Строительные материалы и изделия. Часть 1

УДК 691
ББК 38.3
В27


Рецензенты:
доктор технических наук Л.М. Добшиц, профессор кафедры
строительных материалов и технологий Российского университета транспорта 
(РУТ (МИИТ));
доктор технических наук В.Н. Соков, профессор кафедры технологии  
вяжущих веществ и бетонов НИУ МГСУ
   Величко, Е.Г.
В27 		---     Строительные материалы и изделия [Электронный ресурс] : [учебное пособие для аспирантов 
по направлению подготовки 08.06.01 Техника и технологии строительства] / Е.Г. Величко ; 
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, кафедра строительных 
материалов и материаловедения. —  Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2020—.		
ISBN 978-5-7264-2165-0		 -  
 Часть 1. [Электронный ресурс] / Е.Г. Величко. — Электрон. дан. и прогр. (4,2 Мб). — Москва : 
Издательство МИСИ – МГСУ, 2020. — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru/. — Загл. с титул. 
экрана.		
ISBN 978-5-7264-2166-7 (ч. 1)
В учебном пособии рассмотрено строение строительных материалов с использованием наиболее фундаментальных положений термодинамики, молекулярной физики, коллоидной химии и физико-химической механики высококонцентрированных дисперсных систем, что делает представленный материал более 
понятным, научно обоснованным и облегчающим восприятие. Приведены примеры строения и свойств 
конкретных материалов, в большинстве случаев бетонов и цементов как наиболее применяемых в современном строительстве.Для обучающихся по направлению подготовки 08.06.01Техника и технологии строительства.
Учебное электронное издание
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2020

Редактор Е.Б. Махиянова
Корректор Л.А. Попова
Компьютерная вёрстка  О.Г. Горюновой
Дизайн первого титульного экрана  Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2007, Adobe InDesign CS5,
Adobe Acrobat
Подписано к использованию 26.03.2020. Объем данных 4,2 Мб.
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ
. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................................................. 5
ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.......................................... 8
ГЛАВА 2. СВЯЗЬ СТРОЕНИЯ, СОСТАВА И СВОЙСТВ.
..................................................................................... 10
2.1. Строение материалов. Общие сведения.
........................................................................................................ 10
2.2. Параметры и равновесие................................................................................................................................. 12
2.3. Гомогенные и гетерогенные системы.
............................................................................................................ 13
2.4. Химический и минеральный составы.
........................................................................................................... 15
2.5. Классификация структуры.............................................................................................................................. 15
ГЛАВА 3. КРИСТАЛЛЫ И АМОРФНЫЕ ТЕЛА.................................................................................................... 18
3.1. Общие сведения о строении кристаллов и аморфных тел.
.......................................................................... 18
3.2. Аморфные тела................................................................................................................................................. 19
3.3. Внутрикристаллические силы........................................................................................................................ 20
3.4. Симметрия кристаллов.................................................................................................................................... 25
3.5. Пространственная решетка............................................................................................................................. 27
3.6. Классификация кристаллов.
............................................................................................................................ 29
3.7. Строение реальных кристаллов.
..................................................................................................................... 30
3.8. Реальные кристаллы. Блочная структура ..................................................................................................... 33
3.9. Дислокации и дефекты.................................................................................................................................... 34
3.10. Теоретическая и фактическая прочность кристаллов................................................................................ 38
3.11. Структурные несовершенства в кристаллах............................................................................................... 39
3.12. Поли- и монокристаллы. Поверхностные дефекты.
................................................................................... 40
3.13. Типы структуры в дисперсных системах.
.................................................................................................... 48
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ .
...................................................................................................................... 53
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................................................................................ 54

ВВЕДЕНИЕ
Строительные материалы, изделия и конструкции — материальная основа строительства. Их 
вклад в общую стоимость готового объекта, включая строительно-монтажные работы, составляет 
около 50 %. По этой причине экономное расходование строительных материалов с максимальным 
использованием их потенциальных возможностей является одним из определяющих факторов, обеспечивающих существенное сокращение стоимости строительства в целом.
Для правильного и эффективного использования разнообразных строительных материалов необходимо знать их назначение и свойства. Изучением свойств материалов занимается наука о строительных материалах. Без знания строения и свойств строительных материалов невозможно проектировать, строить, эксплуатировать и реконструировать строительные объекты. Это направление 
науки является фундаментальным, посвящено изучению и систематизации строительных материалов, выпускаемых различными отраслями промышленности в широкой номенклатуре, и базируется 
на положениях термодинамики, молекулярной физики, неорганической, органической и коллоидной 
химии, физико-химической механики высококонцентрированных дисперсных систем и др. 
История строительных материалов начинается с древних времен. В ее развитии выделяют три 
этапа. С первого этапа развития отрасли началось целенаправленное использование материалов для 
возведения построек различного функционального назначения. На заре цивилизации применяли такие материалы, которые не требовали значительных усилий и энергетических затрат для придания 
им заданной формы: древесину, природные камни, необожженную глину.
Исходным моментом становления науки о материалах явилось получение керамики путем осознанного изменения свойств и структуры глины при ее нагревании и обжиге. Со временем чрезмерную пористость поверхности изделий научились уменьшать глазурованием.
С течением времени человечество познало самородные, а затем и рудные металлы, крепость и 
жесткость которых были известны еще в VIII тыс. до н.э. Холоднокованая самородная медь была 
вытеснена медью, выплавленной из руд, которые встречались в природе чаще и в больших количествах. В дальнейшем к меди стали добавлять другие металлы и таким образом в III тыс. до н.э. научились изготавливать и использовать бронзу как сплав меди с оловом, т.е. начали производить более прочные поликристаллические материалы, а также обрабатывать благородные металлы, широко 
известные к тому времени.
Второй этап в развитии строительных материалов начался после изобретения в первой половине XIX в. гидравлического вяжущего вещества — портландцемента. Появилась возможность изготавливать водостойкие бетоны и растворы, что существенно расширило технические возможности строительства. Важнейшим показателем этого этапа явилось массовое производство различных 
строительных материалов и изделий, непосредственно связанное с интенсификацией строительства 
промышленных и жилых зданий, общим прогрессом промышленных отраслей, электрификацией и 
т.д. Характерными для данного этапа являются также конкретное изучение составов и качества производимых материалов, изыскание наилучших видов сырья и способов переработки, методов оценки свойств строительных материалов со стандартизацией необходимых критериев совершенствования практики изготовления продукции на всех стадиях технологии. 
Кроме применявшихся на первом этапе камня, меди, бронзы, железа и стали, керамики и отдельных вяжущих веществ, начался массовый выпуск портландцемента, появились новые цементы. Были предложены новые разновидности искусственных заполнителей из глины и шлака для изготовления легких бетонов.
В конце XIX в. была разработана и затем сформирована технология изготовления основного 
конструкционного материала нашего времени — железобетона. В это же время внедряется предварительно напряженный железобетон. По влиянию на развитие мировой цивилизации изобретение железобетона можно поставить в один ряд с открытием электричества или появлением авиации. 
Массовое производство преднапряженных железобетонных конструкций в нашей стране началось 
несколько позже.
Развитию строительных материалов в этот период благоприятствовали новые открытия при исследовании структуры веществ. В 1912 г. было обнаружено явление дифракции рентгеновских лучей, а позже рентгенография стала фундаментальным физическим методом изучения структуры 
веществ. Появилась рентгеновская кристаллография, с помощью которой расшифровывались сложные структуры материалов, например горных пород, синтетических полимеров и др. Вывод о гла5

венствующей роли структуры в природе и качестве материалов послужил основой для изучения 
кристаллов и неупорядоченных структур в виде аморфных веществ различными методами структурного анализа. Достижения в физике, химии, минералогии и других науках явились базой для 
глубокого изучения химических составов, физико-механических и физико-химических свойств, а 
также стандартизации качественных показателей различных видов строительных материалов. Их 
номенклатура быстро расширялась, значимо увеличивался массив научной и технической информации о каждой разновидности новых и традиционных материалов. 
Для второго этапа наиболее характерно всестороннее глубокое изучение конкретных видов строительных материалов. На этом этапе каждая отрасль производства материалов получала от науки 
максимум информации о необходимом для нее сырье, эффективных способах его переработки с 
применением наиболее рациональных технологических процессов и видов оборудования, а также 
наиболее объективных методах оценки качества выпускаемой продукции, ее стандартизации, путях 
повышения эффективности производства и максимального использования потенциальных возможностей материалов.
Третий этап охватывает период со второй половины XX в. до настоящего времени. Он характеризуется, во-первых, процессом дальнейшего расширения производства и быстрым накоплением и 
углублением знаний о строительных материалах и, во-вторых, интеграцией научных знаний о строительных материалах и изделиях в их общую совокупность.
Необходимо отметить, что отечественная наука в этот период вносит значимый вклад в развитие 
производства строительных материалов. Созданные нашими учеными технологии производства цемента, металлов, бетона, керамики, теплоизоляционных материалов, заводского домостроения являются конкурентоспособными в мировом строительном процессе, а достижения российских ученых, 
заложивших научные основы в ведущих отраслях производства строительных материалов, в большинстве своем получают заслуженное международное признание.
Можно предположить, что в ближайшей перспективе основными видами строительных материалов останутся бетон и железобетон, полимеры, металл, керамика, стекло, древесина, будут развиваться производство и применение композиционных материалов (армированных волокнами различных видов или приготовленных с использованием высокодисперсных компонентов), в том числе 
наноматериалов. Очевидно, что следует ожидать значимого повышения качества строительных материалов, их надежности и долговечности, массового применения отходов различных производств, 
а также бытовых отходов и золошлаковых продуктов их утилизации на мусоросжигательных заводах. К строительным материалам будут значимо повышены требования по экологической безопасности. 
Кроме того, учитывая суровые климатические условия России, будут интенсивно разрабатываться, совершенствоваться и внедряться технологии производства эффективных теплоизоляционных 
материалов, в том числе ячеистых бетонов марок по средней плотности D100–D200.
Следует также ожидать массового внедрения высокопрочных высокотехнологичных бетонов с 
высокими строительно-техническими свойствами, модифицированных новыми видами суперпластификаторов на поликарбоксилатной основе с несколькими заданными эффектами действия. Бетоны этой группы будут иметь высокую прочность и долговечность, надежные защитные свойства по 
отношению к стальной арматуре, бактерицидность. Они уже изготавливаются из высокоподвижных 
или самоуплотняющихся бетонных смесей с ограниченным водосодержанием, имеют прочность на 
сжатие до 100–150 МПа в возрасте 28 сут., марку по морозостойкости F600 и выше, водонепроницаемость не менее W12, водопоглощение 1–2 %, истираемость не более 0,3–0,4 г/см2, регулируемые 
показатели деформативности, в том числе с компенсацией усадки в возрасте 14–28 сут. Прогнозируемый срок службы таких бетонов ― более 200 лет. При производстве изделий в заводских условиях 
их изготавливают без применения виброуплотнения, без тепловой обработки, с распалубкой в возрасте 10–14 ч и обеспечивают качество поверхности, не требующее отделки. 
Продолжаются исследования реактивных порошковых композитов, называемых Reactive Powder 
Concrete (RРС), ― высокопрочных фибронаполненных мелкозернистых бетонов с заданным дисперсно-гранулометрическим составом минеральных компонентов, обеспечивающим минимальную 
межзерновую и межчастичную пустотность, содержащих микрокремнезем и суперпластификаторы 
третьего поколения. Прочность на сжатие таких систем может достигать 200–800 МПа, а на растяжение при изгибе ― 100 МПа.
6

Получение фибронаполненных бетонов, по сути являющихся композиционными материалами 
нового поколения для строительства, возможно только при опережающем развитии технологии и 
материаловедческой науки. 
Технологии производства строительных материалов в современных условиях становятся невозможными без компьютерных информационных систем и автоматизированных систем управления. 
Необходимо отметить, что производство всех видов строительных материалов, в том числе означенных выше видов крупноразмерных бетонных и железобетонных изделий, уже в настоящее время на 
передовых предприятиях становится практически полностью автоматизированным. 
Есть все основания считать, что науку о строительных материалах в XXI в. ожидают новые открытия и более совершенные технологии.