- •Теория строительного материаловедения
- •Глава 1 Общие сведения о строительном материаловедении
- •1.1. Некоторые исходные понятия
- •1.2. Исторические этапы развития строительного материаловедения
- •1.3. Теория искусственных строительных конгломератов
- •1.3.1. Классификация строительных материалов
- •1.3.2. Составные части общей теории иск
- •Глава 2 Теория структурообразования и оптимизации структуры иск (теоретическая технология)
- •2.1. Сырьевые материалы, поступающие на переработку в иск
- •2.2. Основные процессы в технологии строительных материалов
- •2.2.1. Подготовительные работы
- •2.2.2. Перемешивание отдозированных компонентов смеси
- •2.2.3. Формование и уплотнение изделий из смеси
- •2.2.4. Обработка отформованных изделий
- •2.2.5. Общая теория отвердевания матричных веществ в иск
- •2.3. Структура строительных материалов и изделий
- •Глава 3 Теория прочности, деформативности и конгруэнции свойств
- •3.1. Основные свойства строительных материалов
- •3.1.1. Механические свойства
- •3.1.2. Физические свойства
- •3.1.4. Технологические свойства
- •3.1.5. Оценка качества материалов
- •3.2. Основные закономерности при оптимальных структурах иск
- •3.2.1. Закон створа1
- •3.2.2. Закон и формулы прочности иск оптимальной структуры
- •3.2.3. Закон конгруэнции свойств
- •3.2.4. Деформационные свойства иск оптимальной структуры
- •3.3. Подобие оптимальных структур и две теоремы в теории иск
- •3.4. Научные принципы и общий метод проектирования состава иск оптимальной структуры
- •3.5. Корректирование проектного состава иск
- •3.6. Создание новых строительных конгломератов
- •3.7. Оценка технико-экономической эффективности иск оптимальной структуры
- •Глава 4 Теория долговечности иск в конструкциях
- •4.1. Общие понятия о долговечности материалов
- •4.2. Временные элементы долговечности материала
- •4.3. Критические уровни ключевых характеристик структуры и свойств
- •4.4. Теоретические расчеты долговечности и принятые в них ограничения
- •4.5. Некоторые вопросы надежности материала в конструкциях
- •Глава 5 Элементы теории методов научного исследования и технического контроля качества
- •Глава 6 Введение в практическую технологию
- •6.1. Основные компоненты и разновидности производственных технологий
- •6.2. Связь производственных процессов с общей теоретической технологией
- •6.3. Прогрессивные технологии в строительном материаловедении
- •6.3.1. Смысловые и количественные критерии
- •6.4. Оптимизирующие факторы при совершенствовании технологий до уровня прогрессивных
- •Практика строительного материаловедения (строительные материалы и изделия)
- •А. Природные строительные материалы и изделия
- •Глава 7 Древесина и древесные строительные материалы
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Состав, структурные элементы и свойства древесины
- •7.3. Анатомическое строение древесины
- •7.4. Качественные показатели древесных материалов
- •7.5. Пороки древесины
- •7.6. Защита древесины от гниения, поражения насекомыми и возгорания
- •7.7. Модификация древесины
- •7.8. Древесные породы в строительстве
- •7.9. Материалы и строительные изделия из древесины
- •7.10. Использование древесных отходов
- •Глава 8 Природные каменные материалы и изделия1
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Породообразующие минералы
- •8.3. Горные породы, применяемые в строительстве
- •8.4. Энергетическая активность минералов и горных пород
- •8.5. Закономерности свойств природного камня
- •8.6. Добыча и обработка природного камня
- •8.7. Материалы и изделия из горных пород
- •8.8. Защита природного камня в конструкциях
- •Б. Искусственные строительные материалы и изделия
- •1. Безобжиговые искусственные конгломераты
- •Глава 9 Строительные конгломераты на основе неорганических вяжущих веществ
- •9.1. Цементный камень как матричная часть в конгломератах и исходные компоненты
- •9.1.1. Вода и водные растворы
- •9.1.2. Неорганические вяжущие вещества
- •9.1.3. Воздушные вяжущие вещества и их производство
- •9.1.4. Гидравлические вяжущие вещества и их производство
- •9.1.5. Смешанные цементы как разновидности комплексных вяжущих веществ
- •9.2. Взаимодействие воды или водных растворов с неорганическими вяжущими веществами и процессы твердения
- •9.3. Заполняющие компоненты в конгломератах и добавки, вводимые в смеси
- •9.3.1. Заполнители неорганические
- •9.3.2. Заполнители органические
- •9.3.3. Наполнители
- •9.3.4. Добавочные вещества (добавки)
- •9.4. Основные разновидности строительных конгломератов
- •9.4.1. Общие сведения о бетонах
- •9.4.2. Тяжелые (обычные) бетоны
- •9.4.3. Легкие бетоны
- •9.4.4. Ячеистые бетоны
- •9.4.5. Арболиты (деревобетоны)
- •9.4.6. Специальные бетоны
- •9.5. Железобетон — изделия, конструкции
- •9.5.1. Общие сведения
- •9.5.2. Исходные материалы для железобетона
- •9.5.3. Производство сборных железобетонных изделий и конструкций
- •9.5.4. Технологические схемы изготовления сборных железобетонных изделий
- •9.5.5. Технология монолитного железобетона
- •9.5.6. Технический контроль и хранение железобетонных изделий
- •9.6. Разновидности других материалов и изделий на основе неорганических вяжущих веществ
- •9.6.1. Строительные растворы Общие сведения.
- •9.6.2. Сухие строительные смеси
- •9.6.3. Гипсовые и гипсобетонные изделия
- •9.7. Силикатные изделия автоклавного твердения
- •9.7.1 Общие сведения о силикатных материалах
- •9.7.2. Силикатный (известково-песчаный) кирпич
- •9.7.3. Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич
- •9.7.4. Силикатные бетоны
- •9.7.5. Силикатные изделия ячеистой структуры
- •9.8. Асбестоцементные изделия
- •9.8.1. Общие понятия
- •9.8.2. Краткие сведения об исходных материалах
- •9.8.3. Основы производства асбестоцементных изделий
- •9.8.4. Продукция асбестоцементных заводов
- •9.8.5. Основные свойства асбестоцементных изделий
- •9.9. Строительные материалы на основе магнезиальных вяжущих веществ
- •9.10. Коррозия строительных конгломератов в эксплуатационных условиях
- •Глава 10 Искусственные строительные конгломераты на основе органических вяжущих веществ
- •10.1. Основные исходные материалы для получения иск
- •10.1.1. Битумы
- •10.1.2. Дегти
- •10.1.3. Отвердевание битумов и дегтей
- •10.1.4. Минеральные наполнители в качестве асфальтирующих добавок
- •10.1.5. Формирование асфальтового вяжущего вещества
- •10.2. Заполняющие компоненты в иск на основе органических вяжущих веществ
- •10.3. Основные разновидности иск на основе органических вяжущих веществ
- •10.3.1. Асфальтовые бетоны
- •10.3.2. Разновидности асфальтовых бетонов
- •10.3.3. Дегтебетоны
- •10.4. Деструкция асфальтобетона при эксплуатации покрытий
- •Глава 11 Строительные конгломераты на основе органических полимеров и пластмассы
- •11.1. Природные и искусственные органические полимеры
- •11.1.1. Полимеризационные полимеры (термопласты)
- •11.1.2 Поликонденсационные полимеры (реактопласты)
- •11.2. Наполнители, заполнители и добавочные вещества в иск
- •11.3. Основные технологические операции
- •11.4. Отверждение полимерных и наполненных вяжущих веществ
- •11.5. Разновидности искусственных полимерных конгломератов и пластических масс
- •11.5.1. Полимербетоны и полимеррастворы
- •11.5.2. Полимерные строительные материалы и изделия
- •11.5.3. Материалы для санитарно-технического оборудования и трубы
- •11.5.4. Отделочные полимерные материалы и изделия
- •11.5.5. Гидроизоляционные и герметизирующие материалы
- •11.6. Старение и деструкция полимерных материалов
- •Глава 12 Строительные конгломераты с применением комплексных вяжущих веществ
- •12.1. Конгломератные материалы на основе смешанных вяжущих веществ
- •12.2. Материалы и изделия на основе компаундированных и комбинированных вяжущих веществ
- •Глава 13 Теплоизоляционные материалы и изделия
- •13.1. Общие сведения
- •13.2. Способы поризации материалов
- •13.3. Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия
- •13.4. Органические теплоизоляционные материалы и изделия
- •13.5. Полимерные теплоизоляционные материалы
- •Глава 14 Акустические материалы и изделия
- •14.1. Общие сведения
- •14.2. Звукопоглощающие материалы
- •14.3. Звукоизоляционные материалы и изделия
- •Глава 15 Гидроизоляционные материалы и изделия
- •15.1. Общие сведения
- •15.2. Жидкие гидроизоляционные материалы
- •15.3. Пластично-вязкие гидроизоляционные материалы
- •15.4. Упруго-вязкие и твердые кровельные и гидроизоляционные материалы и изделия
- •Глава 16 Материалы для отделочных работ: краски, лаки, обои
- •16.1. Общие сведения
- •16.2. Исходные основные связующие и вспомогательные вещества для лакокрасочных материалов
- •16.3. Пигменты в красочных составах
- •16.4. Основные разновидности красочных веществ
- •16 5. Антикоррозионная защита полимерными материалами
- •16.6. Обои для отделки стен
- •2. Обжиговые искусственные конгломераты
- •Глава 17 Керамические материалы и изделия
- •17.1. Общие сведения
- •17.2. Глина — основное сырье для строительной керамики
- •17.3. Краткие сведения из технологии керамики
- •17.4. Структура и природа свойств керамических материалов
- •17.5. Керамические материалы и изделия
- •Глава 18 Стеклянные и другие плавленые материалы и изделия
- •18.1. Значение стеклянных изделий в строительстве
- •18.2. Состав и строение стекол
- •18.3. Свойства стекол
- •18.4. Основы производства стекла
- •18.5. Стеклянные материалы и изделия
- •18.6. Материалы и изделия из шлаковых расплавов
- •18.7. Каменное литье и материалы на его основе
- •Глава 19 Металлические материалы и изделия
- •19.1. Общие сведения
- •19.2. Основы получения чугуна и стали
- •19.2.1. Получение чугуна
- •19.2.2. Получение стали
- •19.3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •19.4. Углеродистые стали
- •19.5. Углеродистые конструкционные стали
- •19.6. Легированные стали и твердые сплавы
- •19.7. Термическая обработка стали
- •19.8. Сортамент стального проката
- •19.9. Алюминий и его сплавы
- •19.10. Коррозия железа и других металлов
- •Глава 20 Заключительная
17.4. Структура и природа свойств керамических материалов
При нагревании глинистой массы (или сырца), подготовленной определенным образом к термической обработке, до температур 110—250°С происходит испарение из различных глинообразующих минералов и пор изделия свободной и адсорбированной воды. В интервале температур 250—900°С происходит дегидратация, например каолинита в интервале температур 520—590°С, монтмориллонита и гидрослюд — при температурах 800—850°С. Этот процесс является эндотермическим и сопровождается небольшой усадкой обжигаемого сырья. Вместо кристаллического каолинита в сырце-изделии образуется аморфный метакаолинит Al2O3∙2SiO2. Примерно в этом же температурном интервале происходит диссоциация карбонатов с выделением СО2, сгорание органических примесей.
При дальнейшем нагревании дегидратированные соединения распадаются на первичные оксиды (глинозем, кремнезем и др.), в интервале температур 900—1250°С возникают в состоянии твердых фаз новые алюмосиликаты — неустойчивый силлиманит Al2O3∙SiO2, кристаллический муллит (типа природного) 3Al2O3∙2SiO2. Содержание последнего возрастает с повышением температуры, а процесс муллитизации (рост количества муллита) сопровождается экзотермическим эффектом и усадкой с уплотнением расплава. Наиболее интенсивное образование муллита происходит в интервале температур 1000—1200°С. Процесс перекристаллизации силлиманита в муллит следует по реакции 3(Al2O3∙SiO2) = 3 Al2O3∙2SiO2 + SiO2. Чем больше образуется новых соединений природного муллита, тем выше стойкость изделия к высоким температурам.
В результате последующего нагревания оставшийся свободный кремнезем из аморфного состояния переходит в кристаллическое с образованием кристобалита, возникает шпинель, например MgAl2O4 что сопровождается усадочными явлениями, а при температуре 1300°С и выше растворяется в стекле. При достижении критической температуры для данной системы сырьевая масса постепенно переходит в жидкое состояние, которое является расплавом и, кооме того содержит не полностью растворившиеся тугоплавкие минералы. В системе Al2O3 — SiO2 наиболее низкоплавкой точкой (1595°С) служит эвтектика между кристобалитом и муллитом при содержании 94% SiO2 (по массе). При других соотношениях этих оксидов в соединениях температура плавления от эвтектической быстро повышается, а у муллитй (28% SiO2 по массе) составляет уже 1850°С. Между температурами 1595—1850°С твердый муллит находится в жидком расплаве. Присутствие плавней существенно уменьшает число сильных ионных связей кислорода с атомами металла и способствует образованию слабых — с атомами флюса и с понижением точки плавления.
Таким образом, химическое взаимодействие компонентов глинистой массы начинается еще на стадии твердых фаз, а с ростом температуры нагревания масса постепенно переходит в жидкое состояние. Керамический расплав состоит из большого количества простых и сложных соединений.
При охлаждении керамического расплава наиболее характерным процессом является кристаллизация, которая проявляется в выпадении первых сравнительно чистых от примесей кристаллов и их последующем росте. Чистые компоненты, обладающие наименьшей плавкостью (растворимостью), к которым относятся в глинистых веществах в первую очередь Al2O3 и SiO2, способны выделяться в виде кристаллов корунда и а-кристобалита при температурах соответственно 2050 и 1723°С. Ввиду наличия минеральных примесей
происходит быстрый процесс муллитизации, причем при температуре 1595°С образуется твердая эвтектика между кристобалитом и муллитом (рис. 17.4). Кристаллизация в полной мере пройти не успевает, так как при принятой скорости охлаждения большая или меньшая часть расплава с выпавшими в нем кристаллами становится переохлажденной жидкостью, т. е. стеклом.
Рис. 17.4. Диаграмма состояния расплавов
Дальнейшее охлаждение сопровождается переходом α-кристобалита в β-кристобалит, а затем в β-кварц и α-кварц. Присутствие плавней и других примесей может весьма значительно смещать в сторону меньших температур границы этих аллотропических видоизменений кремнезема.
В результате отвердевания расплава образуется микроконгломерат, в котором кристаллические зерна муллита, кремнезема разных модификаций, других видов веществ, кристаллизующихся при остывании (в основном алюмосиликатов), сцементированы аморфной массой отвердевшего расплава. Поскольку на более ранней технологической стадии расплав был или мог быть объединен с огнеупорным заполнителем, образовавшийся микроконгломерат — вяжущее вещество — окаймляет отдельные зерна заполнителя и размещается в межзерновых пустотах. После охлаждения образуется обжиговый ИСК, в котором, кроме того, имеются контактные слои вяжущей части с поверхностью заполнителя. Нередко при обжиге используются вспучивающиеся глины. Тогда структура керамики становится в той или иной мере пористой. Чем большей вспучиваемостью обладает сырье, тем больший объем пор и меньшая средняя плотность у соответствующего ИСК.
Типичная технология производства строительной керамики предусматривает обжиг изделий в печах до температуры спекания, при которой расплав частично или полностью заполняет поры и капилляры сырца, смачивая поверхность заполняющих или образующихся (например, кристаллический кремнезем) твердых частиц керамической смеси. При охлаждении расплава происходит процесс кристаллизации и остекловывания, который в получаемом обжиговом (до спекания) конгломерате выполняет функцию вяжущего вещества — высокотемпературного цемента (по выражению А.А. Байкова). Огневая усадка глин составляет 2—8%.
В последнее время исследования (П.И. Боженов, Б.А. Григорьев и др.) показали, что при обжиге в условиях вакуума продолжительность обжига сокращается в несколько раз и при более низких температурах — на 100—150°С по сравнению с обжигом на воздухе. Обожженные в вакууме строительные конгломераты (кирпич, фаянсовые плиты и др.) имели повышенные показатели прочности, морозостойкости. Муллит образовывался при меньшей продолжительности изотермической выдержки, что благоприятствовало снижению энергозатрат (до 5%).
Сформировавшиеся микроструктуры керамического вяжущего вещества, подобно вяжущему безобжиговых конгломератов, представлены стекломассой, и кристаллическими фазами, которые цементируют остальную массу частиц изделия. При обжиге под вакуумом электротехнического фарфора была установлена изотропная кайма толщиной 0,5—1 мкм, окружавшая все зерна кварца. Кристаллическая фаза представлена муллитом Al6Si2O13 и другими новообразованиями, а также свободными кремнеземом в различных его аллотропических видоизменениях, некоторыми оксидами в кристаллическом состоянии, не вступившими в химическое взаимодействие во время термической обработки сырья. Стекловатая, аморфная фаза (переохлажденная жидкость) вяжущей части представлена в микроструктуре легкоплавкими компонентами, которые не успели выкристаллизоваться при заданной скорости остывания расплава.
Рис. 17.5. Керамика как комбинация атомов металла и неметалла (обычно кислорода); пример оксида магния: белые шарики на рисунке — атомы кислорода (шесть), черные — атомы металла (магния), связи — ионные: атом металла отдает два электрона атому кислорода
Вяжущая часть в процессе обжига может быть подвергнута вспучиванию за счет введения соответствующих добавок с эффектом поризации микроструктуры.
Если микроструктуру керамики рассматривать на атомно-молекулярном уровне, то ее можно охарактеризовать как комбинацию атомов металла с атомами неметалла, чаще всего с кислородом. Как отмечает Д. Гальман, относительно большие атомы кислорода образуют матрицу, в которой маленькие атомы металлов (Al, Mg, Si и др.) помещаются в промежутках между ними (рис. 17.5), причем в кристаллах керамики превалируют ионные и в несколько меньшей мере — ковалентные связи. Эти прочные связи предопределяют прочность и стабильность, химическую стойкость и долговечность керамических материалов, что обусловлено, в частности, их высокоокисленным составом, т. е. большим содержанием кислорода.
Микроструктура керамики далека от совершенства, так как в кристаллических решетках имеются дефекты в виде вакансий или пор атомного размера, дефекты по границам контакта между кристаллами, деформации и поры, поэтому прочность керамики значительно уступает прочности идеальных кристаллов. Однако в целом керамика обладает комплексом высоких качественных показателей, который согласуется с определенным фазовым соотношением стекла и кристаллов, особенно при оптимальной структуре. Так, например, на рис. 17.6 приведены кривые изменения фазового состава и свойств керамических плиток, обожженных по скоростному режиму (по экспериментальным данным В.Ф. Павлова). Видно проявление закона створа применительно к этой разновидности керамических материалов.
Рис. 17.6. Закон створа в отношении керамического сплава Fe2O3 и Na2O в плиточных массах с добавкой стекол:
а — 1000°С; б — 1050°С; в — 1 100°С; 1 — водопоглощаемость; 2 — кажущаяся плотность; 3 — содержание кристобалита; 4 — содержание кварца; 5 — содержание гематита; 6 — кислотостойкость; 7 — содержанке муллита
Средняя плотность керамических материалов равна от 200 до 2300 кг/м3, предел прочности при сжатии Rсж = 0,05 — 1000 МПа, водопоглощение 0 — 70%, марки по морозостойкости: 15, 25, 35, 50, 75, 100, теплопроводность 0,07 — 1,16 Вт/(м∙К).