ТЕОРИЯ ИСКУССТВЕННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНГЛОМЕРАТОВ
В строительном материаловедении, подобно другим наукам, примат принадлежит практике. Однако для эффективного изучения этой фундаментальной науки более целесообразно изложение теории в книге предпослать практике, что упрощает процесс познания технологий материалов в их многообразии. На современном, третьем, этапе развития строительного материаловедения теоретические аспекты науки наиболее полно пока изложены в теории искусственных строительных конгломератов [1]. Ее принято начинать с изложения единой классификации, в которой эти материалы (кроме природных, описываемых отдельно) объединены законами общей теории и методологией.
КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Огромное количество строительных материалов, наименования которых составляют многообразную их номенклатуру, обычно представляют в виде системных классификаций. В качестве классификационных признаков выбирают: производственное назначение материалов; вид исходного сырья; способ массового изготовления продукции; основной критерий качества и др. Одна часть материалов, объединенных в группы, относится к природным, а другая — к искусственным (рис. 1.1)* [2].
Природные, или естественные, строительные материалы и изделия получают непосредственно из недр земли или путем переработки лесных массивов в "деловой" лес. Этим материалам придают определенную форму и рациональные размеры изделиям, но не изменяют внутреннего их строения, состава, например химического, вещественного. Чаще других из природных используют лесные (древесные) и каменные материалы и изделия. Кроме них в готовом к употреблению виде или при простой (механической) обработке можно получить: природный битум или асфальт, озокерит, казеин, кир; некоторые продукты растительного происхождения, например солому, камыш, костру, торф, лузгу и другие, или животного мира, например шерсть, коллаген, боннскую кровь и пр. Все эти природные продукты в сравнительно небольших количествах тоже используют в строительстве.
Рис. 1.1. Схема классификации строительных материалов:
/ — керамика; 2 — стекло; 3 — шлаки; 4 — каменные расплавы; 5 — кирпич; 6 — бетоны; 7 — асбестоцементные изделия; 8 — другие изделия; 9 — футеровочная обработка; а — материалы;
б — изделия
Для лучшей систематизации природных строительных материалов их разделяют на классы по сходным признакам, в классах — по разновидностям пород или изделий. Так, лесные материалы и изделия по породам подразделяют на лиственные и хвойные, по признаку ассортимента — на круглые, пиленые и штучные. Имеется и дальнейшее их подразделение, например, по свойствам, структуре и др. Природные каменные материалы и изделия имеют свою классификацию (см. гл. 8), в основу которой положен генетический признак, т.е. происхождение горных пород. Их разделяют также по признаку технических свойств — средней плотности, прочности, морозостойкости; по химическому составу, например, по содержанию кремнезема, — кислые, средние, основные и ультраосновные.
Большое значение в строительстве имеют горные породы вторичного происхождения — осадочные, а среди них — природные конгломераты, брекчии, песчаники и др. Так были названы осадочные горные породы, которые образовались в результате цементации скоплений гальки, гравия, песка и других природным вяжущим веществом. Практическое значение этих пород невелико, однако характерная их структура (вяжущее цементирует рыхлый минеральный материал) является самой распространенной в ИСК структуры бетонов.
Искусственные строительные материалы, находящиеся в тесной взаимосвязи между собой, разделяют по главному признаку их отвердевания: 1) материалы, отвердевание которых происходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов, а также материалы, отвердевание которых происходит в условиях автоклавов при повышенных температуре (175—200°С) и давлении водяного пара (0,9—1,6 МПа). Условно тс и другие материалы относят нередко к безобжиговым материалам. Часто выделяют автоклавные материалы в самостоятельную группу; 2) материалы, отвердевание которых происходит в основном при остывании огненно-жидких расплавов, выполняющих в структуре функцию вяжущего вещества, или цемента высоких температур. Их нередко относят к обжиговым материалам. Выделение этих двух-трех типов из многообразия материалов является условным потому, что не всегда возможно определить четкую границу между ними, так же как между отвердевающими растворами и расплавами. Нередко отвердевание происходит при совмещенных процессах кристаллизации и остекловывания растворов и расплавов. Условность указанного деления выражается еще и в том, что в безобжиговых конгломератах применяют обычно обжиговые вяжущие вещества, например, портландцемент, известь, гипс и др.
В конгломератах безобжигового типа цементирующие вяжущие представлены неорганическими, органическими, полимерными и комплексными веществами, а в ИСК обжигового типа цементы высоких температур (по выражению А. А. Байкова) представлены расплавами керамическими, шлаковыми, стекломассовым, каменным литьем и комплексными.
К неорганическим вяжущим веществам относят клинкерные и клинкерсодержащие цементы, гипсовые, магнезиальные и др.; к органическим — битумные и дегтевые вяжущие вещества, производные от них, — эмульсии, пасты; группу полимерных веществ представляют термопластичные и термоактивные с последующим более дробным подразделением. Комплексные включают смешанные, компаундированные и комбинированные вяжущие вещества. К смешанным относятся неорганические вяжущие вещества, получаемые путём тщательного смешения двух или нескольких их разновидностей, с порошкообразными добавками или без них; к компаундированным — сплавы, или механические смеси нескольких органических материалов; под комбинированными понимают объединение вяжущего неорганического с органическим или полимерным.
Цементирующая часть обжиговых конгломератов разделяется: на шлаковые расплавы — по химической основности исходного сырья (шлака); керамические расплавы — по характеру и разновидности использованной глины и других компонентов сырья; стекломассовые расплавы — по показателю щелочной шихты; каменное литье — по виду горной породы, поступающей на расплав; комплексные расплавы — по виду соединяемых компонентов: шлакокерамические, стеклошлаковые и др.
Единая классификация включает широкую сеть ответвлений конгломератных строительных материалов как от вяжущих веществ, так и от расплавов (цементов высоких температур) в связи с применением в них различных заполняющих материалов.
Из клинкерных и клинкерсодержащих цементов изготовляют бетоны, строительные растворы, арболиты и фибролиты, бетоны с полимерным зернистым заполнителем, асбестоцементные материалы и изделия; из гипса — гипсобетоны, арболиты и др.; из магнезиальных вяжущих — фибролиты и ксилолиты; из извести — силикатные бетоны и изделия и строительные растворы; из жидкого стекла — жаростойкие легкие бетоны, кислотоупорные бетоны и др. Получаемые конгломераты подразделяются в свою очередь по средней плотности — на особо тяжелые, тяжелые, легкие и особо легкие (ячеистые) бетоны; по производственному назначению — на конструкционные, конструкционно-теплоизоляционные, теплоизоляционные, гидротехнические, дорожные, жаростойкие и т.п. Разделение этих конгломератов возможно и по другим признакам.
Органические вяжущие вещества позволяют получать конгломераты, отличающиеся по температуре их применения в строительстве, — горячие, теплые и холодные асфальтовые бетоны; по удобооб- рабатываемости — жесткие, пластичные, литые и др.; по размеру частиц заполнителя — крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые, песчаные.
Полимерные вяжущие вещества — важные компоненты при изготовлении полимербетонов, строительных пластмасс, стеклопластиков и др., нередко называемых композиционными материалами.
На основе комплексных вяжущих получают конгломераты типа бетонов, например, гипсоцеменгнопуццолановые (ГЦП) бетоны и растворы, полимерцементные и силикатополимерные бетоны и др.; мастики, в том числе герметизирующие — твердеющие и нетвердеющие, горячие и холодные; другие строительные материалы с конгломератным типом структуры.
Обжиговые конгломераты классифицируют по использованию в них расплавов как связующих компонентов. Следует отметить, что эта часть классификации имеет много пока неоткрытых, неизвестных материалов (их места в классификации условно показаны в
виде свободных клеток). Перспективными являются конгломераты, которые должны быть получены на основе керамической связки. Среди них уже известны керамобетоны. Изучаются конгломераты на основе стеклосвязки с использованием тугоплавких гранулированных заполнителей и добавочных веществ; шлаколитные бетоны с заполнителями типа термозитов, агломерированных зол и др., бетонов со связкой из расплавов золы, например, ТЭЦ, сланцевых; кам- небетоны — на основе связи из литья с применением в них огнеупорных заполнителей.
Более ограниченное применение в строительстве находят материалы без крупных и мелких заполнителей; их можно отнести к микроконгломератам — цементный камень, асфальтовое вяжущее вещество, мастики, каменный расплав и др.
Классификация ИСК, объединяемая общей теорией, расширяется с появлением новых вяжущих веществ, разработкой новых искусственных заполнителей, новых технологий или существенной модернизацией существующих, созданием новых, в том числе комбинированных, структур. Соответствующие разновидности новых конгломератов заполняют свободные клетки классификации, количество которых неограниченно [39].
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ИСК
Общая теория ИСК состоит из четырех взаимосвязанных разделов, каждый из которых представляет собой в достаточной мере самостоятельную научную систему, или теоретическую концепцию.
Первый раздел — теория структурообразования, может быть определен и как теоретическая технология. В этом разделе содержится описание типичных технологических процессов и переделов при производстве строительных материалов, закономерностей, лежащих в основе технологий в каждой отрасли материалов и изделий с учетом мировых достижений.
Второй раздел — структурная теория прочности, деформированное™ и конгруэнции свойств ИСК при оптимальных структурах. В нем изложен общий метод проектирования оптимальных составов и структур ИСК, опирающийся на объективные закономерности прочности и других свойств, конгруэнции, створа; раскрывается физическая, физико-химическая и технологическая природа этих объективных закономерностей материального мира.
Третий раздел — теория долговечности ИСК в конструкциях зданий и сооружений. Выражены закономерные изменения в структуре и свойствах материала, работающего в конструкциях. Излагаются принципы долговечности, временные элементы и способы их увеличения — упрочнение, относительная стабилизация и деструкция и ее торможение. Решаются проблемы прогнозирования долговечности и надежности ИСК в эксплуатационных условиях.
Четвертый раздел — теория методов научного исследования и технического контроля качества ИСК. Выражает совокупность приемов и операций в теоретическом познании качественных характеристик ИСК, закономерностей, лежащих в основе методов испытания материалов при оценке их свойств в лабораторных и производственных условиях разрушающими и адеструктурными методами измерения, приборами, аппаратами и автоматизированными средствами. Углубляет ускоренные методы, в частности, при оценке экологической чистоты материалов и окружающей среды.
Степень разработанности определенных разделов общей теории ИСК в настоящее время неодинакова, но объем имеющихся данных позволяет решать многие технологические и строительные задачи, проблемы совершенствования и развития науки о материалах. Ниже более подробно изложены основные аспекты этих четырех разделов.