Курс лекций: Строительные материалы

3. Структура -- совокупность устойчивых связей, обеспечивающих соединению (материалу) единое целое.

Структуру тела (материала) можно классифицировать по двум основным признакам: по процессу формирования и по определенному состоянию.

По первому признаку структура подразделяется на коагуляционную, конденсационную и кристаллизационную, а по второму -- на кристаллическую (устойчивую), аморфвую (неустойчивую) и аморфно-кристаллическую (сложную).

Большинство гидратационных материалов образует кристаллическую структуру, большинство обжиговьих материалов -- аморфно - кристаллическую или стеклокристаллическую, а большинство плавленых -- аморфную или стеклообразную структуру.

Стеклокристаллическая структура подразделяется на два вида:

образующаяся из кристаллической структуры по разрушительному процессу (традиционная керамика);

образующаяся из стеклообразной структуры по созидательному процессу (ситаллы).

Тип и характер структуры определяют весь комплекс свойств строительных материалов.

4. Свойство -- особенность вещества или материала, проявляющаяся при взаимодействии с окружающей средой или другим веществом (материалом).

Любой материал с определенным внутренним строением, микро- и макроструктурой и свойствами можно представить в виде системы (наподобие термодинамической), элементы которой взаимосвязаны и роль каждого элемента строго определена.

В данном случае координатами такой системы могут быть: масса, определяющая химические поля взаимодействия, а следовательно, химические свойства; объем, определяющий поля напряжения, а следовательно, механические свойства; температура, определяющая тепловые поля, а следовательно, термические свойства материала.

Свойства материала взаимосвязаны и выполняют роль индикаторов, которые в любой период его существования характеризуют то или иное состояние системы, т.е., по аналогии с термодинамической системой, являются основными параметрами материала как системы.

Взаимосвязь свойств наглядно прослеживается при рассмотрении теплофизическмх и деформативных свойств материала.

Свойство -- это качественная, отличительная характеристика вещества, материала или изделия. В материаловедении эта характеристика является заключительным звеном в цепи “состав -- химическая связь -- структура -- свойство”, а при разработке технологии и создания нового материала -- основным, определяющим параметром или условием его получения.

Тема 3. Природные строительные материалы. каменные материалы и древесина

Природные каменные материалы

Природные каменные материалы получают из горных пород путем их механической обработки (пилением, колкой, дроблением, помолом, просеиванием). Они широко применяются в строительстве в качестве:

- отделочных материалов для облицовки зданий и сооружений;

- стеновых кладочных материалов;

- материалов для дорожного строительства;

- материалов для приготовления бетонов;

- сырья для получения минеральных вяжущих;

- активных минеральных добавок и пр.

Горные породы - природные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел. Состав, строение и условия залегания пород находятся в причинной зависимости от формирующих их геологических процессов, происходящих в определенной обстановке внутри земной коры или на земной поверхности.

По происхождению горные породы делят на три основных вида:

а) магматические, или изверженные (глубинные, или излившиеся), образовавшиеся в результате затвердевания в недрах земли или на ее поверхности, в основном из силикатного расплава - магмы (гранит; кварцевый порфир; пемза; сиенит; бескварцевый порфир; вулканический туф; диорит; андезит; порфирит; габбро; диабаз; базальт);

б) осадочные, образовавшиеся путем осаждения неорганических и органических веществ на дне водных бассейнов и на поверхности Земли (галька; гипс; известняк; песок; песчаник; ангидрит; мел; брекчия; магнезит; ракушечник; глина; доломит; диатомит; известковый туф; боксит; трепел);

в) метаморфические изверженные или осадочные, являющиеся продуктом изменения изверженных и осадочных пород под воздействием высоких температур и давлений (гнейс; мрамор; глинистый сланец; сланец; кварцит).

Свойства горных пород зависят, в первую очередь, от их строения (структуры), характеризующегося степенью их кристалличности, формой и размерами зерен, а также от минералогического состава.

Горные породы могут состоять из одного минерала (мономинеральные) или нескольких минералов (полиминеральные).

Минералы - составные части земной коры (горной породы), образовавшиеся в результате геохимических процессов, имеющие постоянный химический состав, физические свойства, однородное строение.

Строительные свойства горных пород в значительной степени зависят от минералогического состава. Среди большого разнообразия минералов только небольшая их часть (около 40-50 минералов) принимают основное участие в образовании горных пород. Эти минералы называют породообразующими.

В основу классификации минералов положен их химический состав. Выделены следующие классы минералов: оксиды (кварц); алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, глины); железисто-магнезиальные минералы (пироксены, амфиболы, оливин); карбонаты (кальцит, магнезит, доломит); сульфаты (гипс, ангидрит) и др.

Каждый минерал кроме химического состава характеризуется определенными физическими свойствами, такими как: плотность, твердость, прочность, стойкость, блеск, спайность.

Преобладание в породе тех или других минералов отражается на строительных свойствах каменного материала.

Магматические породы

Классификация магматических пород

Магматические (изверженные) горные породы образовались в результате отвердевания при остывании расплавленной магмы, поднявшейся из глубины земли. Различные условия охлаждения магмы привели к образованию магматических пород, различающихся по строению и свойствам. Магматические породы являются, в основном, полиминеральными.

Глубинные (интрузивные) образовались на значительных глубинах в условиях высоких температур и давления, медленного и равномерного остывания магмы. Вследствие благоприятных условий для кристаллизации минералов глубинные породы формируются с образованием полнокристаллической структуры, массивной текстуры. Они обладают большой плотностью, высокими прочностью на сжатие и морозостойкостью, малым водопоглащением и большой теплопроводностью. Например: гранит, сиенит, диорит, габбро, лабрадорит.

Излившиеся (эффузивные) образовались при быстром охлаждении магмы в условиях низких температур и давлений. Как правило, они имеют аморфную, полу- или скрытокристаллическую структуру, массивное строение (порфир, трахит, диабаз, базальт, порфирит), если излившиеся породы образовались в большой толще и сходны с глубинными или обломочное строение (пемза, туф, пепел), если образование их происходило в сравнительно тонком слое или на поверхности земли в результате вулканической деятельности.

Главные породообразующие минералы магматических пород Большинство магматических пород содержат минералы, относящиеся к химическим соединениям трех типов: кремнезем, силикаты, алюмосиликаты.

Кварц - диоксид кремния (SiO₂) в кристаллической форме. Его плотность составляет 2650 кг/м³, твердость - 7, прочность при сжатии - до 2000 МПа, имеет высокую стойкость. При выветривании зерна кварца не разрушаются и образуют пески. Кварц обладает несовершенной спайностью, имеет различную окраску (бесцветную, желтую, молочную) и стеклянный блеск. При обычной температуре кварц не взаимодействует с кислотами (кроме плавиковой и горячей фосфорной) и щелочами. Плавится кварц при 1710^оС и при быстром охлаждении расплава дает кварцевое стекло.

Таблица 1.1 Генетическая классификация горных пород

Полевые шпаты - алюмосиликаты, образовавшиеся в результате взаимодействия оксидов кремния и алюминия с оксидами щелочных металлов. Имеют спайность по двум направлениям. Наиболее распространенными разновидностями полевых шпатов являются: ортоклаз (прямораскалывающийся) K₂O Al₂O₃ 6SiO₂ и плагиоклазы (косораскалывающиеся) в виде альбита Na₂O Al₂O₃ 6SiO₂ и анортита CaO Al₂O₃ 2SiO₂ и их смеси. Они имеют различную окраску от белого и серого до розового и темно-красного цветов, плотность - 2500...2760 кг/м³, твердость - 6, предел прочности при сжатии - до 170 МПа, температуру плавления - в пределах 1170...1550^оС. Стойкость полевых шпатов ниже, чем кварца. Легко выветриваются.

Слюды - минералы с весьма совершенной спайностью в одном направлении, которые способны расщепляться на тончайшие упругие пластинки. По химическому составу они представляют собой водные алюмосиликаты сложного состава. Мусковит - светлая алюминиевая слюда, биотит - железисто-магнезиальная слюда темного цвета. Плотность слюд составляет 2760...3200 кг/м³, твердость - 2...3, стойкость биотита меньше, чем мусковита. Присутствие слюд в породах затрудняет их шлифовку, полировку.

Железисто-магнезиальные минералы называют темно-окрашенными (от темно-зеленого до черного). По химическому составу это железисто-магнезиальные силикаты. Наиболее распространенные минералы этой группы: амфиболы, пироксены, оливин. Их плотность находится в пределах 3000-3600 кг/м³, твердость - 5,5-7,5, имеют высокую ударную вязкость, высокую стойкость.

Глубинные породы

Гранит и близкие к нему переходные породы (гранитоиды) состоят из кварца, полевых шпатов, слюды, иногда роговой обманки или авгита. Это самые распространенные из всех магматических пород. Цвет породы определяется цветом полевых шпатов. Плотность составляет 2600-2800 кг/м³, прочность при сжатии - 100-250 МПа. Водопоглощение - менее 1 %, имеют высокую морозостойкость - более 200 циклов, хорошую сопротивляемость истиранию, высокую теплопроводность. Граниты хорошо обрабатываются. Их используют для облицовки зданий и гидротехнических сооружений, в качестве плит для полов, ступеней, материалов для дорог, в качестве крупного заполнителя для бетонов, бутового камня и т.п.

Сиенит в отличие от гранита не содержит кварца, а состоит в основном из полевого шпата и темно-окрашенных минералов (до 15 %). Сиенит похож на гранит, но среднезернистой структуры и окраска темнее. Свойства сиенита близки к свойствам гранита.

Диорит примерно на 3/4 состоит из полевых шпатов и до 25 % содержит темноокрашенные минералы. Характеризуется мелко- и среднезернистым строением и серо-зеленым или темно-зеленым цветом. По строительным свойствам не уступает гранитам. Его применяют при облицовочных работах и в дорожном строительстве.

Габбро состоит из полевого шпата (до 50 %) и темноокрашенных минералов, представляет собой поликристаллическую породу от темно-серого до черного цвета. Его применяют в виде штучных изделий для облицовок, дорожных покрытий, щебня для бетонов.

Излившиеся породы

Порфиры - излившиеся горные породы, близкие по химическому составу к гранитам (кварцевый порфир), сиенитам (бескварцевый порфир), диоритам (порфирит) и характеризующиеся порфировой структурой. Порфиры менее устойчивы к выветриванию, слабее сопротивляются истиранию. Другие строительные свойства порфиров близки к свойствам глубинных пород.

Трахит - излившаяся порода, имеющая тот же минеральный состав, что и сиениты, но более пористая, так как отвердевала на поверхности земли. Его применяют в качестве стенового материала и щебня для бетонов.

Андезит - аналог диорита, но отличается от него порфировой структурой. Плотные андезиты применяют в виде кислотоупорных плит и щебня для кислотоупорного бетона.