// //
Дом arrow Научная литература arrow СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ arrow НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ГЛАВА  3.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

К неорганическим строительным материалам относятся природные каменные, полученные в результате механической обработки горных пород, и искусственные: керамические, на основе минеральных расплавов, металлов, а также минеральных вяжущих веществ.

 

3.1. Природные каменные материалы

 

Природный камень – первое добытое человеком полезное ископаемое, которое использовали для строительства жилья, храмов, театров и других монументальных сооружений.

Древние камнерезы великолепно знали свойства горных пород, их не останавливала твердость камня. В руках мастеров камень был податливым пластичным материалом, из которого получали строительные детали и изделия любой формы. При добыче, которая проводилась вручную, в скале по обозначенным границам будущего блока медным резцом выдалбливали глубокую канавку. Затем в нее забивали клинья из сухого дерева и обливали их водой. Дерево разбухало, увеличивалось в объеме, трещина расширялась – и блок отделялся от скалы. Затем камень обрабатывали на месте инструментами из камня, меди и дерева, придавая ему форму стандартного блока для кладки стен или призмы для облицовки.

Самым большим чудом света являются пирамиды – гробницы фараонов. Наибольшая из них – пирамида Хеопса, возведенная до н.э. из 2300000 кубических блоков известняка с гладко отшлифованными сторонами. Масса каждого слагающего пирамиду блока более 2 т, общая масса пирамиды составляет примерно 5,7 млн. т. Никакого связующего материала в пирамиде нет, камни держатся собственной тяжестью и за счет очень точной подгонки по размерам.

Исключительно велика роль камня и в другого рода монументальных сооружениях – храмах, по грандиозности не уступающих пирамидам. Храмы украшали пилонами (башнеобразное сооружение в виде усеченной пирамиды), колоннами, скульптурами из резного камня.

Замечательным достижением греческой архитектуры является Афинский Акрополь, построенный в У – 1У в. до н.э. из мрамора разных оттенков. В условиях сухого климата Греции мраморные сооружения великолепно сохранились в течение более чем двух тысячелетий. Но за последние 20 лет из-за загрязнения воздуха скульптуры подверглись более значительному разрушению, чем за 25 веков.

В русском зодчестве широкое распространение нашел белый известняк в виде тесаных блоков, связанных известковым раствором, который стал применяться с середины ХП века при строительстве соборов во Владимире, в XIV веке – Московского Кремля, в ХУ – ХУ1 вв. при возведении Успенского и Архангельского соборов, Грановитой платы и, частично, храма Василия Блаженного.

В Беларуси вследствие небольших залежей строительного камня (магматита на юге – карьер «Надежды», известняка – в Брестской области и доломита – в Витебской) этот материал применяли только в сочетании с керамическими изделиями (дворцово-замковый ансамбль в Несвиже XVI в. или «Дом массонов» в Минске XVIII в.) или деревом («Дом Петра 1» в Полоцке ХVII в.). В современном строительстве из природного камня путем механической обработки получают стеновые и фундаментные блоки для возведения различных по назначению сооружений, бордюрный камень для ограждения дорог, облицовочные плиты для внутренней и наружной отделки зданий, монументальный камень для изготовления колонн и крупных архитектурных деталей. Каменная облицовка повышает долговечность зданий и избавляет от необходимости ремонта наружных стен на многие десятилетия.

При применении более сложной технологии из горных пород получают каменное литье и минеральную вату.

Кроме того, горные породы, состоящие из минералов и имеющие относительно постоянный состав и свойства, служат основным сырьем для получения минеральных вяжущих веществ (известняк – извести, известняк и глина – портландцемента) и искусственных материалов (глина – керамические изделия, кварцевый песок – стекло, железосодержащие руды – металлы).

 

3.1.1. Классификация горных пород

Условия образования горных пород предопределяют их минералогический состав и общий характер строения. Именно от состава и структуры зависят их основные свойства, а следовательно применение в строительстве.

По условию образования горные породы разделяют на три основные группы: магматические (изверженные), осадочные (вторичные) и метаморфические (видоизмененные).

Изверженные горные породы образовались из расплавленной магмы, поднявшейся из глубины земной коры и отвердевшей при остывании. В зависимости от скорости и места охлаждения магмы они в свою очередь могут быть глубинными или излившимися. Глубинные породы остывали медленно, под значительным давлением толщи земной коры. Эти условия обеспечили полную кристаллизацию составляющих минералов. Поэтому глубинные горные породы имеют крупнокристаллическую структуру, высокую плотность 2600 – 3300 кг/м3, прочность на сжатие 100 – 500 МПа, морозостойкость более F200, низкое водопоглощение 0,1 – 1,5 %, большую теплопроводность. К ним относятся граниты, габбро, диорит и др.

Граниты – наиболее распространенные из всех магматических пород на Земле, имеют зернисто-кристаллическое строение, обеспечивающее им высокую прочность на истирание. Цвет гранита зависит от цвета входящего в его состав полевого шпата и бывает чаще всего серым, голубовато-серым, но может быть темно-красным и даже зеленым. Граниты хорошо обрабатываются (обтесываются, шлифуются и полируются). В строительстве используют облицовочные плиты для стен и пола, бордюрные камни, щебень для высокопрочных бетонов. Граниты применяют для облицовки гидротехнических сооружений, набережных, цоколей зданий, а также для выполнения фундаментов монументальных сооружений.

Габброкристаллическая крупнозернистая горная порода, стойкая против выветривания. Природный камень используют в качестве облицовочных плит покрытия дорог и получения высокопрочного щебня для бетонов. Одна из разновидностей габбровых пород – лабрадорит имеет серую и черную окраску с красивыми мерцающими вкраплениями в синих и зеленых тонах, используют его для особо ценных облицовок.

Диорит – крупнокристаллическая среднезернистая горная порода, обладающая повышенной ударной вязкостью и устойчивостью к выветриванию, хорошо полируется. Эти свойства позволяют использовать диориты в качестве материалов, противодействующих различным вибрационным воздействиям, например, фундаменты мостовых сооружений. По строительным свойствам диорит не уступает граниту, его применяют при облицовочных работах и в дорожном строительстве.

Излившиеся горные породы образовались при быстром остывании магмы. В случае отверждения у поверхности земли породы близки по своим свойствам к глубинным, но в отличие от них имеет мелкокристаллическую, скрытокристаллическую или частично стекловатую – аморфную структуру. К плотным породам относят андезиты, диабазы и базальты, отличающиеся высокой кислотостойкостью. При быстром охлаждении лавы, выброшенной под давлением газов на поверхность земли или высоко в воздух, образуются соответственно высокопористая вулканическая пемза или рыхлый вулканический пепел, который с течением времени спрессовывается и образует вулканический туф.

Андезиты обладают повышенной выветриваемостью, поэтому в зависимости от возраста могут быть плотной породой со средней плотностью 2700 – 3100 кг/м3, или относительно пористыми – средняя плотность до 2500 кг/м3. Плотные андезиты применяют как дорожный камень в виде кислотоупорных облицовочных плит, щебня для кислотоупорных бетонов и тонкомолотого наполнителя для изготовления кислотостойких мастик и специального кислотостойкого цемента. Пористые разновидности идут на изготовление стенового материала в виде блоков и мелкоштучных камней.

Диабазы имеют скрытокристаллическую структуру, обладают высокой прочностью, большой ударной вязкостью, малой истираемостью, способностью раскалываться на куски сравнительно правильной формы. Используют диабаз для изготовления дорожных материалов, щебня для бетона, облицовочных плит, а также в качестве сырья для получения кислотоупорных изделий – каменного литья.

Базальт представляет собой плотную тяжелую породу, имеющую скрытокристаллическое или аморфное строение. Большая твердость и хрупкость базальтов затрудняют их обработку. Эта горная порода обладает кислотоупорными и электроизоляционными свойствами, а также является ценным сырьем для получения кислотостойкого каменного литья в виде облицовочных плит и труб. Используя специальную технологию, из базальта получают каменную вату.

При быстром охлаждении лавы на поверхности воды или влажных почв за счет интенсивного выделения паров и газов образуется высокопористая порода – вулканическая пемза. Эта порода имеет небольшую среднюю плотность, малую теплопроводность и небольшую прочность при сжатии – 2 – 3 МПа. Поэтому пемзу используют как заполнитель в легких бетонах, при производстве тепло- и звукоизоляционных материалов.

Вследствие уплотнения вулканических пеплов, получившихся при выбросах на большую высоту и охлаждении лавы, образуются вулканические туфы, которые имеют пористое строение. Туфы применяют для кладки стен в виде пиленых камней, внутренней и наружной плитной облицовки; в дробленом виде – как заполнитель для легких, декоративных бетонов. Вулканические пеплы являются также активными минеральными добавками при производстве цементов.

Осадочные породы имеют вторичное происхождение, так как образуются в результате физического и химического разрушения изверженных пород. Например, гранит разрушается с образованием природного щебня, кварцевого песка и глины. Общими свойствами осадочных пород являются одинаковые формы залегания в виде пластов, поэтому их еще называют пластовыми.

Основными причинами разрушения являются следующие: физическое нагревание солнцем, резкие перепады температур, ветер и замерзание влаги в порах; химическое – воздействие различных кислот и солей, находящихся в воде и воздухе (углекислота, серный и сернистый ангидрид); органическое – влияние продуктов жизнедеятельности мхов, лишайников и других простейших растений и микроорганизмов.

Наиболее опасно периодическое замерзание и оттаивание в условиях повышенной влажности материала. Камни, содержащие 0,5 % влаги, уже чувствительны к изменению температуры. Влага, находящаяся в порах и капиллярах горной породы, замерзая, создает внутри огромные разрушающие напряжения в сотни атмосфер. Процесс этот усиливается действием ветра. В результате порода распадается на отдельные куски и зерна.

В зависимости от условий образования осадочные породы делят на три основные группы: обломочные, химические осадки и органогенные.

Обломочные породы (механические отложения) образовались в результате физического разрушения изверженных пород. Их в свою очередь подразделяют на рыхлые (гравий, щебень, песок, глина), оставшиеся на месте разрушения или перенесенные водой, льдом или ветром, и сцементированные (песчаники, брекчии, конгломераты). Цементирующим веществом в этих породах может служить раствор карбоната кальция, кремнезема, оксидов железа или глины. В песчаниках цементируемой породой послужил песок, в брекчиях – щебень, конгломератах – гравий, имеющий округлую форму. Сцементированные породы, так как они обладают высокой плотностью, прочностью и морозостойкостью, используют для кладки фундаментов, стен неотапливаемых помещений, облицовки зданий, ступеней и тротуаров.

Химические осадки образовались в результате выпадения из пере-сыщенных водных растворов вследствие изменения температуры различных кристаллических веществ. Основными представителями этой группы материалов, нашедшими широкое применение в строительстве, являются карбонатные (известняк, магнезит, доломит) и сульфатные породы (гипс, ангидрит). Все эти природные каменные материалы служат сырьем при изготовлении минеральных вяжущих веществ: извести, портландцемента, каустического магнезита, гипса, которые используют для получения строительных растворов и бетонов.

Органогенные отложения образовались в результате скопления отмирающих водорослей, раковин, моллюсков и их спрессовывания толщей воды.

Для строительных целей наибольшее применение нашли мел, известняк-ракушечник, диатомиты и трепелы.

Мел – мягкая порода, сложенная мельчайшими частицами скелетов водорослей и одноклеточных животных. Его используют в цементной, стекольной промышленности, при производстве извести, в качестве наполнителя пластмасс, красочных составов и резиновых изделий.

Известняк-ракушечник представляет собой сцементированные обломки раковин. Это относительно пористая порода с водопоглощением до 30 %, прочностью от 10 до 60 МПа. Используют этот материал в качестве бутового камня, щебня, стеновых блоков, облицовочных плит, сырья для получения вяжущих.

Диатомиты и трепелы – близкие по структуре, составу и свойствам породы. Они высокопористы, огнеупорны, кислотостойки, плохо проводят звук и тепло. Нашли применение при изготовлении теплоизоляционного лёгкого и огнеупорного кирпича и в качестве активных минеральных добавок в цемент.

Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в глубине земной коры из изверженных и осадочных пород под действием температуры и давления. Особенно большое значение имеет направление давления. При одностороннем давлении видоизмененные породы приобретают слоистое, сланцевое строение (гнейсы, глинистые сланцы). Эти материалы легко раскалываются по плоскостям, в связи с чем их применяют как плитный отделочный и кровельный материал (природный шифер).

При многостороннем давлении осадочные породы приобретают монолитную структуру. Так из известняков образуется мрамор, из песчаников – кварцит. Мрамор легко распиливается на тонкие пластины, хорошо шлифуется и полируется. Его используют для внутренней и наружной облицовки зданий, отходы камнеобработки – для декоративных штукатурок и бетонов. Кварцит отличается большой прочностью (до 400 МПа), хрупкостью, сложностью обработки. Это кислотостойкий и огнеупорный материал (до 1770 оС), который применяют для облицовки и производства кислых (динасовых) огнеупоров.

3.1.2. Материалы и изделия из горных пород

Добыча природного камня в зависимости от его прочности осуществляется в карьерах при помощи экскаваторов, если породы слабые (осадочные), или буровзрывным способом для разработки массивных плотных, прочных магматических и метаморфических пород.

В зависимости от места и глубины залегания добыча может вестись открытым, подводным или подземным способами.

Природный камень, доставляемый из карьеров, подвергают в зависимости от назначения дальнейшей обработке: дроблению, распиловке, скалыванию, шлифовке и полировке.

В связи с большим разнообразием свойств, обусловленных их составом и структурой, горные породы применяют в качестве нерудных строительных материалов, конструкционных, отделочных и специального назначения (кислотостойкие, теплоизоляционные и акустические).

Большой объем добываемых горных пород составляют так называемые нерудные строительные материалы. К ним относятся такие неорганические зернистые, сыпучие материалы, как щебень, гравий, песчано-гравийная смесь, песок. Их применяют в качестве заполнителей для бетонов и растворов в качестве уплотняющего подслоя при выполнении дорожных покрытий, балластного слоя железнодорожного пути, сооружения плотин, дамб, насыпей, засыпок при благоустройстве территорий.

Щебень – остроугольные обломки размером от 5 до 150 мм, образующиеся при выветривании горных пород (природный) или полученные в результате их добычи буровзрывным способом и последующего дробления.

Гравий – продукт естественного разрушения и перемещения скальных горных пород, представляет собой окатанные обломки размером от
5 до 150 мм. В зависимости от происхождения он может быть речным, озерным, морским и ледниковым.

Песчано-гравийная смесь состоит из песка размером до 5 мм и гравия (15 – 75 %). Основной объем  добывают из русел рек, используют для изготовления цементных и асфальтовых бетонов, а также при строительстве дорог.

Песок размером от 0,14 до 5 мм может быть дробленым и природным в виде мелкообломочной рыхлой породы, добываемой открытым карьерным или гидромеханизированным способом выемки при речном залегании. В зависимости от назначения песка к нему предъявляют требования по размерам и химическому составу. Основными потребителями этого сырья являются производства по получению стекла, строительной керамики, бетонов и растворов, кровельных и гидроизоляционных материалов. Полученные в результате многостадийного дробления горных пород щебень и песок разделяют на фракции (по размерам), моют и отправляют потребителям.

К конструкционным материалам относятся бутовый камень, камни и блоки стеновые, изделия для дорожного строительства.

Бутовый камень получают из осадочных пород взрывным способом и методом скола. В зависимости от назначения к. этому материалу предъявляют требования по прочности – не ниже 10 МПа, морозостойкости и водостойкости (коэффициент размягчения не ниже 0,75). Бутовый камень весом до нескольких тонн применяют при строительстве гидротехнических сооружений (дамбы, плотины), весом до 40 кг – для кладки фундамента и стен неотапливаемых зданий. Большой объем бутового камня перерабатывают путем дробления на щебень для производства бетонных изделий и конструкций.

Стеновые камни из горных пород получают методом распиловки и применяют для кладки наружных стен и перегородок.

Крупные блоки выпиливают с помощью механизмов из массива горных пород непосредственно в карьерах или нарезают из добытых предварительно блоков-заготовок. Кроме этого крупные блоки изготавливают методом кладки мелких стеновых камней на строительном растворе. Применяемые породы: известняк, туф, доломит, песчаник плотностью 900 –2200 кг/м3. Марка блоков по прочности должна быть не ниже 25 кгс/см2.

Для дорожного строительства применяют пиленые или колотые в виде бруса бортовые камни, отделяющие проезжую часть улиц от тротуаров, колотые и тесаные бруски брусчатки, применяемые для устройства мостовых, и колотый булыжный камень, используемый для укрепления откосов. Так как все эти изделия должны обладать достаточной прочностью и морозостойкостью, то их получают из плотных изверженных и осадочных горных пород (габбро, известняк).

Облицовочные пиленые материалы в виде шлифованных и полированных плит из гранита, лабрадорита, мрамора применяют для наружной и внутренней облицовки стен, покрытия полов, изготовления ступеней в общественных и уникальных зданиях.

При добыче облицовочного камня средний выход блоков-заготовок, подвергающихся последующей распиловке по размерам, составляет 20 %, остальную горную массу в виде некондиционных блоков и плит используют для изготовления искусственных облицовочных материалов методом склеивания синтетическими смолами (эпоксидной, полиэфирной) или прессования с применением цемента. Отходы мелкой фракции поступают на строительные площадки для выполнения монолитных мозаичных полов, декоративных штукатурных растворов.

Природные каменные материалы, используемые в качестве дорожных, для возведения наружных стен, облицовки фасадов испытывают разрушающее действие воды в сочетании с морозом, кислых окислов, содержащихся в атмосфере промышленных городов. Предохранить изделия от разрушения можно следующими способами: использовать конструктивную защиту, заключающуюся в придании открытой части здания (карниза, парапета) пологой формы, обеспечивающей слив воды; повысить плотность и гладкость поверхностного слоя изделия за счет шлифовки и полировки; пропитать поверхность изделия на определенную глубину специальными уплотняющими составами (флюатами), затрудняющими проникновение воды в поры материала; нанесением на лицевую поверхность изделия гидрофобизирующих составов, придающих материалу водоотталкивающие свойства; защитить поверхность изделия пленкообразующими полимерными составами (прозрачными или окрашенными).

К материалам специального назначения относятся кислотоупорные, теплоизоляционные и акустические.

Такие магматические горные породы, как базальт, андезит, диабаз, а также метаморфическая порода кварцит вследствие своего химического состава и стеклокристаллической структуры обладают высокой кислотостойкостью. Это свойство используют при изготовлении тесаных плит, кирпичей, брусков и фасонных изделий, применяемых для футеровки промышленных установок и защиты строительных конструкций, работающих в условиях действия кислых сред.

Так как добыча и обработка природных каменных материалов связана с механическими воздействиями, то на поверхности изделий имеются многочисленные мельчайшие трещины, понижающие их прочность и долговечность. Вследствие этого более высокими эксплуатационными свойствами обладают искусственно полученные литые, каменные изделия (каменное литье). Производство каменного литья состоит из дробления горной породы (базальта, диабаза), расплавления его в пламенных или дуговых электропечах при температуре 1350 – 1450 оС, заливки расплава в формы, кристаллизации и охлаждения изделий по определенному режиму. Таким образом получают плиты для облицовки полов, тротуаров, стен.

Мелкодробленые отходы используют в виде крупного и мелкого заполнителя для получения кислотостойких бетонов и растворов, тонкомолотые – в качестве наполнителей кислотостойких мастичных и красочных составов.

К теплоизоляционным и акустическим относятся изделия, полученные на основе минеральной ваты. Минеральная вата представляет собой механическую смесь искусственно полученных коротких волокон. Вследствие хаотического расположения волокна создают высокопористую структуру, обеспечивающую низкую теплопроводность, звукоизоляцию и эвукопоглощение. Минеральная вата не горит, не гниет, она малогигроскопична, морозостойка и термостойка. Изделия на ее основе применяют для теплоизоляции как холодных, так и горячих поверхностей с температурой до 400 оС.

В зависимости от вида сырья минеральная вата бывает каменная и шлаковая. Сырьем для производства каменной ваты служат горные породы: диабаз, базальт, доломит, мергель. Шлаковую вату получают из доменных, ваграночных и мартеновских шлаков, а также шлаков цветной металлургии. Производство включает две основные технологические операции: получение расплава в шахтных или ванных печах при температуре 1400 – 1500 оС и превращение его в тончайшие волокна. Для получения волокон применяют дутьевой или центробежный способ. При первом выходящий из печи расплав разбивается на мелкие капли струей пара или воздуха под давлением. Капли, оседая, вытягиваются в полете и превращаются в тонкие волокна диаметром 10 мкм. При центробежном способе струя жидкого расплава поступает на быстро вращающийся диск центрифуги и под действием центробежной силы разбивается на капли, образующие волокна. Минеральную вату более высокого качества получают центробежно-фильерно-дутьевым способом. Его технологическая особенность состоит в том, что расплав из печи поступает в емкость, в днище которой имеется большое количество мелких отверстий (фильер). Расплав проходит через фильеры, превращаясь в тонкие струи диаметром 1 – 2 мм, которые подают на центрифугу.

При использовании этой современной технологии в минеральной вате отсутствуют неволокнистые оплавленные включения, значительно уменьшается диаметр волокон до 5 мкм, что обеспечивает снижение средней плотности и коэффициента теплопроводности изделий.

Для получения теплоизоляционных материалов в виде плит, матов образующееся волокно поступает в камеру волокноосаждения с движущимся транспортером. При производстве изделий без связующего (маты) для обеспыливания волокон вводят до 1 % замасливателя. Обработанные волокна образуют на транспортере полотнище ваты, которое подпрессовывают валиком и разрезают по размерам.

Для сохранения формы при транспортировке и монтаже маты, применяемые для теплоизоляции вентканалов, трубопроводов и промышленных установок, выпускают с различными покрытиями: бумагой, алюминиевой бумагой и фольгой, армированные сеткой из катаной проволоки, защищенные стеклотканью и прошитые техническим шелком.

При получении теплоизоляционных и акустических плит связующие – синтетические смолы (фенольные, карбамидные), битумы, крахмал и их композиции вводят в камеру волокноосаждения или перемешивают с волокнами в отдельных смесителях с последующим прессованием и выдерживанием для отверждения связующего по определенному температурному режиму.

Битум в виде эмульсии вводят в составы для обеспыливания минеральной ваты и придания изделию гидрофобных свойств. Как самостоятельное связующее битум применяют в производстве мягких, полужестких и жестких минераловатных плит. Эти изделия менее прочны, имеют большую плотность по сравнению с аналогичными на синтетических связующих, но обладают высокими водоотталкивающими свойствами. При выпуске минеральных плит повышенной жесткости применяют комплексное связующее из карбамидных смол, битума и горячее прессование изделий.

В производстве акустических звукопоглощающих плит типа «акмигран» используют крахмальное связующее либо более эффективные композиции, например, поливинилацетатную (ПВА) водную дисперсию с фенолом или полиакриламидом. Плотность минераловатных плит в зависимости от вида применяемого связующего и степени прессования колеблется от 35 до 250 кг/м3, коэффициент теплопроводности – от 0,035 до
0,040 Вт/м·оС. Их применяют для тепло- и звукоизоляции как внутри помещения – наружных стен из штучных материалов (кирпича, ячеистых блоков), внутренних каркасных перегородок из гипсоволокнистых и гипсокартонных листов, полов и перекрытий под бетонную стяжку, так и для наружной теплозащиты фундаментов, кровель, вентилируемых фасадов под облицовку, каркасных стен, ограждающих стеновых панелей с последующим оштукатуриванием поверхности плит по стеклосетке. При наружном использовании для исключения водопоглощения плиты пропитывают гидрофобными составами. Звукопоглощающие изделия в отличие от теплоизоляционных должны иметь высокую открытую пористость. Именно этот показатель характеризует эффективность применяемого материала. Для улучшения акустических свойств помещения, которые оцениваются чистотой звука, плиты перфорируют или создают рельефную поверхность декоративным покрытием, исключающую отражение и наложение звука.

Для плит высокотемпературной изоляции (до 600 оС) используют минеральную вату с такими связующими, как цемент, глина, жидкое стекло. Поверхность с температурой 1100 – 1250 оС изолируют плитами, в состав которых входит каменная вата, полученная по аналогичной технологии из глинозема (Al2О3) и одного из связующих: жидкое стекло, глиноземистый цемент, огнеупорная глина, кремнийорганические соединения. Цилиндры из минеральной ваты используют для теплоизоляции трубопроводов с температурой поверхности до 650 °С. Их выпускают без оболочки, в оболочке из бумаги, пропитанной битумом, или алюминиевой фольги в зависимости от температуры применения.

Минеральные теплоизоляционные материалы можно также получить путем вспучивания такого природного сырья, как перлит и вермикулит. Перлитом называют горную породу, состоящую из вулканического природного стеклорасплава, содержащего до 5 % кристаллизационной воды. При быстром нагреве дробленого материала до температуры 900 – 1200 °С вода переходит в пар и вспучивает (увеличивает объем более чем в 10 раз) размягченную породу, образуя шарообразные зерна с пористостью до 90 %, насыпной плотностью в зависимости от размера зерен от 75 до 500 кг/м3 и теплопроводностью 0,046 – 0,08 Вт/м·°С.

Вспученный вермикулит получают аналогично, путем измельчения и кратковременного (3 – 5 мин) обжига во взвешенном состоянии в шахтных печах природного вермикулита, состоящего из гидрослюд, содержащих кристаллизационную воду. Резкое испарение воды приводит к увеличению первоначального объема в 15 – 20 раз, в результате образуется легкий высокопористый материал чешуйчатой структуры, который обладает тепло- и звукоизоляционными свойствами, высокой температуростойкостью, огнестойкостью и отражательной способностью. Насыпная плотность от 80 до 200 кг/м3, теплопроводность 0,05 – 0,07 Вт/м·°С, температура плавления 1350 °С. Перлит и вермикулит применяют в сочетании с минеральными (цемент, гипс, жидкое стекло) и органическими (битум, клей, высокомолекулярные смолы) связующими.

Изделия в виде плит, скорлуп, сегментов, кирпичей на неорганических вяжущих изготавливают методом полусухого прессования или пластичного формования в отдельных формах или на конвейере, пропуская формовочную массу через насадку определенной формы и размера, в виде непрерывного полотна или профильного изделия с последующей резкой по размерам.

Для значительного снижения плотности теплоизоляционных материалов применяют формовочные смеси, содержащие избыток воды (мокрый способ), которые поступают в фильтр-прессы или вакуум-фильтр-прессы, представляющие собой формы с перфорированным дном для удаления воды. Плотность изделий можно также уменьшить за счет введения в состав пено- или газообразующих добавок, обеспечивающих образование ячеистой структуры межзернового пространства.

Эти материалы применяют для теплоизоляции строительных конструкций, технологического оборудования и трубопроводов. Обжиговые изделия получают смешиванием вспученных пород с огнеупорными глинами и добавкой ортофосфорной кислоты. Основное их назначение – тепловая защита технологического оборудования. Вспученный перлит и вермикулит используют для выполнения теплоизоляционных, звукопоглощающих и декоративных штукатурок. На основе перлитового песка и гравия производят ограждающие стеновые конструкции и засыпочную теплоизоляцию пола, стен, крыши.

С этой же целью в строительстве применяют шунгизит – продукт обжига при температуре 1100 – 1600 °С шунгитовых углеродсодержащих пород с кислыми полевыми шпатами.

Асбест представляет собой природный минеральный волокнистый материал, способный в результате механической обработки расщепляться на тонкие и прочные волокна. Основным сырьем для получения промышленного асбеста служит порода хризотил-асбест. Волокна обладают щелочестойкостью, огнестойкостью, высокой прочностью на растяжение и модулем упругости. Предельное удлинение при разрыве составляет 2,5 %.

В зависимости от длины волокон асбест подразделяют на 8 сортов. При длине 0,2 – 2 мм материал в сочетании с глиной и жидким стеклом используют для огнезащиты металлических и деревянных конструкций, а также как добавку, повышающую прочность на растяжение и изгиб полимерных материалов, мастичных и красочных покрытий. Асбест с длиной волокон 2 – 8 мм применяют в качестве дисперсной арматуры при получении асбестоцементных изделий (труб, листов, плиток) и рулонного огнезащитного материала – асбестового картона. Асбест с длиной волокон более 8 мм применяют для изготовления нетканых текстильных изделий, которые, в частности, могут служить основой при получении рулонных кровельных материалов. Применение природных каменных материалов представлено в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Применение природных каменных материалов в строительстве

Вид изделия

Используемые горные породы

Применение в строительстве

1

2

3

Нерудные строительные материалы

Щебень природный

и дробленый фракции 5 – 150 мм

Известняк, доломит, гранит, базальт

Заполнители для бетонов, выполнение дорожных покрытий, строительство гидротехнических сооружений

Гравий природный, фракции 5-150 мм

Песок природный (кварцевый) и дробленый фракции

0,14 – 5 мм

Сырье при производстве стекла, строительной керамики, заполнитель для бетонов, растворов

Песчано-гравийная смесь (природная)

Дорожные покрытия, цементные и асфальтовые бетоны

Конструкционные материалы

Камни бутовые, пиленые и колотые

Плотный известняк, доломит, песчаник, гранит

Фундаменты малоэтажных

зданий

Камни тесаные и пиленые, крупные блоки

Известняк-ракушечник, туф вулканический

Наружные стены отапливаемых зданий

Плотный известняк, доломит, песчаник

Стены неотапливаемых зданий

и помещений (склады, подвалы)

Камни бортовые, пиленые, колотые и булыжные; брусчатка

Песчаник, плотный известняк, гранит, диабаз

Ограждение дорог, дорожные покрытия

Отделочные материалы

Плиты пиленые (шлифованные, полированные) и колотые

Гранит, мрамор, кварцит, базальт, лабрадорит, туф,

известняк-ракушечник, глинистые сланцы, гнейсы

Внутренняя и наружная отделка стен (колон)

Плиты искусственные декоративные на цементном и полимерном связующих

Гранит, мрамор, известняк

Облицовка стен и пола

Штукатурные декоративные составы на цементных, гипсовых и вододисперсионных полимерных связующих (акриловых, латексных)

Дробленый песок из гранита, мрамора, кварцита и др.

Декоративная отделка стен

Плиты пиленые, шлифованные

и полированные

Гранит, мрамор, известняк, брекчии, конгломераты

Лестницы и площадки, полы

Плиты колотые

Глинистые сланцы, гнейсы

Кровельные материалы

(природный шифер)

Продолжение табл. 3.1

1

2

3

Материалы специального назначения

Антикоррозионные

Плиты, бруски, кирпичи тесаные,

пиленые

Защита от действия кислот стен, полов, промышленного оборудования

Плиты литые

Базальт, андезит, диабаз

Защита от действия кислот стен, полов, промышленного оборудования

Щебень, песок

Получение кислотостойких

бетонов, растворов

Тонкомолотый

наполнитель

Производство кислотостойкого цемента, мастик, красочных составов

Теплоизоляционные, акустические и огнезащитные материалы

Рыхлые зернистые материалы

Вулканическая пемза, перлит, вермикулит

Засыпочная теплоизоляция

полов, стен, крыш

Штукатурные составы с использованием минеральных и полимерных связующих

Монолитная тепло- и звукоизоляция внутренних поверхностей стен, потолков и полов

Штукатурные составы на неорганических вяжущих (гипс, глина, жидкое стекло)

Асбест

Огнезащитные покрытия для металлических и деревянных несущих конструкций

Рулонный материал

Асбестовый картон для огнезащиты строительных конструкций и технологического оборудования

Плиты на неорганических (цемент, гипс, жидкое стекло, глина) и полимерных связующих

Перлит, вермикулит

Теплоизоляция строительных конструкций и технологического оборудования

Скорлупы, сегменты, кирпичи на неорганических вяжущих

Теплоизоляция технологического оборудования, труб

Крупноразмерные плиты

Перлит

Ограждающие стеновые конструкции

Плиты и маты мягкие, армированные, прошивные, с защитным покрытием

Минеральная вата из горных пород (доломит, мергель, базальт)

Теплоизоляция вентканалов, трубопроводов, промышленного оборудования

Плиты полужесткие на битумном связующем

Тепло- и звукоизоляция фундаментов, полов, перекрытий, кровель

Окончание табл. 3.1

1

2

3

Плиты жесткие на синтетическом связующем с гидрофобной пропиткой

Выполнение тепло- и звукоизоляционного слоя в каркасных стенах и многослойных стеновых панелях

Плиты жесткие на синтетическом связующем с гидрофобной пропиткой

Внутренняя и наружная тепло-

и звукоизоляция стен

Плиты повышенной жесткости на синтетическом связующем гофрированной структуры

Минеральная вата из горных пород

Теплоизоляция ограждающих конструкций: стеновых панелей, перекрытий, покрытий из профилированного металла или

железобетона

Плиты твердые, цилиндры, сегменты,

на минеральных связующих (цемент, глина, жидкое стекло)

Высокотемпературная изоляция трубопроводов и оборудования

с температурой поверхности

до – 600 оС

Плиты твердые на минеральных вяжущих (жидкое стекло, огнеупорные глины, глиноземистый

цемент)

Каолиновая вата из глинозема

Высокотемпературная изоляция трубопроводов и оборудования

с температурой поверхности

до – 1100 – 1250 оС

Акустические плиты на клеевых и вододисперсных полимерных связующих (ПВА, латексных, акриловых) перфорированные и с рельефной декоративной

поверхностью

Минеральная вата из горных пород

Улучшение акустических свойств помещения

 

3.2. Керамические материалы и изделия

 

Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, получаемые из глиняного сырья в результате обжига при высоких температурах. Керамические материалы относятся к самым древним строительным изделиям. История их применения ориентировочно начинается с 300 года до н.э. в Египте, когда в массовом строительстве начали использовать кирпич-сырец размером 14х38х11 см и крупные блоки размером 85х52х32 см, которые до сих пор хранят в Каирском музее. По объему такой блок крупнее современного кирпича в 74 раза. Затем технология получения кирпича была усовершенствована в Месопотамии, где к началу третьего тысячелетия до н.э. дома, царские дворцы, храмы богов строили из кирпича солнечной сушки и обожженного кирпича, который экономно применяли только для наружной облицовки стен. К этому же времени относится и первое упоминание об использовании в качестве отделочного материала эмалированных керамических плиток. До ХХ века кирпич был основным строительным стеновым материалом в таких развитых странах, как Россия, Франция, Германия, Нидерланды.

В Белоруссии кирпич в виде плинфы (плитняковый кирпич) использовали при строительстве Софийского собора Спасо-Евфросиньевского монастыря (г. Полоцк, ХII в.), в Борисоглебской церкви (ХII в.), где фасонный кирпич и майоликовые керамические плиты применяли в качестве архитектурных деталей. В настоящее время керамический кирпич продолжает оставаться одним из основных стеновых материалов в индивидуальном, коттеджном строительстве. Обилие глиняного сырья обусловило производство и других обжиговых материалов различного назначения: облицовочных кровельных, огнеупорных, теплоизоляционных, кислотостойких, санитарно-технических.

 

3.2.1. Сырье и общая технология получения

керамических материалов

Основным сырьем для производства керамических материалов служат глинистые минералы, представляющие собой осадочные, пластовые породы, состоящие из водных алюмосиликатов с различными примесями.

Технология производства керамических материалов основана на следующих свойствах глин:

-       высокодисперсности частиц с размерами от 0,01 мкм до 1 мм, способных образовывать формовочные смеси различные по степени пластичности;

-       высокой гидрофильности, обеспечивающей получение высокоподвижных (литых), однородных нерасслаивающихся смесей;

-       высокой водоотдаче при сушке, сопровождаемой повышением прочности и незначительными деформациями;

-       способности спекаться при температуре 1000 – 1300 °С с образованием прочного, водостойкого материала.

Глинистое сырье для получения строительной керамики классифицируют по пластичности и связующей способности, спекаемости и огнеупорности.

Пластичность характеризует свойство смеси, состоящей из глины и воды, под воздействием внешних нагрузок принимать определенную форму и сохранять ее после снятия нагрузки без трещин, разрушения.

Связующая способность определяет сохранение пластичных свойств водоглинистой смеси при дополнительном введении в нее непластичного тонкоизмельченного материала, например, песка.

По этим показателям глину разделяют на высокопластичную, среднепластичную, умереннопластичную, малопластичную и непластичную.

Спекаемость глин оценивает их способность при определенной температуре обжига уплотняться с образованием прочного искусственного камня (черепка). В зависимости от температуры спекания глины классифицируют на низкотемпературные (до 1100 °С), среднетемпературные (до 1100 – 1300 °С), высокотемпературные (свыше 1300 °С).

Показателем свойств огнеупорности служит температура, при которой начинается процесс плавления глины: свыше 1580 °С глины называют огнеупорными, 1350 – 1580 °С – тугоплавкими, до 1350 °С – легкоплавкими.

С целью регулирования свойств формовочной массы и готовых изделий в глину вводят добавки: отощающие, порообразующие, пластифицирующие, плавни.

Отощающие добавки – шамот (измельченная обожженная глина), бой кирпича, кварцевый песок, зола ТЭЦ, шлак вводят в смесь в тонкоизмельченном состоянии при использовании высокопластичных глин, дающих усадку в изделиях при сушке и обжиге. Таким образом, они предотвращают появление в процессе тепловой обработки трещин и деформаций.

Порообразующие добавки обеспечивают повышенную пористость, снижение средней плотности и коэффициента теплопроводности изделий. К ним относятся выгорающие (древесные опилки, отходы угля, торф), газообразующие, разлагающиеся при высокой температуре с выделением газообразных продуктов (известняк) и термостойкие легкие заполнители (вспученный перлит).

Пластифицирующие добавки применяют при использовании малопластичных (тощих) глин для улучшения формовочных свойств смесей. В качестве добавок используют высокопластичные бентонитовые глины и органические поверхностно-активные вещества (ПАВ) в количестве 0,1 – 1 %. Эффект пластифицирующего действия последних основан на способности этих веществ, в частности, водорастворимых отходов деревообрабатывающей промышленности – ССБ, СДБ, образовывать на поверхности глины адсорбционные гидрофильные пленки, улучшающие смачиваемость частиц и облегчающих их перемещение по отношению друг к другу.

Плавни вводят в состав смеси с целью снижения температуры спекания глинистой массы. Для этого применяют полевые шпаты, стеклобой, перлит-материалы, которые способны образовывать стеклообразные расплавы при более низких температурах, обеспечивая при остывании большую плотность и прочность изделий.

В процессе изготовления керамических материалов с целью объемного окрашивания в смесь вводят беложгущиеся глины и неорганические пигменты. Для повышения декоративности и стойкости лицевой поверхности используют глазури и ангобы. Глазури представляют собой сложные смеси, включающие легкоплавкие соединения, пигменты и другие компоненты, которые наносят на поверхность облицовочных плиток, лицевых кирпичей, канализационных труб, санитарно-технических изделий до процесса обжига. После высокотемпературной обработки состав, расплавляясь, образует плотное, прочное, блестящее стекловидное покрытие, обеспечивающее декоративность и защиту поверхности изделий. Ангоб – декоративный состав, включающий беложгущиеся глины и пигмент, который наносят на лицевую поверхность изделий. В процессе обжига происходит совместное спекание покрытия и изделия, что обеспечивает их надежную совместную работу при эксплуатации.

Технология получения керамических изделий обычно складывается из следующих основных этапов: добычи глины, ее очистки и тонкого многостадийного измельчения, подготовки формовочной массы, получения изделий, сушки и обжига.

Карьерные глины подвергают предварительной обработке: очистке от посторонних включений (камней, веток), рыхлению, дроблению, помолу и высушиванию. В результате глинистая масса становится однородной, ее технологические свойства улучшаются.

Способ подготовки формовочной массы зависит от вида получаемого изделия, качества глин, технической оснащенности производства. Различают полусухой, пластический и шликерный (литьевой). Подготовка сырьевой смеси при полусухом способе может проводиться по двум различным технологическим схемам. По первой, используемой для получения облицовочных кирпича и камней, грубо измельченное исходное сырье подсушивают в сушилках и подают на совместный тонкий помол с добавками в мельницы. Полученный пресс-порошок с влажностью 10 – 12 % поступает в пресс-формы.

По второй схеме, применяемой при производстве отделочных плиток для полов и фасадов, тонкий совместный помол всех компонентов производят в шаровых мельницах мокрого помола. Полученную суспензию (шликер) влажностью 30 – 60 % подают в специальные бассейны для корректировки состава и затем насосами перекачивают в башенные распылительные сушилки для обезвоживания. Из сушилок тонкодисперсный пресс-порошок с влажностью 6±1 % направляют в формовочное, прессовое отделение. Применение различных технологических схем в подготовке формовочной массы обусловлено, прежде всего, требованиями, предъявляемыми к качеству готовых изделий. Лицевой кирпич и камни керамические являются одновременно отделочными и стеновыми материалами, которые, с одной стороны, должны соответствовать нормируемым ГОСТ 530-80,
СТБ 1160-99 показателям по прочности, водопоглощению, плотности, коэффициенту теплопроводности; с другой, – отвечать жестким требованиям по соответствию размеров, четкости граней, углов, отсутствию трещин на плоскостях и однородности окрашивания. Плитки керамические облицовочные должны обладать декоративностью и высокой плотностью в связи с тем, что фасадные плитки защищают стеновые конструкции от внешних атмосферных воздействий и, следовательно, основные требования предъявляются к высокой морозостойкости и низкому водопоглощению, а плитки для полов должны быть водонепроницаемыми и прочными при действии истирающих нагрузок. Поэтому их получают из более мелкодисперсных смесей с меньшим содержанием воды. Этот способ подготовки сырья целесообразно использовать при работе с глиной пониженной пластичности и низкой карьерной влажности.

Пластический способ применяют при наличии пластичных глин, хорошо размокающих при увлажнении. Глину многократно измельчают до тонкомолотого состояния, перетирают для получения однородной массы и подают совместно с отощающими и другими добавками в специальные глиномешалки, где производят ее дополнительное увлажнение паром до влажности 18 – 20 %. Пластический способ целесообразен для производства черепицы, стеновой и облицовочной керамики, дренажных и канализационных труб.

Шликерный способ подготовки массы применяют в случае наличия глин с высокой карьерной влажностью. Шликер представляет собой глинистую суспензию влажностью 30 – 33 %, которая должна легко заполнять гипсовую форму, не расслаиваться и отдавать (фильтровать) воду при контакте с пористой поверхностью формы. Такой способ подготовки сырья используют при производстве сложного по форме санитарно-технического оборудования (ванн. раковин, моек и др.) или облицовочных коврово-мозаичных плиток.

В зависимости от степени увлажнения глиняной массы применяют полусухой способ прессования под давлением 15 – 40 МПа, пластический способ формовки с использованием ленточных шнековых прессов, снабженных насадкой разного размера и сечения, и метод литья в гипсовые формы или на специальные поддоны в случае изготовления тонких (толщина до 2,5 мм) облицовочных плиток. Последние после спекания и охлаждения наклеивают на специальные бумажные ковры и используют для отделки наружных стеновых панелей в заводских условиях.

          На качество готовых керамических изделий большое влияние оказывает режим сушки и обжига. Основное назначение сушки изделия-сырца – снижение его влажности, приобретение прочности, достаточной для транспортирования в печь и последующего бездефектного обжига при минимальных энергозатратах. В процессе сушки наблюдается воздушная усадка изделий, которая может привести к появлению деформационных трещин на их поверхности. Повышают трещиностойкость введением опилок, отощающих добавок и подбором температурного режима.

Процесс обжига, завершающий при изготовлении керамических изделий, разделяют на три периода: нагрев до максимальной температуры 950 – 1300 оС, зависящей от состава сырья и заданных свойств получаемых изделий, выдержку и постепенное охлаждение до температуры окружающего воздуха. Наиболее ответственны для получения качественной продукции максимально допустимые скорости нагрева и охлаждения, которые определяют расчетным путем в каждом конкретном случае. При обжиге изделий происходит спекание керамической массы за счет частичного образования стеклорасплава, соединяющего при охлаждении все кристаллические включения, обеспечивая тем самым плотность, прочность и водостойкость изделий. Процесс обжига сопровождается незначительными усадочными деформациями, которые называют «огневой» усадкой.

Качество готовых материалов и изделий проверяют согласно ГОСТ и СТБ в лаборатории, после чего их отправляют потребителям или на склад готовой продукции.

 

 

 

3.2.2. Керамические материалы и изделия

С использованием глинистого сырья и высокотемпературной обработки получают материалы конструкционные, облицовочные и специального назначения: санитарно-технические, кислотостойкие, теплоизоляционные и огнеупорные.

К конструкционным керамическим материалам относятся кирпичи и камни, применяемые для возведения стен зданий, кровельная черепица, водопроводные, канализационные и дренажные трубы. Все эти материалы в процессе эксплуатации воспринимают действие различных видов нагрузок: растягивающих, изгибающих, сжимающих, истирающих, ударных. Наибольший объем выпуска принадлежит стеновым материалам: кирпич разной модификации и камень керамические.

Керамические обжиговые стеновые материалы (изделия) из глиняного сырья применяют для кладки каменных, армокаменных (кирпичная кладка, упрочненная по вертикальным и горизонтальным швам арматурой) наружных и внутренних стен. Эти искусственные каменные материалы классифицируют:

-       по способу формования – на изделия, полученные методом экструзии из пластичных масс и полусухого прессования;

-       по назначению в конструкциях – на конструкционные для рядовой кладки под штукатурку или облицовку и лицевые с расшивкой швов, совмещающие функции конструкционного и облицовочного материала;

-       по размерам – на кирпичи полнотелые и пустотелые и укрупненные камни только пустотелые. Пустоты сквозные и несквозные, вертикальные и горизонтальные могут иметь форму щелевидную или цилиндрическую. Размеры изделий представлены на рис. 3.1 и в табл. 3.2;

-       по средней плотности (кг/м3) – на особо легкие до 600, легкие – 600 – 300, облегченные – 1300 – 1600, тяжелые – 1000 – 2200;

-       по прочности изделия с вертикально расположенными пустотами марки (кгс/см2) – 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, горизонтально – 25, 35, 50, 100;

-       по морозостойкости – изделия рядовые марки F15, F25, F35, F50, F75, лицевые – F35, F50, F75, F100. При использовании лицевых изделий для внутренней облицовки марка по морозостойкости должна быть не менее F15.

 

 

 

Глава 3-ред

 

 

Рис. 3.1. Кирпичи обыкновенный и пустотелый:

а – кирпич пластического формования: 1 – постель; 2 – ложок; 3 – тычок;

б, в, г – кирпичи полусухого прессования: пустотелый б – одинарный;

в – модульный (полуторный); г – керамический семищелевой. Камни керамические:

д – камни с 8-ю пустотами; е – камень с 8-ю пустотами; ж – кирпич с 6-ю пустотами

Таблица 3.2

Виды основных стеновых керамических изделий

 

Вид изделий

Номинальные размеры, мм

длина

ширина

толщина

Кирпич одинарный

250

120

65

Кирпич утолщенный

250

120

88

Кирпич модульных размеров одинарный

288

138

65

Кирпич утолщенный с горизонтальным

расположением пустот

250

120

98

Камень

250

120

138

Камень модульных размеров укрупненный

288

288

88

Камень укрупненный

250

250

250

250

250

180

138

188

138

Камень укрупненный с горизонтальным

расположением пустот

250

250

250

250

200

250

120

80

88

 

Водопоглощение для полнотелого рядового и лицевого кирпича не менее 8 %, для рядовых и лицевых пустотелых изделий – не менее 6 %.

По теплотехническим свойствам и плотности керамические кирпичи и камни в высушенном до постоянной массы состоянии разделяют на три группы:

-       эффективные, пустотелые, плотностью не более 1400 кг/м3 – кирпич и 1450 кг/м3 – камни, улучшающие теплотехнические свойства стен и позволяющие уменьшить их толщину по сравнению со стенами из полнотелого кирпича;

-       условно эффективные, малопустотелые, плотностью более 1400 кг/м3 – кирпич и 1450 кг/м3 – камни, улучшающие теплотехнические свойства ограждающих конструкций без снижения их толщины;

-       обыкновенный кирпич плотностью свыше 1600 кг/м3.

По СТБ 1160-99 условное обозначение керамических изделий должно состоять из названия изделия, вида и назначения изделия, марки по прочности и морозостойкости, обозначения настоящего стандарта.

Например, кирпич КРО (КЛО) – 100/35/СТБ 1160-99 – кирпич керамический рядовой (лицевой) полнотелый одинарный марки по прочности 100, морозостойкости F35. Камень КРУГ (КЛУГ) – 50/50/СТБ 1160-99 – камень керамический рядовой (лицевой) укрупненный с горизонтальным расположением пустот марки по прочности 50, морозостойкости F50.

Кирпич керамический обыкновенный применяют для кладки столбчатых фундаментов в малоэтажных жилых и гражданских зданиях, стен подвалов и подпорных стен. Кирпич и камни керамические применяют для заводского изготовления стеновых блоков и панелей. Последние в зависимости от назначения выпускают одно-, двух- и трехслойными. В многослойных панелях для наружных стен один из слоев с целью снижения теплопроводности выполняют из плитных теплоизоляционных материалов. Для отделки фасадных поверхностей панелей применяют лицевые кирпичи и камни или штукатурные растворы на декоративном портландцементе (белый или цветной) с добавками дробленых горных пород.

По мере ужесточения требований к величине нормального сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, связанных, прежде всего, с экономией энергоресурсов, совершенствуется технология производства стеновой керамики. Так полнотелый кирпич уступил место пустотелому, а в конце ХХ века была разработана технология получения поризованного кирпича (ГОСТ 530-95, ТУ 5741-017-03984362-98, DIN 105). Ячеистая структура материала, образованная за счет введения предусмотренных минеральных и органических порообразующих добавок, позволяет значительно увеличить размеры изделия, в связи с чем возможен переход от многорядной кладки к однорядной, в которой длина кирпича соответствует толщине несущей стены. Применение укрупненных камней, имеющих на боковых гранях пазы и гребни, исключает необходимость выполнения вертикальных швов.

Для обеспечения максимального теплотехнического эффекта рационально в качестве кладочного использовать раствор на легких заполнителях (перлите, керамзите), обладающий пониженной теплопроводностью. Для исключения попадания раствора в пустоты его укладывают на пластиковую или стеклосетку. Такой тип кладки не только исключает так называемые «мастики холода», но и экономит расход кладочного раствора.

Примеры эффективных кирпичей и камней из поризованной керамики, выпускаемых предприятием ЗАО «Победа/Кнауф» (Россия), представлены в таблице 3.2. Дальнейшее снижение плотности камня возможно за счет дополнительного изменения формы пустот с щелевой на эллиптическую.

Одним из путей повышения теплозащитных свойств и качества стен является также использование шлифованных крупноразмерных, поризованных, пустотелых камней, укладываемых на специальный клеевой состав толщиной слоя 1 мм. Эти камни размером от 200х249х500 мм до
375х249х250 мм имеют соответственно вес 18,2 и 17,3 кг; термическое сопротивление 0,76 и 3,06 м2К/Вт, прочность на сжатие 12 и 8 МПа и звукоизолирующую способность 44 и 51 дБ. При плотности 600 – 1400 кг/м3 их используют для кладки несущих однослойных наружных стен. Высокие эксплуатационные свойства изделий обеспечивает ввод в формовочную массу отощающих и поризующих добавок. В качестве первой используют шлифовальную пыль, полученную после обработки обожженных изделий, второй – смесь опилок и гранулированных бумажных отходов.

Глиняную черепицу применяют для устройства кровель в малоэтажном жилищном строительстве. Ее получают пластическим формованием из высоко- и среднепластичных высококачественных глин. В зависимости от формы и назначения выпускают пазовую штампованную, пазовую ленточную, плоскую ленточную, волнистую ленточную, S-образную ленточную и коньковую черепицу (рис. 3.2). Она должна иметь ровные края без отбитостей, гладкие поверхности без трещин и известковых включений. Нормально обожженная черепица при легком простукивании металлическим предметом издает чистый звук. Это долговечный материал, обладающий огнестойкостью, высокой плотностью, маркой по морозостойкости F 25 и прочностью на излом от 7 до 10 МПа. Однако черепица обладает большой массой (до 65 кг/м2), хрупкостью, ее применение возможно только в кровле с уклоном не менее 30 %. С целью снижения веса и облегчения кровли во Франции ленточную черепицу формуют пустотелой.  Жесткие требования к качеству сырья, связанные с технологическими особенностями получения, в значительной степени ограничивают производство этого материала. В настоящее время внедрено получение черепицы методом полусухого прессования со специальной обработкой поверхности, повышающей водонепроницаемость и морозостойкость кровельного материала. Основное достоинство предлагаемой технологии – значительное расширение используемого сырья. Это могут быть глинистые сланцы, лессовидные суглинки, малопластичные глины.

Глава 3-ред

 

Рис. 3.2. Виды глиняной черепицы:

а – штампованная пазовая; б – ленточная пазовая; в – ленточная плоская; г – коньковая

 

Канализационные керамические трубы – длинномерные пустотелые изделия с плотным спекшимся черепком, полученным из огнеупорных и тугоплавких глин, покрытые снаружи и внутри кислотостойкой глазурью и имеющие на одном конце раструб. В настоящее время развивается производство более экономичных безраструбных труб, которые соединяют муфтами-кольцами. Их применяют при строительстве безнапорных сетей для транспортировки агрессивных отходов химических производств, а также водопроводных сетей, проходящих в агрессивных грунтовых водах. Они более коррозионностойки, чем чугунные, бетонные и железобетонные. Канализационные трубы производят диаметром 150 – 600 мм с длиной ствола 800 – 1200 мм и толщиной стенки 19 – 41 мм. Водопоглощение труб не более 8 %, кислотостойкость не менее 93 %. Трубы должны выдерживать внутреннее гидравлическое давление не менее 0,15 МПа в течение 5 мин и внешнюю нагрузку на 1 м длины 20 – 30 кН в зависимости от диаметра труб.

Дренажные трубы – керамические неглазурованные изделия с гладкой поверхностью и сквозными канавками или прорезями для повышения водопроницаемости. Такие трубы предназначены для сбора и отвода грунтовых вод с целью понижения их уровня и осушения почвы. Их выпускают без раструбов внутренним диаметром 40 – 200 мм, длиной 33 – 500 мм. Они должны выдерживать внутреннее гидравлическое давление не менее 0,05 МПа и иметь морозостойкость не ниже F 15.

Облицовочные материалы и изделия применяют для вертикальной и горизонтальной отделки поверхностей с целью защиты их от увлажнения, механического повреждения, воздействия огня, химических веществ, обеспечения требуемых гигиенических норм, удобства уборки, придания облицовочным поверхностям декоративности. Различают наружную облицовку и внутреннюю. Для облицовки фасадов применяют кирпич лицевой (сплошной и пустотелый), камни лицевые (пустотелые), керамические плитки, фасонные детали для устройства сливов, карнизов.

Кирпич и камни керамические лицевые отличаются от обыкновенных большей точностью формы и размеров, однородностью цвета и оттенка в данной партии. Эти изделия сочетают в себе свойства конструкционных и отделочных материалов. Подбирая исходное сырье, вводя пигменты и регулируя время и температуру обжига, получают кирпич от белого до коричневого цветов. Для придания большей декоративности лицевую поверхность отделывают ангобом или глазурью. Разработана также технология двухслойного кирпича с лицевым слоем из цветной или белой глины с красителями. Кроме изделий, имеющих строго геометрические формы, выпускают камни и кирпичи лицевые профильные, форма и размеры которых оговариваются заказчиком.

При производстве плиток для облицовки фасадов применяют беложгущиеся, легкоплавкие глины с добавлением отощающих добавок и плавней. Их производят методом прессования из порошкообразных масс толщиной 4 – 9 мм и методом литья из керамических суспензий толщиной до 3 мм. Плитки могут быть квадратными и прямоугольными, размер их колеблется в широких пределах от 21х21 до 250х140 мм. Лицевая поверхность фасадных плиток может быть с естественно светлоокрашенным черепком и глазурованной, а по фактуре – гладкой, рифленой, блестящей или матовой. Обратную сторону плиток делают рифленой для более прочного сцепления с раствором. Фасадные изделия должны иметь водопоглощение от 6 до 14 % и морозостойкость не ниже F 25. В зависимости от рельефа лицевой поверхности выпускают также цветные архитектурные плитки типа «ромб», «лепесток», «диагональная», «волна», «шары» и т.д. Плитки применяют для облицовки наружных поверхностей железобетонных стеновых панелей, цоколей зданий, подземных пешеходных переходов и проездов транспорта. Керамические плитки не разрешают использовать для облицовки стен из кирпича и ячеистого бетона вследствие разной структуры материалов, возможного скопления влаги на границе раздела и, как следствие, отслоения облицовки.

Для внутренней облицовки используют керамические глазурованные и неглазурованные плитки квадратной (150х150 мм), прямоугольной (150х100 мм) и фигурной формы различных цветов и рисунков. Плитки всех сортов должны быть одного оттенка без трещин и волнистостей. Водо-поглощение плиток не должно превышать 16 %, средний предел прочности при изгибе не менее 12 МПа. Плитки должны выдерживать без появления дефектов перепады температур от 125 до 20 оС. Их применяют для облицовки внутренних стен лечебных и торговых помещений, столовых и кухонь, санитарных узлов, бытовых помещений, плавательных бассейнов и т.д.

Для отделки полов, к которым предъявляют требования по чистоте, износостойкости, химической стойкости и декоративности, выпускают керамические (одноцветные и многоцветные) плитки, квадратные, прямоугольные, шестигранные, пятигранные с длиной грани 50 – 150 мм, толщиной 10 – 13 мм, а также ковры из мелкоразмерных плиток определенного рисунка. Полы из керамических плиток водонепроницаемы, хорошо сопротивляются истирающим усилиям, легко моются, они кислото- и щелочестойки, долговечны. Такие полы устраивают в помещениях, подверженных систематическому увлажнению. Это полы в санитарных узлах, банях, прачечных, вестибюлях, школах, торговых залах, на лестничных площадках жилых и общественных зданий, а также в производственных помещениях некоторых предприятий. Водопоглощение плиток не более 4 %, потеря массы при истирании – не более 0,67 г/см2, число твердости 7 – 8 по шкале
Мооса, прочность на сжатие 180 – 250 МПа, кислотостойкость 92 – 98 %. Для повышения ударной прочности, стойкости к истирающим нагрузкам и действию мороза в состав жесткой формовочной массы вводят каменные высевки горных пород, например, гранита. Это позволяет получить высокоплотные изделия с гладким или рельефным рисунком лицевой поверхности под природный камень различных оттенков, полированный и неполированный. Водопоглощение таких изделий составляет не более 0,04 %, износ до 0,1 г/см2, марка по морозостойкости F 25, прочность на изгиб не менее 50 МПа. Плитки могут быть использованы как для внутренней, так и для наружной облицовки полов и ступеней.

К материалам и изделиям специального назначения относятся санитарно-технические: умывальники, раковины лабораторные, мойки, ванны и т.д. В качестве основного сырья используют беложгущиеся каолиновые глины, полевые шпаты для снижения температуры обжига, бой обожженных изделий – отощающие добавки. В зависимости от соотношения в формовочной смеси глины и полевошпатных пород, придающих за счет стеклообразования при обжиге повышенную плотность и прочность керамическому черепку, методом литья получают фаянсовые, полуфарфоровые и фарфоровые изделия. Фаянсом называют белый пористый черепок водопоглощением 9 – 22 %, прочностью до 100 МПа. Все фаянсовые изделия глазуруют для придания им водонепроницаемости и улучшения внешнего вида. Фарфор – плотноспекшийся белый черепок прочностью 500 МПа, водопоглощением 0,2 – 0,5 %, теплостойкий, химически стойкий и просвечивающийся в проходящем свете. Промежуточное положение по составу массы и свойствам занимает полуфарфор, обладающий повышенными санитарно-гигиеническими и механическими свойствами. Прочность изделий на сжатие составляет 150 – 200 МПа, водопоглощение 3 – 5 %.

Кислотоупорные изделия применяют для футеровки башен и резервуаров на химических предприятиях, для устройства полов и защиты стен в цехах с агрессивными средами. Изделия (кислотоупорный кирпич, кислотоупорная и термокислотоупорная плитка, фасонные детали) должны быть химически стойкими, обладать прочностью и термической устойчивостью. Эти свойства изделиям обеспечивает, прежде всего, целенаправленный подбор сырья, основу которого составляют чистые кислотоупорные, тугоплавкие и огнеупорные глины, спекающиеся при температуре 1100 – 1200 оС. Кирпич кислотоупорный выпускают трех классов – А, Б и В. Качество изделий оценивают по кислотостойкости (не менее 96 %), водопоглощению (не более 8,5 %), пределу прочности при сжатии (не менее
35 МПа), термической стойкости (количество теплосмен не менее 2) и водонепроницаемости (48 – 24 ч). В зависимости от назначения и состава кислотостойкие плитки производят следующих марок: КФ – керамические фарфоровые, ТКД – термокислотоупорные дунитовые (дунит – горная порода, повышающая термостойкость); КШ – кислотоупорные шамотные (шамот – спекшаяся термостойкая глина); ТКШ – термокислотоупорные для строительных конструкций. Соответствие изделий ГОСТу проверяют по тем же показателям, что и кирпич.

Огнеупорные материалы в виде кирпича, фасонных изделий используют для футеровки печей, топок и других аппаратов, работающих при высоких температурах. К этим материалам предъявляют требования по прочности, огнеупорности, теплостойкости, химической стойкости против воздействия различных газов, расплавленных металлов, шлаков, стекломассы. По огнеупорности их разделяют на огнеупорные (1580 – 1770 оС), высокоогнеупорные (1770 – 2000 оС) и высшей огнеупорности (выше 2000оС).
В зависимости от химико-минералогического состава их классифицируют на динасовые кремнеземистые (до 1780 оС, прочность 15 – 35 МПа), шамотные (до 1750 оС, прочность при сжатии 10 – 12,2 МПа) и высокоглиноземистые (2000 оС и выше).

К теплоизоляционным керамическим материалам относятся диатомитовые, пенодиатомитовые, перлитодиатомитовые изделия теплопроводностью 0,09 – 1,15 Вт/м×оС, а также такие рыхлые, сыпучие материалы, как керамзитовый щебень, гравий, песок, аглопоритовый песок и щебень (СТБ 4.201-94). Теплоизоляционные материалы в виде высокопористого огнеупорного (пенокерамика) кирпича получают из осадочных глинистых горных пород – трепела и диатомита. Высокую пористость обеспечивают вводимые в формовочную массу выгорающие и/или пенообразующие добавки. Наибольшее снижение средней плотности достигается сочетанием трех технологических приемов: повышенного водозатворения, введением пористого заполнителя (вспученного перлитового песка) и воздухововлекающих добавок. Плотность полученных изделий колеблется от 300 до 500 кг/м3, предел прочности при сжатии 0,6 – 1,2 МПа. Основная область применения – тепловая изоляция строительных конструкций и сооружений, промышленного оборудования и трубопроводов при температуре изолируемых поверхностей до 900 оС.

Керамзит представляет собой гравий ячеистой структуры. Сырьем для его получения служат хорошо вспучивающиеся легкоплавкие пластичные глинистые породы с добавкой минералов, содержащих большое количество кристаллизационно связанной воды (гидрослюды) или золы ТЭС (до 50 %). Увеличение объема материала (вспучивание) в процессе обжига происходит в результате газо- и парообразования в размягченной, частично расплавленной массе полуфабриката и приводит при быстром охлаждении к фиксации пористой замкнутой структуры оплавленных с поверхности гранул. Наибольшее распространение получил пластический способ изготовления керамзита. Глинистое сырье проходит несколько стадий помола и перемешивания до получения однородной пластичной массы, из которой на дырчатых вальцах или специальных прессах формуют сырцовые гранулы в виде цилиндриков диаметром 6 – 12 мм. Их окатывают, подсушивают и подают во вращающуюся печь на обжиг и вспучивание. При охлаждении керамзита с целью придания заданной прочности за счет образования из расплава кристаллов сначала температуру с 1150 до 600 –800 оС снижают медленно, а затем быстро для создания защитной оплавленной поверхности, обеспечивающей материалу замкнутую, ячеистую структуру. По крупности гранулы могут быть от 5 до 40 мм, насыпной плотности 150 – 800 кг/м3, пределу прочности на сжатие 0,4 – 4 МПа, водопоглощению 15 – 25 % вследствие высокого содержания замкнутых пор, при общей пористости до 80 %, морозостойкости не менее 15 циклов.

Наиболее широкое применение керамзит нашел при производстве керамзитобетонных стеновых панелей, а также панелей покрытий и перекрытий. Как сыпучий, легкий теплоизоляционный материал, керамзит применяют для заполнения колодезной кладки при возведении наружных стен, утепления полов и крыш.

Аглопорит получают путем спекания на специальной колосниковой решетке гранулированной смеси (шихты), состоящей из воды, мало-пластичных глинистых пород (суглинков, трепела, опоки), промышленных отходов (зол, шлаков тепловых электростанций) и продуктов обогащения угля или горючих сланцев. Сверху шихту поджигают. За счет горения угля (сланцев), опилок создается высокая температура (до 1400 – 1500 оС), обеспечивающая образование пористой остеклованной массы, которую после охлаждения дробят на щебень фракции (размера) 5 – 40 мм и песок 0,14 – 5 мм. Насыпная плотность аглопорита составляет в зависимости от фракции от 400 до 1100 кг/м3, прочность при сдавливании в цилиндре от 0,3 до 1,6 МПа. Основное применение аглопорита – заполнитель для конструкционных легких бетонов и теплоизоляционных засыпок. Применение керамических материалов представлено в табл. 3.3.

Таблица 3.3
Применение керамических материалов в строительстве

 

Вид материала (изделия)

Область применения

1

2

Конструкционные материалы

Кирпич полнотелый, рядовой пластического прессования

Столбчатые фундаменты в малоэтажных зданиях, стены подвалов

Кирпич пустотелый утолщенный, модульный

Камни пустотелые утолщенные, модульные, укрупненные

Наружные и внутренние стены, заводское производство крупноразмерных блоков и стеновых панелей (одно- и многослойных)

Кирпич и камни пустотелые крупноформатные из поризованной керамики

Наружные и внутренние стены

Окончание табл. 3.3

1

2

Черепица разной формы и назначения

Устройство скатных кровель с уклоном не менее 30 %

Трубы:

– канализационные, глазурованные

– дренажные

Транспортировка и отвод промышленных и хозяйственных стоков

Отвод грунтовых вод при строительстве и мелиорации

Облицовочные материалы и изделия

Кирпич и камни лицевые, профильные

Облицовка фасадов

Плитки фасадные и коврово-мозаичные

Облицовка фасадов и цоколей зданий, подземных переходов

Плитки глазурованные и неглазурованные различной формы, цвета и фактуры поверхности

Облицовка помещений с влажным режимом эксплуатации и повышенными гигиеническими требованиями (больницы, магазины, бассейны и т.д.)

Плитки одноцветные и многоцветные, разной формы и размеров толщиной 10 – 13 мм

Облицовка полов, к которым предъявляют требования по износостойкости, чистоте, водо- и химической стойкости, декоративности

Санитарно-технические изделия

Фаянсовые, полуфарфоровые и фарфоровые изделия сложной конфигурации (умывальники, мойки, ванны, раковины и т.д.)

Оборудование санитарно-технических

помещений, химических лабораторий

Кислотоупорные изделия

Кирпич класса А, Б, В

Устройство полов повышенной износостойкости на химических предприятиях

Плитки фарфоровые, шамотные, дунитовые

Защита от разрушения технологического оборудования и строительных конструкций (стен, полов)

Теплоизоляционные материалы

Кирпич пено-, перлитодиатомитовый

Теплоизоляция технологического оборудования, трубопроводов

Рыхлые сыпучие материалы: керамзит,

аглопорит

Теплоизоляционные засыпки для утепления крыш, полов, стен при выполнении колодезной кладки. Производство стеновых блоков, крупноразмерных ограждающих конструкций.

Выполнение теплоизоляционных акустических штукатурок

Огнеупорный кирпич, фасонные изделия

Футеровка высокотемпературного технологического оборудования с температурой свыше 1580 °С

 

3.3. Материалы и изделия из стеклорасплавов

 

          Стеклом называют твердый аморфный материал, получаемый из переохлажденных жидких минеральных расплавов.

Стеклянные изделия люди изготавливают с древнейших времен. Почти 6 тысяч лет назад стекло делали в Египте и Месопотамии. В Риме первые стекольные мастерские были созданы в 1 веке до н.э. Римляне умели отливать стекло и изобрели стеклодувную трубку. Из Рима в VII – ХII вв. это ремесло распространилось в европейские страны. Наибольшего расцвета оно достигло в Венеции, которая была мировым центром стеклоделия до ХVI – XVII вв. Венецианские стеклянные изделия отличались разнообразием и имели большую художественную ценность. В 1635 году в России около Воскресенска был построен первый стекольный завод, на котором выдували оконное стекло и различные стеклянные изделия. Большую исследовательскую работу по химии и технологии стекла вел М.В. Ломоносов. Он заложил научные основы стеклоделия в России, разработал свыше 2 тысяч составов цветной мозаики. В основном стекло производилось ручным способом, это был тяжелый физический труд. В конце ХIХ – начале ХХ вв. был создан механизированный способ вытягивания листового стекла, построена первая ванная стекловаренная печь непрерывного действия.

          В ХХ веке в производстве стекла широко стали применять машинную технику, было создано много новых видов стекла и изделий из него. Сегодня стекло является одним из важнейших искусственных строительных материалов. В Беларуси стеклоизделия в виде листового оконного и закаленного стекла, стеклянных труб, теплоизоляционных блоков из пеностекла и другие изделия выпускают Гродненский стеклозавод и завод им. Ломоносова в Гомельской области. Номенклатура выпускаемой продукции: листовое стекло, конструкционные, облицовочные и теплоизоляционные стеклянные изделия. На основе стекло- и шлакорасплавов созданы микрокристаллические материалы – ситаллы и шлакоситаллы, сочетающие в себе аморфную и кристаллическую структуру.

 

3.3.1. Общая технология изделий из стекла. Свойства стекол

          Основным сырьем для изготовления стекла является чистый кварцевый песок (72 – 75 %), известняк (СаСО3), доломит (СаСО3; MgСО3), кальцинированная сода (Na2CO3), сульфат натрия и полевой шпат. Для придания специальных свойств – повышенной термостойкости, прочности, химической стойкости, светорассеивания, цвета – в состав вводят добавки.

Производство стекла включает следующие технологические процессы:

-       подготовку сырьевых материалов, включающую их очистку, дробление, помол до определенного размера и сушку;

-       дозирование компонентов и приготовление рабочей увлажненной (для исключения пылеотделения) смеси – шихты;

-       подачу шихты в стекловаренные печи, где происходит ее расплавление сначала с образованием непрозрачного расплава, а затем при подъеме температуры до максимальной 1400 – 1500 оС – перемешивания и удаления газообразных продуктов, прозрачной стекломассы;

-       охлаждение стеклорасплава на 200 – 300 оС для повышения вязкости;

-       формовку изделий и их охлаждение по определенному режиму.

Одна из основных особенностей стекла – способность стекломассы поддаваться разнообразным способам формования. Ее можно заливать в форму, штамповать, прокатывать между вальцами, прессовать, выдувать изделия сложной конфигурации, вытягивать в листы, трубки и нити. Отформованные изделия охлаждают в специальных печах и камерах. Если охлаждать медленно (отжиг), то возникающие при формовке остаточные напряжения ослабевают до нормы, что обеспечивает длительную и надежную эксплуатацию стеклянных изделий. Если повторно нагреть полученное изделие, а затем резко охладить, то можно получить равномерно распределенные остаточные напряжения сжатия во внешних слоях и растяжения во внутренних. Такой режим охлаждения называют закалкой. Его применение обеспечивает стеклу повышенную механическую прочность при ударе (в 5 – 7 раз) и изгибе, термостойкость (в 3 – 5 раз) и твердость
(с 5 до 7 по шкале Мооса). При разрушении закаленного стекла образуются мелкие осколки с тупыми нережущими краями. Если в исходную шихту ввести некоторые добавки (оксиды металлов или соединения фтора), то при повторном нагревании полученных изделий в стекле начинается процесс кристаллизации. Добавки, представляющие собой кристаллические вещества, играют роль катализаторов. В результате образуется сложная структура, содержащая 90 – 95 % беспорядочно ориентированных микрокристаллов (размером менее 1 мк), остальное – стекловидная фаза. По свойствам стеклокристаллические материалы (ситаллы) занимают промежуточное положение между стеклом и керамикой. Они прочнее стекла, тверже высокоуглеродистой стали, легче алюминия, химически и термически устойчивы, обладают хорошими диэлектрическими свойствами, по коэффициенту расширения некоторые из ситаллов близки к кварцевому стеклу. Если в качестве исходного сырья используют шлаки черной металлургии, то получают шлакоситаллы с аналогичными свойствами [20].

Строительное стекло представляет собой биостойкий невозгораемый жесткий материал, обладающий высокой стойкостью к действию влаги, солнечной радиации и отрицательных температур. Свойства стекол зависят от химического состава. Так, их плотность изменяется в пределах 2200 – 8000 кг/м3, прочность при сжатии составляет 100 – 700 МПа, при растяжении 30 – 80 МПа. Стекло обладает низкой термической устойчивостью (перепад температуры составляет не более 80 оС) и прочностью на удар.
С увеличением толщины изделия сопротивление удару, тепло- и звукозащитные свойства возрастают. По электрическим свойствам стекла относятся к диэлектрикам. Силикатные строительные стекла отличаются высокой химической стойкостью за исключением действия плавиковой и фосфорной кислот. Этот материал обладает уникальными оптическими свойствами: светопропусканием, которое достигает 92 %, светопреломлением, отражением и рассеиванием света.

 

3.3.2. Материалы и изделия из стеклорасплавов

Наибольший объем выпускаемой продукции составляют листовые стекла, представляющие собой плоские листы, у которых длина и ширина во много раз больше толщины изделия. Эти материалы получают из стекломассы вертикальным вытягиванием, горизонтальным прокатом между двумя вращающимися валиками и флоат-способом. Сущность флоат-способа в том, что струя стекломассы (1000 оС) непрерывно подается на поверхность расплавленного олова (232 оС), растекается по ней слоем определенной толщины и в результате охлаждения превращается в ленту стекла с полированной поверхностью. В строительстве применяют следующие виды листовых стекол: оконное, витринное полированное и неполированное, светорассеивающее узорчатое, цветное, армированное, солнцезащитное, многослойное (триплекс), увиолевое.

Оконным называют бесцветное прозрачное листовое стекло толщиной 2 – 6 мм, которое применяют для остекления окон, дверей жилых
(2,5 – 3 мм), общественных, производственных зданий и сооружений (3 –
6 мм). Витринным называют крупногабаритные листы бесцветного прозрачного неполированного и полированного стекла толщиной 6,5 – 10 мм. Основное назначение – остекление витрин и витражей зданий аэропортов, автовокзалов, торговых и спортивных зданий с использованием стальных и алюминиевых переплетов.

Цветное листовое стекло вырабатывают из окрашенной стекломассы или путем плотного соединения при формовании бесцветного и тонкого цветного слоев. Этот вид стекла толщиной до 4,5 мм используют для декоративного остекления световых проемов, оформления фасадов, внутренней облицовки, а также для изготовления витражей.

Армированное стекло получают путем проката стекломассы с закатанной внутрь металлической сеткой. Это придает ему повышенную безопасность и огнестойкость. Стекло может быть цветным, а поверхность – узорчатой. Применяют армированное стекло для остекления окон, дверей, выполнения светопрозрачных кровель и перегородок.

Узорчатое стекло имеет на одной или обеих поверхностях четкий рельефный рисунок. Оно обеспечивает рассеивание света и обладает высокими декоративными свойствами. Этот вид стекол используют для остекления оконных и дверных проемов, устройства перегородок.

Солнцезащитными или теплопоглощающими называют стекла с низким пропусканием инфракрасных солнечных лучей. Такой вид стекол может быть получен за счет введения в исходное сырье окислов металлов (кобальта, никеля) или путем покрытия поверхности листового стекла прозрачным солнцезащитным составом из окислов металлов. Солнцезащитные стекла целесообразно использовать для остекления зданий административно-общественного и производственного назначения. При поглощении инфракрасных лучей происходит нагревание стекол на несколько градусов, поэтому целесообразно выполнять двойное остекление с наружным расположением теплопоглощающего.

Увиолевое стекло получают из шихты определенного химического состава. Оно обладает способностью пропускать до 75 % ультрафиолетовых лучей, поэтому его применяют для остекления оранжерей, соляриев, зимних садов.

Многослойное стекло состоит из нескольких листов обычного стекла, склеенных между собой прозрачной эластичной полимерной прокладкой. Наибольшее распространение получило трехслойное стекло – триплекс, которое обладает высокой прочностью и безопасностью. В строительстве многослойное стекло используют в качестве дверных полотен, специальных ударопрочных перегородок и ограждений. С этой же целью используют листовое закаленное стекло, которое может быть прозрачным, матовым и тонированным.

К конструкционным материалам относятся стеклоблоки, стеклопрофилит, стеклопакеты, стекложелезобетон и стеклянные трубы.

Стеклянные блоки представляют собой пустотелые стеклоизделия с герметичной воздушной полостью, неокрашенные и цветные, получаемые сваркой по периметру двух отпрессованных полублоков, внутренняя поверхность которых может быть гладкой или рифленой для обеспечения светорассеивания. Изделия обладают повышенными тепло-, звукоизоляционными свойствами, прочностью и огнестойкостью, обеспечивают высокий уровень светопропускания и светорассеивания. Стеклоблоки выпускают квадратными и прямоугольными с толщиной стенок не менее 8 мм, при общей толщине изделия 75 – 98 мм, длине и ширине, например, 194х194 мм, 294х194 мм. Их используют для кладки на цементно-песчаных растворах светопрозрачных ненесущих вертикальных ограждающих конструкций.

Профильное стекло (стеклопрофилит) является погонажным изделием с сечением определенного профиля (швеллерное, ребристое, коробчатое, овальное, треугольное), которое применяют для устройства наружных светопрозрачных ограждающих конструкций, перегородок, ограждений балконов. Его производят непрерывным прокатом ленты листового стекла неокрашенного или цветного и изгибанием ее при прохождении через формующее устройство. После остывания изделие разрезают по длине на заданные размеры. Профильное стекло может быть неармированным и армированным стальной проволокой или сеткой.

Стеклопакетами называют изделия высотой (длиной) от 400 до 2550 мм, шириной от 400 до 2950 мм и толщиной до 46 мм, состоящие из двух или более листов светопропускающего стекла, соединенных между собой по контуру таким образом, что между ними образуются герметически замкнутые прослойки толщиной 6 – 18 мм, заполненные сухим воздухом или газом. По способу изготовления стеклопакеты подразделяют на клееные, паяные и сварные, по числу слоев стекла – двух-, трех- и четырехслойные. Они предназначены для остекления окон, витрин, балконных дверей общественных, производственных и промышленных зданий. В зависимости от того, какие виды листового стекла использованы для их получения, стеклопакеты могут быть обычными и специального назначения. Свойства применяемых стекол можно регулировать в широких пределах за счет применения специальных оконных пленок, которые располагают на внутренней или внешней поверхностях. С их помощью обеспечивают ударопрочность, безосколочность, термоизоляционность, защиту от ультрафиолетового излучения, пожаростойкость.

Стекложелезобетонные крупноразмерные изделия в зависимости от назначения подразделяют на стеновые, конструкции покрытий, сводов и куполов. В этих конструкциях, где толщина равна высоте стеклоблока, нагрузку воспринимает железобетон, а заформованные в процессе изготовления стеклянные изделия обеспечивают равномерное освещение помещения.

Многолетний опыт показал, что для транспортировки особо чистых веществ в пищевой и химико-фармацевтической промышленности наиболее эффективны стеклянные трубы, полученные методом экструзии из стекломассы с толщиной стенок 2,5 – 12 мм и диаметром 50 – 300 мм. Основными достоинствами таких труб являются высокая коррозионная стойкость, чистота поверхности, газо- и водонепроницаемость, прозрачность, стойкость при температуре от –50 до +100 оС и давлении до 0,6 МПа.

Отделочные материалы производят из цветного глушеного (непрозрачного) стекла, обычного стекла с окрашенной поверхностью, а также из ситаллов и шлакоситаллов. Они предназначены для внутренней и наружной облицовки стен (стемалит, марблит, стеклянные и коврово-мозаичные плитки и др.), а материалы, которые обладают высокой прочностью на истирание и удар (плиты стекломрамора, ситаллов, шлакоситаллов и др.), применяют для покрытия пола.

Стемалит – крупноразмерный материал толщиной 5 – 7 мм, полученный из бесцветного листового стекла, окрашенный с одной стороны специальной керамической эмалевой краской. Для закрепления краски на стекле и упрочнения поверхностного слоя изделие подвергают дополнительной термообработке. Стемалит в виде листов размером 1500х1100 мм применяют для облицовки фасадов, внутренних стен производственных и общественных зданий, ограждения балконов, лоджий и лестничных клеток.

Марблитом называют полированные плиты размером от 250х140 до 500х500 мм при толщине 5 – 12 мм, полученные методом непрерывного проката из темно-зеленого или черного глушеного стекла специального состава. Своеобразный декоративный эффект создают блестящие переливающиеся кристаллические вкрапления (авантюриновое стекло). Этот материал используют при облицовке цоколей зданий, стен, колон, оформлении интерьеров.

Облицовочные плитки из глушеного молочно-белого или цветного стекла производят квадратными и прямоугольными методом проката или прессования. Для более прочного сцепления с раствором тыльная сторона плиток рельефная, лицевая имеет эмалевое покрытие, рельефный рисунок или гладкая. Толщина плиток 4, 5, 6 мм, размеры от 50х50 до 150х150 мм. Их применяют для облицовки стен помещений, к которым предъявляют повышенные гигиенические требования (ванные, кухни, столовые, вестибюли).

Коврово-мозаичные глушеные цветные плитки с размером ребра 21 мм при толщине 4,5 мм получают методом проката или прессованием из пресс-порошка. После охлаждения плитки на специальной машине наклеивают лицевой поверхностью вниз на бумажные ковры. Наибольшее распространение этот материал получил при заводском изготовлении наружных стеновых бетонных панелей. Плитки могут быть применены также при изготовлении панно с мозаичным рисунком на фасадах и при отделке интерьеров производственных и общественных зданий. Стеклянную крошку получают путем дробления и сортировки глушеных белых или цветных отходов стекла. Смальта представляет собой изделия заданной формы и размера из глушеного разноцветного стекла с определенным рисунком излома. Изготавливают этот материал методом полусухого прессования из стеклянных порошков, а также прессованием или литьем расплавленной окрашенной стекломассы в формы. Стеклянную крошку и смальту применяют для отделки фасадов и интерьеров зданий, изготовления мозаичных панно, витражей.

С целью утилизации больших объемов заводского стеклобоя разработаны технологии получения облицовочных материалов с использованием стеклоотходов. К ним относятся стекломрамор, стеклокремнезит, стеклокерамит, стеклокристаллит.

Стекломрамор производят методом непрерывного проката глушеной стекломассы, полученной из отходов стекла определенного цвета. Ленту стекла разрезают на плиты заданных размеров. Плиты стекломрамора выпускают белого, голубого, синего, зеленого цветов, однотонные или белые с мраморовидным рисунком. Лицевая поверхность – шлифованная или полированная, тыльная имеет рифление для лучшего сцепления с раствором. Плиты стекломрамора толщиной 8 и 10 мм, длиной и шириной от 250х140 до 800х500 мм применяют для облицовки стен внутри зданий, а также для покрытия пола в помещениях с повышенными санитарно-гигиеническими и эстетическими требованиями при отсутствии ударных воздействий.

Стеклокерамит – двухслойных плитный материал для внутренней и наружной отделки стен. Плита состоит из слоя подложки – спекшейся смеси стеклобоя, песка и глины и верхнего декоративного – расплавленного цветного стеклогранулята.

Стеклокристаллит выпускают в виде плит, получаемых сплавлением гранул из бесцветного или окрашенного стекла. Толщина плит 15 мм, длина и ширина 300х300 мм, 300х150 мм. Лицевая поверхность – полированная, тыльная – грубошероховатая. Термостойкость плит 60 оС, морозостойкость F 80, износостойкость 0,1 г/см2. Изделие применяют для внутренней и наружной отделки стен, покрытия полов.

Стеклокремнезит представляет собой плитный композиционный материал, нижний слой которого состоит из спекшейся смеси бесцветных стеклянных гранул и песка, а верхний – из расплавленных гранул цветного стекла. Лицевая полированная поверхность имеет различные однотонные или в виде неповторяющегося узора расцветки, имитирующие природный камень. Так как стеклокремнезит обладает декоративными свойствами, высокой механической прочностью и атмосферостойкостью, то его используют для наружной и внутренней облицовки стен, колонн, покрытия полов. С этой же целью в строительстве применяют прокатные листы, плиты и прессованные плитки из ситалла и шлакоситалла, которые могут быть белыми, темно-серыми и с декоративной цветной наружной поверхностью. Вследствие высокой кислотостойкости этих изделий их применяют также для покрытия полов на химических предприятиях.

К материалам специального назначения – теплоизоляционным и акустическим – относятся изделия из ячеистого стекла и стеклянных волокон.

Ячеистое стекло (газо-, пеностекло) получают спеканием тонкоизмельченного стеклянного порошка с газо- или пенообразующей добавкой. В качестве газообразователя применяют антрацит, кокс, древесный уголь, мрамор, известняк. Этот материал можно резать, шлифовать, сверлить. Плотность пеностекла колеблется в пределах 140 – 350 кг/м3, пористость составляет от 86 до 95 %, водопоглощение 5 – 15 %, предел прочности при сжатии 0,5 – 4,4 МПа, интервал рабочих температур от –180 до +400 оС.
В зависимости от назначения его выпускают теплоизоляционным – для утепления стен, покрытий, трубопроводов и декоративно-акустическим – в виде скорлуп, гранул, блоков и плит. Для улучшения акустических свойств плиты для выполнения подвесных потолков выпускают перфорированными. Гранулированное ячеистое стекло применяют в качестве легкого заполнителя при изготовлении бетонных ограждающих конструкций и засыпной теплоизоляции.

К рыхлым зернистым пористым материалам, полученным дроблением резко охлажденного шлакового стеклорасплава, относится шлаковая пемза (термозит). В зависимости от размера зерен выпускают щебень от
5 до 40 мм и песок от 0,14 до 5 мм. В зависимости от насыпной плотности щебень классифицируют на марки от 300 до 1000, а песок – от 600 до 1200. Эти материалы применяют в качестве пористых заполнителей конструкционных, конструкционно-теплоизоляционных, теплоизоляционных легких бетонов, а также в качестве теплоизоляционных засыпок.

Стеклянное волокно вырабатывают из стеклорасплава определенного состава. В зависимости от длины нити различают непрерывное (20 км и более), полученное путем протягивания стеклорасплава через фильеры, и коротковолокнистое – штапельное стекловолокно диаметром от 5 до 12 мкм. Первое применяют для изготовления стеклосетки и стеклоткани, которые представляют собой рулонные материалы из переплетенных волокон, в ряде случаев связанных синтетическими смолами. Они обладают высокой теплостойкостью, биостойкостью, имеют большую механическую прочность. Их используют в качестве основы для изготовления рулонных кровельных, гидроизоляционных материалов и линолеумов для покрытия пола. Стеклосетку как армирующий материал применяют также при выполнении многослойной теплозащиты фасадов; стеклоткань, пропитанную смолами, – для гидроизоляции подземных трубопроводов и получения стеклопластиков.

В последние годы все шире используют такой рулонный материал, как стеклообои, представляющий собой стеклоткань с определенным гладким или рельефным рисунком. В связи с тем, что материал обладает высокой декоративностью, влаго- и огнестойкостью, гигиеничностью, не токсичен, его рационально использовать для отделки стен в офисах, школах, магазинах, больницах.

Стеклопластик производят прессованием стекловолокна или стеклоткани, пропитанных синтетическими смолами. Стеклопластики выпускают прозрачные (светопропускание 70 – 80 %), полупрозрачные (50 – 70 %) и непрозрачные. Эти материалы не подвергаются коррозии, не усыхают, водостойки, водонепроницаемы, не разбухают, не коробятся. В строительстве стеклопластики применяют в виде плоских и профильных листов как ограждающий и отделочный материал (кровли, внутренние перегородки, наружная отделка стен, ограждение балконов, лоджий и т.д.) для изготовления санитарно-технических изделий.

Штапельное стекловолокно получают так же, как минеральную вату, только из стеклорасплава, т.е. раздувом вертикальной струи расплава паром (воздухом) или подачей ее на центрифугу. Из штапельного стекловолокна выпускают изделия, аналогичные минераловатным: маты мягкие и полужесткие на синтетическом связующем, а также жгуты и шнуры. Эти материалы относят к трудносгораемым и применяют для теплоизоляции технологического оборудования с температурой поверхности от –60 до +450 оС. Изделия могут быть также использованы для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий в качестве звукопоглощающих плитных и звукоизоляционных рулонных материалов.

Подвесные потолки и отделочные стеновые панели выполняют из жестких стекловолокнистых плит толщиной 20 мм. Лицевая поверхность изделий для обеспечения водостойкости и возможности влажной уборки покрыта пленкой из ПВХ, тыльная сторона – бесцветным стекловойлоком (ванные комнаты, бассейны, кухни). При покрытии плит стеклотканью повышаются ударная прочность, влагостойкость и звукопоглощающие свойства изделий, что обеспечивает их применение в спортивных залах, офисах и коридорах общественных зданий. Плиты с лицевым слоем из белого или окрашенного стекловойлока используют в кинотеатрах, ресторанах, лекционных залах. Материалы из стеклорасплавов приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Применение материалов и изделий из стеклорасплавов в строительстве

 

Вид материала (изделия)

Область применения

1

2

Листовые стекла:

– оконное (толщина 2 – 6 мм)

Остекление:

окон, дверей, теплиц, балконов;

витрин, витражей, спортивных залов, аэропортов и т.д.

– витринное (толщина 6,5 – 10 мм)

– цветное

Изготовление витражей, облицовка фасадов, декоративное остекление

– армированное

Выполнение светопрозрачных кровель, перегородок

– узорчатое

Декоративное, светорассеивающее остекление окон, дверей

– солнцезащитное (теплопоглощающее)

Остекление окон общественных и административных зданий

– увиолевое

Остекление оранжерей, зимних садов

– многослойное 

Выполнение ударопрочных перегородок, ограждений, дверей

– закаленное

Конструкционные изделия

Стеклоблоки (мелкоштучные)

Стеклопрофилит (погонажное)

Устройство наружных светопрозрачных ограждающих конструкций, перегородок

Стеклопакеты (многослойные)

Остекление окон, витрин, балконных дверей в жилых, общественных и производственных зданиях

Конструкции стекложелезобетонные (крупноразмерные)

Светопрозрачные конструкции покрытий, стен, сводов

Трубы (длинномерные)

Транспортировка технологических жидкостей в пищевой и фармацевтической промышленности

Окончание табл. 3.4

1

2

Облицовочные материалы

Стемалит (крупноразмерный плитный)

Облицовка фасадов, внутренних стен промышленных и общественных зданий, ограждение балконов, лестничных клеток

Марблит (плитный)

Облицовка цоколей, фасадов, оформление интерьеров

Плитки (мелкоштучные)

Внутренняя и наружная облицовка стен

Стеклянная крошка, смальта

Изготовление витражей, мозаичных панно

Плиты из стекломрамора, стеклокремнезита, стеклокерамита, стеклокристаллита, ситаллов и шлакоситаллов

Внутренняя и наружная облицовка стен, покрытие пола

Теплоизоляционные и акустические материалы

Ячеистое стекло (газо-, пеностекло)

блоки и плиты

Теплоизоляция строительных конструкций, технологического оборудования в интервале рабочих температур от –180 до +400 оС

плиты перфорированные

Выполнение акустических подвесных потолков

гранулят (рыхлый, сыпучий)

Легкий заполнитель для бетонов, теплоизоляционные засыпки

Шлаковая пемза – термозит (рыхлый,

сыпучий)

Легкий заполнитель для бетонов, теплоизоляционные засыпки

Стекловолокнистые материалы

рулонные – стеклоткань, стеклосетка

Основа для изготовления линолеумов, кровельных, гидроизоляционных материалов,   стеклопластиков.

Производство стеклообоев для внутренней отделки стен

листовые – стеклопластик (плоский и профильный)

Выполнение кровель, перегородок, ограждение балконов, облицовка стен

Стекловатные изделия

рулонные – маты, шнуры, жгуты

Теплоизоляция трубопроводов, технологического оборудования, звукоизоляция строительных конструкций

плиты (мягкие)

плиты (полужесткие, жесткие) обычные

и перфорированные с декоративным отделочным слоем

Теплозащита ограждающих конструкций, выполнение акустических потолков

 

3.4. Металлические материалы и изделия

 

Металлами называют вещества, которые обладают металлическим блеском, пластичностью, высокой прочностью, электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью и свариваемостью. Все эти свойства обусловлены крупнокристаллическим строением и абсолютной плотностью этих материалов. К недостаткам металлов относятся относительно низкая коррозионная стойкость по отношению к кислым газам и водным растворам, хрупкость при низких температурах и деформативность при высоких.

Производство и обработка металлов возникли очень давно и достигли современного технического уровня развития в результате использования практического опыта и достижений науки многих поколений. Сначала человек использовал для различных целей самородные металлы: золото, серебро, медь. Затем он научился получать металлы и сплавлять их друг с другом. Получение бронзы (прочного и твердого сплава меди и олова) открыло новую эпоху в развитии материальной культуры, называемую «бронзовым веком». Позже была освоена выплавка железа. Первыми плавильными агрегатами для получения железа из руд были неглубокие земляные ямы (горны), в которые загружали измельченную руду и древесный уголь. При горении древесного угля руда превращалась в сыродутное железо. Его извлекали из горна в виде слитков и подвергали ковке. К ХШ –Х1V вв. нашей эры сыродутные горны заменили круглыми шахтными печами – домницами. В них развивались более высокие температуры, чем в сыродутных горнах, и происходило насыщение железа углеродом. В результате в нижней части домницы получался жидкий металл – чугун. Из чугуна изготовляли простые отливки. Эти отливки обладали достаточной прочностью, но были хрупкими и не поддавались ковке. Примерно в середине XIV в. научились перерабатывать хрупкий чугун в очень прочный и ковкий металл – сталь, выжигая углерод из жидкого чугуна в так называемых кричных горнах. Позднее кричный процесс сменили более совершенные способы передела чугуна в сталь – бессемеровский, томасовский, мартеновский. Эти способы, а также электроплавка находят широкое применение в современном производстве. Существенную роль в развитии металлургии чугуна и стали сыграли работы М.В. Ломоносова, М.А. Павлова, А.А. Байкова, Д.К. Чернова и др.

В строительстве металлы используют при возведении каркасов промышленных и гражданских зданий, пролетных строений мостов, в изготовлении железобетонных и металлических конструкций, труб, кровельной стали и других изделий. Номенклатура металлических изделий, выпускаемых в Беларуси, достаточно обширна. Так, стальные сварные металлоконструкции выпускают заводы Минска, Минской и Гомельской областей, ЭЖБИ треста № 2 Брестской области, алюминиевые – Новогрудское металлообрабатывающее ПО, прокат – Могилевский завод, продукцию порошковой металлургии – завод в г. Молодечно, арматуру – металлургический завод в г. Жодино.

 

3.4.1. Состав, структура и свойства металлов

В твердом состоянии все металлы, металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов, образующих правильную кристаллическую решетку. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллические материалы от аморфных (стекло), в которых атомы расположены беспорядочно. Число атомов в различных сечениях кристаллической решетки неодинаково, поэтому механические, электрические и другие свойства металлов в разных направлениях различны. Это явление называют анизотропией, а материалы – анизотропными.

Металлы, используемые в технике, состоят из большого числа кристаллов правильной и неправильной формы, которые называют зернами или кристаллитами. В 1 см3 металлических изделий (например, стального проката) содержатся десятки тысяч кристаллитов. По границам между зернами металла нарушается правильность строения кристаллической решетки. Кроме того, даже в химически чистом металле содержатся примеси инородных атомов, которые искажают кристаллическую решетку. Все эти нарушения строения приводят, прежде всего, к значительному снижению реальной прочности. Например, теоретическая прочность железа равна 1400 МПа, в то время как практическая не превышает 300 МПа.

Металлы способны при нагревании, приводящем к разрушению кристаллической решетки, переходить в вязкопластичное состояние, а при охлаждении расплава – в кристаллическое. Такой переход происходит при строго определенной температуре, которую называют температурой плавления или кристаллизации. Некоторые металлы (железо, олово и др.) способны при повышении температуры изменять форму и расположение кристаллов в твердом состоянии. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в решетке называется аллотропией. Ряд металлов способны образовывать сплавы – сложные по составу соединения, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторыми неметаллами. В строительстве наибольшее применение нашли сплавы меди, алюминия, а также чугун, сталь, представляющие собой соединения железа и углерода.

Свойства металлов и сплавов зависят от их состава и микроструктуры. Впервые эту зависимость, которую широко используют на практике, установил академик Н.С. Курнаков (1880 – 1941). Как правило, чем выше температура плавления металла или сплава, тем больше его прочность, лучше тепло- и электропроводность. Для получения сплавов с заданными свойствами, а также оценки надежности работы металлических конструкций применяют макроскопический и микроскопический анализы: макроскопический проводят невооруженным глазом или используют лупу с увеличением до 30 раз на специально подготовленных образцах; микроскопический анализ заключается в исследовании структуры и состава металлов и сплавов при помощи специальных оптических и электронных микроскопов, где увеличение может достигать 3000 раз и более.

Механические свойства металлов зависят от вида нагрузки, условий ее действия, температуры окружающей среды. Прочностные характеристики определяют испытанием стандартных образцов или самих изделий на специальных машинах. Режим испытания может быть статическим – нагрузка на образец увеличивается постепенно (определение прочности на сжатие, изгиб, разрыв), динамическим – нагрузка на образец действует мгновенно (испытание на удар), и повторно-переменным – нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению (испытание на усталость). Металлы испытывают на растяжение, сжатие, кручение, удар, усталость, твердость, ползучесть при комнатной, низких и высоких температурах.

Испытание на растяжение проводят с использованием разрывных машин. По величинам растягивающих нагрузок и соответствующим удлинениям образца вычерчивают диаграмму растяжения, характеризующую поведение металла или сплава под нагрузкой до момента разрушения. Для испытания на удар используют маятниковый копер, который позволяет определить способность металла противодействовать динамическим нагрузкам и выявить его склонность к хрупкому разрушению при различных температурах. Испытанием на усталость оценивают возможность работы металлов (сплава) при действии многократных нагрузок, изменяющихся по величине и знаку. Способность металлов выдерживать большое число циклов испытаний называют выносливостью. Испытания проводят на цилиндрических образцах путем воздействия на них при вращении изгибающих нагрузок, которые вызывают знакопеременные напряжения, и доводят образец до разрушения.

Для определения твердости на практике применяют различные способы, основанные на внедрении в металлическую поверхность наконечника, выполненного из особо твердого материала (закаленная сталь, алмаз, сапфир) и имеющего правильную форму в виде шарика, конуса или пирамиды. Наибольшее распространение получил метод Бринелля, основанный на расчете твердости по диаметру отпечатка вдавливаемого в поверхность металлического шарика определенной массы и диаметра. Условия испытания ограничивают величину и время действия прилагаемой нагрузки.

При изучении свойств металлов (сплавов) большое внимание уделяют исследованию процессов их разрушения при действии газообразных и жидких сред в условиях обычной и высоких температур. Важность этих работ подчеркивает тот факт, что ежегодно 30 % производимого металла идет на восстановление потерь от коррозии, из них 10 % теряется безвозвратно.

Коррозия начинается с поверхности металла и распространяется вглубь. Интенсивность коррозионного разрушения зависит в основном от трех факторов: первый – химический состав и микроструктура металла или сплава; второй – химический состав окружающей среды и процентное содержание в ней агрессивных веществ (кислорода, кислот, щелочей); третий – температура окружающей среды. В зависимости от причин, вызывающих разрушение, коррозия может быть химической и электрохимической.

Поверхностное разрушение металла под действием газов при высокой температуре или органических жидкостей (спирта, бензина, нефти, мазута и т.п.) называют химической коррозией. Примером химической коррозии является процесс окисления при высоких температурах металлической арматуры печей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, лопаток газовых турбин.

Электрохимическая коррозия металлических изделий происходит в различных водных растворах, проводящих электрический ток. Это наиболее распространенный вид коррозии. Она наблюдается в атмосферных условиях, на море, в земле, грунтовых водах, в растворах различных кислот и солей. Значительная часть строительных металлических конструкций и изделий (каркасы и крыши зданий, фермы мостов, арматура в железобетоне) подвержена электрохимической коррозии. Сущность процесса электрохимической коррозии заключается в том, что атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, при контакте с электролитом переходят в раствор в форме ионов, вызывая разрушение металла.

Существует несколько видов коррозионных разрушений: равномерное, протекающее по всей поверхности с одинаковой скоростью; неравномерное – сплошное, скорость которого на отдельных участках зависит от структуры сплава и наличия дефектов на поверхности изделий; местное или локальное, наблюдаемое на отдельных участках поверхности металла (сплава).

Одним из способов предотвращения коррозии является ликвидация вызывающих ее условий: неоднородность строения, наличие дефектов на поверхности изделий, неравномерность освещенности и теплового нагрева. Кроме того, для борьбы с коррозией применяют специальные методы защиты: введение в состав легирующих добавок, электрохимическая защита (анодная или катодная), обработка коррозионной среды и защитные покрытия. Защитные действия легирующих добавок Си, А1, Тi, V, Сr, Ni, Со и др., которые вводят для изменения структуры и свойств металлов, обусловлены или образованием на поверхности изделий коррозионностойких оксидных пленок, или созданием сплавов, обладающих высокой стойкостью к агрессивным средам.

Для надежной и долговечной защиты металлических конструкций, стальных закладных деталей, используемых при производстве сборного железобетона, все чаще применяют металлические покрытия, которые наносят гальваническим и горячим способами, металлизацией, плакированием. При гальваническом способе путем электролитического осаждения из раствора солей создается тонкий защитный слой какого-либо металла на поверхности изделия. В качестве примера можно привести оцинкование закладных деталей для железобетонных конструкций. При горячем способе изделия погружают в ванну с расплавленным защитным металлом (цинк, олово, свинец). Металлизация является распространенным способом защиты в строительстве. Она состоит в нанесении сжатым воздухом тончайшего слоя распыленного расплавленного металла (цинк, алюминий) на поверхность защищаемого от коррозии металлического изделия или конструкции. Еще одним вариантом защиты металлических покрытий от коррозии является плакирование.

Плакирование – термомеханический метод получения двух- и многослойных металлов (биметаллов), прочно соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения. Металлургическими заводами организовано производство листа, проволоки, труб, покрытых цинком, алюминием, кремнием.

Защиту от коррозии несущих и ограждающих металлоконструкций в условиях строительно-монтажной площадки производят лакокрасочными составами на основе битумов, полимеров и других материалов. Это направление является приоритетным в настоящее время, так как при наименьших энергозатратах можно получить надежное долговечное покрытие. К применяемым составам относятся цинкосодержащие, термореактивные краски на основе высокомолекулярных смол (эпоксидных, полиэфирных). Последние наносят на поверхность металлических изделий и конструкций в электрическом поле при помощи пистолета-распылителя с расположенным внутри источником высокого напряжения. Их преимущество заключается в отсутствии токсичных растворителей, возможности применения безотходной технологии нанесения, отсутствии грунтового слоя и высоком качестве оплавленного, плотного покрытия, обладающего повышенной ударной прочностью, коррозионной стойкостью, адгезией к защищаемой поверхности. В зависимости от назначения оно может быть тонкослойным и фактурным, толщиной от менее 1 мкм до 20 мкм и более. Оптимальный вариант защиты выбирают в зависимости от материала конструкции, степени агрессивного воздействия на него и технико-экономической целесообразности. При необходимости обеспечения особенно надежной и долговечной защиты стальных конструкций применяют комбинированные покрытия, например, металлические и лакокрасочные.

Снизить разрушающее действие коррозионной среды на металлы и сплавы можно также путем введения в ее состав специальных добавок – ингибиторов, замедляющих процесс коррозии.

К разрушающим факторам относится также действие на металлические изделия и конструкции огня. Под действием открытого пламени и высокой температуры металлы размягчаются, деформируются и растрескиваются.

Незащищенные стальные конструкции в зависимости от толщины элементов, сечения и действующих напряжений имеют предел огнестойкости 0,1 – 0,44 часа. При действии огня несущая способность металлических конструкций снижается вследствие уменьшения при нагревании прочности и упругости металла, а также за счет появления пластических, температурных деформаций. Металлы являются несгораемыми материалами, но обладают высокой теплопроводностью, поэтому их огнезащита заключается в создании на поверхности металлических элементов конструкций теплоизолирующих экранов, обеспечивающих высокую сопротивляемость действию огня и высоких температур. Традиционными средствами огнезащиты металлических конструкций являются тяжелые и легкие бетоны, кирпич, цементно-песчаные штукатурки. Эти материалы могут создать практически любой предел огнестойкости конструкций. Так для обеспечения предела огнестойкости стальной конструкции, равного 2 часам, необходим слой тяжелого бетона или гипса толщиной 60 мм, штукатурки –
50 – 60 мм, кирпича – 65 мм.

В последние годы все большее применение находят теплоизоляционные штукатурки и огнезащитные покрытия на основе глины, жидкого стекла, гипса с использованием в качестве огнестойких заполнителей и наполнителей вспученного перлита, вермикулита, асбеста и минерального каолинового волокна, обладающих высокими теплоизоляционными свойствами. Составы наносят на поверхность металлоконструкций пистолетом-распылителем. В зависимости от требуемой огнезащиты (45 – 150 мин) и толщины металла в конструкции толщина защитного слоя составляет от
8 до 40 мм.

Одним из перспективных средств огнезащиты являются вспучивающиеся краски, состоящие, например, из растворителя, акрилового полимера и пенообразующего антипирена, которые наносят на поверхность металлоконструкций тонким слоем (1 – 1,2 мм). При температуре около 170 °С краска вспучивается, образуя пористый термоизоляционный слой, толщина которого составляет несколько сантиметров. Благодаря низкой теплопроводности вспененная масса предотвращает быстрый нагрев металла, увеличивая огнестойкость до 1 часа. Кроме того, для огнезащиты металлических конструкций используют плитные и листовые теплоизоляционные материалы в виде асбестоцементных и асбестогипсовых облицовочных плит, гипсокартонных и гипсоволокнистых листов.

Как показала практика эксплуатации, причиной разрушения металлических конструкций может быть также накопление на их поверхности продуктов жизнедеятельности микроорганизмов: органических кислот, сульфидов, сероводорода, аммиака – биологическая коррозия. Для защиты металлоконструкций от биоповреждений используют мастичные и красочные составы на основе каменноугольной, эпоксидной, поливинилхлоридной смол с введением в состав эффективных биоцидных добавок.

 

3.4.2. Получение, состав и свойства железоуглеродистых сплавов

В практике строительства наибольшее применение нашли железоуглеродистые сплавы, которые называют черными металлами. С целью придания специфических свойств в их состав вводят легирующие добавки. В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяют на хрупкий чугун (2 – 4 % С) и относительно пластичную сталь (до 2 % С). В металлургии из железных руд вначале получают чугун, а затем путем окисления и удаления избыточного углерода, марганца, фосфора, кремния – сталь.

Сырьем для получения чугуна служат руды, содержащие железо в виде окислов: красный железняк (гематит), бурый железняк, магнитный железняк (магнетит). В зависимости от содержания железа руды подразделяют на богатые (от 15 до 70 %) и бедные. Первые после дробления и сортировки направляют в доменную печь для плавки, а бедные подвергают обогащению за счет отделения пустой породы. Топливом в доменном процессе служит кокс, полученный путем сжигания без доступа воздуха каменного угля. Для понижения температуры плавления пустой породы и облегчения перевода ее и золы топлива в шлак в состав шихты вводят специальные добавки – флюсы, ими могут быть известняки, доломиты и песчаники.

Современная доменная печь поглощает большое количество материалов и воздуха. Так для производства каждых 100 т чугуна необходимо в среднем подать в печь 190 т железной руды, 95 т кокса, 50 т известняка и около 350 т воздуха. В результате кроме 100 т чугуна получается около 80 т шлака и 500 т доменного газа. Это энергоемкий процесс.

В состав чугунов, кроме железа и углерода, обычно входят примеси кремния, марганца, фосфора, а также легирующие добавки – никель, хром, магний, которые придают ему высокие механические свойства и обеспечивают износо-, жаро- и коррозионную стойкость. В зависимости от химического состава и микроструктуры выпускают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Большую часть выплавленного чугуна используют для переработки (передела) в сталь – белый передельный чугун. Для изготовления фасонного литья применяют серый литейный чугун.

Белый чугун (передельный) тверд, хрупок, плохо обрабатывается резанием. Высокая твердость белого чугуна обеспечивает высокую износостойкость, его применяют для получения ковкого чугуна и стали.

Серый чугун – один из наиболее распространенных литейных сплавов. Это самый дешевый металлический материал. Он имеет высокие литейные свойства, хорошую обрабатываемость резанием.

Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун маркируют буквами СЧ и цифрами. Первая группа цифр показывает среднее значение предела прочности при растяжении, вторая – при изгибе (СЧ12-28, СЧ18-36 и т.д.).
В строительстве серый чугун применяют для изготовления деталей, работающих при сжатии, – башмаков под колонны, а также санитарно-технических (отопительные радиаторы, трубы) и архитектурно-художест-венных изделий (ограды, решетки, светильники). Значительное количество чугуна расходуют для изготовления тюбингов, из которых сооружают тоннели метрополитена. Высокопрочный и ковкий чугуны используют в машиностроении.

С целью значительного повышения пластичности чугун или чугун в сочетании с металлоломом (скрапом) и рудой переплавляют. При плавке вводят флюсы и раскислители, в случае необходимости – легирующие добавки. При этом из железоуглеродистого сплава путем окисления и перевода в шлак удаляют избыток углерода, марганца, кремния, фосфора. Наиболее высокопроизводительные способы выплавки стали – кислородно-конверторный, мартеновский и электродуговой.

Кислородно-конверторным способом получают сталь из жидкого чугуна с добавлением скрапа и руды. Конвертором называют стальную реторту, состоящую из цилиндрической части, днища и конусообразной горловины, футерованную внутри огнеупорным кирпичом (рис. 3.3). Технологический цикл выплавки стали составляет 50 – 60 мин. К недостаткам этого способа относится большое пылеобразование, требующее применения сложных пылеочистительных установок.

Мартеновским способом выплавляют в зависимости от используемого сырья кислую и основную мартеновскую сталь. Современная мартеновская печь (см. рис. 3.3) представляет собой ванну сферической формы, футерованную огнеупорным кирпичом. В качестве топлива используют природный газ или мазут. Мартеновские печи могут работать как на твердой шихте, состоящей из смеси стального лома и твердого чушкового чугуна, так и на смешанной шихте. Последняя представляет собой скрап, богатую железную руду и жидкий чугун. Продолжительность получения стали в мартеновской печи составляет несколько часов. Фактор времени и значительный расход топлива являются недостатками мартеновского способа выплавки стали. К достоинствам можно отнести возможность использования различной шихты и разнообразного топлива, а также широкий ассортимент выпускаемого продукта (углеродистые и легированные стали).

Для выплавки высококачественных легированных сталей используют электропечи (см. рис. 3.3). Плавка шихты происходит за счет тепла трех электрических дуг (по числу фаз переменного тока), образующихся между электродами и металлом при температуре 1200 °С. К достоинствам способа можно отнести быстрый разогрев металлов, точное регулирование температуры, пониженное содержание в стали вредных примесей.

 

Глава 3-ред


 

Рис. 3.3. Печи для выплавки стали:

1 – мартеновская; 2 – конверторная; 3 – электродуговая

 

Основной недостаток всех перечисленных сталеплавильных агрегатов – периодичность действия. Для увеличения производительности печей, снижения эксплуатационных затрат, повышения качества стали, уменьшения технологических отходов и лучшего использования сырья разрабатываются сталеплавильные агрегаты непрерывного действия.

Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, назначению. По способу производства различают мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь; химическому составу – углеродистую и легированную; назначению – конструкционную (строительную и машиностроительную), инструментальную и специального назначения.

Углеродистая сталь в свою очередь бывает обыкновенного качества, качественная конструкционная (для машиностроения и наиболее ответственных конструкций) и высококачественная инструментальная (для изготовления режущих инструментов, штампов, матриц). Основное применение в строительстве находит углеродистая сталь обыкновенного качества. В ней присутствуют кроме углерода (0,06 – 0,62 %) примеси кремния, марганца. Наиболее нежелательно присутствие фосфора, который придает стали свойство хрупкости при низких температурах (хладноломкость), и серы, вызывающей аналогичное действие при высоких температурах. В зависимости от назначения и гарантируемых механических характеристик сталь углеродистую обыкновенного качества делят на две группы (А, Б) и подгруппу (В) (ГОСТ 14637-79). Для строительных целей используют в основном сталь группы А, которую изготовляют следующих марок: СтО, Ст1, Ст2, ..., Ст6. По мере увеличения номера стали повышаются пластичность и ударная вязкость.

Наиболее широкое применение нашла сталь Ст3, так как по сочетанию важнейших свойств – прочности и свариваемости она занимает промежуточное положение в ряду. Для получения арматуры используют Ст5, малонагруженных деталей – Ст0, Ст1. Существуют углеродистые стали обыкновенного качества специального назначения, например, для строительства мостов Ст3м. Этот вид сталей имеет существенные недостатки: хладноломкость, исключающую их применение при низких температурах, и относительно невысокую прочность, приводящую к перерасходу металла и увеличению массы металлоконструкций.

Качественные конструкционные углеродистые стали подразделяют в зависимости от содержания углерода (в сотых долях %) на малоуглеродистые (10 – 25), которые хорошо свариваются, пластичны, применяют их для сварных и клепаных конструкций; среднеуглеродистые
(30 –50), хуже свариваются, более прочные и хрупкие, используют для деталей, подвергающихся большим нагрузкам; высокоуглеродистые (55 – 70) применяют для изготовления пружин, рессор и зубчатых колес.

Углеродистые стали не могут по прочности удовлетворять высоким требованиям, предъявляемым к современным конструкционным материалам. Этот вид стали имеет склонность к старению, повышению хрупкости при пониженных температурах, малую стойкость против коррозии. С целью повышения качества в сталь вводят легирующие элементы с условным обозначением Сr (X), Мn (Г), Ni (Н), Мо (М), Со (К), Si (С).

Преимущества легированных сталей выявляются в большинстве случаев только после дополнительной термообработки. Легированные стали классифицируют по химическому составу и назначению. По химическому составу низколегированная с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %, среднелегированная (от 2,5 до 10 %) и высоколегированная (более 10 %). По назначению конструкционная, применяемая при обычных и повышенных температурах, инструментальная, которую применяют для режущего, штампованного и измерительного инструмента, и сталь с особыми физическими, химическими и механическими свойствами.

В строительстве широко применяют низколегированные конструкционные стали. По легирующему элементу они называются марганцовистыми, кремнистые, хромистыми, хромомолибденовыми и др. Для обозначения марок стали по ГОСТу принята буквенно-цифровая система. Буквы обозначают присутствие в стали определенной легирующей добавки. Первая цифра, стоящая перед буквами, показывает содержание углерода в сотых долях процента; цифры, стоящие за буквами, – содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание не превышает 1,5 %, цифры не ставят. Буква «А», стоящая в конце марки, обозначает, что сталь высококачественная. Например, 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сr, 3 % Ni, 1 % Мо; 25ХГ2С – 0,25 % С, 1 % Сr, 2 % Мn,
1 % Si. Этот вид стали применяют в строительстве для сварных и клепаных конструкций. Они обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью. При температурах ниже –40 °С их ударная вязкость не должна снижаться более чем на 50 %. Предел текучести легированных сталей, представляющий основную характеристику при расчете элементов строительных конструкций, в 1,5 раза выше углеродистых. Для армирования железобетонных конструкций применяют сталь марок 18Г2С и 20ХГ2С.

 

3.4.3. Цветные металлы и сплавы

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие до 75 % оксида алюминия. По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов. По объему производства и масштабам применения он уступает только черным металлам. Широкое использование обусловлено важнейшими свойствами алюминия – малой плотностью (2700 кг/м3), высокой электро- и теплопроводностью. Алюминий – серебристо-белый металл, устойчивый против коррозии вследствие образования на его поверхности плотной оксидной пленки. Благодаря высокой пластичности алюминий хорошо обрабатывается давлением как в холодном, так и в горячем состоянии. Этот металл хорошо сваривается газовой и контактной сваркой, но имеет низкие литейные свойства и плохо обрабатывается резанием. Из отрицательных свойств алюминия как конструкционного материала следует подчеркнуть его недостаточную жесткость, модуль его упругости в 3 раза меньше, чем у стали. На свойства алюминия большое влияние оказывают примеси железа, кремния и др., которые понижают его электро- и теплопроводность, коррозионную стойкость и пластичность, повышая его прочность и твердость.
В строительстве алюминий используют главным образом в виде сплавов, которые обладают малой плотностью (2550 – 2710 кг/м3) и достаточной прочностью.

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления изделий на литейные, порошковые и деформируемые.

Литейные и порошковые сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок в машиностроении.

Деформируемые сплавы предназначены для изготовления листов, профилей, проволоки, труб методами холодной или горячей деформации. В строительстве наиболее широкое применение нашли сплавы алюминия и магния (магналии), алюминия с медью и магнием (дуралюмины), алюминия, магния и кремния (авиаль).

Конструкции из алюминиевых сплавов используют в случае необходимости значительного снижения массы ограждающих и несущих конструкций, повышения их архитектурной выразительности, коррозионной стойкости, а также при предъявлении специальных требований: отсутствие искрообразования, магнитных свойств и надежность работы при отрицательных температурах. В связи с этим основными определяемыми показателями для алюминиевых сплавов являются модуль сдвига и упругости, коэффициенты поперечной деформации и линейного расширения, которые определяют в интервале температур от – 70 до + 100 оС.

К ограждающим конструкциям относятся модульные перегородки, подвесные потолки, кровельные и стеновые панели с полимерным плитным утеплителем («сэндвич»); к несущим – сварные и клепаные конструкции типа ферм, колонн, пространственных решетчатых покрытий, сборно-разборные каркасы зданий. Их выполняют из прессованных профилей, пространственные – из тонколистовых материалов.

Алюминиевые профили с защитным покрытием выпускают двух видов: «холодные» с высокой теплопроводностью без термовставки и «теплые» – комбинированные с низкой теплопроводностью, имеющие термоизолирующую вставку из армированного стекловолокном полиамида. Из утепленных профилей выполняют отделку фасадов, окна, двери, витражи любых форм и конфигураций. Соединение элементов выполняют с использованием дуговой сварки и присадочного алюминийсодержащего материала. Методом горячего прессования получают трубы, которые могут быть круглыми и фасонными с толщиной стенок до 5 мм – тонкостенные и более 5 мм – толстостенные.

Важнейшим сырьем при получении меди являются сернистые руды, в частности, медный колчедан. Медь – металл красновато-розового цвета, который обладает высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии. Для устранения существенных недостатков (низкие литейные свойства, плохая обрабатываемость резанием, относительно невысокие прочностные характеристики) ее легируют различными элементами. В строительстве нашли применение в основном два вида сплавов меди: латунь – сплав меди с цинком, бронза – сплавы меди с оловом или с алюминием, железом и марганцем. Латунь используют в виде листов, прутьев, проволоки, труб, а также архитектурных изделий для отделки интерьеров зданий; бронзу – для внутренней отделки зданий. Чистую медь в виде тонких листов применяют в качестве долговечного кровельного материала.

Цинк – металл синевато-белого цвета. Он обладает высокой коррозионной стойкостью, поэтому служит для оцинкования различных стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, болтов и т.д.).

Нанесение защитных покрытий может производиться следующими способами:

-       цинкованием в расплаве цинка – горячее цинкование;

-       металлизацией – напыление сжатым воздухом частиц расплавленного цинка;

-       термодиффузионным цинкованием – химико-термическая обработка изделий в цинковых порошках при температуре от 380 до 500 оС;

-       нанесением на предварительно очищенную поверхность красок с предельным содержанием цинка и последующей сушкой в естественных условиях – метод холодного цинкования.

Долговечная, надежная защита поверхности обеспечивается за счет самого химически стойкого металла и труднорастворимых продуктов его взаимодействия с окружающей средой.

Свинец – тяжелый металл серовато-синего цвета, химически стоек, обладает высокими защитными свойствами по отношению к действию рентгеновских лучей. В строительстве свинец используют при изготовлении специальных труб, защитных покрытий и экранов.

3.4.4. Получение изделий и конструкций из металлов

Для получения изделий из металлов, обладающих высокими пластичными свойствами, их обрабатывают давлением. На практике применяют следующие способы обработки: прокат, ковку, волочение, штамповку и прессование (рис. 3.4).

Прокат – наиболее распространенный и дешевый способ производства металлических изделий. Сущность проката заключается в обжатии металла между вращающимися валками прокатного стана. Прокатывают металл в холодном и горячем состоянии. Холодный прокат применяют для металлов, обладающих высокой пластичностью (медь, свинец, олово,

Глава 3-ред

 

Рис. 3.4. Схема основных приборов обработки металлов давлением:

1 – прокатка; 2 – волочение; 3 – прессование; 4 – ковка; 5 – объемная штамповка;
6 – листовая штамповка

 

алюминий), или для получения тончайших стальных листов. Подавляющее большинство стальных изделий прокатывают в горячем состоянии при температуре 900 – 1250 °С. Способом проката получают большинство стальных строительных изделий: балки, листовую и прутковую сталь, арматуру.

Ковка – процесс деформации металла под действием повторяющихся ударов молота или пресса. Ковка может быть свободная, когда металл при ударе молота свободно растекается во все стороны, и штампованная, когда металл, растекаясь под ударами молота, заполняет формы штампов. Штамповка позволяет получить изделия очень точных размеров. В условиях строительства пользуются преимущественно свободной ковкой при использовании таких деталей, как болты, скобы, анкеры.

Волочение заключается в протягивании металлической заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. В результате этого металл обжимается, а профиль его строго соответствует форме отверстия. Способом волочения изготовляют тонкостенные изделия-трубки, а также круглые, квадратные, шестиугольные прутки и арматуру. При волочении в металле появляется так называемый наклеп – поверхностное упрочнение металла в результате пластической деформации и строго ориентированного расположения кристаллов. Наклеп повышает твердость стали в поверхностном слое, но снижает пластичность и вязкость. Явление наклепа широко используют на практике при механическом упрочнении арматурной стали.

В процессе прессования металл выдавливают через круглое или фасонное отверстие, форма и размеры которого определяют форму и сечение прессуемого изделия – прутков, труб, фасонных профилей из сталей, цветных металлов и их сплавов. Прессование проводят на гидравлических или механических прессах.

Получение изделий из заготовок черных, цветных металлов и их сплавов по резательной технологии проводят с использованием локального теплового воздействия. Способы тепловой резки подразделяют на две группы. К первой относятся кислородная и кислородно-флюсовая, при которых происходит химическая реакция сгорания железа в струе кислорода; ко второй группе – электродуговая, лазерная и плазменная. В этом случае сквозное проплавление заготовки происходит за счет использования мощного теплового внешнего источника.

В целях улучшения структуры и придания специально заданных свойств полученные изделия подвергают термической обработке. Такая обработка заключается в изменении кристаллической структуры материала путем его нагрева до определенной температуры, некоторой выдержки и последующего охлаждения по заданному режиму. На практике применяют следующие основные виды термической обработки металлов и сплавов: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, отличающиеся температурой нагрева и скоростью охлаждения, а также термомеханическую и химико-термическую.

Отжиг применяют для получения мелкозернистой, однородной структуры стали, полного снятия внутренних напряжений. Нормализация устраняет внутренние напряжения, повышает пластичность. Твердость и прочность стали при этом несколько выше, чем после отжига. Для некоторых изделий нормализация является окончательной термической обработкой, позволяющей хорошо сочетать пластичность и прочность.

Для повышения механической прочности и твердости, сохранения достаточной вязкости пользуются термической обработкой, состоящей из двух процессов – закалки и отпуска. Закалка включает нагрев изделия на 30 – 50 оС выше температуры вторичной кристаллизации, выдержку при этой температуре и быстрое охлаждение. Для предохранения металла от окисления нагрев выполняют в газовой среде азота или углекислого газа. Эффективно проводить закалку токами высокой частоты или пламенем газовой горелки; интенсивное охлаждение – жидким азотом или другими сжиженными газами при температуре от – 75 до 195 оС.

Отпуском называют термическую обработку, при которой закаленную сталь повторно нагревают до 150 – 600 °С, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают для снятия напряжений.

Среди различных упрочняющих способов обработки, предназначенных для повышения механических свойств, большое развитие за последние годы получил метод термомеханической обработки (ТМО), предусматривающий нагрев поверхностного слоя стального изделия на нужную глубину, обкатку его роликами, закалку и отпуск. Уникальная особенность этой обработки – одновременный рост прочности и пластичности.

Химико-термическая обработка стали приводит к изменению химического состава, структуры и, следовательно, свойств поверхностного слоя стальных изделий. Цель ее – повышение твердости, прочности, износоустойчивости.

Различают следующие виды химико-термической обработки изделий: цементация – высокотемпературное насыщение поверхности изделий из стали углеродом; азотирование – азотом; цианирование – параллельное обогащение поверхности азотом и углеродом.

Диффузионная металлизация – поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, кремнием, бором и другими химическими элементами. Осуществляют этот процесс путем нагрева и выдержки стальных изделий в контакте с одним или несколькими из указанных веществ, которые могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. Такая обработка придает поверхностным слоям жаростойкость, износоустойчивость, повышает сопротивляемость коррозии.

Полученные металлические изделия и детали соединяют в конструкции с помощью сварки, клепки или болтов.

3.4.5. Применение металлов в строительстве

Металлообрабатывающая промышленность выпускает широкий ассортимент металлических изделий. К ним относятся трубы медные, стальные, алюминиевые и из алюминиевых сплавов; мелкие стальные изделия в виде болтов, гаек, шайб, заклепок; прокатная угловая сталь (уголки, швеллеры, двутавры); прокат стальной тонколистовой, рулонный (толщиной от 0,5 до 1,2 мм) с защитно-декоративным полимерным покрытием для холодного изготовления строительных конструкций; стальные листовые профили из холоднокатанного проката оцинкованные с алюмоцинковым или алюмокремниевым покрытием для кровельного настила (Н), настила и стеновых ограждений (НС) и только стеновых ограждений (С); прокатная листовая кровельная сталь, в том числе оцинкованная; прокатная круглая сталь, используемая в качестве арматуры для железобетонных конструкций (рис. 3.5).

Глава 3-ред


Рис. 3.5. Сортамент прокатных сталей:

а – равнобокий уголок; б – неравнобокий уголок; в – швеллер; г – двутар;
д – подкрановый рельс; е – круглая; ж – квадратная; з – полосовая; и – шпунтовая свая;
к – листовая; л – рифленая; м – волнистая

 

Арматурой называют стальные стержни различной формы, сетки и объемные каркасы из них (рис. 3.6). Арматуру применяют при изготовлении железобетонных изделий и конструкций с целью повышения их прочности на изгиб и растяжение. Арматурную сталь классифицируют по способу изготовления, профилю стержней и применению. По способу изготовления арматурная сталь бывает стержневой (А) и проволочной (В), в зависимости от характера ее поверхностигладкой и периодического профиля. По назначению арматурную сталь подразделяют на ненапрягаемую, применяемую для изготовления обычного железобетона, и напрягаемую, используемую при производстве преднапряженных железобетонных конструкций. Стержневую арматуру изготавливают из углеродистой и низколегированной стали, ее выпускают горячекатаной обычной, упрочненной вытяжкой в холодном состоянии, и термически упрочненной. В зависимости от предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения после разрыва стержневую арматуру подразделяют на классы. Каждому классу соответствует определенный цвет масляной краски, которой окрашивают концы стержней. Из стержней методом сварки получают арматурные каркасы плоские и пространственные. В качестве ненапрягаемой арматуры применяют стержневую арматуру диаметром до 10 мм и обыкновенную арматурную проволоку периодического профиля; в предварительно напряженных конструкциях – горячекатанную и термомеханически упрочненную стержневую арматуру, высокопрочную арматурную проволоку и арматурные канаты. Проволочную арматуру диаметром от 3 до 8 мм изготавливают способом холодного волочения и подразделяют на гладкую (В) и периодического профиля (Вр). Ее используют для получения арматурных канатов (К) и сварных арматурных сеток, которые могут быть рулонными и плоскими. Канаты испытывают на растяжение, проволоку – на растяжение и перегиб. Для изготовления монтажных петель, используемых при подъеме и перемещении крупноразмерных конструкций, применяют горячекатанную арматурную сталь, для закладных деталей и соединительных накладок – прокатную углеродистую сталь.

Глава 3-ред


Рис. 3.6. Виды арматурной стали:

а – гладкая стержневая; б – горячекатанная периодического профиля класса А-II;
в – то же класса А-III; г – холодносплющенная с четырех сторон;
д – то же с двух сторон; е – витая

 

Широкое применение нашли металлы при выполнении подвесных потолков в зданиях промышленного и общественного назначения. Для несущего каркаса используют гнутые реечные или прессованные профили, из алюминиевых сплавов или стали, защищенной антикоррозионным покрытием. Лицевые элементы, которые обеспечивают потолку декоративность и акустические свойства, представляют собой листовую сталь или листы из алюминиевых сплавов, которые могут быть плоскими, объемными, гладкими и гофрированными, с перфорацией и без нее.

С целью повышения износостойкости полов в производственных помещениях, где их поверхность подвергается механическим воздействиям транспорта, верхнее покрытие выполняют из металлоцементного состава, содержащего цемент, воду и дробленую стальную обезжиренную стружку. В помещениях, где полы выдерживают большие ударные нагрузки, для покрытия используют гладкие и рифленые чугунные дырчатые и стальные штампованные плиты. Чугунные плиты с опорными выступами предназначены также для горячих цехов (кузнечных, сталеплавильных, литейных, прокатных), где их применяют в зонах нагрева пола до 1000 –1400 °С (остывание на полу раскаленных металлических болванок и деталей, попадание расплавленного металла в виде брызг).

Для наружной отделки фасадов зданий все чаще применяют двух- и трехслойные панели и блоки, лицевая отделка которых выполнена из стального листа, защищенного антикоррозионной краской, оцинкованной стали с пластиковым покрытием или листов профилированного алюминия. Применение этих крупноразмерных материалов не только улучшает внешний вид зданий, повышает их долговечность, но и обеспечивает надежную теплоизоляцию, так как внутренний слой представляет собой пористый полимерный материал.

Практикой строительства доказана эффективность использования для ограждающих конструкций (наружные стеновые панели, плиты покрытия) двух- и трехслойных панелей типа «сэндвич». В них внутренний и наружный слои выполнены из листов оцинкованной стали или алюминиевых сплавов, между которыми расположен плитный утеплитель.

Для выполнения кровли в жилых зданиях применяют тонколистовую кровельную, оцинкованную сталь и металлочерепицу, промышленных – профилированный стальной оцинкованный настил. Металлочерепица представляет собой гофрированные стальные листы, реже – алюминиевые толщиной около 0,5 мм с защитным и декоративным полимерными покрытиями (полиэстер, пластизоль и др.). В зависимости от геометрии профиля выпускают изделия различного цвета с торговыми названиями «Монтерей», «Каскад» и др. площадью 8 – 10 кв.м или в виде мелкоштучных изделий площадью около 0,5 кв.м.

Алюминиевую фольгу используют при изготовлении таких рулонных кровельных материалов, как фольгоизол, фольгобитеп, фольгорубероид, которые обладают повышенной прочностью и огнестойкостью. Для устройства монтируемой гидроизоляции подземных конструкций используют листовую низколегированную нержавеющую сталь.

Рулонную алюминиевую фольгу в сочетании с плитным или рулонным высокопористым материалом применяют для теплоизоляции строительных конструкций, трубопроводов технологического оборудования. Алюминиевую пудру используют в качестве пигмента для получения серебряной краски и как газообразующую добавку при производстве ячеистого бетона. Применение металлов в строительстве представлено в табл. 3.4.

Таблица 3.4
Применение металлов в строительстве

Вид материала (изделия)

Область применения

Чугунные отопительные радиаторы, трубы

Санитарно-технические изделия

Чугунные ограды, решетки, светильники

Архитектурные изделия

Чугунные дырчатые и стальные штампованные плиты

Покрытие промышленных износо- и термостойких полов с температурой поверхности
до 1400 оС

Стальной и алюминиевый листовой
и профилированный прокат, трубы, полосы, листы

Изготовление сварных и клепаных несущих конструкций (ферм, ригелей, балок, колонн, прогонов покрытий), форм и опалубок для получения железобетонных конструкций

Профилированные алюминиевые
и стальные листы с цинковым и защитным декоративным лакокрасочным покрытием

В сочетании с плитными теплоизоляционными материалами в качестве кровельного настила и стеновых ограждений (навесные панели типа «сэндвич»)

Плоские листы и профилированные изделия из алюминия и стали с защитными покрытиями

Выполнение оконных и дверных ограждающих конструкций, подвесных потолков, модульных перегородок, витрин, витражей и фасадной облицовки

Тонколистовые материалы из стали, меди, алюминия с защитным покрытием. Гофрированные стальные (алюминиевые) листы с многослойным защитно-декоративным покрытием (металлочерепица)

Выполнение скатной кровли

Стальные проволока, стержни, канаты

Арматура ненапрягаемая и напрягаемая для изготовления железобетонных изделий и конструкций

Стружка стальная

Выполнение износостойких металлоцементных покрытий пола

Листы из специальной легированной нержавеющей стали

Выполнение монтируемой гидроизоляции строительных конструкций

Фольга рулонная алюминиевая

Защита рулонных кровельных и теплоизоляционных материалов, различных по степени сжимаемости

Алюминий тонкомолотый

Пигмент в красочных составах и газообразующая добавка для получения ячеистых газобетонов

Арматура, проволока, трубки радиаторные, декоративная отделка из медных сплавов

Коррозионностойкие санитарно-технические и декоративные изделия специального назначения

Цинковые покрытия

Антикоррозионная защита изделий из стали

Свинцовые трубы, экраны, покрытия

Защита от радиационного излучения


ИСПОЛЬЗУЕМАЯ НОРМАТИВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

1.       ГОСТ 8736-93. Песок для строительных работ. Технические условия.

2.       ГОСТ 9479-84.Блоки из природного камня для производства облицовочных изделий.

3.       ГОСТ 8267-93. Гравий для строительных работ. Технические условия.

4.       ГОСТ 8267-93. Щебень из природного камня для строительных работ. Технические условия.

5.       ГОСТ 10832-91. Песок и щебень перлитовые, вспученные.

6.       ГОСТ 16136-80. Плиты перлитобитумные.

7.       ТУ 2254-001-400-189-95. Плиты перлитопластбетонные.

8.       ГОСТ 21880-94. Маты минераловатные.

9.       ГОСТ 9573-96. Плиты минераловатные на синтетическом связующем.

10.  ГОСТ 10140-80. Плиты минераловатные на битумном связующем.

11.  ГОСТ 12865-67. Вермикулит вспученный.

12.  ГОСТ 23208-83. Полуцилиндры и цилиндры минераловатные на синтетическом связующем.

13.  СТБ 1101-98. Плиты декоративные на основе природного камня. Технические условия.

14.  СТБ 127.3-2001. Пакеты прошивные теплоизоляционные.

15.  ГОСТ 4640-93. Вата минеральная. Технические условия.

16.  ГОСТ 9480-89. Плитки облицовочные пиленые из блоков природного камня.

17.  СТБ 4.219-96. Материалы облицовочные из природного камня и блоки для их изготовления. Номенклатура показателей.

18.  ГОСТ 4001-84. Стеновые камни из горных пород.

19.  СТБ 4.211-94. Система показателей качества продукции. Строительство. Материалы строительные нерудные и заполнители для бетона пористые. Номенклатура показателей.

20.  ГОСТ 8267-93. Щебень для строительных работ из попутно добываемых пород и отходов горнообогатительных предприятий. Технические условия.

21.  ГОСТ 8736-93. Материалы из отсевов дробления изверженных горных пород для строительных работ. Технические условия.

22.  ГОСТ 8267-93. Материалы из отсевов дробления осадочных горных пород для строительных работ. Технические условия.

23.  ГОСТ 286-82. Трубы керамические канализационные.

24.  ГОСТ 6787-90. Плитки керамические для настила полов.

25.  ГОСТ 6141-91. Плитки керамические глазурованные для внутренней облицовки стен. Технические условия.

26.  СТБ 1160-99. Кирпич и камни керамические. Технические условия.

27.  ГОСТ 474-80. Кирпич кислотоупорный.

28.  ГОСТ 961-79. Плитка кислотоупорная и термокислотоупорная керамическая.

29.  СТБ 4.210-96. Материалы керамические отделочные и облицовочные. Номенклатура показателей.

30.  ГОСТ 13996-93. Плитки керамические фасадные и ковры из них. Технические условия.

31.  СТБ 1184-99. Черепица керамическая. Технические условия.

32.  ГОСТ 15167-93. Изделия санитарные керамические. Общие технические условия.

33.  ГОСТ 30493-96. Изделия санитарные керамические. Типы и основные размеры.

34.  СТБ 1217-2000 (ГОСТ 9757-90). Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия.

35.  ГОСТ 17057-89. Плитки стеклянные облицовочные, ковровомозаичные.

36.  ГОСТ 10499-95. Изделия теплоизоляционные из стеклянного штапельного волокна.

37.  СТБ 1273-2001. Пакеты прошивные теплоизоляционные из мягких волокнистых неорганических материалов.

38.  СТБ 1227-2000. Изделия санитарно-технические на основе композиционных материалов (стеклопластика).

39.  ГОСТ 19246-82. Облицовочные материалы из шлакоситаллов.

40.  ГОСТ 9272-81(с изм.). Стеклоблоки.

41.  ГОСТ 24866-81 (с изм.). Стеклопакеты.

42.  ГОСТ 21992-83. Профильное стекло.

43.  ГОСТ 22279-76 (с изм.). Стемалит.

44.  ГОСТ 111-78 (с изм.). Стекло оконное.

45.  ГОСТ 7380-77 (с изм.). Стекло витринное.

46.  ГОСТ 7481-78 (с изм.). Стекло армированное.

47.  ГОСТ 10922-90. Арматурные и закладные изделия.

48.  ГОСТ 30246-94. Прокат тонколистовой рулонный с защитно-декоративным лакокрасочным покрытием для строительных конструкций.

49.  ГОСТ 27772-88. Прокат для строительных стальных конструкций.

50.  ГОСТ 24045-94. Профили стальные листовые гнутые. Технические условия.

51.  ГОСТ 18482-79 (СТ СЭВ 3290-81). Трубы прессованные из алюминия и  алюминиевых сплавов.

52.  ГОСТ 21631-75. Листы из алюминия и алюминиевых сплавов.

53.  ГОСТ 17715-72. Сталь тонколистовая кровельная.

54.  ГОСТ 19903-74. Сталь тонколистовая оцинкованная.

55.  ГОСТ 1412-95. Чугун.

56.  СТБ 4.253-96. Конструкции стальные. Номенклатура показателей.

57.  СТБ 4.221-96. Стальные конструкции и изделия из алюминиевых сплавов. Номенклатура показателей.

58.  ГОСТ 6942-98. Трубы чугунные канализационные. Технические условия.

59.  ГОСТ 22233-93. Профили прессованные из алюминиевых сплавов для ограждающих  строительных конструкций. Общие технические условия.

 

Контакты

115419, г. Москва, ул. Шаболовка, д. 34, стр. 3.



Просьба заранее предупредить о приезде, т.к. специалисты распределены по объектам




info@masterbetonov.ru




ООО «Стройсервис» работает на рынке строительного производства c 1992 года.
Основной ценностью для нашей компании являются клиенты, поскольку единственный реальный актив компании — это люди, удовлетворенные нашей работой, которые еще раз захотят воспользоваться нашими услугами. Мы стремимся сделать своих клиентов своими партнерами.