1В
1. Этапы развития 1 и 3 (характеристика, сроки, ученые, строительные материалы)
Этап 1: Древний мир (до V века н.э.)
- Характеристика: Использование природных материалов в их естественном виде или с минимальной обработкой. Развитие примитивных технологий строительства.
- Сроки: От появления человека до V века н.э.
- Ученые (значимые фигуры): В этот период не было ученых в современном понимании, но были мастера и инженеры, такие как Имхотеп (строитель пирамиды Джосера), Витрувий (римский архитектор и инженер, автор трактата "Десять книг об архитектуре").
- Строительные материалы:
- Камень: Известняк, гранит, песчаник (для стен, фундаментов, монументальных сооружений).
- Глина: Сырец, обожженный кирпич (для стен, жилищ).
- Древесина: Бревна, доски (для каркасов, перекрытий, крыш).
- Солома, тростник: Для кровли, легких перегородок.
- Битум: В качестве связующего и гидроизоляционного материала.
Этап 3: Индустриальный период (середина XIX века – середина XX века)
- Характеристика: Массовое производство строительных материалов, стандартизация, появление новых материалов и технологий, связанных с промышленной революцией. Развитие железобетона, металлоконструкций.
- Сроки: Середина XIX века – середина XX века.
- Ученые (значимые фигуры):
- Джозеф Аспдин: Изобретатель портландцемента (1824 г.).
- Жозеф Монье: Один из изобретателей железобетона (1867 г.).
- Франсуа Эненбик: Французский инженер, активно развивавший применение железобетона.
- Томас Эдисон: Внес вклад в развитие бетонных конструкций.
- Строительные материалы:
- Портландцемент: Основное вяжущее вещество для бетонов и растворов.
- Бетон и железобетон: Широко используются для несущих конструкций, фундаментов, перекрытий.
- Металлоконструкции: Сталь, чугун (для каркасов зданий, мостов).
- Стекло: Для окон, витражей, фасадных систем.
- Асфальтобетон: Для дорожных покрытий.
- Керамические изделия: Усовершенствованные кирпичи, плитка.
- Теплоизоляционные материалы: Минеральная вата, пенопласт (начало применения).
2. Природные строительные материалы: классификация
Природные строительные материалы – это материалы, которые используются в строительстве в их естественном виде или после минимальной механической обработки, без изменения химического состава.
Классификация природных строительных материалов:
- Каменные материалы:
- Природные камни (горные породы):
- Изверженные (магматические): Гранит, диорит, габбро, базальт. Отличаются высокой прочностью, морозостойкостью, долговечностью.
- Осадочные: Известняк, песчаник, доломит, гипс. Могут быть пористыми, менее прочными, но легко обрабатываемыми.
- Метаморфические: Мрамор, кварцит, сланец, гнейс. Образуются из изверженных или осадочных пород под воздействием высоких температур и давления. Обладают красивой текстурой и высокой прочностью.
- Щебень, гравий, песок: Получаются путем дробления горных пород или естественного разрушения. Используются как заполнители для бетонов, растворов, для дорожного строительства.
- Природные камни (горные породы):
- Древесные материалы:
- Круглый лес: Бревна, жерди.
- Пиломатериалы: Доски, брусья, рейки.
- Шпон, фанера: Получаются путем обработки древесины.
- Глинистые материалы:
- Глина: Используется для производства кирпича-сырца, керамического кирпича, черепицы, керамзита.
- Суглинки, супеси: Могут использоваться для грунтовых дорог, насыпей.
- Битумные материалы природного происхождения:
- Природный битум, асфальт: Используются для гидроизоляции, дорожных покрытий.
3. Композиционные материалы. Определение, примеры, достоинства и недостатки
Определение:
Композиционные материалы (композиты) – это материалы, состоящие из двух или более компонентов с различными физико-химическими свойствами, которые при объединении образуют новый материал с уникальными свойствами, превосходящими свойства каждого из компонентов в отдельности. Обычно композит состоит из матрицы (связующего) и армирующего наполнителя.
Примеры:
- Железобетон: Матрица – цементный камень (бетон), наполнитель – стальная арматура.
- Стеклопластик: Матрица – полимерная смола (эпоксидная, полиэфирная), наполнитель – стекловолокно.
- Углепластик: Матрица – полимерная смола, наполнитель – углеродные волокна.
- Древесно-полимерные композиты (ДПК): Матрица – полимер, наполнитель – древесная мука или волокна.
- Асфальтобетон: Матрица – битум, наполнитель – щебень, песок, минеральный порошок.
- Фибробетон: Бетон, армированный дисперсными волокнами (стальными, стеклянными, полимерными).
Достоинства (преимущества):
- Высокое отношение прочности к весу: Композиты часто легче металлов при сопоставимой или большей прочности.
- Высокая жесткость: Возможность создания материалов с высокой жесткостью.
- Коррозионная стойкость: Многие композиты устойчивы к агрессивным средам.
- Усталостная прочность: Хорошая сопротивляемость многократным нагрузкам.
- Возможность создания материалов с заданными свойствами: Путем изменения состава и структуры можно получить материалы с оптимальными характеристиками для конкретного применения.
- Долговечность: Многие композиты обладают длительным сроком службы.
- Эстетичность: Возможность придания различных форм и цветов.
Недостатки:
- Высокая стоимость: Производство некоторых композитов может быть дорогим.
- Сложность ремонта: Ремонт поврежденных композитных конструкций может быть сложным и дорогостоящим.
- Анизотропия свойств: Свойства могут сильно зависеть от направления (особенно у волокнистых композитов), что требует тщательного проектирования.
- Чувствительность к температуре: Некоторые полимерные матрицы могут терять свойства при высоких температурах.
- Сложность утилизации: Переработка некоторых композитов может быть затруднена.
- Хрупкость: Некоторые композиты могут быть хрупкими при определенных видах нагрузок.
Таблица:
| СМ | Тип, структура | Физ-мех. свойства | Преимущества | Недостатки | Применение в строительстве (3-4 примера) |
|---|---|---|---|---|---|
| Цемент | Вяжущее вещество, порошок. При смешивании с водой образует пластичную массу, которая твердеет и превращается в цементный камень. | Высокая прочность на сжатие, морозостойкость, водостойкость (после твердения), плотность. | Универсальность, доступность, высокая прочность, долговечность, возможность создания различных видов бетонов и растворов. | Низкая прочность на растяжение (в чистом виде), длительный процесс твердения, чувствительность к условиям твердения (температура, влажность). | Производство бетона, железобетона, строительных растворов, фундаментов, стяжек. |
| Пуццолановый вяжущий материал (например, пуццолановый цемент) | Гидравлическое вяжущее, состоящее из портландцементного клинкера, гипса и активных минеральных добавок (пуццолан). | Повышенная водостойкость, сульфатостойкость, пониженное тепловыделение при твердении, более медленный набор прочности по сравнению с обычным цементом. | Высокая стойкость к агрессивным средам (морская вода, сульфаты), уменьшенная усадка, повышенная плотность и водонепроницаемость. | Более медленный набор прочности, пониженная морозостойкость (по сравнению с обычным цементом при раннем возрасте), не рекомендуется для быстротвердеющих конструкций. | Гидротехнические сооружения, конструкции, работающие в агрессивных средах, массивные бетонные конструкции, подземные сооружения. |
| Мрамор | Метаморфическая горная порода, состоящая в основном из кальцита или доломита. Кристаллическая структура. | Высокая прочность, плотность, морозостойкость, легкость обработки (полировка), декоративность, долговечность. | Эстетичный внешний вид, возможность полировки до зеркального блеска, долговечность, экологичность. | Высокая стоимость, чувствительность к кислотам (может разрушаться), относительно низкая износостойкость (по сравнению с гранитом), скользкая поверхность при намокании. | Облицовка фасадов и интерьеров, полы, столешницы, подоконники, декоративные элементы. |
| Асфальтобетон | Композиционный материал, смесь битума (вяжущее) с минеральными заполнителями (щебень, песок, минеральный порошок). | Водонепроницаемость, эластичность, износостойкость, морозостойкость, способность выдерживать динамические нагрузки. | Быстрота укладки и ввода в эксплуатацию, ремонтопригодность, относительно низкая стоимость, хорошие эксплуатационные характеристики для дорог. | Чувствительность к высоким температурам (размягчение), деформации при длительных нагрузках, выделение вредных веществ при нагреве, ограниченный срок службы без ремонта. | Дорожные покрытия, аэродромные покрытия, гидроизоляция кровель, полы в промышленных зданиях. |
| Суспензии (в контексте строительных материалов, например, цементные суспензии) | Дисперсная система, состоящая из твердых частиц (например, цемента, глины) во взвешенном состоянии в жидкости (например, воде). | Текучесть, способность заполнять пустоты, возможность регулирования вязкости и времени схватывания. | Легкость транспортировки и подачи, возможность инъектирования в труднодоступные места, заполнение трещин и пустот, укрепление грунтов. | Нестабильность (оседание частиц), необходимость постоянного перемешивания, ограниченная прочность после твердения (если не используются специальные добавки). | Инъектирование трещин в бетоне, укрепление грунтов, заполнение пустот в кладке, приготовление строительных растворов. |
4. Древесина в СМ достоинства и недостатки
Древесина – один из старейших и наиболее распространенных природных строительных материалов.
Достоинства (преимущества) древесины в строительных материалах:
- Экологичность: Природный, возобновляемый материал, не выделяет вредных веществ.
- Низкая плотность и высокая прочность: Хорошее соотношение прочности к весу, что облегчает транспортировку и монтаж.
- Низкая теплопроводность: Отличный теплоизолятор, способствует созданию комфортного микроклимата в помещениях.
- Легкость обработки: Легко пилится, строгается, сверлится, склеивается, что позволяет создавать разнообразные конструкции.
- Высокая звукоизоляция: Хорошо поглощает звук.
- Эстетичность: Привлекательный внешний вид, приятная текстура и запах.
- Доступность: В регионах с лесными ресурсами древесина является относительно доступным материалом.
- Высокая морозостойкость: Хорошо переносит низкие температуры.
Недостатки древесины в строительных материалах:
- Горючесть: Легко воспламеняется и поддерживает горение, что требует дополнительной огнезащитной обработки.
- Биологическое разрушение: Подвержена гниению, поражению грибками и насекомыми (жуками-древоточцами) при повышенной влажности, что требует антисептической обработки.
- Гигроскопичность: Способность поглощать и отдавать влагу из окружающей среды, что приводит к изменению размеров (разбухание, усушка) и короблению.
- Анизотропия свойств: Свойства древесины (прочность, усадка) сильно зависят от направления волокон.
- Неоднородность структуры: Наличие сучков, трещин, пороков роста снижает прочность и качество материала.
- Ограниченная долговечность: Без должной защиты срок службы может быть ограничен.
- Ограниченные размеры: Длина и сечение цельных элементов ограничены размерами деревьев.
5. Общие характеристики всех композитов. Классификация ПКМ
Общие характеристики всех композитов:
- Многокомпонентность: Состоят как минимум из двух компонентов – матрицы и наполнителя.
- Различие свойств компонентов: Компоненты имеют разные физико-химические свойства.
- Синергетический эффект: Свойства композита превосходят свойства каждого из компонентов в отдельности.
- Граница раздела фаз: Между компонентами существует четкая граница раздела, которая играет важную роль в передаче нагрузок.
- Возможность целенаправленного регулирования свойств: Путем изменения состава, соотношения компонентов, их ориентации и технологии изготовления можно получать материалы с заданными характеристиками.
- Анизотропия (часто): Свойства многих композитов зависят от направления (особенно при ориентированном расположении наполнителя).
- Высокое отношение прочности и жесткости к плотности: Позволяет создавать легкие и прочные конструкции.
Классификация полимерных композиционных материалов (ПКМ):
Полимерные композиционные материалы – это композиты, в которых в качестве матрицы используется полимер (термопласт или реактопласт).
1. По виду матрицы:
- ПКМ на основе термопластов: Матрица размягчается при нагревании и затвердевает при охлаждении (например, полиэтилен, полипропилен, полиамид).
- Преимущества: Возможность повторной переработки, высокая ударная вязкость, быстрое формование.
- Недостатки: Более низкая теплостойкость, ползучесть при нагрузках.
- ПКМ на основе реактопластов: Матрица необратимо затвердевает при полимеризации (например, эпоксидные, полиэфирные, фенольные смолы).
- Преимущества: Высокая теплостойкость, химическая стойкость, жесткость, низкая ползучесть.
- Недостатки: Невозможность повторной переработки, более длительный цикл формования, хрупкость.