Структура, состав и свойства минеральных строительных материалов

Л. И. ДВОРКИН 

СТРУКТУРА, СОСТАВ  
И СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНЫХ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Учебное пособие 

Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 

УДК 691.2/.7 
ББК 38.31/.34+38.38 
Д24 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Мишутин А. В. 
(Одесская государственная академия строительства и архитектуры); 
доктор технических наук, профессор Лаповская С. Д.  
(Научно-исследовательский институт строительных материалов и изделий, 
г. Киев) 
 
 
Дворкин, Л. И. 
Д24  
Структура, состав и свойства минеральных строительных 
материалов : учебное пособие. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. – 424 с. : ил., табл.  
 
 
ISBN 978-5-9729-0361-0 
 
Рассмотрены основные минеральные строительные материалы, показаны пути формирования и регулирования их физико-механических свойств 
при изменении структуры и состава. Даны основные методы назначения 
составов строительных материалов с необходимыми свойствами, способы 
получения и модифицирования их качественных параметров. 
Для студентов и аспирантов строительных специальностей, а также 
инженерно-технических работников строительных организаций и предприятий по изготовлению строительных материалов. 
 
УДК 691.2/.7 
 
ББК 38.31/.34+38.38 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0361-0  Дворкин Л. И., 2020 
 
 Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................... 6 
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................ 7 
 
 
ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ .............................................. 12 
§ 1.1 Основные понятия и классификация строительных  
материалов ........................................................................................... 12 
§ 1.2. Стандартизация и оценка качества материалов ...................... 18 
§ 1.3. Строительные материалы как стохастические объекты ........ 23 
 
ГЛАВА 2. СТРУКТУРА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ .. 27 
§ 2.1. Атомно-молекулярная структура материалов ........................ 27 
§ 2.2. Наноструктура материалов ....................................................... 43 
§ 2.3. Микроструктура материалов .................................................... 51 
§ 2.4. Макроструктура материалов .................................................... 58 
 
ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ СОСТАВОВ  
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ  
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ .............................................. 64 
§ 3.1. Термодинамический метод и диаграммы состояния ............. 64 
§ 3.2. Моделирование в исследованиях строительных  
материалов ........................................................................................... 74 
 
ГЛАВА 4. ОБЩИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ  
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ  
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ .............................................. 96 
§ 4.1 Физико-химические процессы .................................................. 96 
§ 4.2. Основные технологические процессы ................................... 104 
 
ГЛАВА 5. ОБЩИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ  
МАТЕРИАЛОВ ................................................................................ 133 
§ 5.1. Механические свойства .......................................................... 133 
§ 5.2. Физические свойства ............................................................... 154 
§ 5.3. Химические свойства .............................................................. 181 

ГЛАВА 6. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ......... 185 
§ 6.1. Виды и свойства минералов ................................................... 185 
§ 6.2. Горные породы ........................................................................ 193 
§ 6.3. Основные свойства горных пород ......................................... 197 
 
ГЛАВА 7. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ........................... 204 
§ 7.1. Составы керамических масс ................................................... 204 
§ 7.2. Процессы обжига и спекания ................................................. 212 
§ 7.3. Структура и свойства керамических материалов ................. 216 
 
ГЛАВА 8. СТЕКЛО И СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ  
МАТЕРИАЛЫ .................................................................................. 227 
§ 8.1. Силикатные расплавы и стеклообразное состояние ............ 227 
§ 8.2. Виды стекол. Свойства строительного стекла ...................... 231 
§ 8.3. Стеклокристаллические материалы ....................................... 248 
 
ГЛАВА 9. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ ..... 253 
§ 9.1. Классификация вяжущих материалов ................................... 253 
§ 9.2 Гипсовые вяжущие ................................................................... 255 
§ 9.3. Строительная известь .............................................................. 273 
§ 9.4. Портландцемент ...................................................................... 293 
 
ГЛАВА 10. ЦЕМЕНТНЫЕ БЕТОНЫ ......................................... 320 
§ 10.1. Структура бетона ................................................................... 321 
§ 10.2. Прочность бетона .................................................................. 323 
§ 10.3. Деформативные свойства ..................................................... 338 
§ 10.4. Стойкость бетона к температурно-влажностным  
воздействиям. Коррозионная стойкость .......................................... 346 
§ 10.5. Проектирование составов бетона с заданными  
свойствами ......................................................................................... 363 
 
ГЛАВА 11. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ..................... 378 
§ 11.1. Структура металлов и сплавов ............................................. 378 
§ 11.2. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов ......... 384 
§ 11.3. Углеродистые и легированные стали .................................. 388 
§ 11.4. Термическая обработка стали............................................... 400 
§ 11.5. Чугуны .................................................................................... 407 

§ 11.6. Сплавы цветных металлов .................................................... 410 
§ 11.7. Коррозия метал лов ............................................................... 415 
 
 
Литература ..................................................................................... 429 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Теоретической базой строительного материаловедения является комплекс закономерностей, связывающих структуру, состав  
и свойства материалов. Эти закономерности сформировались и развиваются в тесной взаимосвязи науки о строительных материалах  
с фундаментальными науками. 
В данной книге рассмотрены теоретические основы формирования свойств ведущих минеральных строительных материалов. 
Автор стремился доступно изложить комплекс базовых вопросов 
строительного материаловедения, важных при изучении этой дисциплины студентами строительных специальностей высших учебных заведений. По нашему мнению, книга будет полезной также 
для специалистов-строителей и способствовать углубленному пониманию ими путей направленного формирования структуры и 
свойств широко распространенных в строительстве материалов, использованию эффективной технологии их получения и рациональному применению. 
Строительное материаловедение динамично развивается: обогащается новыми экспериментальными данными и результатами 
внедрения передовых технологий. Автор надеется, что данная книга 
со временем будет дополнена и откорректирована, в том числе с 
учетом замечаний и предложений читателей. 
Автор благодарен рецензентам, замечания которых учтены 
при подготовке книги к изданию. Автор благодарен также инженерам Л. И. Нихаевой, Л. А. Мацько и А. В. Киц за техническую помощь при подготовке книги к изданию. 

ВВЕДЕНИЕ 

Строительное материаловедение – наука, изучающая связи 
между составом, структурой и свойствами материалов, а также закономерности их изменения под воздействием различных факторов. 
Строительное материаловедение сформировалось в результате накопления обширного фактического материала, обусловившего 
возможность перехода от частных зависимостей, характеризующих 
технологию, структуру, свойства отдельных видов материалов, к 
общим закономерностям, справедливым для всей совокупности 
строительных материалов или больших их групп. 
Условно можно выделить 3 периода развития строительного 
материаловедения. 
Первый период начинается в глубокой древности, когда древнегреческими философами Демокритом (около 460 до н. э.) и Эпикуром (341–270 до н. э.) в результате наблюдений за свойствами 
природных камней, керамики, металлов было предложено учение 
об атомном строении различных веществ. 
Уже в известных древнеримских трактатах значительное место отводилось строительному искусству, в т. ч. получению строительных материалов. Изучение древнеримских трактатов спустя 
многие столетия, когда уже была создана определенная научная база, способствовало развитию некоторых фундаментальных идей 
строительного материаловедения, например идеи пуццоланизации 
цементов, растворов и бетонов с целью  увеличения их водо- и коррозионной  стойкости; введения органических добавок в растворы и 
бетоны для увеличения их пластичности и долговечности и др. 
Известно, что Средневековье характеризовалось определенным снижением уровня строительных технологий, качества применяемых материалов. Развитие научного материаловедения стало 
возможным лишь после того, как были сформулированы основные 
закономерности естественных наук, определяющие строение и 
свойства веществ, условия прохождения и особенности химического взаимодействия веществ, процессов растворения, кристаллизации, спекания, плавления и др. 
В 1748 г. М. В. Ломоносовым создана первая в России химическая лаборатория, где проводилась интенсивная исследовательская работа по химии и технологии стекла. В 1748–1752 гг. он разработал здесь многие составы цветных стекол. 

М. В. Ломоносов в своем «Курсе истинной физической химии» дал научное обоснование процессов спекания, стеклообразования, обжига и окраски стекол. 
В этот же период успешно работает в области керамики  
Д. И. Виноградов. В его работе «Обстоятельное описание чистого 
порцелана» (1752 г.) он описывает рецепты и технологию изготовления высококачественного фарфора и глазурей. 
С развитием строительства и промышленности в развивающихся странах во второй половине ХVІІІ в., прежде всего в Великобритании, связаны разработки технологий и исследования новых 
строительных материалов. Крупнейший вклад в развитие технологии и науки о вяжущих материалах, растворах и бетонах сделан английскими исследователями Д. Смитоном и Д. Паркером, предложившими гидравлическую известь и романцемент. 
В 1818 г. французский ученый Луи Жозеф Вика опубликовал 
работу «Экспериментальные исследования строительных известей, 
бетонов и обычных растворов». В ней предложена классификация 
гидравлических известей в зависимости от массового соотношения 
кремнезема и глинозема к оксиду кальция. Эта классификация применяется до настоящего времени. 
Идея получения гидравлического вяжущего обжигом искусственной смеси известнякового и глинистого компонента была развита независимо друг от друга Джозефом Аспдином (Англия) и 
Егором Челиевым (Россия). Д. Аспдин получил (в 1824 г.) патент на 
«усовершенствование способа получения искусственного камня», 
который назван им портландцементом (из-за сходства с известняками из каменоломен на острове Портленд). 
Английский изобретатель И. Ч. Джонсон уже в 40-х годах 
XIX в. существенно усовершенствовал технологию портландцемента, найдя необходимое соотношение известняка и глины в сырьевой 
смеси и применив повышенную температуру для оплавления сырья 
и образования клинкера. 
Второй этап развития науки о строительных материалах начинается со второй половины ХІХ в, когда сравнительно быстро развивается производство новых материалов. На основе изобретения английского ученого У. Николя была сконструирована поляризацион- 
ная призма, и на ее основе в середине ХІV в. создан поляризацион- 
ный микроскоп, позволивший создать кристаллооптический метод 

изучения различных минералов. Первые капитальные труды по петрографии – науке о горных породах, являющихся основным сырьем для 
производства строительных материалов, вышли в Германии (Ф. Циркель и Х. Розенбуш) и Франции (А. Мишель-Леви, Фуке). 
В 1875 г. Е. С. Федоров создал теорию пространственных групп, 
определившую законы пространственной симметрии кристаллических 
решеток. Эта теория стала базовой для предложенного в 1912 г. рентгеноструктурного анализа. Выдающиеся работы по синтезу минералов, их систематике были выполнены Ф. Ю. Левинсоном-Лессингом. 
Позднее знаменитые работы по геохимии, имеющие неоценимое значение для развития физической химии и петрографии силикатов, были 
выполнены В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом. 
Известный французский химик Ле Шателье, используя оптические методы и Х-лучи, показал в 1882 г., что портландцементный 
клинкер содержит 4 основных минерала, которые в 1897 г. Торнебом назвал алитом, белитом, целитом и фелитом. Ле Шателье  
в 1887 г. опубликовал кристаллизационную теорию твердения цемента. В этот же период (1893 г.) немецкий химик В. Михаэлис 
предлагает коллоидную теорию твердения. 
Д. И. Менделеевым в книге «Основы химии» (1868–1870 гг.) 
рассмотрен ряд вопросов химии цементов и, в частности, сделана 
попытка объяснить гидравлические свойства цементов, высказан 
ряд важных предположений, например о существовании среди силикатов соединений переменного состава, о возможности замещения в алюмосиликатах глинозема кремнеземом – которые затем были подтверждены экспериментально. 
В ХІХ в. был предложен основной конструкционный материал нашего времени – железобетон. По влиянию на развитие мировой цивилизации изобретение железобетона можно поставить в 
один ряд с открытиями электричества или появлением авиации. 
Практическое применение этих открытий в странах Европы и Северной Америки началось примерно одновременно. Первоначально 
из армоцемента были изготовлены лодка (Ж. Ламбо, 1848 г.), садовые кадки (Ж. Монье, 1849 г.), а затем французкий изобретатель 
Монье в 1867 г. получил патенты на изготовление железобетонных 
строительных изделий. 
По мере развития химической науки, создания физической и 
коллоидной химии, физической химии силикатов, химии высоко

молекулярных соединений была создана база для изучения процессов твердения вяжущих материалов, получения керамики и стекла, 
асфальтовых материалов и пластических масс. 
В ХХ в. строительное материаловедение интенсивно развивалось на всех основных направлениях. Этому способствовало интенсивное развитие различных отраслей строительства и создание  
в странах с развитой экономикой мощной промышленности строительных материалов. 
Создаются основы физической химии и петрографии различных оксидных и силикатных систем. Достигла значительных успехов наука о цементах и других вяжущих. Интенсивно развивается 
теория твердения вяжущих веществ и создан большой ряд вяжущих 
материалов различного назначения. Этому способствовали основополагающие работы А. А. Байкова, П. А. Ребиндера, В. Н. Юнга, 
П. П. Будникова, Ю. М. Бутта, В. В. Тимашева, и др. 
Сформировалась как один из основных разделов строительного материаловедения наука о бетонах. Разработаны методы проектирования составов бетона, основы теории прочности и технологии 
бетона (Д. Абрамс, Ф. Мак-Милан, Т. Пауэрс, О. Граф, И. Боломей, 
Р. Лермит, Н. М. Беляев, С. А. Миронов, Н. А. Попов, Б. Г. Скрамтаев, И. Н. Ахвердов, Ю. М. Баженов и др.). 
В трудах В. М. Москвина, В. И. Бабушкина, Г. И. Горчакова, 
Ф. М. Иванова, В. Б. Ратинова, С. В. Шестоперова и других разработана общая фундаментальная теория коррозии бетона и железобетона. 
Развитию строительной керамики в большой мере способствовали исследования П. А. Земятченского, А. И. Августинника, 
П. П. Будникова. Они разработали теоретические вопросы глиноведения, раскрыли процессы, происходящие при обжиге глин и другого керамического сырья. 
Проводились 
многочисленные 
химические 
и 
физикохимические исследования в области стекла, ситалов и многих других строительных материалов. 
Изучение состава и структуры строительных материалов,  
фазовых превращений в материалах в процессе их получения и эксплуатации стало возможным благодаря широкому применению химических, физико-химических и физико-механических методов исследований. Благодаря основополагающим работам академика 

П. А. Ребиндера и его научной школы развивается физикохимическая механика бетона и других строительных материалов, 
позволяющая активно управлять их свойствами, изменяя их дисперсность, поверхностную активность, применяя добавки-модификаторы 
и т.п. 
Третий этап развития строительного материаловедения охватывает период со второй половины ХХ века до настоящего времени. 
В этот период созданы новые эффективные материалы, мощные 
технологические линии по производству основных строительных 
материалов, включающие высокопроизводительные обжиговые и 
помольные агрегаты, дробильное, смешивающее и другое оборудование, системы аспирации, пылеулавливания и др. Разрабатываются 
и внедряются автоматизированные системы управления технологическими процессами. С применением бетона, железобетонных конструкций, других строительных материалов возводятся уникальные 
гидротехнические, промышленные, транспортные сооружения. 
На современном этапе строительное материаловедение, удовлетворяя запросы строительной практики, развивается с учетом 
необходимости обеспечения высокого качества материалов и изделий, их надежности и долговечности при рациональном использовании природных ресурсов, энергосбережения, повышения экологической безопасности промышленного производства. 
Для новых технологий обязательными признаками являются 
ресурсосбережение и экологическая безопасность при высоком 
уровне комплексной механизации и автоматизации производственных процессов. Перспективными направлениями развития технологии строительных материалов являются нанотехнологии. 
Развитие строительного материаловедения тесно связано с 
развитием фундаментальных и прикладных наук, позволяющих 
осмыслить и объяснить особенности структуры конкретных материалов, зависимости, связывающие ее с их свойствами. Все большее значение приобретают теоретические исследования, связанные 
с моделированием структуры материалов и разработкой принципов 
направленного структурообразования, а также синтезом строительных материалов с заданными свойствами. Эффективными являются 
исследования с применением компьютерных технологий, направленные на оптимизацию свойств материалов и технологических режимов их производства. 

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

К строительным материалам (от лат. materia – вещество) относят вещества и смеси веществ, имеющие свойства, позволяющие 
их использовать при строительстве зданий и сооружений. В строительстве применяют чрезвычайно большое количество материалов, 
которое интенсивно увеличивается с каждым годом. Функциональное соответствие материалов, их надежность, технологичность, 
экологическая безопасность обеспечиваются при достаточном соответствии определенных качественных показателей требованиям 
государственных стандартов, технических условий и других действующих нормативных документов. 

§ 1.1. Основные понятия и классификация
строительных материалов 

Свойства строительных материалов определяются их составом и структурой. 
Состав материалов характеризуется содержанием отдельных 
химических соединений (химический состав), минералов (минералогический состав), частей или фаз однородных по химическому 
составу и физическим свойствам, ограниченных поверхностью раздела (фазовый состав) и количеством отдельных компонентов – 
веществ, образующих данный материал (вещественный состав). 
Большинство строительных материалов относятся к гетерогенным дисперсным системам, состоящим из двух или более фаз.  
В дисперсных системах одно или несколько веществ (дисперсная 
фаза) являются частичками или порами, распределенными в окружающей дисперсионной среде. Дисперсные системы разделяют на 
грубодисперные и тонкодисперсные Последние называют также 
коллоидными системами. В грубодисперсных системах частицы 
имеют размеры от 1 мкм и выше, их удельная поверхность не более 
1 м2/г, в коллоидных от 1 нм до 1 мкм, удельная поверхность может 
достигать сотен м2/г. 

В строительных материалах, которые принадлежат к дис
персным системам, дисперсную фазу наиболее часто составляют 

твердые частички. Это разнообразные порошки, суспензии, пасты, 
пластично-вязкие смеси, вяжущие вещества, пластмассы, лакокрасочные соединения, керамические массы, растворы и бетонные 
смеси, расплавы стекловидных веществ и т.п. В некоторых материалах дисперсная фаза может быть жидкой (полимерные эмульсии) 
или газообразной (пористые горные породы, ячеистые бетоны, пеностекло, пенопласты и т.п.). 
Структура материалов характеризует особенности их строения в т.ч. размещения в пространстве отдельных фаз и компонентов, характер связей между ними. 
Единой классификации строительных материалов не разработано, существует очень много классификационных признаков и 
между отдельными группами материалов существует сложная 
структура связей. 
Классификационные признаки строительных материалов разделяют на физические, химические, физико-химические, механические, структурные, технологические и функциональные. 
По происхождению строительные материалы разделяют на 
природные и искусственные. Природные материалы получают из 
природного сырья путем механической обработки без изменения их 
химического состава и структуры. 
За исключением природных камней и древесины, строительные материалы – это искусственные продукты, в основе получения 
которых лежат химико-технологические процессы. Искусственные 
материалы по составу и свойствам могут существенно отличаться 
от природного сырья. 
Распространенной является классификация строительных материалов по назначению. Н. А. Попов предложил разделять строительные материалы по назначению на две группы: материалы универсального типа, пригодные для несущих конструкций, и материалы специального назначения. В первую группу входят природные и 
искусственные каменные материалы, металлы, конструкционные 
пластмассы и лесные материалы, во вторую – теплоизоляционные, 
акустические, гидроизоляционные, кровельные, герметизирующие, 
отделочные, антикоррозионные и огнеупорные материалы. 
Материалы для несущих конструкций подбирают с учетом особенностей конструктивных элементов и технико-экономических обос