Общее представление о строительных материалах

Всё многообразие строительных материалов и изделий не являются обособленными продуктами заводского производства или природного происхождения, изолированные друг от друга,. Несмотря на большое различие в их составе, технологии изготовления, производственном назначении в исходном сырье, все строительные материалы еще в большей мере остаются сходными между собой, а при так называемой оптимальной структуре - подобными друг другу. Их качество в значительной степени обусловлено характером оптимальной структуры, оно закономерно изменяется с изменением этой структуры при одинаковом составе материалов. Знание общих научных положений позволяет более осмысленно воспринимать специфические особенности, которыми обладают различные конкретные строительные материалы. Комплекс этих знаний состава и структуры материалов позволяет на практике обеспечивать качество материалов на заданном уровне, прогнозировать надежность и долговечность материалов в конструкции, разрабатывать новые материалы оптимизировать технологию производства со снижением их стоимости и т. д.

Все большинство материалов можно рассматривать как дискретные и конгломераты.

Дискретность – разделенный, прерывистый, зернистость строения материала.

Большинство дискретных материалов (щебень, гравий, песок) используются для получения конгломератов. Кроме того, дискретные материалы применяются в качестве конструктивных слоев дорожных одежд. Основными отличительными свойствами конструктивных слоев дорожных одежд из дисперсных материалов являются отсутствие прочности на изгиб и низкая сдвигоустойчивость. Как правило, дискретные материалы относятся к гетерогенным системам.

Гетерогенная система – разнородная, состоящая из различных по физическим свойствам и химическому составу частей. Все искусственные конгломераты являются гетерогенными системами.

Искусственными строительными конгломератами называют материалы, применяемые в строительстве, в которых заполнитель (дискретный материал или система) сцементирован в общий монолит посредством вторичных дисперсных вяжущих веществ.

В земной коре имеются природные (естественные) конгломераты, которые формировались в течение длительного времени: песчаники, известняки, гипсы, битумосодержащие породы и др.

К искусственным строительным конгломератам (ИСК) относят цемент- и асфальтобетоны, растворы, полимербетоны и полимерасфальтобетоны, керамические материалы и др.

Путем изменения:

1. гранулометрического состава заполнителей;

2. минерального и химического состава вяжущего;

3. технологическими способами;

4. введением специальных добавок (ПАВ) можно изменять и активно регулировать структуру и свойства конгломератов, в значительной степени изменять свойства исходных дисперсных материалов и систем.

Ориентировочно 90% от общего количества строительных материалов приходится на долю ИСК и их компонентов (вяжущих и заполнителей). Оставшиеся 10% – металлические и деревянные материалы.

Основой классификации конгломератов является общая теория формирования их структуры, свойств и методов исследования.

Требуемый зерновой состав минеральных материалов определяется областью их применения:

Щебень

– для асфальтобетонных и цементобетонных смесей

- для железобетонных изделий

- для устройства щебеночных оснований автомобильных дорог

- для строительства фундаментов зданий и сооружений

- для устройства подпорных стенок в горных районах и т.д.

Песок

- в качестве мелкого заполнителя при приготовлении асфальтобетонных и цементобетонных смесей

- для строительных растворов

Каменные материалы определяют макроструктуру конгломератов, которая в значительной степени зависит от максимального размера фракций.

Минеральный порошок, определяет мезоструктуру, микроструктуру, асфальто- и битумоминеральных материалов. В связи с этим дисперсность его значительно выше, чем щебня и песка. Зерновой состав (дисперсия) неактивированного минерального порошка (фр < 1.25 мм) должен быть таким, чтобы не менее 70 % зерен проходило через сито размером 0,071 мм (удельная поверхность 2000 + 2500 см²/г). Именно при такой дисперсности минеральный порошок обеспечивает надлежащие качества асфальтовяжущего в частности и асфальтобетона в целом. Более высокая дисперсность минерального порошка обуславливает его слеживаемость, повышенный расход битума и осложняет подбор составов асфальтобетонных смесей. К сведению, общая удельная поверхность МП составляет до 80 % всей поверхности минеральных материалов асфальтобетона.

Цементы, обуславливающие микроструктуру цементобетона характеризуются еще более высокой дисперсностью в сравнение с минеральным порошком. Так зерновой состав цемента должен быть таким, чтобы содержание фракций размером менее 0,08 мм составляло более 85% удельная поверхность обычных цементов 2000-3000, быстротвердеющих 3500-5000 см²/г.

Дисперсность цемента в значительной степени определяет активность (марку) вяжущего, а также начало и конец его схватывания. Технология приготовления, укладки и уплотнения цементобетонов тесно связана с дисперсностью в частности цемента, и составляющих в целом.

В общем случае рациональный предел тонкости помола устанавливают экспериментальным путем.

Предел дисперсности минеральных материалов устанавливают с помощью предварительных исследований и с учетом предполагаемой технологии ее основных параметров.

Структурообразование ИСК происходит преимущественно на стадиях

производства с последующим их применением для получения готовых к употреблению конгломератов, завершающееся в основном после полного затвердевания. В некотором объеме оно может продолжаться вэксплуатационный период, хотя для последнего более всего характерным являются процессы старения конгломератов.

В технологии производства конгломератов можно выделить ряд типичных операций

К наиболее важным в структурообразование относятся:

1. подготовительные операции;

2. перемешивание отдозированных материалов;

3. формирование и уплотнение изделий из готовой смеси;

4. обработка отформованных изделий.

К процессам структурообразования и сопутствующих им явлениям относят также конструкцию, усадку, релаксацию, ретардацию и некоторые другие явления и процессы, возникающие в системе на различных этапах технологии и затвердевания конгломерата. Они оказывают существенное влияние на скорость общего процесса структурообразования.

Контракция состоит в самопроизвольном сжатии (самоуплотнении) системы с уменьшением ее первоначального объема в основном за счет образования новых химических соединений (химическая усадка) с переводом некоторой доли объемной (свободной) жидкой среды в химически связанное состояние.

Усадка - уменьшение в объеме, что происходит под влиянием сжимающих капиллярных сил. переходе твердых компонентов в жидкое состояние с последующим заполнением пор и пустот жидкой средой, испарения части жидкой среды, снижения температуры (охлаждения), в том числе вследствие эндотермического эффекта.

Релаксация – при снижении напряжения (нагрузки) деформация остается неизменной.

Ретардация – наоборот, деформация при неизменной нагрузке увеличивается (так называемая – усталостность материала).

Таким образом, анализ показывает, что комплекс процессов, протекающих на основных этапах технологии изготовления искусственных строительных конгломератов, характеризуется большим числом переменных и сложных взаимосвязей. Это практически исключает возможность выразить комплекс процессов в математической форме, например в виде системы дифференциальных уравнений.Более предпочтительным остается экспериментальный метод что не противоречит, и, наоборот, в полной мере согласуется с диалектическими представлениями об основных тенденциях развития современной науки.