Учебно-методическое пособие по изучению дисциплины ОП.01. Основы материаловедения и выполнению контрольных работ по профессии 08.01.07 Мастер общестроительных работ
учебно-методическое пособие на тему

1. Инструкция по работе с учебно-методическим пособием

В разделе «Программа дисциплины» приведены темы и указывается, что необходимо знать в пределах каждой темы. В конце темы приводятся вопросы для самопроверки и литература из списка рекомендуемой литературы с указанием страниц, где излагается материал темы. Вариант контрольного задания выбирается по последней цифре шифра зачетной книжки.

В разделе «Лабораторные работы» приведен перечень лабораторных работ к некоторым темам дисциплины, которые будут проводиться в период зимней экзаменационной сессии, и указывается литература для подготовки.

2. Программа дисциплины

Введение

Чтобы правильно выбрать материал, спроектировать и построить сооружение надо хорошо знать свойства применяемых материалов. Современное развитие строительного комплекса в России невозможно без значительного увеличения объема производства продукции промышленности строительных материалов. Стоимость материала в общих затратах на строительство составляет не менее половины, для уникальных зданий и сооружений может быть и больше. Стоимость строительных материалов включает различные факторы, но все должно приводиться к рентабельности и конкурентоспособности. Сюда можно отнести и качество изделий, долговечность их работы, теплоэнергетические затраты на производство, возможность переработки отходов и даже экологические аспекты, которые в конечном итоге сказываются на экономике  производства, региона, страны в целом. Если все не предусматривать, то первоначальная небольшая стоимость материала может во времени обернуться значительными расходами на ремонт, реконструкцию, восстановление окружающей среды и т.д.

Знание строительного материаловедения поможет в понимании свойств материалов и в конечном итоге в решении практических вопросов, где и как применять тот или иной строительный материал, в каких условиях и как долго он будет сохранять свои эксплуатационные характеристики и от чего это зависит.

Кроме анализа современного состояния производства и применения строительных материалов, студент должен познакомиться с историей их развития.

Литература: [1, с. 5-12].

Вопросы для самопроверки

1. Какие требования предъявляются к современным строительным материалам изделиям и конструкциям?
2. Исходя и условий работы материалов и изделий в зданиях и сооружениях, на какие группы по назначению их можно разделить?

Тема 1. Составы и структура строительных материалов

Состав – это качественная и количественная характеристика веществ, составляющих сырьевые материалы и готовые изделия. Различают несколько видов составов: элементный (вещественный), химический, минералогический, фазовый и гранулометрический. Элементный (вещественный) состав определяет природу вещества. Химический состав предполагает свойства материалов. Минералогический состав дает более полную информацию о материале: позволяет отличить один материал от другого, предопределить физические, химические и технологические свойства материала. Фазовый состав – структурная характеристика материала, которая может рассматриваться как на микроуровне, так и на макроуровне, особое внимании е необходимо уделить на границы раздела фаз. Граница раздела предопределяет физические, химические и термические свойства материалов. При помощи гранулометрического состава можно охарактеризовать сыпучую смесь в целом и свойства отдельных зерен. При учении составов материалов необходимо уделять внимание зависимости свойств строительных материалов от их состава.

В строительном материаловедении под термином "структура" подразумевают взаиморасположение элементов, составляющих тот или иной материал. Структура (строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей тела (объекта), обеспечивающих его целостность. Структуру строительного материала изучают на трех уровнях: макро уровне - макроструктура – строение материала видимое невооруженным глазом; микро уровне - микроструктура – строение материала, видимое через микроскоп; внутренняя структура строение вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования – электронный микроскоп, термогравиметрия, рентгеноструктурный анализ и т.д). Макроструктуру строительных материалов делят на группы: конгломератную, ячеистую, мелкопористую, волокнистую, слоистую и рыхлозернистую (порошкообразную). Микроструктуру - на типы: кристаллический, аморфный и смешанный. Изучение строения материалов на трех уровнях: макро, микро и на молекулярно-ионном уровне позволяет модифицировать существующие материалы и создавать новые.

В ходе изучения темы, студент должен понять как состав и структура материала предопределяет его свойства, и познакомиться с современными физико-химические методы исследований состава и структуры материалов.

Литература: [1, с. 15-22; ]

Вопросы для самопроверки:

1. Виды составов являющиеся качественной характеристикой веществ и материалов.
2. Что предполагается под количественной характеристикой веществ и материалов
3. Что подразумевают под термином "структура" в строительном материаловедении?
4. Назовите виды макроструктур строительных материалов.
5. Какие существуют методы оценки для определения структуры материалов на микроуровне?

Тема 2. Свойства материалов

Свойство – это качественная отличительная характеристика вещества, материала или изделия. В материаловедении эта характеристика является заключительным звеном во взаимосвязи «состав-структура-свойство», а при разработке технологии и создании нового материала – основным, определяющим параметром или условием его получения.

Совокупность свойств предопределяет назначение материала и его граничные условия его эксплуатации.

Часто, особенно производственники, используют сходные с понятием «свойство» термины: «техническая характеристика», «основные параметры», «технические показатели», которые являются не совсем корректными. Эти термины вполне приемлемы в тех случаях, когда они не подменяют понятие «свойство».

Свойство – это отличительная особенность вещества, материалы или изделия, которая проявляется во взаимодействии с окружающей средой или другими веществами и соединениями.

В зависимости от вида окружающей среды и характера взаимодействия  все свойства объединены в крупные группы. Например, теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, огнеупорность, огнестойкость – относятся к теплофизическим свойствам; водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость и др. - называют гидрофизическими свойствами; водостойкость, кислотостойкость, коррозионная стойкость и др. - составляют группу химических свойств; упругость, пластичность, хрупкость и др. - деформативные свойства.

Количественно свойства определяются при испытании и, как правило, выражаются в физических величинах в соответствии с действующими стандартами.

Та как свойства материала являются производными от его состава, химических связей и структуры, то они взаимосвязаны и находятся в равновесии. Известно, что при изменении какого-либо одного свойства под действием каких-то факторов в большей или меньшей степени изменяются и другие свойства материала. В строительном материаловедении хорошо известны такие зависимости, как плотность - теплопроводность, плотность - прочность, теплопроводность – электропроводность, упругость – пластичность и др.

Литература: [1, с. 22-57; ]

Вопросы для самопроверки:

1. Какие основные свойства характеризуют качество материала и предопределяют область его применения?
2. Классификация основных свойств.
3. Какие основные свойства характеризуют качество материала и предопределяют область его применения?
4. Что подразумевают под воздухостойкостью материала?
5. Свойства материалов по отношению к действию воды.
6. Что называется водопоглощением и как оно определяется.
7. Как меняются свойства материалов в зависимости от изменения влажности? Приведите примеры.
8. Что называется коэффициентом размягчения?
9. Приведите примеры водонепроницаемых материалов.
10. Свойства материалов по отношению к действию тепла и холода.
11. Какие материалы называют морозостойкими?
12. Что называется теплопроводностью материала?
13. Какие факторы оказывают влияние на теплопроводность материала?
14. На какие группы делятся строительные материалы по огнестойкости? Приведите примеры по каждой группе.
15. Приведите примеры огнеупорных, тугоплавких и легкоплавких материалов.
16. Какие строительные материалы хорошо работают на сжатие и изгиб?
17. Какие числовые значения и размерности истинной и средней плотности, пористости, коэффициента плотности, теплопроводности и теплоемкости для тяжелого и ячеистого бетона, керамического кирпича и древесины?
18. Какие числовые значения прочности при сжатии, изгибе и растяжении с указанием их размерности для тяжелого и ячеистого бетона, керамического кирпича и древесины?
19. Какие формы образцов и схемы испытаний используются для определения прочности материалов при сжатии, изгибе, растяжении?
20. Что такое долговечность материала и как ее определяют?

Тема 3. Материалы из природного камня

Главным источником для получения строительных материалов являются горные породы, их используют как сырье для изготовления строительных материалов (керамики, стекла, металла, теплоизоляционных, гидроизоляционных и др.), в качестве заполнителей для бетонов и растворов, а также для изготовления плит различного назначения, штучных камней и архитектурно-декоративных деталей. Россия по запасам и разнообразию горных пород не имеет себе равных. Изыскания, проведенные в больших масштабах, дают полное представление о запасах и географическом размещении минерального сырья.

При изучении этого раздела предварительно следует ознакомиться с породообразующими минералами, их химическим составом, структурой и свойствами от которых зависят свойства горных пород.

Минералы по химическому составу делят классы: силикаты, окислы, карбонаты, сульфаты, фосфаты, галоиды сульфиды и самородные элементы. Из этих классов необходимо выбрать для изучения те, минералы которых образуют горные породы, применяемые в строительстве (класс окислов, класс силикатов, класс сульфатов, класс карбонатов). Для более подробного изучения необходимо выделить из класса силикатов полевые шпаты, роговую обманку, оливин, авгит, слюды и гидрослюды, тальк, асбест, каолинит, монтмориллонит; из класса окислов – кварц и корунд; из класса карбонатов – кальцит, магнезит и доломит; из класса сульфатов – гипс, ангидрит и барит. При изучении основных образцов каждого класса необходимо знание основных свойств минералов: блеск, твердость, цвет минерала, цвет порошка минерала (черта), спайность, излом, плотность и форма кристалла.

Горные породы возникали в земной коре под влиянием определенных геологических  процессов, что нашло отражение в их структуре и свойствах. Поэтому, рассматривая горную породу, необходимо четко выяснить ее происхождение (генезис). По генезису все горные породы подразделяются на три типа: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы (первичные) делятся глубинные и излившиеся. Из глубинных пород изучают гранит, сиенит, диорит, габбро, лабродорит. Из числа излившихся – порфиры, диабазы, базальты, пемзу, обсидиан, андезит, трахит.

Осадочные (вторичные) породы подразделяю на механические осадки (рыхлые и сцементированные), химического и органогенного происхождения. Изучают различные виды этих пород: рыхлые смеси с различным гранулометрическим составом (галька, гравий, песок ит.д.) и сцементированные (конгломерат, брекчию, гравелит, песчаники, алевролиты). Из пород химического происхождения – известняки, магнезиты, гипс, ангидрит; из пород органогенного происхождения - известняки, мел, диатомиты и трепел, опока, мергель.

Метаморфические (видоизмененные) породы представлены в основном гнейсами, сланцами,  мраморами и кварцитами.

Изучение этого раздела завершается краткими данными о переработки  камня, о видах готовой продукции, выпускаемой из природного камня, о способах повышения долговечности камня в конструкциях и технико-экономическая эффективность использования каменных материалов и отходов.

Литература: [1, с. 68-111; ]

Вопросы для самопроверки:

1. Укажите основные породообразующие минералы.
2. По каким свойствам оцениваются минералы?
3. Назовите три группы горных пород по условиям их образования (генетическому признаку).
4. Каковы характерные свойства минералов, образующих магматические горные породы?
5. Из каких минералов состоят основные магматические горные породы (габбро, диабазы, базальты)?
6. Как образовались осадочные горные породы?
7. В каких условиях образовались метаморфические породы?
8. Какие горные породы используются для производства строительных материалов, например вяжущих, бетонов, растворов?
9. Как добывают и обрабатывают природный камень?
10. Какие виды природных каменных материалов применяются в строительстве?
11. Где применяют плотные природные каменные материалы и где пористые?
12. Перечислите горные породы, состоящие в основном из карбонатов и сульфатов кальция и магния и применяющиеся в производстве строительных материалов; основные свойства этих пород.
13. Что представляет собой мергель? Где он используется?
14. Для каких целей в строительстве применяют гранит, диабаз,  базальт,  кварцит, известняк, мел?
15. Как предохранить каменные материалы в сооружениях от разрушения?
16. Сущность работ по флюатированию камня. Способы уплотнения поверхности камня кремнийорганическими соединениями и другими вещнствами

Тема 4 Древесные материалы

Древесина относится к одному из распространенных строительных материалов с многовековым опытом применения. Этому в немалой степени  способствует то, что она самовосстанавливающийся материал. Лесные материалы обладают ценными качествами: малой плотностью, высокой прочностью, малой теплопроводностью ,легкостью технологической обработки, но вместе с тем имеют и существенные недостатки, которые приходится учитывать при использовании леса как строительного материала. К главным недостаткам относятся: загниваемость, возгораемость, неоднородность строения и гигроскопичность. Повышение долговечности лесных материалов  достигается комплексом мероприятий по предохранению от загнивания (антисептированием) и возгорания (обработкой антипиренами), снижением гигроскопичности (гидрофобизацией) и неоднородности структуры (прессованием с предварительной деструкцией).

Леса на земле занимают 3,8 млрд га, т.е. 28 % суши, в то время как на сельскохозяйственные угодья приходится в мире 10 %, степи и луга – 19 %, пустыни – 40 %. Более 50 % мирового запаса древесины находится в тропических лесах, приблизительно 22 % в России, в том числе ценных для строительства хвойных пород более 50 %.

В строительстве применяют хвойные и лиственные породы. К хвойным породам, широко используемым в строительстве, относят сосну, лиственницу, ель, пихту, кедр. Лиственные породы в строительстве используют значительно реже, чем хвойные. Среди многообразия лиственных пород наибольшее применение в строительстве имеют дуб, ясень, бук, береза, осина.

Изучение данного раздела курса «Материаловедение» целесообразно начинать с вопроса микро- и макростроения древесины и пороков, снижающих ее сортность. Следует изучить свойства древесины и зависимости, устанавливающие связь показателей свойств со структурными данными и влажностью лесного материала.

Далее следует ознакомиться с сортаментом лесных материалов и изделий (лесоматериалов). Лесоматериалы подразделяются на материалы из древесины, сохранившие ее природную физическую структуру и химический состав (бревна, пиломатериалы, шпон, щепа и т.д.) и на композиционные древесные материалы (фанера, древесностружечные  и древесноволокнистые плиты, цементно-стружечные плиты, арболит и т.д.).

На завершающем этапе студентам необходимо познакомиться с мероприятия по увеличению срока службы дерева в сооружениях.

Литература: [1, с. 313-345; ]

Вопросы для самопроверки:

1. Какие древесные породы широко применяют в строительстве?
2. Положительные и отрицательные свойства древесины как строительного материала.
3. Назовите основные элементы макро и микроструктуры древесины.
4. Чем отличается ядровая древесина от заболонной?
5. Чему равна плотность древесины основных пород?
6. Формы связи воды в древесине, равновесная влажность, влияние влажности на свойства древесины.
7. Механические свойства древесины.
8. При каком направлении усилий древесина имеет наибольшие показатели прочности?
9. Основные пороки древесины и их влияние  на прочность древесины.
10. В каких строительных конструкциях и деталях наиболее целесообразно использовать древесину?
11. Виды лесоматериалов, в том числе клееные и плитные.
12. Методы защиты древесины от гниения и горения.

Тема 5 Неорганические вяжущие вещества

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно затвердевать в результате физико-химических процессов. Переходя из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество скрепляет между собой камни либо зерна песка, гравия, щебня. Это свойство вяжущих используют для изготовления: бетонов, растворов, силикатного кирпича, асбоцементных и других необожженных искусственных материалов.

Изучение неорганических вяжущих веществ следует начинать с классификации, в соответствии с которой эти материалы разделяются на две группы: воздушные и гидравлические. По химическому составу и технологии производства воздушные вяжущие вещества относятся к более простым материалам. Воздушные вяжущие вещества способны затвердевать и длительное время сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу они делятся на четыре группы: гипсовые вяжущие, магнезиальные вяжущие, жидкое стекло, известковые вяжущие.

Гидравлические вяжущие вещества твердеют и длительное время сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. Химический состав гидравлических вяжущих веществ более сложный чем воздушных вяжущих веществ и, как правило, представлен соединениями четырех видов: CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3.  Эти соединения образуют три основные группы гидравлических вяжущих: гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности. Номенклатура цементов обширна: портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкий, пластифицированный, гидрофобный, белый, цветной, быстротвердеющий, тампонажный, дорожный, высокопрочный, безусадочный, напрягающий и постоянно пополняется. В отдельную группу выделяют вяжущие вещества автоклавного твердения: известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые, нефелиновый цемент и др. При изучении свойств вяжущих веществ студент должен ознакомиться с методами испытания и оценки их качества.

После начальной стадии проработки раздела студент должен приступить к изучению физико-химических основ производства вяжущих веществ, зависимости основных свойств вяжущих веществ от химико-минералогического состава, теории твердения  и других вопросов. Ознакомиться с технологией изготовления отдельных вяжущих веществ и с особенностями протекания физико-химических процессов в печах или специальных аппаратах с химическим и минералогическим составом основных минеральных вяжущих веществ.

При изучении процессов твердения неорганических вяжущих веществ после затворения их водой (растворами солей) следует принять за основу обобщенную теорию академика А.А. Байкова и разобраться в сущности рассматриваемых им трех периодов твердения. Желательно также ознакомиться  с современными представлениями о процессах твердения вяжущих веществ, которые уточняют и развивают отдельные положения теории А.А.Байкова.

Изучение влияния внешней среды на химическую стойкость цемента и других минеральных вяжущих веществ – завершающий этап проработки этого раздела курса.

Литература: [1, с. 190-228; ]

Вопросы для самопроверки:

1. Какие материалы называют неорганическими вяжущими веществами?
2. На какие виды делят неорганические вяжущие вещества, область их применения?
3. Основные свойства и область применения воздушных вяжущих веществ.
4. Основные свойства воздушной извести?
5. Сравните гидравлическую и воздушную извести по составу и свойствам, определяющим области применения.
6. Сравните по химическому составу и структуре гипсовые вяжущие вещества β-модификации и α-модификации, определите их свойства и назовите применение разновидностей гипсовых вяжущих.
7. Какова особенность ангидритовых вяжущих веществ?
8. Где применяются магнезиальные вяжущие вещества?
9. Что представляет собой растворимое стекло и изготовляемый на его основе кислотоупорный цемент?
10. Какие вещества называют гидравлическими вяжущими и какие химические соединения придают им гидравлические свойства?
11. Какие материалы применяют в качестве сырья для производства портландцемента?
12. Каков химико-минералогический состав портландцемента?
13. Какие применяют добавки в портландцемент при помоле клинкера?
14. Объясните влияние минерального состава на прочность и экзотермию портландцемента, используя сведения о процессах гидратации главных клинкерных минералов (С3S, С2S, С3А, С4АF)
15. Основные свойства портландцемента?
16. Укажите различие понятий «активность» и «марка» цемента по прочности.
17. Как определить марку цемента?
18. Сущность обобщенной теории твердения портландцемента и других вяжущих веществ, созданной А.А.Байковым?
19. Виды коррозии цементного камня и меры борьбы с коррозией?
20. Основные сведения о применении, хранении и транспортировании цемента?
21. Что такое пуццолановый портландцемент? Свойства и область применения пуццоланового портландцемента?
22. Чем отличается шлакопортландцемент от портландцемента?е?
23. Чем отличается пластифицированный и гидрофобный портландцементы от портландцемента?
24. Приведите примеры использования быстротвердеющего и сульфатостойкого портландцементов.
25. Глиноземистый цемент, его свойства и применение.
26. Расширяющиеся и безусадочные цементы, напрягающий цемент, области их применения.
27. Методы первичной защиты цементного камня от коррозии при воздействии жидких агрессивных сред.

3. Контрольная работа

В соответствии с учебным планом дисциплины студент должен выполнить контрольное задание. Цель контрольного здания – закрепление приобретенных теоретических знаний. Контрольное задание состоит из двух задач и нескольких теоретических вопросов. Условия задач и теоретические вопросы студент переписывает в тетрадь, в которой выполняется контрольное задание. При решении задач следует привести весь ход решения, обязательно указывая размерность полученных результатов. Отвечая на вопросы, студент должен изложить свойства, основы технологии получения и области применения в строительстве указанных материалов и изделий.

В ходе выполнения контрольного задания студент должен научиться пользоваться нормативно-технической  и справочной литературой.

Выполненное контрольное задание студент подписывает, ставит дату выполнения и направляет в институт на рецензирование.

Зачет контрольного задания проводится путем собеседования.