Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
1 Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» Т.В. Шеина АРХИТЕКТУРНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебное пособие Часть I Самара 2011 2 УДК 691:72.02 (075.8) Шеина, Т.В. Архитектурное материаловедение: учебное пособие / Т.В. Шеина; Самарск. гос. арх.-строит. ун-т. – Самара, 2011. – 360 с. ISBN В первой части учебного пособия изложены основы архитектурного ма- териаловедения, показана взаимосвязь элементного, химико- минералогического, фазового и вещественного состава, макро-, микро- и уль- трамиктроструктуры и функциональных свойств строительных материалов. Кратко описаны основные и декоративные свойства горных пород и природных каменных материалов, древесины, материалов и изделий на ее основе, декора- тивно-облицовочной и конструкционной керамики и стекла, а также металлов и сплавов, применяемых в строительстве, архитектуре и дизайне. Включены новейшие данные о нанообъектах, наноматериалах и области их применения в строительстве, архитектуре и дизайне. Приведены сведения о традиционных, умных и интеллектуальных композитах. Предназначено для студентов специальности 290100 «Архитектура», дисциплина «Архитектурное материаловедение» (I курс, II семестр). Табл. 65. Ил. 285. Библиогр.: 43 назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета университета Рецензенты: проф., д.т.н. Н.Г. Чумаченко проф., д.т.н. А.И. Хлыстов Редактор Г.Ф. Коноплина Учебное издание Пописано в печать 06.09. 2011 г. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Уч.-изд.л. . Усл. печ. л. . Тираж 100 экз. 443001 Самара, ул. Молодогвардейская, 194 Самарский государственный архитектурно-строительный университет. ISBN © Самарский государственный архитектурно- строительный университет, 2011 © Шеина, Т.В. 2011 3 ОГЛАВЛЕНИЕ 1 Основы архитектурного материаловедения………………………………5 2 Взаимосвязь состава, структуры и свойств строительных материалов…………………………………………………..5 2.1 Элементный, химико-минералогический, фазовый и вещественный составы материалов…………………………….5 2.2 Макро-, микро- и ультрамикроструктура материалов…..….…..11 2.3 Пространственные решетки кристаллов………………….……….18 2.4 Дефекты строения в кристаллах……………………………………22 3 Механические свойства строительных материалов………………….…25 3.1 Прочность и ее разновидности……………………………………..25 3.2 Динамическая, длительная и усталостная прочность…….………29 3.3 Деформационные характеристики…………………………………30 3.4 Твердость…………………………………………………………….32 3.5 Истираемость и износ……………………………………………….34 4 Физические свойства материалов.…………………………………………36 4.1 Параметры физические состояния………………………………….36 4.2 Структурные характеристики……………………………………....37 4.3 Поверхностные свойства…………………………………………….39 4.4 Гидрофизические свойства…………………………………………..41 4.5 Теплофизические свойства…………………………………………..47 4.6 Химические свойства………………………………………………...51 4.7 Дисперсные системы…………………………………………………54 5 Технологические свойства материалов.…………………………………..56 6 Декоративные свойства материалов………………………………………57 7 Композиционные материалы……………………………………………….62 7.1 Классификация композиционных материалов……………………...62 7.2 Состав и строение композита………………………………………...64 7.3 Оценка матрицы в формировании свойств композита……………..68 7.4 Композиционные материалы на основе органической матрицы………………………………………………..70 7.5 Композиционные материалы на основе неорганической матрицы……………………………………………..76 8 Наноматериалы в строительстве и архитектуре………………………....88 8.1 Нанообъекты и область их применения……………………………..90 8.2 Диагностика наноматериалов……………………………………….104 9 Материалы, получаемые обработкой камня……………………………109 9.1 Краткие сведения из геологии. Понятие о минералах и горных породах…………………………...109 9.2 Состав и свойства породообразующих минералов………………..111 9.3 Генетическая классификация горных пород……………………….116 9.4 Поделочные камни.……………………………………………….…124 9.5 Монументальный камень……………………………………………126 9.6 Месторождения облицовочного камня в России…………………...127 9.7 Основные критерии оценки горных пород как 4 декоративно-облицовочного камня…………………………………128 9.8 Обработка и область применения декоративного камня………….135 9.9 Способы предохранения камня от коррозии……………………….141 9.10 Камнеобрабатывающие оборудование и сопутствующие материалы……………………………………….143 10 Лесоматериалы………………………………………………………….….146 10.1 Классификация основных пород древесины……………………….147 10.2 Строение и состав древесины………………………………….…….146 10.3 Химические, физические и механические свойства древесины…………………………………………….……152 10.4 Пороки древесины……………………………………………………165 10.5 Материалы и изделия из древесины………………………………...169 11 Архитектурно-строительная керамика………………………………...199 11.1 История керамики……………………………………………………199 11.2 Сырьевые материалы и их свойства………………………………...209 11.3 Производство керамических изделий……………………………….216 11.4 Классификация керамических материалов и изделий……………………………………………………………...222 12 Стекло в архитектуре и дизайне………………………………………...239 12.1 История стекла………………………………………………………..239 12.2 Технология получения стекла.…………..…..………………………246 12.3 Производство стеклянных изделий…………………………………250 12.4 Свойства стекла………………………………………………………263 12.5 Декоративные материалы из стекла………………………………...267 12.6 Функциональные покрытия на листовом стекле…………………...279 12.7 Конструкционные стеклоизделия…………………………………...289 13 Металлы и сплавы ………………………………………………….……..295 13.1 История металлов…………………………………………………….295 13.2 Общие сведения и классификация…………………………………..311 13.3 Атомно-кристаллическое строение металлов………………………316 13.4 Диаграмма состояния железо – цементит в фазовом виде……………………………………………………….317 13.5 Свойства металлов и сплавов……………………………………….321 13.6 Виды чугунов………………………………………………………...325 13.7 Производство чугуна………………………………………………...329 13.8 Виды сталей…………………………………………………….…….330 13.9 Производство стали………………………………………………….346 13.10 Коррозия металлов и способы защиты……………………………349 13.11 Способы обработки металлов……………………………………..350 13.12 Цветные металлы…………………………………………….…..…361 13.13 Сплавы цветных металлов…………………………………………367 Библиографический список……………………………………………….……373 5 1 ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Любая конструкция воспринимает те или иные нагрузки и подвер- гается действию окружающей среды. Нагрузки вызывают деформации и внутренние напряжения в материале, поэтому проектирование зданий и сооружений требует точных характеристик прочностных и деформационных свойств, называемых механическими свой- ствами. Кроме прочности, строительные материалы должны обладать стойко- стью, т.е. способностью сопротивляться физическим и химическим воздей- ствиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров воды и газов, воды и рас- творенных в них веществ, колебаниям температуры и влажности, совместному действию воды и мороза при многократном замораживании и оттаивании. Исходя из условий работы материала в зданиях и сооружениях, строи- тельные материалы можно разделить по назначению на две основные группы. Первую группу составляют материалы универсального типа, пригодные для несущих конструкций: искусственные каменные материалы, получаемые на основе вяжущих веществ без обжига (бетоны, строительные растворы) и об- жигом минерального сырья (керамика, стекло, ситаллы, металлы); конструкци- онные пластмассы; лесные и природные каменные материалы. Вторая группа объединяет строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных влияний окру- жающей среды и для повышения эксплуатационных характеристик зданий и сооружений, а также для создания комфорта: теплоизоляционные иакустиче- ские; гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие; отделочные и ан- тикоррозионные материалы. 2 ВЗАИМОСВЯЗЬ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2. 1 Элементный, химико-минералогический, фазовый и вещественный состав материалов Для строительных материалов, представляющих собой смесь различных компонентов (например, портландцемент, сухая растворная смесь и другие), свойства во многом зависят от процентного содержания каждого компонента (вещественного состава). Вещество – это часть материи, представляющая собой химическое со- единение, состав которого можно выразить простой химической формулой. Оно имеет определенную структуру и следующие физические и химические свойства: плотность, твердость, теплоемкость, коэффициент термического рас- ширения, температуру плавления, растворимость, химическую активность, ад- сорбционную способность, электрические характеристики, цвет и цвет черты. Так, для портландцемента вещественный состав характеризуют процент- ным содержанием клинкера, природного гипса, а также видом и количеством активных минеральных или органических добавок. 6 Важно также уделить внимание составу вещества, который, несомненно, влияет на свойства материала вне меньшей степени. Элементарный состав показывает, какие химические элементы и в ка- ком количестве входят в состав вещества. Например, элементарный состав би- тума колеблется в следующих пределах %: С – 70…85; Н – 9…16; S – 2…9; О – 1…5; N – 0…2. Гетероатомы О, S, N образуют активные функциональные группы СООН, ОН, NН 2, SН, SО 3 Н, которые являются реакционноспособными, т.е. интенсифицируют адгезию (прилипание) битума к каменным материалам. Естественно, чем их больше, тем больше адгезия битума, а значит и водостой- кость асфальтобетонов. Чем меньше атомное отношение С:Н и больше гетеро- атомов в битуме, тем выше его молекулярная масса и, соответственно, вязкость и температура размягчения, а значит и теплоустойчивость асфальтобетонов. Физико-химические свойства вещества определяются также и электронным строением атомов химических элементов, из которых он со- стоит (рисунок 1). Особенности каждого химиче- ского элемента определяются, прежде всего, коли- чеством протонов в ядре. В ядре атома платины 78 протонов, если добавить еще один протон, полу- чится золото. Число протонов также влияет на ко- личество и расположение электронов, вращаю- щихся по своим орбитам. Периодическая таблица Д.И. Менделеева очень точно указывает на спо- собность элементов вступать в химические реак- ции, о которой говорит валентность атомов или количество электронов на внешней орбите. Зная этот показатель, можно заранее предсказать, как именно поведет себя химический элемент во время конкретной реакции. Поэтому, при разработке ма- териалов и процессов их получения необходимо четко представлять, как различные элементы отда- ют и принимают электроны, как изменение элек- тронного состояния влияет на свойства элементов. Рисунок 1 – Структура атома. Она была открыта внача- ле XX в. Э. Резерфордом, а в 20-х гг. интерпретирована Н. Бо- ром – маленькое положительно заряженное ядро в центре, окруженное еще более мелкими (примерно 2000 раз меньше массы протона и нейтрона) отрицательно заряженными электронами, вращающимися по своим орбитам. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, кото- рые имеют общее название нуклоны. Нейтроны удерживают положительно заряженные протоны, стремящиеся оттолкнуть- ся друг от друга. В 70-х гг. было установлено, что внутри каж- дого протона и нейтрона имеется по три кларка. Они обмени- ваются глюонами (от англ. Glue – клей), способными преодо- леть силы отталкивания, или частицами, которые являются квантами цветового поля. Атом не имеет электрического заря- да, поскольку число протонов и электронов в нем одинаково. 7 В редких случаях изменение физико-химических свойств веществ зависит не от элементного состава, а от строения. Так, элементный состав алмаза, гра- фита, карбина, фуллерена, лонсдейлита (кристаллическая форма) и пироугле- рода, пирографита, стеклоуглерода, сажи, кокса (аморфные и частично кри- сталлическими переходные формы) представлен углеродом. Однако свойства этих веществ разительно отличаются друг от друга. Алмаз представляет собой пространственный трехмерный полимер с тет- раэдрическим расположением валентных связей. Это изотропный атомный кри- сталл, атомы углерода которого находятся в состоянии sp 3 -гибридизации, связи между атомами углерода ковалентные и одинаковые по длине (рисунок 2). Рисунок 2 – Кристаллическая структура алмаза Графит является «паркетным» полимером. Он имеет гексагональ- ное строение (рисунок 3). В плоско- стях слоев между атомами суще- ствуют ковалентные sp 2 -гибридные связи, а между слоями – вандерва- альсово взаимодействие, что пред- определяет сильную анизотропию свойств вдоль параллельных и перпендику- лярных направлений к плоскостям слоев. Слабостью сил ван-дер-ваальса объ- ясняется и возможность использования графита для письма и сухой смазки – связи по ним разрываются, и чешуйки графита в виде слоев, составленных из шестиугольных колец углерода, остаются на бумаге. Рисунок 3 – Кристаллическая структура графита Карбин – углеродный полимер с линейной струк- турой. В молекулу карбина входит до 2000 атомов. Дли- на полимерных нитей колеблется от 50 до 250 нм. Плот- ность карбина 1900...3200 кг/м з . Карбин химически инертен, обладает полупро- водниковыми свойствами – при облучении светом его проводимость резко возрастает (рисунок 4). Рисунок 4 – Структура карбина Строение пироуглерода – графитовые сетки, объеди- ненные по несколько штук в пакеты или кристаллы и расположенные параллельно поверхности осаждения. При нагреве выше 1800 °С наблюдается упорядочение турбостратного строения с образованием графи- та, свыше 2400 °С образуется пирографит (рисунок 5). Стекловидный углерод (стеклоуглерод) – сетчатый полимер углерода, имею- 8 щий надмолекулярное строение в виде клубков (глобул). При этом глобулы представляют собой беспорядочное переплетение лентовидных молекул. Рисунок 5 – Изделия из пиро- и стеклоуглерода Минералогический состав показывает, какие минералы и в каком коли- честве содержатся в вяжущем веществе или горной породе. Например, в порт- ландцементе содержание трехкальциевого силиката (3СаОSiО 2 ) составляет 45…60 %, причем при большем его количестве ускоряется твердение, повыша- ется прочность цементного камня. Минералогический состав горных пород в значительной мере предопре- деляет физико-механические, технологические и эстетические свойства обли- цовочного камня и с этой точки зрения представляет повышенный интерес для технологии его обработки и соответственно для камнеобработчиков. Такие ми- нералы как кварц и слюда придают граниту характерный блеск, а полевые шпаты окрашивают его в серый или розовый цвет. В то же время граниты с преобладанием кварца отличаются высокой прочностью и долговечностью, слюда же наоборот существенно снижает эти показатели. Химический состав строительных материалов позволяет судить о некото- рых его свойствах: огнестойкости, биостойкости, электропроводности, механи- ческих и других технических характеристиках. Например, наличие в глине ок- сида алюминия повышает ее огнеупорность, а отсутствие оксида железа при- дает ей белый цвет. Оксиды бериллия, магния, кальция и бария способствуют снижению коэффициента термического расширения стекла. Термическое же расширение стекла растет, если в нем присутствуют оксиды лития, натрия и ка- лия. Химический состав неорганических вяжущих (цемента, извести и камен- ных материалов) удобно выражать количеством содержащихся в них оксидов. Кислые (SiO 2 ), амфотерные (Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 ) и основные (CaO, MgO, Na 2 O, K 2 O) оксиды в природных условиях или в процессе высокотемпературной обработки химически взаимодействуют с образованием комплексных соединений, свой- ства которых различны и зависят от химического состава. Фазовый состав. В материале выделяют твёрдые вещества (твёрдую фа- зу), образующие стенки пор, т.е. «каркас» материала, а также поры, заполнен- ные воздухом и водой, – газообразные и жидкие вещества (газообразная и жид- кая фазы). Процентное содержание этих фаз разительно изменяет свойства матери- алов, а значит и область их применения. Так, в теплоизоляционных материалах Стеклоуглеродные тигли Изделия из пироуглерода 9 количество газообразной фазы может достигать 98 %, а в гидроизоляционных материалах оно приближается к нулю. Если вода, являющаяся компонентом материала, замерзает (происходит фазовый переход из жидкого в твердое состояние), то образовавшийся в порах лед изменяет его механические и теплофизические свойства. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает в материале внутренние напряже- ния, способные его разрушить при повторных циклах замораживания и оттаи- вания. Процесс твердения цементобетона при положительных температурах сопровождается испарением воды с образованием открытых пор, что в конеч- ном итоге снижает его такие эксплуатационные показатели как водо- и морозо- стойкость. На свойства материалов существенное влияние оказывает и структура твердой фазы, которая может быть кристаллической или аморфной. Вещества с кристаллической структурой имеют ряд особенностей. Ато- мы в них располагаются в строго определенном порядке, образуя простран- ственную решетку, за счет которой имеют вид правильных многогранников. Такая форма, в частности, присуща кристаллам кальцита, кварца, апатита. Мно- гие из них обладают неоднородностью свойств – анизотропностью по разным направлениям. Это механическая прочность, теплопроводность, скорость рас- творения, электропроводность и другие, вызванные дальним порядком (упоря- дочением) расположения атомов. Они имеют строго определенную температуру плавления (при пос- тоянном давлении). Для них свойственно явление полиморфизма, характеризу- ющееся скачкообразным изменением кристаллической решетки в твердом со- стоянии при определенной температуре. Например, полиморфные превращения железа или кварца, сопровождающиеся изменением объема (рисунки 6, 7). Рисунок 6 – Полиморфные превращения же- леза Кремнезем SiО 2 в обычных условиях чаще всего встречается в виде мине- рала β-кварца с p = 2,656 г/см 3 , при температуре 573 о C превращается в α-кварц с плотностью 2,56 г/см 3 , а объем кристалла увеличивается примерно на 3,5 %. При дальнейшем медленном повышении температуры до 870 о С может превра- титься в α-тридимит, обладающий плотностью 2,2 г/см 3 , объем которого может увеличиться на 19 %. Вещества с аморфной структурой имеют обычно форму натеков, как например, лимонит (или бурый железняк). Атомы в них расположены беспоря- 10 дочно, т.е. имеют ближний порядок, где закономерность существует только в расположении соседних частиц. Такие вещества не обладают определенной температурой плавления, по- этому при нагревании они постепенно размягчаются, пока окончательно не расплавятся (стекло, янтарь, обсидиан, твердые смолы, полимеры). В аморфном веществе различные свойства (теплопроводность, упругость, прочность) не за- висят от направления. Такие вещества называются изотропными. Рисунок 7 – Полиморфные превращения кварца Так как кристаллическая форма более устойчива, то для того чтобы вы- звать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью, в тех- нологии силикатного кирпича применяют автоклавную обработку отформован- ного сырца насыщенным водяным паром с температурой 175 о С и давлением 0,8 МПа. Между тем, трепел (аморфная форма SiО 2 ) вместе с известью после затворения водой образует гидросиликат кальция при температуре 15...25 о С. Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различны- ми состояниями одного и того же вещества (например, кристаллический кварц и различные формы кремнезема – трепел). Аморфная форма веществ может перейти в более устойчивую кристалли- ческую форму. Опал – аморфная форма кремнезема, со временем, старея, кри- сталлизуется и переходит в кристаллическую форму – халцедон и его разно- видности: агат, оникс, яшму, используемые в качестве полудрагоценных кам- ней. Для аморфных веществ (например, трепел, диатомит и опока) характерна меньшая плотность, твердость, но большая химическая активность и раствори- мость, чем для кристаллических веществ (кварцевый песок). Первые три ис- пользуются в качестве активных минеральных добавок, последний – инертный заполнитель в растворах и бетонах. Четвертым агрегатным состоянием веще- ства часто считают плазму. Плазма |