УМКД материаловедение - Воронежский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
Д. К. Проскурин
«___»________________20__ г.
Дисциплина для учебного плана подготовки бакалавра 240100.62 «Химическая технология»
Кафедра: «Технология строительных материалов, изделий и конструкций»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Разработчик УМКД: _____________________ к.т.н., доц. А.И. Макеев
Воронеж, 20__
СОГЛАСОВАНО:
Заведующий кафедрой разработчика УМКД ______________ / Власов В.В./
(подпись)
(Ф.И.О.)
Протокол заседания кафедры № _____ от «___» __________________ 20 ___ г.
Заведующий выпускающей кафедрой __________________ / Власов В.В./
(подпись)
(Ф.И.О.)
Протокол заседания кафедры № ______ от «___» _______________ 20__ г.
Председатель Методической комиссии факультета _________________/ Славчева Г.С./
(подпись)
(Ф.И.О.)
Протокол заседания Методической комиссии факультета № __ от «__»__________20__г.
Начальник учебно-методического управления Воронежского ГАСУ
__________________/Мышовская Л.П. /
(подпись)
2
(Ф.И.О.)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан строительнотехнологического факультета
_______________ В.В. Власов
«___»_______________2014 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
"Материаловедение"
Направление подготовки: 240100.62 «Химическая технология»
Квалификация (степень) выпускника: «Бакалавр»
Нормативный срок обучения: 4 года
Форма обучения: очная
Автор программы: _____________________к.т.н., доц., А.И. Макеев
Программа обсуждена на заседании кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций «____» ___________ 2014 г., протокол № ____
Зав. кафедрой____________________________ В.В. Власов
Воронеж 2014
3
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Цели дисциплины
Цель преподавания дисциплины «Материаловедение» заключается в подготовке бакалавра направления «Химическая технология», владеющего фундаментальными основами системно-структурного материаловедения, знающего основные свойства строительных материалов и изделий, закономерности их изменения под воздействием эксплуатационных факторов,
зависимость свойств от параметров состава, структуры и состояния материала (ПК-3, ПК-21,
ПК-23).
1.2. Задачи освоения дисциплины
Задачи преподавания дисциплины:
- осуществление мировоззренческого воспитания в процессе преподавания на основе
современных достижений науки и техники;
- формирование фундаментальных знаний в области управления структурой строительных композитов с целью получения наперед заданных их свойств;
- обоснование перспективных направлений развития технологии высокоэффективных
строительных материалов.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Дисциплина «Материаловедение» относится к базовым дисциплинам профессионального
цикла дисциплин учебного плана. Для освоения данной дисциплины используются знания и
умения, приобретенные при изучении следующих дисциплин: «Введение в специальность»,
«Общая неорганическая химия», «Физика» и является предшествующей для изучения дисциплин: «Структура и прочность материалов», «Строительные материалы», «Эксплуатационные
физико-химические процессы и долговечность», «Стойкость и долговечность конструкционных,
функциональных и специальных строительных материалов».
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс изучения дисциплины «Материаловедение» направлен на формирование у выпускника следующих компетенций:
- использовать знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире (ПК-3);
- использовать знание свойств химических элементов, соединений и материалов на их
основе для решения задач профессиональной деятельности (ПК-23);
В результате изучения дисциплины «Материаловедение» студент должен
знать:
 общие положение системно-структурного подхода к управлению свойствами строительных материалов и изделий при их изготовлении (ПК-3);
 основные характеристики состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов и методы их оценки (ПК-3, ПК-23);
 виды и характеристики воздействий эксплуатационной среды на материал и процессы, протекающие в материале под этими воздействиями (ПК-3);
уметь:
4
 определять необходимый набор свойств материала и задавать их уровень в зависимости от предполагаемых условий его эксплуатации (ПК-23);
 назначать количественные параметры структуры материала, обеспечивающие задаваемый уровень его свойств (ПК-3);
владеть:
 методами и средствами количественной оценки параметров состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов (ПК-3).
4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Общая трудоемкость дисциплины «Материаловедение» составляет 4 зачетные единицы.
Вид учебной работы
Всего
Семестры
часов
1
2
4
5
6
7
8
3
Аудиторные занятия (всего)
54
54
В том числе:
Лекции
18
18
Практические занятия (ПЗ)
Лабораторные занятия (ЛР)
36
36
Самостоятельная работа (всего)
54
54
В том числе:
Курсовой проект
Контрольные работы
Вид промежуточной аттестации:
ЗО
Общая трудоемкость
час
108
108
зач. ед
4
4
5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
Наименование раздела
п/п
дисциплины
1. Введение в системноструктурное материаловедение
2. Эволюция и основные
положения
системноструктурного подхода к
управлению качеством
строительных материалов.
3. Эксплуатационные воздействия и свойства
строительных материалов
Содержание раздела
Предметная область курса, его цели и задачи. Понятия «технология», «материал», «материаловедение», «свойства»,
«качество», их взаимосвязь.
Этапы развития человеческих знаний об управлении свойствами строительных материалов. Современная концепция
управления свойствами. Технологический цикл управления.
Эксплуатационный цикл
Система «эксплуатационная среда – здание, сооружение –
строительная конструкция - материал». Классификация воздействий среды на материал. Явления и процессы под действием температурно-влажностных, физико-механических,
химических и биологических факторов. Свойства строительных материалов, проявляющиеся под действием этих
факторов.
4. Параметры
состава, Состав материала: фазовый, химический, минералогический,
структуры и состояния морфологический, гранулометрический. Влияние состава на
материала
свойства строительных материалов. Строительные материа5
лы как конгломератные композиты. Масштабные уровни
структуры. Типизация макроструктуры строительных материалов. Количественные показатели состава, структуры и
состояния строительных материалов: плотность, пористость,
влажность. Их влияние на свойства материала.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи
с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
Наименование обеспечиваемых (последую- №№ разделов данной дисциплины, нещих) дисциплин
обходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
Структура и прочность материалов
+
+
+
+
Строительные материалы
+
+
Эксплуатационные физико-химические про+
+
цессы и долговечность
Стойкость и долговечность конструкцион+
+
ных, функциональных и специальных строительных материалов
1.
2.
3.
4.
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
Наименование раздела дисциплины
п/п
1. Введение в системно-структурное
материаловедение
2. Эволюция и основные положения
системно-структурного подхода к
управлению качеством строительных материалов.
3. Эксплуатационные воздействия и
свойства строительных материалов
4. Параметры состава, структуры и состояния материала
Лекц.
СРС
2
Лаб.
зан.
-
18
Всего
час.
20
4
-
18
22
6
18
9
33
6
18
9
33
36
54
108
18
Практ.
зан.
-
6. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Сем.
обуч.
№ раздела
дисциплины
Наименование лабораторной работы
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Гидрофизические свойства строительных материалов
Теплофизические свойства строительных материалов
Деформационные свойства строительных материалов
Прочностные свойства строительных материалов
Вязкость разрушения строительных материалов
Химические и биологические свойства строи6
Кол- часов
ауд.
2
СРС
2
2
2
2
2
4
4
4
2
2
2
3
4
3
4
3
4
тельных материалов
Влияние пористости на свойства строительных
материалов
Влияние химического и минералогического состава на свойства строительных материалов
Изучение химической коррозии строительных
материалов (на примере цементного камня)
ВСЕГО
6
2
6
2
6
2
36
18
7. ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕКУЩЕГО
И ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ ОБУЧАЮЩИХСЯ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ (МОДУЛЮ)
7.1. Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе освоения образовательной программы
№
Компетенция
Форма контроля
семестр
п/п
1 использовать знания о строении веще- Контрольная работа (КР)
3
ства, природе химической связи в раз- Защита лабораторных работ (З)
личных классах химических соедине- Тестирование (Т)
ний для понимания свойств материалов Зачет
и механизма химических процессов,
протекающих в окружающем мире
(ПК-3)
2 использовать знание свойств химиче- Контрольная работа (КР)
3
ских элементов, соединений и материа- Защита лабораторных работ (З)
лов на их основе для решения задач Тестирование (Т)
профессиональной деятельности (ПК- Зачет
23)
7.2. Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных
этапах их формирования, описание шкал оценивания
Дескрип- Показатель оценивания
Форма контроля
тор комКР
З
Т
зачет
петенции
Знает
общие положение системно-структурного подхода к
управлению свойствами строительных материалов и +
+
+
изделий при их изготовлении (ПК-3)
основные характеристики состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов и методы +
+
+
+
их оценки (ПК-3, ПК-23)
виды и характеристики воздействий эксплуатационной среды на материал и процессы, протекающие в +
+
+
+
материале под этими воздействиями (ПК-3)
Умеет
определять необходимый набор свойств материала и
задавать их уровень в зависимости от предполагае- +
+
+
мых условий его эксплуатации (ПК-23)
назначать количественные параметры структуры ма+
+
териала, обеспечивающие задаваемый уровень его +
7
свойств (ПК-3)
Владеет методами и средствами количественной оценки параметров состава, структуры, состояния и свойств
строительных материалов (ПК-3)
+
+
+
+
7.2.1.Этап текущего контроля знаний
Результаты текущего контроля знаний и межсессионной аттестации оцениваются по пятибалльной шкале с оценками:
● «отлично»;
● «хорошо»;
● «удовлетворительно»;
● «неудовлетворительно»;
● «не аттестован».
ДеПоказатель оценивания
Оценка
скриптор
компетенции
Знает
общие положение системно-структурного
подхода к управлению свойствами строительных материалов и изделий при их изготовлении (ПК-3)
основные характеристики состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов и методы их оценки (ПК-3, ПК-23)
виды и характеристики воздействий эксплуатационной среды на материал и процессы,
протекающие в материале под этими воздействиями (ПК-3)
отлично
Умеет
определять необходимый набор свойств материала и задавать их уровень в зависимости
от предполагаемых условий его эксплуатации (ПК-23)
назначать количественные параметры структуры материала, обеспечивающие задаваемый уровень его свойств (ПК-3)
Владеет методами и средствами количественной
оценки параметров состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов
(ПК-3)
Знает
общие положение системно-структурного
подхода к управлению свойствами строительных материалов и изделий при их изготовлении (ПК-3)
основные характеристики состава, структуры, состояния и свойств строительных мате- хорошо
риалов и методы их оценки (ПК-3, ПК-23)
виды и характеристики воздействий эксплуатационной среды на материал и процессы,
протекающие в материале под этими воздействиями (ПК-3)
8
Критерий
нивания
оце-
Полное или частичное посещение лекционных
занятий. Полное
выполнение лабораторных работ. Наличие З.
Выполненные КР
на оценки «отлично».
Полное или частичное посещение лекционных
занятий. Полное
выполнение лабораторных работ. Выполненные КР на оценки
«хорошо».
ДеПоказатель оценивания
скриптор
компетенции
Умеет
определять необходимый набор свойств материала и задавать их уровень в зависимости
от предполагаемых условий его эксплуатации (ПК-23)
назначать количественные параметры структуры материала, обеспечивающие задаваемый уровень его свойств (ПК-3)
Владеет методами и средствами количественной
оценки параметров состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов
(ПК-3)
Знает
общие положение системно-структурного
подхода к управлению свойствами строительных материалов и изделий при их изготовлении (ПК-3)
основные характеристики состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов и методы их оценки (ПК-3, ПК-23)
виды и характеристики воздействий эксплуатационной среды на материал и процессы,
протекающие в материале под этими воздействиями (ПК-3)
Умеет
определять необходимый набор свойств материала и задавать их уровень в зависимости
от предполагаемых условий его эксплуатации (ПК-23)
назначать количественные параметры структуры материала, обеспечивающие задаваемый уровень его свойств (ПК-3)
Владеет методами и средствами количественной
оценки параметров состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов
(ПК-3)
Знает
общие положение системно-структурного
подхода к управлению свойствами строительных материалов и изделий при их изготовлении (ПК-3)
основные характеристики состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов и методы их оценки (ПК-3, ПК-23)
виды и характеристики воздействий эксплуатационной среды на материал и процессы,
протекающие в материале под этими воздействиями (ПК-3)
Умеет
определять необходимый набор свойств материала и задавать их уровень в зависимости
от предполагаемых условий его эксплуатации (ПК-23)
назначать количественные параметры струк9
Оценка
Критерий
нивания
оце-
удовлетворительно
Полное или частичное посещение лекционных
занятий. Полное
или
частичное
выполнение лабораторных работ. Выполненные КР на оценки
«удовлетворительно».
неудовлетворительно
Частичное посещение лекционных занятий. Частичное выполнение лабораторных работ. Неудовлетворительное выполнение КР.
Дескриптор
компетенции
Владеет
Знает
Умеет
Владеет
Показатель оценивания
Оценка
туры материала, обеспечивающие задаваемый уровень его свойств (ПК-3)
методами и средствами количественной
оценки параметров состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов
(ПК-3)
общие положение системно-структурного
подхода к управлению свойствами строительных материалов и изделий при их изготовлении (ПК-3)
основные характеристики состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов и методы их оценки (ПК-3, ПК-23)
виды и характеристики воздействий эксплуатационной среды на материал и процессы,
протекающие в материале под этими воздействиями (ПК-3)
не аттеопределять необходимый набор свойств ма- стован
териала и задавать их уровень в зависимости
от предполагаемых условий его эксплуатации (ПК-23)
назначать количественные параметры структуры материала, обеспечивающие задаваемый уровень его свойств (ПК-3)
методами и средствами количественной
оценки параметров состава, структуры, состояния и свойств строительных материалов
(ПК-3)
Критерий
нивания
оце-
Непосещение
лекционных занятий и лабораторных
работ.
Невыполненные
КР.
7.2.2. Этап промежуточного контроля знаний
Результаты промежуточного контроля знаний (зачет) оцениваются по двухбалльной шкале с
оценками:
● «зачтено»;
● «не зачтено».
ДеПоказатель оценивания
Оценскриптор
ка
компетенции
Знает
общие
положение
системноструктурного подхода к управлению
свойствами строительных материалов и
изделий при их изготовлении (ПК-3)
зачтено
основные
характеристики
состава,
структуры, состояния и свойств строительных материалов и методы их оценки (ПК-3, ПК-23)
10
Критерий оценивания
1. Студент демонстрирует
полное понимание заданий.
Все требования, предъявляемые к заданию, выполнены.
2. Студент демонстрирует
значительное понимание заданий.
Все
требования,
предъявляемые к заданию,
Дескриптор
компетенции
Умеет
Владеет
Знает
Умеет
Владеет
Показатель оценивания
Оценка
виды и характеристики воздействий
эксплуатационной среды на материал и
процессы, протекающие в материале
под этими воздействиями (ПК-3)
определять необходимый набор свойств
материала и задавать их уровень в зависимости от предполагаемых условий его
эксплуатации (ПК-23)
назначать количественные параметры
структуры материала, обеспечивающие
задаваемый уровень его свойств (ПК-3)
методами и средствами количественной
оценки параметров состава, структуры,
состояния и свойств строительных материалов (ПК-3)
общие
положение
системноструктурного подхода к управлению
свойствами строительных материалов и
изделий при их изготовлении (ПК-3)
основные
характеристики
состава,
структуры, состояния и свойств строительных материалов и методы их оценки (ПК-3, ПК-23)
виды и характеристики воздействий
эксплуатационной среды на материал и
процессы, протекающие в материале
не
под этими воздействиями (ПК-3)
зачтено
определять необходимый набор свойств
материала и задавать их уровень в зависимости от предполагаемых условий его
эксплуатации (ПК-23)
назначать количественные параметры
структуры материала, обеспечивающие
задаваемый уровень его свойств (ПК-3)
методами и средствами количественной
оценки параметров состава, структуры,
состояния и свойств строительных материалов (ПК-3)
Критерий оценивания
выполнены.
3. Студент демонстрирует
частичное понимание заданий. Большинство требований, предъявляемых к заданию, выполнены.
1. Студент демонстрирует
небольшое понимание заданий. Многие требования,
предъявляемые к заданию, не
выполнены.
2. Студент демонстрирует
непонимание заданий.
3. У студента нет ответа. Не
было попытки выполнить задание.
7.3. Примерный перечень оценочных средств (типовые контрольные задания или
иные материалы, необходимые для оценки знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности)
7.3.1. Примерная тематика РГР
РГР не предусмотрены учебным планом.
7.3.2. Примерная тематика и содержание КР
11
«Структура и свойства строительных материалов на основе цементных вяжущих»
«Структура и свойства строительных материалов на основе гипсовых вяжущих»
«Структура и свойства строительных материалов на основе жидкого стекла»
«Структура и свойства строительных материалов на основе гидравлической извести»
«Структура и свойства строительных материалов на основе вяжущих гидротермального синтеза»
«Структура и свойства строительных материалов на основе вяжущих контактноконденсационного твердения»
«Структура и свойства строительных материалов на основе стекольных свяжующих»
«Структура и свойства строительных материалов на основе органических вяжущих»
«Структура и свойства строительных материалов на основе керамического черепа»
«Наномодифицированные бетоны»
«Нанокомпозиты в строительстве»
7.3.3. Вопросы для коллоквиумов
Коллоквиумы проводятся в форме защиты лабораторных работ.
7.3.4. Задания для тестирования
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
7.3.5. Вопросы для зачетов
Предметная область курса, его цели и задачи.
Понятия «технология», «материал», «материаловедение», «свойства», «качество», их взаимосвязь.
Строительное материаловедение. Системно-структурное материаловедение, его предметная область.
Этапы развития человеческих знаний об управлении свойствами строительных материалов.
Эволюция системно-структурного подхода.
Понятия «состав», «структура», «состояние».
Современная концепция управления свойствами строительных материалов.
Основные положения системно-структурного материаловедения.
Система «эксплуатационная среда – здание, сооружение – строительная конструкция - материал».
Классификация воздействий среды на материал.
Явления и процессы под действием температурно-влажностных факторов. Адсорбция.
Гидрофильность и мгновенная водостойкость строительных материалов.
Явления и процессы под действием температурно-влажностных факторов. Капиллярная
конденсация, капиллярное насыщение, фильтрационное насыщение. Гигроскопичность,
капиллярное всасывание, водопоглощение, влажностные деформации строительных материалов.
Явления и процессы под действием температурно-влажностных факторов. Градиент гидростатического давления влаги. Проницаемость строительных материалов.
Явления и процессы под действием температурно-влажностных факторов. Градиент температуры. Теплопроводность строительных материалов.
Явления и процессы под действием температурно-влажностных факторов. Тепловое расширение. Термические деформации строительных материалов.
Явления и процессы под действием температурно-влажностных факторов. Термическое
разложение. Огнеупорность строительных материалов.
Явления и процессы под действием температурно-влажностных факторов. Фазовые пере12
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
ходы воды. Морозостойкость строительных материалов.
Явления и процессы под действием механических факторов. Деформации и напряжения.
Явления и процессы под действием механических факторов. Деформационные свойства
строительных материалов.
Явления и процессы под действием механических факторов. Прочностные свойства строительных материалов. Класс и марка по прочности.
Прочность при сжатии строительных материалов.
Прочность при растяжении строительных материалов.
Прочность строительных материалов при изгибе.
Вязкость разрушения KIc (трещиностойкость) строительных материалов.
Твердость и истираемость строительных материалов.
Явления и процессы под действием химических факторов. Химическая стойкость строительных материалов.
Явления и процессы под действием биологических факторов. Биостойкость строительных
материалов.
Характеристика состава строительных материалов. Классификация материалов по составу.
Влияние химического состава строительного материала на его свойства.
Влияние минералогического состава строительного материала на его свойства.
Характеристика структуры строительных материалов. Масштабные уровни структуры.
Типизация макроструктуры строительных материалов.
Строительные материалы как конгломератные композиты.
Характеристика строительных материалов по их состоянию.
Количественные показатели состава, структуры и состояния строительных материалов
Влияние плотности и пористости материала на его свойства.
Влияние влажности материала на его свойства.
7.3.6. Вопросы для экзамена (не предусмотрены)
№
п/п
1
2
3
4
7.3.7. Паспорт фонда оценочных средств
Контролируемые разде- Код контролируемой
лы (темы) дисциплины
компетенции (или ее
части)
Введение
в
системно- ПК-3, ПК-23
структурное материаловедение
Эволюция и основные по- ПК-3, ПК-23
ложения
системноструктурного подхода к
управлению
качеством
строительных материалов.
Эксплуатационные воздей- ПК-3, ПК-23
ствия и свойства строительных материалов
Параметры состава, струк- ПК-3, ПК-23
туры и состояния материала
Наименование оценочного
средства
КР, Т, Зачет
КР, Т, Зачет
КР, З, Т, Зачет
КР, З, Т, Зачет
7.4. Порядок процедуры оценивания знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности на этапе промежуточного контроля знаний
Во время тестирования на бумажном носителе обучающийся не может пользоваться вычислительной или какой-либо иной техникой. При компьютерном тестировании у тестируемого
должна быть возможность до начала аттестационного тестирования выполнить по крайней мере
13
один раз демонстрационный тест с целью ознакомления с интерфейсом тестирующей программы и способами ввода заключений. Во время тестирования на экране монитора должно располагаться только одно тестовое задание. Мерцающие элементы на экране монитора могут использоваться только в том случае, если они являются неотъемлемой частью содержания ПДТЗ и
необходимы для понимания задания.
Инструментальная среда компьютерного тестирования должна обеспечивать:
 ввод, хранение, модификацию и распечатку тестовых заданий;
 генерацию множества тестов из банка тестовых заданий в соответствии с заданной
спецификацией теста;
 приспособление меры трудности тестовых ситуаций к качеству заключений респондентов на требования тестовых утверждений;
 автоматическую обработку заключений тестируемого и предъявление протокола сеанса тестового испытания в реальном времени;
 возможность изменения шкалы оценки результатов тестирования.
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
8.1 Основная литература:
1. Рыбьев, И.А. Основы строительного материаловедения в лекционном изложении :
учеб. пособие / И.А. Рыбьев. – М.: Астрель: АСТ: Хранитель, 2006. – 604 с.
2. Материаловедение в строительстве [Текст] : учеб. пособие для вузов : рек. УМО РФ /
под ред. И. А. Рыбьева. - М. : Academia, 2006. - 526 с.
3. Дворкин, Л. И. Строительное материаловедение : учебное пособие / Дворкин Л. И. Москва : Инфра-Инженерия, 2013. - 832 с.
8.2 Дополнительная литература:
1. Строительное материаловедение : учеб. пособие для вузов : рек. УМО / Под общ. ред.
В.А. Невского. – Ростов н/Д: Феникс, 2009. – 589 с.
2. Попов, Л. Н. Строительные материалы, изделия и конструкции [Текст] : учеб. пособие :
рек. УМО . - М. : ОАО "ЦПП", 2011. - 467 с.
3. Белов, В.В. Лабораторные определения свойств строительных материалов [Текст] :
учеб. пособие для вузов : допущено МО РФ. - М. : АСВ, 2011. - 175 с.
8.3 Программное обеспечение и Интернет-ресурсы
Программное обеспечение: ОС Microsoft Windows. Для работы с электронными учебниками требуется наличие таких программных средств, как Adobe Reader для Windows и
DjVuBrowserPlugin.
Интернет-ресурсы:
1. Электронные издания:
«Строительство, архитектура, дизайн» http://marhdi.mrsu.ru;
«Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века» www.stroymat21.ru;
«Бетон и железобетон» www.vlib.ustu.ru//beton;
2. Базы нормативной документации www.beton.ru; www.complexdoc.ru;
3. Справочные материалы www.stroyrus.ru; www.materialsworld.ru; www.smenc.ru.
Содержание учебной дисциплины «Материаловедение», конспект лекций, тестовые задания и экзаменационные вопросы представлены в свободном доступе в сети Интернет на сайте
кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций.
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
14
1. Лабораторное оборудование для изучения свойств сырья и строительных материалов:
приборы для измерения массы материалов (весы с требуемой точностью измерения – ауд. 6144,
ауд. 6163); приборы для измерения линейных размеров (линейка, штангенциркуль с требуемой
точностью измерения – ауд. 6144, ауд. 6163); приборы для измерения объема рыхлозернистых
материалов (объемомер, пикнометр, мерный цилиндр, мерный сосуд – ауд. 6144, ауд. 6163);
оборудование для изучения механических свойств (гидравлические прессы, МИИ-100 – ауд.
6144, ауд. 6163); приборы для изучения свойств вяжущих (сита, прибор Вика, прибор Суттарда,
стандартные конусы и т.д. – ауд. 6144, ауд. 6163); оборудование для изготовления образцов керамики, бетонов и строительных растворов (ауд. 6032, ауд. 6033).
2. Наглядные пособия, образцы различных строительных материалов, стенды, средства
мульти-медиа.
10. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ
ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ (образовательные технологии)
Изучение дисциплины «Материаловедение» осуществляется в форме учебных занятий под
руководством профессорско-преподавательского состава кафедры и самостоятельной подготовки обучающихся. Основными видами учебных занятий по изучению данной дисциплины являются: лекционное занятие; лабораторная работа; консультация преподавателя (индивидуальная,
групповая).
Предусматриваются следующие формы работы обучающихся:
- прослушивание лекционного курса;
- чтение и конспектирование рекомендованной литературы;
- проведение лабораторных работ по испытаниям эксплуатационных свойств строительных материалов и изделий;
- проведение лабораторных работ по изучению параметров состава, структуры и состояния строительных материалов и изделий;
- поиск и анализ справочной и нормативной информации при оформлении отчета по
лабораторной работе в специальном журнале испытаний строительных материалов.
Помимо устного изложения материала в процессе лекций предполагается использовать визуальную поддержку в виде мультимедийных презентаций содержания лекции, отражающих
основные тезисы, понятия, схемы и иллюстрации по теме лекции. Для повышения интереса к
дисциплине целесообразно сообщать на лекциях сведения из истории получения и применения
разновидностей строительных материалов на этапах развития человеческой цивилизации и информацию о вкладе российских ученых в науку о строительных материалах.
Самостоятельная работа студентов направлена на решение следующих задач:
1) выработка навыков самостоятельного творческого подхода к выбору и оценке свойств
материалов, проявленных в конкретных случаях практической деятельности;
2) формирование культуры профессионального мышления;
3) способности к мотивации применяемых решений в профессиональной деятельности;
4) приобретение навыков быстрого поиска, нахождения и анализа информации.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению
240100 Химическая технология (квалификация «бакалавр»), утвержденного приказом Минобрнауки от 22 декабря 2009 г. № 807, с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по этому направлению
подготовки.
Руководитель основной
образовательной программы
д-р техн. наук, проф. ________________ Г.С. Славчева
15
Рабочая
программа
одобрена
учебно-методической
комиссией
строительно-
технологического факультета «___»_____________2014 г., протокол № ____.
Председатель
д-р техн. наук, проф. ________________ Г.С. Славчева
Эксперт
____________________
(место работы)
___________________
(занимаемая должность)
_________________________
(подпись) (инициалы, фамилия)
МП
организации
16
Министерство образования Российской Федерации
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ
Конспект лекций по дисциплине
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Направление подготовки бакалавров
240100.62 «Химическая технология»
Объем дисциплины:
- лекции – 18 ч,
- лабораторные работы – 36 ч,
- самостоятельная работа – 54 ч.
Семестровая отчетность –
зачет с оценкой.
Разработал канд. техн. наук, доц. А.И. Макеев
17
Тема 1. ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
По ГОСТу, технология – это процесс выполнения последовательных операций, в результате которых появляется готовая продукция. В более широком толковании технология – учение, область знания о мастерстве получения изделий требуемого качества из исходного сырья
посредством определенных воздействий на него.
Материалом называется вещество, идущее на изготовление чего-либо и обладающее необходимым комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно или в совокупности с другими веществами. С позиции строения, материал – это организованная (структурированная) система из составных частей (композиция), образующая целое и наделяемое функциональными характеристиками (свойствами).
Свойства – внутренние, присущие данному материалу особенности, обусловливающие
его различие или общность с другими материалами и проявляющиеся как ответные реакции на
воздействия внешних полей или сред. Более простое определение: свойства - это способность
материала определенным образом реагировать на отдельные или совокупные внешние или
внутренние воздействия.
Материаловедение - это междисциплинарный раздел прикладной науки, посвященный,
как раз, свойствам материалов и их направленному изменению с целью получения материалов с
заранее заданными рабочими характеристиками.
Строительное материаловедение (по И.А. Рыбьеву) - наука о строительных материалах,
их составе, свойствах, внутреннем строении, технологиях изготовления и областях применения,
долговечности и надежности конструкций зданий и сооружений. Материаловедение относится к
числу основополагающих строительных наук, поскольку без знания свойств строительных материалов невозможно проектировать, строить, реконструировать и эксплуатировать объекты.
Системно-структурное материаловедение (по Е.М. Чернышову) - наука о закономерных связях свойств материала с его составом, структурой и состоянием, а также о механизме
проявления свойств в ходе применения материала, т.е. при взаимодействии материала со средой.
Состав - совокупность чего-либо, образующая нечто целое. Целое состоит из частей,
элементов, составляющих, компонентов. По своему составу материал может характеризоваться
с позиций его фазовых, химических, минералогических, морфологических, гранулометрических
и других особенностей. Подробнее об этом - позже.
Структура (лат. structura – строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях. Структура материала в системно-структурном материаловедении воспринимается как система из составных частей (фаз, компонентов), характеризующаяся их видом, взаиморасположением и взаимосвязью. С геометрических позиций,
структура - это пространственное взаиморасположение в объеме материала фаз (компонентов).
С энергетических позиций, структура – это система силовых механо-физико-химических связей,
обладающая суммарным энергетическим потенциалом, претерпевающем непрерывные изменения в процессе взаимодействия системы с окружающей средой.
Состояние – категория научного познания, характеризующая способность движущейся
материи к проявлению в различных формах с присущими им существенными свойствами и отношениями. С помощью этой категории выражается процесс изменения и развития вещей и явлений, который в конечном итоге приводит к изменению их свойств и отношений. Совокупность таких свойств и отношений определяет состояние вещи или явления. По определению
академика Чернышова состояние – однозначное описание положения системы в данный момент
времени в данных условиях. При одном и том же составе, одной и той же структуре материала
материал может быть в различном состоянии. При этом можно принимать во внимание его термическое (нагрет или охлажден) состояние, влажностное (сухой или увлажненный) состояние,
напряженно-деформированное (сжат, растянут, изогнут, ненапряжен) состояние. Изменение
любого из этих состояний приводит в изменению свойств.
18
Системно-структурное материаловедение - наука о законах конструирования материалов с задаваемыми свойствами по определенным параметрам на принципах системноструктурного подхода.
Управление в системно-структурном материаловедении – упорядоченное множество
макроскопических внешних воздействий на систему, которое способствует протеканию внутренних процессов самоорганизации в системе в направлении формирования структуры, обеспечивающей заданные свойства материала на всех этапах его жизнедеятельности.
Предметная область системно-структурного материаловедения - разработка принципов управления технологическими процессами структурообразования и получение на этой основе материалов с задаваемым уровнем качества при возможно наименьших затратах ресурсов
(сырья, энергии, овеществленного труда, живого труда, финансовых средств). А принципы
управления базируются на системно-структурном подходе.
ТЕМА 2. ЭВОЛЮЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СИСТЕМНОСТРУКТУРНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
19
7.
Основные положения системно-структурного подхода в строительном материаловедении:
1) Материал с его составом, структурой, состоянием и свойствами является открытой системой, непрерывно обменивающейся потоками вещества, энергии и информации с окружающей средой;
2) Свойства материала есть функция его состава, структуры и состояния. В то же время,
свойства материала задаются в зависимости от его функции в строительной конструкции, изделии при определенных условиях эксплуатации этой конструкции;
3) Состав, структура, состояние материала должны отвечать требованиям обеспечения
задаваемых свойств, и целенаправленно формируются под действием рецептурнотехнологических факторов на всех этапах технологии, начиная от выбора сырья и заканчивая
процессами хранения на складе;
4) Управление свойствами материала осуществляется через управление формированием
структуры (процессы структурообразования), которое предполагает обоснование и выбор рационального соотношения основных структурных составляющих (твердой фазы и порового пространства; цементирующего материала и заполнителя в твердой фазе; микропор и макропор в
поровом пространстве) по всем масштабным уровням материала;
5) Управление формированием структуры должно отвечать критериям максимальной
энергоэкономичности технологических переделов с учетом максимально эффективной работы
материала в конструкции по критериям ее надежности и долговечности.
20
ТЕМА 3. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
И СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
С позиций системно-структурного подхода строительные материалы - это открытые термодинамически неравновесные системы, непрерывно обменивающиеся энергией и веществом с
окружающей средой, что и является движущей силой происходящих в таких системах изменений состава, структуры и состояния.
Материал является элементом системы «эксплуатационная среда – здание, сооружение –
строительная конструкция - материал».
Классификация воздействий среды на материал по механизму влияния:
- физические;
- физико-механические (силовая нагрузка);
- физико-климатические (солнечная радиация, влага атмосферного воздуха, ветровой напор, снеговая нагрузка, гололёд, дожди, атмосферные температуры и т.п.)
- химические (вода, соли, кислоты, щелочи, оксиды в виде газов и т.п.);
- биологические (макро- и микроорганизмы).
2.1. Явления и процессы под действием температурно-влажностных факторов
1. Адсорбция (протекает во втором температурном диапазоне). Адсорбция – процесс поглощения вещества из окружающей среды за счет сил притяжения (электростатических), проявляемых твердой фазой в поровом пространстве материала. Это явление сопровождается снижением сопротивляемости твердой фазы деформированию и разрушению (эффект Ребиндера).
Способность материала реагировать на явление адсорбции:
гидрофильность - характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой. Является проявлением сил Ван-дер-Ваальса.
водостойкость - способность материала сохранять свои прочностные свойства при
увлажнении. Характеризуется коэффициентом размягчения Кр - отношением прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала.
2. Капиллярные явления. Это капиллярная конденсация, капиллярное насыщение,
фильтрационное насыщение.
Капиллярная конденсация – процесс наполнения пор материала или части объема пор
жидкой фазой в результате многослойной адсорбции жидкой фазы на поверхности вогнутых
менисков, т.е. в результате преобразования газовой фазы в жидкую путем сгущения, конденсации. Обусловлена тем, что равновесное давление водяного пара над вогнутой поверхностью
жидкости ниже, чем над плоской или выпуклой поверхностью.
Капиллярное насыщение – поднятие жидкости по капилляру, которое определяется различием давления паров жидкости над плоской поверхностью и над вогнутой поверхностью мениска. Давление насыщенных паров над изогнутой поверхностью меньше, чем над плоской, и
это обуславливает поднятие жидкости по капилляру.
Свойства материала, характеризующие его способность сопротивляться процессам, вызванным капиллярными явлениями:
- гигроскопичность - способность капиллярно-пористого материала поглощать водяной
пар из влажного воздуха, что обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на
внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс
называется сорбцией и является обратимым.
- капиллярное всасывание материалом воды происходит под действием капиллярного
насыщения, когда часть конструкции находится в воде. Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания;
21
- водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать воду, будучи полностью в нее погруженным. Высокое водопоглощение свидетельствует о большом проценте открытых пор. Водопоглощение характеризуют как по массе, так и по объему;
- влажностные деформации - способность материалов изменять свой объем и размеры
при изменении влажности. Удаление воды из капилляров сопровождается уменьшением размеров вследствие капиллярного давления – усадкой (усушкой). При насыщении материала водой
происходит набухание (разбухание) за счет расклинивающего действия полярных молекул воды
и снятием капиллярных сил. Сами по себе эти деформации неопасны, но их чередование при
попеременном высыхании и увлажнении приводит к усталости материала и его растрескиванию.
3. Градиент гидростатического давления влаги
Поглощение влаги материалом вызвано адсорбцией и капиллярными явлениями, но при
возникновении градиента гидростатического давления (напорного градиента) перенос влаги интенсифицируется. Процесс, обусловленный этим явлением, - это движение жидкости (газа, газированной жидкости) в пористой среде, т.е. фильтрация.
Свойства, которые характеризуют способность материала сопротивляться этим процессам:
- водопроницаемость (водонепроницаемость) - способность материала пропускать (не
пропускать) воду под давлением. Чаще всего оценивается по коэффициенту фильтрации Кф.
- газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхностей ограждения разности
давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала. Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью. Тогда стена будет "дышать", т.е. через
наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых
зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха.
4. Градиент температуры
Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых частей тела (или
тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела.
теплопроводность – способность проводить сквозь свою толщу теплоту. От этой способности будет зависеть термическое сопротивление ограждающих конструкций, которая является функцией теплопроводности материала и толщины его слоя.
5. Изменения температуры во II диапазоне (климатическом)
Тепловое расширение изменение линейных размеров и формы тела при повышении его
температуры.
Способность материала расширяться при тепловом расширении называется термическими деформациями. Оценивается это свойство коэффициентом линейного термического
расширения , который у разных материалов разный, что связано с их атомно-молекулярным
строением;
температуро- или термостойкость - способность выдерживать повторяющиеся резкие
температурные изменения;
6. Нагревание в III температурном диапазоне
В третьем температурном диапазоне при действии высоких температур могут начаться
реакции термического разложения структурных компонентов материала.
Способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не
размягчаясь и не деформируясь – огнеупорность - оценивается по температуре плавления.
7. Фазовые переходы воды
На стыке первого и второго температурного диапазонов в сочетании с влажностным фактором происходят фазовые переходы воды в лед и обратно. Воздействие попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию повторной растягивающей
нагрузки, вызывающей усталость материала. Этот процесс называется морозной деструкцией.
- морозостойкость - способность насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без разрушения. По морозостойкости строительные материалы делятся на марки по морозостойкости.
2.2. Явления и процессы под действием механических факторов
22
Твердые тела сохраняют свою форму благодаря химическим и физическим связям между
их структурными компонентами, в конечном итоге, между атомами и молекулами. Явления, которые порождаются в материале механической нагрузкой – это деформации и напряжения.
Деформация - изменение взаимного положения частиц тела, связанное с
их перемещением относительно друг друга. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Различают деформации упругие
и пластические. Способность твердофазного материала к изменению формы или размеров без
изменения массы характеризуют деформационные свойства. К ним относят:
1) Упругость – способность самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и
размеры после прекращения действия внешней силы.
2) Пластичность – способность изменять форму или размеры под действием внешних сил,
не разрушаясь, и после прекращения действия силы сохранять эти изменения.
3) Хрупкость – способность разрушаться без образования заметных остаточных деформаций.
4) Вязкость (внутреннее трение) – способность материала поглощать механическую энергию при его деформировании. Связывает скорость деформации и необходимое для этого напряжение. Когда вязко-пластичный материал начинает течь, напряжения в материале зависят уже
от скорости его деформации.
Деформация материала сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое механическое напряжение. Под напряжением понимается мера интенсивности внутренних сил в точке. Связывает напряжения и деформации закон Гука, утверждающий, что деформация, возникающая в упругом теле, пропорциональна приложенной к этому
телу силе.
Модуль Юнга (модуль упругости) характеризует сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации, или свойство объекта деформироваться вдоль оси при
воздействии силы вдоль этой оси.
Согласно интегративному механо-физико-химическому подходу, разрушение строительных материалов представляет собой кинетический процесс, состоящий из нескольких стадий:
формирования неоднородного по параметрам концентрации и локализации поля внутренних
деформаций и напряжений, термофлуктуационного разрыва структурных физико-химических
связей в перенапряженных областях, трещинообразования, накопления повреждений и их прорастания в макротрещину с потерей материалом целостности.
Способность материалов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами, называется прочность.
Различают:
1. Прочность при сжатии - характеризует способность материала сопротивляться разрушению от внутренних растягивающих напряжений, возникающих в нем при сжимающих
нагрузках.
2. Прочность при растяжении характеризует способность материала сопротивляться
разрушению от внутренних растягивающих напряжений, возникающих в нем при растягивающих нагрузках. Оценивается пределом прочности при осевом растяжении или косвенным методом по пределу прочности при раскалывании цилиндров или кубов, а также пределом прочности на растяжение при изгибе.
3) Прочность при изгибе характеризует способность материала сопротивляться разрушению от внутренних растягивающих напряжений, возникающих в нем при изгибающих нагрузках. Оценивается пределом прочности при изгибе.
4) Вязкость разрушения (критический коэффициент интенсивности напряжений) характеризует напряженное состояние концевой зоны трещины в момент ее страгивания.
5) Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого
более твердого тела.
23
6) Истираемость - способность материала уменьшаться в массе или объеме под действием истирающих нагрузок. Оценивают по потере первоначальной массы образца материала,
отнесенной к площади поверхности истирания.
7) Износ - способность рыхлозернистых материалов сопротивляться одновременному
воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах материалов, которые испытывают в полочном барабане со стальными шарами. Показателем износа служит потеря массы
пробы материала в результате проведенного испытания.
2.3. Явления и процессы под действием химических факторов
Химические воздействия среды (факторы): природная и искусственная воздух и содержащиеся в нем пары и газы, вода и растворенные в ней природные и искусственные химические
вещества – кислоты, щелочи, соли.
Химические реакции способны быть движущими силами процессов структуроизменения,
а могут «спровоцировать» физические и механические явления массообменного характера.
Наличие или образование легкорастворимых соединений, вымываемых из материала при
фильтрации воды через его толщу, в результате чего ослабляются контакты между компонентами материала, растёт пористость и снижается его прочность (коррозия выщелачивания, кислотная и щелочная коррозия).
Накопление и кристаллизация с увеличением объёма малорастворимых продуктов обменных или окислительно-восстановительных реакций (сульфатная коррозия, карбонизация).
Свойства, характеризующие способность материала сопротивляться химической коррозии этому процессу, имеют общее название – химическая или коррозионная стойкость. В зависимости от вида реагента к ним относятся:
атмосферостойкость – комплексное свойство (способность сопротивляться действии
паров и газов в атмосферном воздухе),
длительная водостойкость (способность сопротивляться действию воды),
кислото-, щелоче- и солестойкость (способность сопротивляться действию названных
веществ).
2.4. Явления и процессы под действием биологических факторов
Биологическим фактором выступает деятельность макроорганизмов (животных, птиц,
насекомых, высших растений) и микроорганизмами (бактериями, грибами, актиномицетами). В
результате действия грибов могут происходить следующие явления и процессы:
- разрастание мицелия в поровом пространстве материала, возникновение растягивающих
напряжений и механическое разрушение материала;
- выделение плесневыми грибами продуктов метаболизма: воды, углекислого газа, аммиака, сульфидов, минеральных и органических кислот, окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов, что сопровождается химической коррозией со всеми последствиями;
- использование микроорганизмами компонентов материала в качестве источников энергии - пищи.
Способность материала сопротивляться агрессивному действию биологической среды
называется биостойкость.
ТЕМА 4. ПАРАМЕТРЫ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ
3.1 Состав строительных материалов
Фазовый состав материала характеризует содержание в нем твердой, жидкой и газовой
фазы. В этом смысле все строительные материалы представляют собой трехфазную систему, состоящую из твердого вещества, образующего стенки пор, т.е. "каркас" материала, и пор, заполненных воздухом (это газовая фаза) и водой (жидкая фаза). Содержание этих фаз оказывают
влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации.
Химический состав строительных материалов отражает содержание в них химических
элементов, оксидов, соединений. По химическому составу материалы делятся на органические и
неорганические. Неорганические строительные материалы можно разделить на металлические и
минеральные (неметаллические).
24
Для минеральных материалов важнейшей характеристикой служит минералогический
состав, который показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном материале.
Морфологический характеризует форму структурных компонентов с точки зрения их
геометрии: волокнистые, пластинчатые, призматические формы образований в составе материала.
Гранулометрический (дисперсный) отражает размер входящих в материал частиц.
3.2 Структура строительных материалов
Макроструктуру подавляющего большинства строительных материалов можно характеризовать как композиционную, то есть состоящую из двух и более компонентов с различными
физико-механическими свойствами. Выделяют несколько основных типов структур строительных материалов: рыхлозернистые, волокнистые, слоистые, конгломератные, слитные, мелкопористые, ячеистые и т.д.
Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и
аморфная.
Внутреннее строение материала характеризуется типом атомно-молекулярных физикохимических связей, их силой и количеством в единице объема вещества. От внутреннего строения во многом будут зависеть механическая прочность, твердость, тугоплавкость и другие важные свойства материала.
3.3 Состояние
При одном и том же составе, одной и той же структуре материала можно говорить о различном его состоянии. Действительно, один и тот же материал может быть в сухом и увлажненном состоянии, в ненапряженном и напряженно-деформированном состоянии, в нагретом и
охлажденном состоянии. Соответственно этому он будет проявлять различные свойства.
3.4 Количественные показатели состава, структуры и состояния строительных материалов
Плотность отражает количество материала в единице его объема, т.е. сконденсированность вещества. Различают плотность истинную, среднюю и насыпную.
Истинная плотность - масса единицы объема абсолютно плотного материала, т.е. без
пор, пустот и влаги.
Средняя плотность есть масса единицы объема материала в естественном состоянии
(объем определяется вместе с порами):
Относительная плотность d выражает плотность материала по отношению к плотности
воды (это безразмерная величина).
Насыпная плотность - масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т.п.).
Пористость есть степень заполнения объема материала порами (характеристика газовой
фазы).
Коэффициент плотности - степень заполнения объема материала твердым веществом.
Влажность – это содержание в материале влаги, то есть жидкой фазы.
При этом необходимо отметить, что влага содержится в материале в нескольких формах:
- свободная вода, которая содержится в порах и макрокапиллярах. Она не связана никакими силами и легко удаляется из материала при его высушивании, не оказывая заметного влияния на его структуру и свойства. В обычных условиях эксплуатации ее, как правило, не бывает;
- капиллярно-связанная вода, содержащаяся в микрокапиллярах. Она связана силами поверхностного натяжения и капиллярного давления, которые имеют физико-механическую природу. Эта вода удаляется сравнительно легко, если материал нагреть до 100 С, а в естественных
условиях обязательно присутствует в материале. Колебания ее содержания приводят к влажностным деформациям;
25
- адсорбционно-связанная вода, распределенная тонким (толщиной в несколько молекул)
слоем по поверхности твердой фазы порового пространства. Ее связь с твердой фазой (адсорбция) обусловлена уже значительными физико-химическими силами, на разрыв которых требуются значительные энергетические затраты;
- химически-связанная вода, которая входит в состав твердой фазы (например, кристаллизационная вода). Ее удаление (дегидратация) приводит к разрушению материала.
Прочностные свойства материалов будут зависеть от силы внутренних связей, их количества в единице объема материала и от равномерности распределения связей по объему материала. Сила связей зависит от их вида. В порядке увеличения силы (энергии) связей:
- ковалентные, когда между электронами образуется обобществленная электронная пара с
отрицательным зарядом, которая притягивается положительно заряженными ядрами взаимодействующих атомов. Ковалентная связь присуща кристаллам простых веществ (алмаз, графит)
и кристаллам некоторых соединений из двух элементов (кварц, карборунд, другие карбиды,
нитриды). Такие материалы выделяются очень высокой механической прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки;
- ионные, возникающие при электростатическом взаимодействии противоположно заряженных ионов, которые условно представляют собой сферы с симметричным расположением зарядов. Ионной связью обладают гипс и ангидрид, имеют невысокую прочность и твердость, не
водостойки. В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах (кальцит,
полевые шпаты), осуществляются и ковалентная и ионная связи. Внутри сложного иона CO32связь ковалентная, но сам он имеет с ионами Ca2+ ионную связь. Свойства подобных материалов весьма разнообразны. Кальцит СаСО3 при достаточно высокой прочности обладает малой
твердостью. У полевых шпатов сочетаются довольно высокие показатели прочности и твердости, хотя и уступающие кристаллам алмаза с чисто ковалентной связью;
- металлические, суть которых состоит в притяжении свободных электронов ядром атома.
Эти три типа обладают энергией порядка 100 кДж/моль.
- водородные, возникающие по донорно-акцепторному механизму в молекуле, состоящей из
атомов с существенно различающейся электроотрицательностью. Более электроотрицательный
атом оттягивает на себя электронную пару, в результате чего у ионов второго высвобождаются
свободные орбитали, способные принять электронные пары другой молекулы. Эти связи имеют
энергию порядка 10…50 кДж/моль и присущи, например, воде;
- Ван-дер-вальсовы, или силы межмолекулярного взаимодействия, обусловленные силами
электростатического взаимодействия диполей, которое может иметь различный характер: ориентированное взаимодействие, наведенное, или индукционное взаимодействие; дисперсионное
взаимодействие. Характерно для молекулярных кристаллов (лед, нафталин, фенол, карбоновые
кислоты). Очень слабые – 0,1…1 кДж/моль, при нагревании связи между молекулами легко
разрушаются, поэтому вещества с молекулярными решетками обладают низкими температурами плавления.
26