композиционные материалы.

Для получения многих искусственных строительных материалов или склеивания штучных материалов в изделия и конструкции широко используют неорганические (известь, гипсовые, вяжущие, растворимое стекло, цементы) и органические (битумы, дегти, смолы, клей) вяжущие вещества.
Неорганические вяжущие вещества представляют собой искусственные тонкоизмельченные порошки, способные при смешивании с водой (в отдельных случаях с растворами некоторых солей) образовывать пластично-вязкую и легкоформуемую массу (вяжущее тесто), которая в результате физико-химических процессов постепенно затвердевает и переходит в камневидное тело.
Неорганические вяжущие, получаемые искусственно путем обжига природного сырья, появились в глубокой древности.
Некоторые из них (воздушную известь, гипс и их смеси) уже использовали для возведения египетских пирамид и других сооружений. Римляне, сооружая водопроводы, морские сооружения, использовали вяжущие, состоящие из смеси воздушной извести со специальными измельченными добавками (вулканическими пеплами, обожженной глиной), которые сохраняли прочность в воде.
Применение вяжущих веществ в России относится к X в. При сооружении Десятинной церкви в Киеве (990 г.) использовали известь, там же при возведении Софийского собора (XI в.) применяли известь с добавкой цемянки (толченого кирпича). На известковом растворе сложены стены Московского Кремля (конец XV в.).
В XVIII в. появились более водостойкие вяжущие гидравлическая известь и романцемент, которые получали обжигом известняков с повышенным содержанием глинистых веществ, а также мергелей и искусственных смесей известняка и глины. Свойства этих вяжущих, опыт их производства и применения описаны в работах русских ученых акад. В. М. Севергина (1807) и проф. А. Шарлевиля (1822).
Дальнейшим толчком развития производства и применения вяжущих веществ явилось изобретение цемента более высокой прочности и водостойкости, названного портландцементом.
Изобретени портландцемента часто приписывают английскому каменщику Д. Аспдину, который в 1824 г. получил патент на изготовление вяжущего вещества обжигом смеси извести с глиной. За сходство по цвету с естественным камнем из каменоломен под г. Портлэнд в Англии он назвал это вяжущее портландцементом. В то же время в России военный техник Е. Г. Челиев в 18171825 гг. изготовлял цемент из смесей извести или известковой штукатурки с глиной, производя их обжиг до частичного расплавления компонентов с последующим измельчением полученного продукта. При затворении вяжущего водой рекомендовалось вводить небольшое количество гипса. Исторически справедливо считать основоположником портландцемента Е. Г. Челиева.
Дальнейшее изучение вяжущих веществ в России было продолжено русскими учеными. Особые заслуги в теории и практике промышленного производства цемента в России принадлежат проф. А. Р. Шуляченко (1841 1903), которого считают «отцом русского цементного производства». Благодаря его работам удалось наладить производство русских портландцементов и почти полностью вытеснить из России иностранные цементы.
В результате работ и исследований Н. Н. Лямина,, В. И. Чарномского, А. А. Байкова были открыты русские гидравлические добавки, не уступающие по качеству добавкам, импортируемым в Россию из-за границы. Позднее советские ученые (А. А. Байков, С. И. Дружинин, В. А. Кинд, В. Н. Юнг и др.) полностью решили вопрос о пуц-цоланизации цемента и создании пуццоланового портландцемента.
Благодаря работам советских ученых, инженеров и новаторов производства советская цементная техника достигла высокого развития. Уже с 1962 г. Советский Союз занимает первое место в мире по производству цемента. Улучшилось качество цемента и прежде всего повысилась его средняя марка (прочность), появились новые виды цементов со специальными свойствами, создание которых принадлежит Б, Г. Скрамтаеву, М. И. Хигеровичу, В. В. Михайлову, И. В. Кравченко, С. В. Шестоперову и другим советским ученым.

Сырьевые материалы и основы технологии
неорганических вяжущих веществ

Исходными материалами для производства неорганических вяжущих веществ являются различные горные породы, а также некоторые массовые побочные продукты металлургической, энергетической, химической и других отраслей промышленности (шлаки, золы и т. д.).
Для изготовления гипсовых вяжущих веществ применяют горные породы, состоящие из двуводного гипса и ангидрита. Производство магнезиальных вяжущих базируется на природном магнезите и доломите.
Карбонатные горные породы в виде известняков, мела, доломитов и мергелей являются основой для получения воздушной и гидравлической извести, романцемента, портландцемента. В производстве портландцемента и его разновидностей чаще используют искусственные смеси известняков или мела и глинистых пород. Для этой же цели, а также для получения смешанных клинкерных и бесклинкерных цементов применяют кремнеземистые горные породы (диатомит, трепел, опоку, вулканические трассы и туф).
Высокоглиноземистые породы (бокситы), состоящие в основном из гидроксида алюминия, применяют в смеси с известняками для производства глиноземистого цемента.
Широко используют для изготовления различных вяжущих веществ массовые отходы промышленности (доменные и другие металлургические шлаки, шлаки и золы от пылевидного сжигания различных видов твердого топлива, нефелиновый шлам и т. п.). При этом отпадает необходимость организации карьеров, они не требуют топлива на обжиг, многие из этих материалов к тому же находятся в рыхлом или порошкообразном состоянии, что уменьшает расходы энергии на размол. Кроме того, использование отходов способствует охране природы и среды обитания. Все это предопределяет высокую технико-экономическую эффективность использования таких полупродуктов в промышленности вяжущих веществ и способствует охране окружающей среды.
Для регулирования схватывания и твердения вяжущих в них вводят добавки, ускоряющие или замедляющие эти процессы. Для улучшения свойств вяжущего и предохранения цементов от быстрой потери активности при дальних перевозках и длительном хранении используют поверхностно-активные вещества (ПАВ), вводимые в вяжущее в количестве 0,1...0,3 % от массы вяжущего.
Придание вяжущим специальных свойств достигают введением в них полимерных органических веществ и других добавок.
Основу производства неорганических вяжущих веществ составляют следующие технологические переделы: добыча сырья, подготовка сырьевой смеси, обжиг и помол. Все технологические переделы последовательно связаны между собой и проводятся в строго заданных режимах. Принципиальных отличий при изготовлении вяжущих нет; различно сырье, следовательно, технические приемы осуществления указанных переделов.
Производство вяжущих веществ связано с переработкой больших количеств разнообразных сырьевых и вспомогательных материалов. Учитывая высокую стоимость транспорта, заводы вяжущих веществ строят вблизи месторождений сырьевых материалов, и их добыча входит в общий комплекс технологических операций, осуществляемых заводом.
Добычу нерудных ископаемых осуществляют методом прямой экскавации. Скальные породы (известняки и др.) предварительно разрыхляют взрывами. Мягкие породы (глину и мел) добывают гидромониторами в виде текучей массы (шлама).
Доставку сырья на завод осуществляют железнодорожным, автомобильным транспортом, ленточными конвейерами или перекачивают по трубопроводам в виде шлама.
Обязательной подготовительной операцией в производстве всех вяжущих является измельчение сырья. При производстве вяжущих из однокомпонентного сырья (извести, гипса и др.) последнее измельчают до кусков примерно одного размера. Высококачественные вяжущие из смеси нескольких сырьевых компонентов (портландцемент и его разновидности и др.) можно изготовить только из однородной смеси, получаемой тщательным смешением составляющих в тонкоизмельченном виде. Дробление сырья производят в конусных, щековых, молотковых, валковых и других дробилках. Тонкое измельчение (помол) сырья производят мокрым и сухим способами в мельницах.
При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды до образования сметанообразной водной суспензии шлама. Компоненты сырьевой шихты, способные распускаться в воде (глина, мел, мягкий мергель и другие породы), предварительно размучивают (распускают) в специальных аппаратах-болтушках, представляющих собой бетонные резервуары, оборудованные устройствами для размешивания суспензии, а затем направляют на домол в шаровые мельницы. Твердые сырьевые материалы (известняк, мергель) размалывают в мельницах. При вращении мельницы мелющие тела (металлические шары или цилиндрики) поднимаются на некоторую высоту и падают, разбивая и растирая зерна материала. Выходящий из мельницы сырьевой шлам влажностью 36....38 % транспортируют по трубам в шламбассейны, где его тщательно усредняют и гомогенизируют, а затем подают на обжиг.
При сухом способе дробленые сырьевые материалы частично подсушивают, дозируют в заданных соотношениях и подают в мельницу, где они измельчаются до требуемой тонины. Для тонкого измельчения сырьевой шихты преимущественно применяют технологические схемы с мельницами для одновременной сушки и помола.
Усреднение и гомогенизацию сырьевой муки при сухом способе осуществляют в силосах, нагнетая в них сжатый воздух. При насыщении (аэрировании) воздухом сухая шихта приобретает подвижно-текучее состояние.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие сведения о композиционных материалов 3
2. Маркировка сталей 8
3. Материалы на основе вяжущих веществ (исскуственные строительные камни) 13
Литература 21

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Композиционные материалы это конструкционные ма¬териалы сложного состава, образующиеся путем объемно¬го сочетания разнородных компонентов (фаз) с границей раздела между ними. Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала, называется матрицей (связу¬ющим) (рис. 1), другие компоненты (арматура, наполнители и т. д.) распределены в матрице. На границе матрицы и дру¬гих компонентов материала располагаются тонкие переход¬ные слои, соответствующие зоне раздела фаз.
Композиционные материалы классифицируют по основным признакам: типу матрицы, виду армирующего элемен¬та, особенностям макростроения и методам получения.
По типу материала матрицы различают полимерные ком¬позиты (термопласты и реактопласты, смеси); металлические (в том числе материалы,

Рис. 1 Схема композиционного материала: 1 матрица, 2 армирующие элементы, 3 зона раздела фаз.
Получаемые методами порошковой металлургии, и сплавы, состоящие из макронеоднородных фаз); неорганические (неорганические полимеры, минералы, углерод, керамика) и комбинированные (полиматричные).
Матрица придает изделию из композита заданную фор¬му и монолитность, обеспечивая передачу и перераспреде¬ление нагрузки по объему материала, защищает армирую¬щие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы не¬посредственно определяет термическую и коррозионную стойкость, электрические и теплозащитные свойства, ста¬рение, технологию изготовления и другие важнейшие харак¬теристики композиционного материала и изделий из него.
По виду армирующих элементов (наполнителей) компо¬зиты классифицируют в зависимости от геометрических размеров и порядка их расположения в матрице, целей ар¬мирования. Армирующие элементы (наполнители) вводят в композиционный материал с целью изменения его свойств: увеличения прочности, жесткости и пластичности; изме¬нения плотности, электрических, теплофизических и дру¬гих характеристик в различных направлениях и отдельных местах изделия. Важнейшими являются деформационно-прочностные характеристики конструкционных материалов. По этому признаку для удобства дальнейшего рассмотре¬ния целесообразно различать собственно наполнители и ар¬мирующие элементы. Наполнители это преимуществен¬но дисперсные и коротковолокнистые вещества, введение которых позволяет достичь не более чем 1,5 ... 2-кратного повышения прочности матрицы. Армирующие элементы (арматура) высокопрочные усы, волокна, ткани, кото¬рые при соответствующем содержании в композиции спо¬собствуют повышению прочности материала в 2-10 и бо¬лее раз по сравнению с прочностью матрицы. В компози¬ционном материале могут находиться и наполнители, и армирующие элементы.
Композиты могут содержать армирующие и наполняю¬щие компоненты различных размерностей. Все размеры нульмерных наполнителей намного меньше характерного размера образца композиционного материала; у одномерных наполнителей (армирующих элементов) один из их разме¬ров соизмерим с характерным размером; по меньшей мере два размера двухмерного армирующего элемента соизме¬римы с характерными размерами образца композита. К нуль¬мерным наполнителям относят дисперсные (преимуществен¬но порошковые) наполнители (сажа, песок, мелкодисперс¬ные металлы, фосфаты, стеклянные и кремнеземные мик¬росферы и т. д.); к одномернымволокнистые наполните¬ли и армирующие элементы:

Рис.2 Простейшие случаи хаотического (а-г,и), одноосно- (д-е) и сложно ориентированного (к-м) расположения армирующих элементов и наполнителей в матрице композиционного материала: а порошка; б коротких волокон; в чешуек; г смеси порошка с короткими волокнами; д коротких волокон; е длинных волокон; ж тканей или фольги; и длинных волокон.
природные коротковолокнистые (асбест), растительные (сизаль, джут), высокомодульные нитевидные кристаллы (оксид и нитрид алюминия, ок¬сид бериллия, карбид бора, нитрид кремния), длинномерные стеклянные, углеродные, базальтовые, борные керамичес¬кие, металлические, низко- и высокомодульные органичес¬кие волокна. К двухмерным относят ленточные, тканевые (состоящие из любых видов волокон и их сочетаний), сеточ¬ные и другие армирующие элементы.

Рис. 3 Схемы армирования композиционного материала одномерными (волокнистыми) элементами: а одноосное; б двуосное; в - трехосное
Вклад наполнителей (арматуры) в комплекс свойств ком¬позитов бывает настолько существенным, что последние нередко называют по виду наполнителя: графитопласты, стекловолокниты, органо-,угле-и боропластики и т.д.
По макростроению композиционные материалы различают в соответствии с геометическими параметрами относи¬тельно расположения компонентов. В матрице армирующие элементы могут быть расположены хаотически, но чаще их стараются разместить в определенном порядке (рис.2). Возможности количественного сочетания и объемного рас¬положения нульмерных, одномерных и двухмерных армиру¬ющих элементов весьма широки.
Композиционные материалы, имеющие одинаковые свой¬ства во всех направлениях, называют изотропными. К ним относят хаотически наполненные порошками, короткими во¬локнами и чешуйками композиты. Материалы, свойства ко¬торых неодинаковы по различным направлениям, называют анизотропными. Это композиты с армирующими элементами в виде непрерывных волокон, пластин, тканей, сеток. Иног¬да в микрообъемах (в зоне армирующих элементов) наблю¬дается анизотропия свойств композита, а в целом их изот¬ропия. Такие материалы называют квазиизотропными.
При моделировании технологии изготовления и выборе схемы прочностного расчета высокопрочные композиционные материалы делят на три группы: с одноосным, двухосным (плос¬костным) и трехосным (объемным) армированием (рис. 3).
Все чаще находят применение комбинированные компо¬зиционные материалы (рис. 4): полиармированные (содер¬жащие два и более различных по составу и природе армиру¬ющих элемента), полиматричные (имеющие две или более матрицы) и т. д.
Гибридные (полиматричные и полиармированные) компо¬зиты-конструкции изготовляют одновременно с изделием. При этом соответствующий компонент (матрица или армирующий элемент) вводят заданное место конструкции, где наиболее полно используются его положительные качества при опти¬мальной технологии и минимальных материальных затратах.

1. Елизаров Ю.Д., Шепелев А.Ф. Материаловедение для экономистов. Ростов - на Дону: Феник, 2002.
2. Арзамасов Б.Н., Крашенинников А.И., Пастухова Ж.П., Научные основы материаловедения М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994.
3. Лахитин Ю.М. , Леоньтьев В.П., Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990.
4. Комар А. Г., Строительные материалы и изделия. - М.: Высшая школа, 1999.