріваються і руйнуються лише після 6…8 годин нагрівання.
Водостійкість гіпсових виробів є невисокою. Основними шляхами підвищення водостійкості гіпсових виробів є зменшення розчинності гіпсу при введенні добавок; ущільнення гіпсових виливків; просочування або обмазування виробів речовинами, що запобігають проникненню води.
Істотно підвищується водостійкість гіпсу при додаванні вапна 5…25 %, суміші вапна і гідравлічної добавки (трепелу, опоки, шлаку), суміші портландцементу та гідравлічної добавки.
5.3.2. Повітряне будівельне вапно
Повітряне будівельне вапно (ДСТУ Б.В.2.7-90-99) – продукт випалювання не до спікання при температурі 1000…1200 оС кальцієво-магнієвих гірських порід (вапняку, крейди, вапняку-черепашнику, доломітизованого вапняку), що містять не більше 6 % глинистих домішок. Високодисперсний кремнезем і глинисті домішки при їхньому обмеженому вмісті 5…7 % і відповідно вибраному режимі випалювання не знижують якість вапна. Домішки гіпсу й піриту не бажані, оскільки сприяють утворенню вапна, яке гаситься повільно.
Основним технологічним процесом при отриманні повітряного вапна є випалювання, при цьому утворюється продукт (грудкове негашене вапно) у вигляді поритих кусків, що активно взаємодіють з водою:
CaCO3 + 178 кДж = СаО + СО2.
Продукт випалювання містить, крім головної складової частини, також деяку кількість оксиду магнію, який утворюється в результаті термічної дисоціації:
MgCO3 = MgО + СО2.
Для випалювання карбонатної сировини використовуються печі різних конструкцій: шахтні, обертові, з «киплячим шаром», циклонно-вихрові, агломераційні гратки.
Недовипалення чи перевипалення вапна в печі знижує його якість.
Залежно від вмісту оксиду магнію повітряне вапно поділяють на кальцієве (вміст MgО ≤ 5 %), магнезіальне (MgО – 5…20 %) та доломітове (MgО – 20…40 %).
Повітряне вапно поділяють на:
а) негашене грудкове (вапно-кипілка)
– продукт випалювання карбонат
б) негашене мелене – продукт помелу грудкового вапна;
в) гідратне (гашене) вапно – тонкий пухкий порошок, який утворюється при змішуванні грудкового вапна з водою.
Мелене негашене вапно
транспортують у герметично закритих
металевих контейнерах або
Гашене вапно утворюється за реакцією
CaO + H2O = Ca(OH)2 + 63,7 кДж.
Теоретично для гашення вапна потрібно 32,13 % води від маси CaO. Залежно від того, скільки води витрачається для гашення, отримують три різних продукти.
Якщо кількість води становить близько 70 % від маси вапна, отримують вапно-пушонку або гідратне вапно, яке збільшується в об’ємі в 2…3,5 раза порівняно з грудковим вапном, і має насипну густину 400…450 кг/м3.
Якщо кількість води при гашенні досягає 200…250 % від маси вапна, то утворюється пластичне вапняне тісто, що містить 50 % води. При витраті ще більшої кількості води утворюється вапняне молоко.
При змішуванні з водою твердіння гашеного вапна пов’язане з двома процесами: кристалізацією гідроксиду кальцію Ca(OH)2 при висиханні вапняних розчинів та наступною його карбонізацією:
CaO + H2O = Ca(OH)2,
Ca(OH)2 + СО2 + nH2O = СаСО3 + (n + 1) · H2O.
Утворений карбонат кальцію СаСО3 зростається з кристалами Ca(OH)2 й зміцнює вапняний розчин та підвищує його водостійкість. Щоб прискорити твердіння, до вапна додають цемент і гіпс, піддають вироби штучній карбонізації.
Технічні характеристики будівельного вапна оцінюються визначенням активності, тонкості помелу, швидкості гашення, водопотреби, строків тужавлення, міцності при стиску.
Істинна щільність негашеного вапна – 3,1…3,3 г/см3, а гашеного у кристалічному стані Ca(OH)2 – 2,23 г/см3. Насипна щільність грудкового вапна – 1600…2600 кг/м3 , а меленого негашеного вапна – 900…1100 кг/м3 , гідратного (гашеного) вапна – 400…500 кг/м3 , а вапняного тіста – 1300…1400 кг/м3 .
За вимогами стандарту сорт будівельного повітряного вапна визначається залежно від його активності, що оцінюється за вмістом активних оксидів (СаО+MgO), який становить не менше 70…90 %.
Повітряне вапно характеризується пластичністю, пов’язаною з його високою водоутримувальною здатністю, внаслідок чого вапняні розчини мають високу легкоукладальність, рівномірно розподіляються тонким шаром на поверхні цегли або бетону, добре зчіплюються з ними.
Строки тужавлення. Будівельні розчини на основі гашеного вапна тужавіють дуже повільно (протягом 5…7 діб), причому цей процес прискорюється при сушінні.
Будівельні розчини й бетони на основі меленого негашеного вапна швидко тужавіють і тверднуть (через 15…60 хв після замішування), причому водовапняне відношення звичайно становить 0,9…1,5. Розчини й бетони, здатні до самонагрівання під час гідратації, доцільно використовувати при проведенні робіт у зимовий період (штукатурення, мурування, бетонування тощо).
Міцність будівельних розчинів і бетонів на основі повітряного будівельного вапна залежить від умов його твердіння. Будівельні розчини на основі гашеного вапна повільно тверднуть при звичайних температурах (10…20 оС) і через місяць набувають невеликої міцності (0,5…1,5 МПа). Твердіння розчинів на основі негашеного вапна в повітряних умовах через 28 діб сприяє отриманню каменю міцністю 2…3 МПа. Автоклав не твердіння щільних вапняно-піщаних бетонів дозволяє отримати камінь міцністю 30…40 МПа і вище.
Повітряне вапно використовують для приготування мурувальних розчинів, а також для виготовлення штучних бетонних виробів, силікатної цегли та інших вапняно-піщаних виробів автоклавного твердіння, фарбових сумішей.
5.3.3. Магнезіальні в’яжучі речовини
Магнезіальні в’яжучі речовини – каустичний магнезит і каустичний доломіт – це дисперсні порошки, головною складовою частиною яких є оксид магнію. Особливістю цих в’яжучих є те, що вони замішуються не водою, а водними розчинами солей. Магнезіальні цементи, відомі як цементи Сореля, не потребують вологих умов твердіння, забезпечують високу вогнестійкість, низьку теплопровідність, підвищені зносостійкість іміцність утвореного штучного каменю.
Як сировину для магнезіальних в’яжучих найчастіше використовують магнезит MgCO3 (іноді доломіт MgCO3· СаCO3).
Магнезит випалюють при температурі 750…850 оС до повного розкладання MgCO3 на оксиди:
MgCO3 = MgО + СО2.
При підвищенні температури
випалювання спостерігається