Физические свойства строительных материалов; параметры состояния

Содержание Лекция 1 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 3 Лекция 2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 11 Лекция 3 СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 18 ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 31 Лекция 4 ПОНЯТИЕ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 38 КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 44 Лекция 5 СТЕКЛО И ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ РАСПЛАВОВ 59 Лекция 6 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 72 Лекция 7 НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА 78 Лекция 8 БЕТОНЫ 84 Лекция 9 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ 95 СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ 101 Лекция 10 ЛЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 107 Лекция 11 ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 115 Лекция 12 БИТУМНЫЕ И ДЕГТЕВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И БЕТОНЫ (РАСТВОРЫ) НА ИХ ОСНОВЕ 122 Лекция 13 КРОВЕЛЬНЫЕ, ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ 127 Лекция 14 ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 139 АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 154 Лекция 15 ОТДЕЛОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 162 Лекция 1 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Параметры состояния. Истинная плотность ρ (г/см3, кг/м3) – масса единицы объема абсолютно плотного материала. Если масса материала т, а его объем в плотном состоянии Va, то Относительная плотность d выражает плотность материала по отношению к плотности воды (это безразмерная величина). За немногими исключениями (металлы, стекло, мономинералы) строительные материалы пористы. Объем V пористого материала в естественном состоянии (т.е. вместе с заключенными в нем порами) слагается из объема твердого вещества Va и объема пор Vп. Средняя плотность (г/см3, кг/м3, в последующем – плотность) есть масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами): Значения плотности данного материала в сухом и влажном состоянии связаны соотношением: где Wm – количество воды в материале, доли от его массы. Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность легкого бетона – 500-1800 кг/м3, а его истинная плотность – 2600 кг/м3. Плотность строительных материалов колеблется в очень широких пределах: от 15 (пористая пластмасса – мипора) до 7850 кг/м3 (сталь). Насыпная плотность ρн – масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т.п.). Например, истинная плотность известняка – 2700 кг/м3, его плотность 2500 кг/м3, а насыпная плотность известнякового щебня – 1300 кг/м3. По этим данным можно вычислить пористость известняка и пустотность щебня. Структурные характеристики. Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор. Пористость П есть степень заполнения объема материала порами: Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за 1, или в % от объема. Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или другой средой. Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности (%) высушенного материала: Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98% (см. табл. 1.1). Таблица 1.1 – Показатели плотности, пористости и теплопроводности (средние значения) для ряда строительных материалов Наименование материала Истинная плотность, г/см3 Средняя плотность, г/см3 Пористость, % Теплопроводность, Вт/(м∙ºС) Бетон: тяжелый 2,6 2,4 10 1,16 легкий 2,6 1,0 61,5 0,35 ячеистый 2,6 0,5 81 0,2 Кирпич: обыкновенный 2,65 1,8 32 0,8 пустотелый 2,65 1,3 51 0,55 Природные камни: гранит 2,7 2,67 1,4 2,8 пеностекло 2,7 1,40 52 0,5 Стекло: оконное 2,65 2,65 0,0 0,58 пеностекло 2,65 0,30 88 0,11 Полимерные материалы: стеклопластик 2,0 2,0 0,0 0,5 мипора (вспененный полимер) 1,2 0,015 98 0,03 Древесные материалы: сосна 1,53 0,5 67 0,17 древесноволокнистая плита 1,5 0,2 86 0,06 Коэффициент плотности – степень заполнения объема материала твердым веществом: В сумме П + КПЛ= 1 (или 100%), т.е. высушенный материал можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечивающего прочность, и воздушных пор. Открытая пористость ПО равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала V: где m1, и m2 – масса образца соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии. Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения, например при погружении образцов материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Закрытая пористость ПЗ равна: Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создаются открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии. В современных поромерах измерение пористости автоматизировано, и результат выдается в готовом виде в цифровой и графической формах. Все свойства материала определяются его составом и строением и прежде всего величиной и характером пористости. Это видно из данных табл. 1.1, в которой попарно сопоставлены плотные и пористые материалы, имеющие в основном общий химический состав. Гидрофизические свойства. Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции, поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой. Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от ее наземной части. Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания. Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле: где σ – поверхностное натяжение; θ – краевой угол смачивания; r – радиус капилляра; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения. Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения явления; высоту всасывания воды определяют, применяя метод «меченых атомов» либо по изменению электропроводности материала. Объем воды, поглощенной материалом путем капиллярного всасывания за время t, в начальной стадии подчиняется параболическому закону: где K – константа всасывания. Уменьшение интенсивности всасывания отражает улучшение структуры материала (например, бетона) и повышение его морозостойкости. Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.) определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде. Температура используемой воды должна быть 20±2°С. Водопоглощение, определяемое погружением образцов материала в воду, характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проникает в закрытые поры. К тому же при извлечении образцов из ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение обычно меньше пористости. Например, пористость легкого бетона может быть 50-60%, его водопоглощение составляет 20-30% объема. Водопоглощение определяют по объему и массе. Водопоглощение по объему WO (%) – степень заполнения объема материала водой: где тв – масса образца материала, насыщенного водой (г), тс – масса образца в сухом состоянии (г). Водопоглощение по массе Wm (%) определяют по отношению к массе сухого материала: Разделив почленно WO на Wm , получим: причем объемная масса сухого материала выражается по отношению к плотности воды (безразмерная величина). Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах: гранита – 0,02-0,7%, тяжелого бетона – 2-4%, кирпича – 8-15%, пористых теплоизоляционных материалов – 100% и больше. Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может превышать пористость. Водопоглощение используют для оценки структуры материала, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой, равный отношению водопоглощения по объему к пористости: Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда WO = П. Уменьшение KН (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости. Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала, увеличивается плотность, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются. Коэффициент размягчения КР – отношение прочности материала, насыщенного водой RB, к прочности сухого материала RC: Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8. Водопроницаемость – это свойство материала пропускать воду под давлением. Коэффициент фильтрации КФ (м/ч) характеризует водопроницаемость материала: где КФ – VВ – количество воды (м3), проходящей через стенку площадью S = 1 м3, толщиной а = 1 м за время t = 1 ч при разности гидростатического давления на границах стенки р1 – р2 = 1 м вод.ст. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости. Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже КФ, тем выше марка по водонепроницаемости. Водопроницаемость не допускают при строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, стен подвалов зданий. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны. Газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхностей ограждения разности давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками. Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше. Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью. Тогда стена будет «дышать», т.е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха. Поэтому стены жилых зданий, больниц и т.п. не отделывают материалами, задерживающими водяной пар. Наоборот, стены и покрытия влажных производственных помещений необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения водяного пара. Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры. Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают трещины, ускоряющие разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорожных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооружений. Морозостойкость – свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Морозостойкость материала количественно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений-трещин, выкрашивания (потери массы – не более 5%). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды. Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений. Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость 15, 25, 35. Бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку 50, 100, 200, а гидротехнический бетон – 500. Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию повторной растягивающей нагрузки, вызывающей усталость материала. Теплофизические свойства. Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является главным как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов, применяемых для устройства наружных стен и покрытий зданий. Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздушные ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха λ=0,023 Вт/(м∙°С) меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит “каркас” строительного материала. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые поры, чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвенцией и излучением. Теплоемкость – это способность материала аккумулировать тепло при нагревании и выделять тепло при остывании; определяется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С. Теплоемкость стали – 0,48 кДж/(кг∙°С), неорганических строительных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных материалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДж/(кг∙°С). Теплоемкость сухих органических материалов (например, древесины) – около 2,39-2,72 кДж/(кг∙°С), вода имеет наибольшую теплоемкость – 4,19 кДж/(кг∙°С), поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. Показатели теплоемкости разных материалов нужны для теплотехнических расчетов. Огнеупорность – свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей. Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350°С. Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т.е. от его способности воспламеняться и гореть. Несгораемые материалы – это бетон и другие материалы на минеральных вяжущих, кирпич керамический, сталь и др. Однако необходимо учитывать, что некоторые несгораемые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы) при температуре начиная с 600°С. Поэтому конструкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами. Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты). Сгораемые органические материалы, которые горят открытым пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко используют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества – антипирены. Коэффициент линейного температурного расширения бетона и стали 10∙10-6 °С-1, гранита – 8-10∙10-6 °С-1, дерева – 20∙10-6 °С-1. При сезонном изменении температуры окружающей среды и материала на 50°С относительная температура деформации достигает 0,5∙10-3 или 1∙10-3, т.е. 0,5-1 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают деформационными швами. Вопросы для самоконтроля 1. Параметры состояния. (Истинная плотность, относительная плотность, средняя плотность, насыпная плотность). 2. Структурные характеристики. (Пористость, коэффициент плотности, открытая пористость, закрытая пористость). 3. Гидрофизические свойства. (Гигроскопичность, капиллярное всасывание, водопоглощение, водопоглощение по объему, водопоглощение по массе, коэффициент насыщения пор водой, коэффициент размягчения, водопроницаемость, коэффициент фильтрации). 4. Газо- и паропроницаемость. 5. Влажностные деформации. (Усадка, набухание). 6. Морозостойкость (Марка материала по морозостойкости). 7. Теплофизические свойства. (Теплопроводностью, теплоемкость, огнеупорность, огнестойкость, несгораемые материалы, трудносгораемые материалы, сгораемые органические материалы, коэффициент линейного температурного расширения). Лекция 2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Нагрузки. Строительные материалы и конструкции подвергаются различным внешним силам – нагрузкам, которые вызывают в них деформации и внутренние напряжения. Нагрузки делятся на статические, действующие постоянно, и динамические, которые прикладываются внезапно и вызывают силы инерции. На статические нагрузки рассчитываются здания и сооружения промышленного и гражданского строительства. Это нагрузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкций и т.д. Ряд сооружений предназначен для восприятия не только статических, но и эксплуатационных динамических нагрузок: мосты, тоннели, дорожные и аэродромные покрытия, кузнечные и прессовые цехи, фортификационные и специальные объекты. Нагрузки, преимущественно динамического характера, образуются от природных катастроф (землетрясения, ураганы, наводнения, селевые потоки, оползни и др.), а также от аварий на предприятиях (взрывы, удары). Статические нагрузки действуют независимо от времени, динамические же главным образом зависят от длительности действия: от долей до нескольких секунд, вызывая колебания и смещения сооружений. Ударная волна ядерных взрывов может длиться до 2-3 секунд, а интенсивность на ее фронте при этом достигает сотен МПа, вот почему она обладает столь разрушительными последствиями. Деформации и напряжения. Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обратимой. Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять форму или размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстанавливать свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической деформацией. Пластическую, или остаточную деформацию, не исчезающую после снятия нагрузки, называют необратимой. Хрупкостью твердого тела называют его способность разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: модуль упругости, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (модуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяжения, сжатия и др.), ползучесть. Другие характеристики могут определяться для специальных условий нагружения. Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под воздействием внешних сил. Модуль упругости Е (модуль Юнга)1 связывает упругую деформацию и одноосное напряжение линейным соотношением, выражающим закон Гука2: ε = ϭ/Е При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле ϭ = Р/F , где Р – действующая сила; F – площадь первоначального поперечного сечения элемента. Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости (табл. 2.1). Таблица 2.1 – Зависимость модуля упругости Е от температуры плавления материала Материал E∙10-3, МПа °С Материал E∙10-3, МПа °С Карбид кремния 355 2800 Алюминий 70 660 Периклаз 246 2800 Свинец 15 327 Корунд 372 2050 Полистирол 3 300 Железо 211 1539 Каучук 0,07 300 Медь 112 1083 Механические свойства материала характеризуются диаграммой деформаций, построенной на основании результатов испытания в координатах «напряжение – относительная деформация» (ϭ-ε) (см. рис. 2.1). Рисунок 2.1 – Схема диаграмм деформации: а) стекла; б) стали; в) бетона; г) эластомера Прочность. Прочность – свойство материалов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т.п.). Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации. Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии. Поскольку строительные материалы неоднородны, то предел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов (обычно не менее трех образцов). Форма и размеры образцов, состояние их опорных поверхностей существенно влияют на результаты испытания. В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. Марка материала по прочности является важнейшим показателем его качества. В нормативных документах марка указывается в кг/см2; например, марки портландцемента М400, М500, М550 и М600. Чем выше марка, тем выше качество конструкционного строительного материала. Единая шкала марок охватывает все строительные материалы. Предел прочности при осевом сжатии Rсж (МПа) равен частному от деления разрушающей силы PРАЗР на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы): Rсж = PРАЗР/F В табл. 2.2 систематизированы характерные образцы, применяемые для определения предела прочности строительных материалов при сжатии. Предел прочности при осевом растяжении RP (МПа) используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов (см. табл. 2.2). В зависимости от соотношения RP/Rсж можно условно разделить материалы на три группы: материалы, у которых RP>Rсж (волокнистые – древесина и др.); RP≈Rсж (сталь); RP10d Цилиндр Бетон d=15 Удельная прочность (коэффициент конструктивного качества) материала равна отношению показателя прочности R (МПа) к относительной плотности (безразмерная величина): Ry=R/d Следовательно, это прочность, отнесенная к единице плотности. Лучшие конструктивные материалы имеют высокую прочность при малой собственной плотности. Для некоторых материалов значения Ry приведены ниже: для стеклопластика – 450/2 = 225 МПа, древесины (без пороков) – 100/0,5 = 200 МПа, стали высокопрочной – 1000/7,85 = 127 МПа, стали – 390/7,85 = 51 МПа. Для каменных материалов значения Ry составляют: для легкого конструкционного бетона – 40/1,8 = 22,2 МПа, тяжелого бетона – 40/2,4 = 16,6 МПа, легкого бетона – 10/0,8 = 12,5 МПа, кирпича – 10/1,8 = 5,56 МПа. Повышения Ry можно добиться снижением плотности материала или увеличением его прочности. Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов. Теоретическую прочность RТЕОР получают из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит в поверхностную энергию двух вновь образовавшихся при разрушении поверхностей: где Е – модуль упругости; Э – поверхностная энергия твердого тела на 1 см2, а – межатомное расстояние (в среднем 2∙10-8 см). Теоретическая прочность материала тем выше, чем больше модуль упругости и поверхностная энергия и чем меньше межатомное расстояние. Согласно приведенному выражению прочность твердого тела должна находиться между значениями E/5 и E/10. Например, теоретическая прочность стали 30000 МПа, в то время как прочность обычной стали около 400 МПа, а специальной проволоки 3000 МПа. Теоретическая прочность стекла при комнатной температуре – 14000 МПа, прочность на растяжение тонких стеклянных волокон (толщиной 3-5 мкм) – 3500-5000 МПа, а обыкновенного стекла – только 70-150 МПа. Используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала: прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала. Механика разрушения. Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пластической деформацией, поэтому хрупкость определяют как свойство материала разрушаться «внезапно», не претерпевая существенной деформации. Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам. Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествуют изменение формы и большая деформация. Большинство материалов при понижении температуры становятся хрупкими. У них наблюдается переход от пластического вида разрушения к хрупкому. Так ведут себя битумные материалы, некоторые полимеры, металлы и др. Хрупкое разрушение происходит в результате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при возрастающей нагрузке. Сжимающие усилия в отличие от растягивающих могут передаваться через трещины, не вызывая концентрации напряжений. Поэтому хрупкие материалы всегда оказываются значительно прочнее при сжатии, чем при растяжении. Например, у природных каменных материалов (гранит и др.) предел прочности при растяжении составляет всего 1/40-1/60 предела прочности при сжатии. Хрупкие материалы также плохо сопротивляются удару и взрыву. Торможение трещин при помощи создаваемых в материале внутренних поверхностей раздела используется в современных композиционных материалах (см. рис. 2.2). Рисунок 2.2 – Влияние внутренних поверхностей на торможение трещин: а) волокнистый материал, содержащий внутренние поверхности; б) однородный материал Модели механических свойств. Механические свойства материалов моделируют, используя реологические факторы: упругость, пластичность и вязкость. Реология – наука о деформациях и текучести вещества, исследующая различные деформации материалов в зависимости от напряжений и времени. Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию при деформации образца. Релаксация напряжений. Релаксация – свойство материала самопроизвольно снижать напряжения при условии, что начальная величина деформации остается неизменной. Модели деформации твердых тел дают возможность получить количественную характеристику скорости релаксационных явлений, протекающих в полимерных и других строительных материалах. Если быстро деформировать тело (например, полимер), сохраняя деформацию постоянной, то напряжение постепенно уменьшается. Деформация вызывает перестройку внутренней структуры тела, и требуется некоторый промежуток времени, пока все частицы тела придут в равновесие в соответствии с новыми условиями. Твердость, истираемость, износ. Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость природных каменных материалов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10. (см. табл. 2.4). Таблица 2.5 – Шкала Мооса Твердость Наименование минерала Химическая формула Описание 1 2 3 4 1. Тальк [Si4O10][OH]2 легко царапается ногтем 2. Гипс CaSO4∙2H2O царапается ногтем 3. Кальцит СаСO3 легко царапается стальным ножом 4. Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 царапается стальным ножом под небольшим нажимом 5. Апатит Са5[РO4]3F царапается ножом под сильным нажимом 6. Ортоклаз K[AlSi3O8] легко царапают стекло, применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов. 7. Кварц SiO2 8. Toпaз Al2[SiO4][F,OH]2 9. Корунд А12О3 10. Алмаз С Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число твердости НВ = Р/F, где F – площадь поверхности отпечатка. От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость. Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания, и вычисляют по формуле (г/см2) И = (т1 – m2)/F где т1, и т2 – масса образца до и после истирания. Сопротивление материала истиранию определяют, пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварцевыми песком и наждаком). Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестницы и т.п. Износом называют свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы пробы материала в результате проведенного испытания (в % от первоначальной массы). Вопросы для самоконтроля 1. Нагрузки. (Статические, динамические). 2. Деформации и напряжения. (Упругость, пластичность, хрупкость, напряжение, модуль упругости Е). 3. Прочность. (Предел прочности при осевом сжатии, предел прочности при осевом растяжении, предел прочности при изгибе, ударной вязкостью, удельная прочность, теоретическая прочность). 4. Механика разрушения. (Хрупкость, пластичность, хрупкое разрушение, торможение трещин). 5. Модели механических свойств. (Реология, вязкость). 6. Релаксация напряжений. 7. Твердость, истираемость, износ. Лекция 3 СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Общие сведения. Главным источником для получения строительных материалов являются горные породы, их используют как сырье для изготовления керамики, стекла, металла, тепло-, гидроизоляционных и других материалов, а также для производства неорганических вяжущих веществ – цементов, извести и строительного гипса. Песок, гравий, щебень применяют в качестве заполнителей для бетонов и растворов. Другим сырьевым источником для производства строительных материалов являются техногенные отходы промышленности. Горная порода – это природный минеральный агрегат более или менее определенного состава и строения, являющийся продуктом геологических процессов и образующий в земной коре самостоятельные тела. В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы (классификация горных пород по условиям их образования, генетическому признаку): магматические породы (или изверженные), образовавшиеся в процессе кристаллизации сложного природного силикатного расплава – магмы; осадочные, возникшие в поверхностных условиях из продуктов разрушения любых других пород; метаморфические, являющиеся продуктом перекристаллизации и приспособления пород к изменившимся в пределах земной коры физико-химическим условиям (табл. 3.1). Минералы – это природные физически и химически однородные тела, возникающие в земной коре в результате физикохимических процессов. С этой точки зрения каждый минерал отвечает определенному состоянию и составу среды, в которой он возникает. В большинстве случаев минералы – твердые тела, иногда жидкие и газообразные. Всего минералов в природе более 2000, но в образовании горных пород участвуют лишь около 50. Большая часть минералов находится в твердом состоянии и обладает преимущественно кристаллической формой. Многие минералы анизотропны, т.е. отличаются тем, что некоторые физические свойства их (например, теплопроводность, линейное расширение при нагревании, оптические свойства) различны по разным направлениям (кристаллографическим осям). В отличие от кристаллических тел, аморфные тела (например, опал трепел, стекло) изотропны, т.е. физические свойства их одинаковы по всем размерным линиям. Некоторые минералы обладают спайностью, т.е. сравнительно легко разделяются (раскалываются) по одному или нескольким направлениям; плоскости раскола бывают ровные, блестящие, их называют плоскостями спайности. Минералы различаются по химическому составу и делятся на четыре группы: кварца, алюмосиликатов, железистомагнезиальных, карбонатов и сульфатов. Таблица 3.1 – Генетическая классификация горных пород Магматические породы Массивные Глубинные (интрузивные) Граниты, сиениты, диориты, габбро Излившиеся (эффузивные) Порфиры, диабазы, трахиты, базальты, порфириты, андезиты (изверженные) Обломочные Рыхлые Вулканические пеплы, пемзы Цементированные Вулканические туфы Осадочные породы Механические отложения (обломочные породы) Рыхлые Глины, пески, гравий Химические осадки Цементированные Песчаники конгломераты, брекчии Органогенные отложения Гипс, ангидрит, магнезит, доломиты, известковые туфы, некоторые виды известняков Известняки, мел, ракушечник, диатомиты и трепелы Метаморфические (видоизмененные) породы Продукты видоизменения изверженных пород Гнейсы То же, осадочных пород Мраморы, кварциты Магматические горные породы (изверженные). Образование магматических пород тесно связано со сложнейшими проблемами происхождения магм и строения Земли. Согласно современным представлениям Земля имеет концентрически-зональное строение и состоит из ядра, промежуточной оболочки (или мантии) и внешней оболочки – коры. Последняя, в свою очередь, имеет три слоя: нижний – базальтовый, выше него – гранитный и верхний – тонкий чехол осадочных пород (рис. 3.1). Главной составляющей частью изверженных пород является кремнезем (SiO2), в зависимости от содержания которого (в свободном и химически связанном состоянии) эти породы разделяются на кислые (>65% SiO2), средние (66-65% SiO2) и основные (<65% SiO2). В зависимости от условий образования выделяют две основные группы магматических пород – глубинные (интрузивные) и излившиеся (эффузивные). Глубинные – это породы, образовавшиеся при застывании магмы на разной глубине в земной коре. Излившиеся породы образовались при вулканической деятельности, излиянии магмы из глубин и затвердении на поверхности. Обломочные породы образовались при быстром охлаждении лавы. Рисунок 3.1 – Схема строения земной коры: 1 – осадочный чехол; 2 – гранитный слой; 3 – базальтовый слой; 4 – верхняя мантия перидотитового состава; 5 – верхняя мантия эклогитового (гранито-пироксенового) состава; 5-6, 10-12 и т.д. – средние толщины слоя (км) Породообразующие минералы. Основными породообразующими минералами магматических пород являются: кварц (и его разновидности); полевые шпаты; железисто-магнезиальные силикаты. Все эти минералы отличаются друг от друга по свойствам, поэтому преобладание в породе тех или иных минералов меняет ее строительные свойства: прочность, стойкость, вязкость и способность к обработке (к полировке, шлифовке и т.п.). Глубинные (интрузивные) горные породы. Магматические породы, образующиеся в различной геологической обстановке, отличаются специфическими признаками, к которым, прежде всего, относятся форма магматических тел и их взаимоотношения с вмещающими породами. Особенности строения горных пород, зависящие от условий образования, выражаются в структурных и текстурных признаках. Структура определяется степенью кристалличности и размерами зерен, а также формой и взаимными отношениями составных частей породы. При медленном остывании магмы в глубинных условиях возникают полнокристаллические структуры. По размерам зерен среди кристаллических пород выделяют: крупнозернистые (средний размер зерен более 5 мм), среднезернистые (1-5 мм) и мелкозернистые (0,5-1 мм), а также равномернозернистые и неравномернозернистые структуры (рис. 3.2). Рисунок 3.2 – Типы структур (схемы) а) неравномернозернистые; б) равномернозернистые Текстура – совокупность признаков, определяемых расположением и распределением составных частей породы относительно друг друга в занимаемом ими пространстве. Подавляющее большинство магматических пород характеризуется массивной текстурой. Следствием медленного охлаждения магмы является ряд общих свойств для разных глубинных горных пород: весьма малая пористость и, следовательно, большая плотность и высокая прочность. Кроме того, в связи с очень малой пористостью эти породы обычно обладают весьма низким водопоглощением, морозостойкостью и сравнительно высокотеплопроводны. Обработка таких пород из-за их высокой прочности затруднительна. Однако благодаря высокой плотности они хорошо полируются и шлифуются. Средние показатели важнейших строительных свойств таких пород: прочность при сжатии – 100-300 МПа; плотность – 2600-3000 кг/м3; водопоглощение – меньше 1% по объему; теплопроводность – около 3 Вт/(м∙°С). Граниты обладают благоприятным для строительного камня минеральным составом, отличающимся высоким содержанием кварца (25-30%), натриево-калиевых шпатов (35-40%) и плагиоклаза (20-25%), обычно небольшим количеством слюды (5-10%) и отсутствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую прочность при сжатии – 120-250 МПа (иногда до 300 МПа). Сопротивление растяжению, как у всех каменных материалов, относительно невысокое и составляет лишь около 1/30-1/40 от сопротивления сжатию. Из всех изверженных пород граниты наиболее широко используют в строительстве, так как они являются самой распространенной из глубинных магматических пород. Остальные глубинные породы (сиениты, диориты, габбро и др.) встречаются и применяются значительно реже. Излившиеся (эффузивные) горные породы. Магматическая порода, образовавшаяся при кристаллизации магмы на небольших глубинах и занимающая по условиям залегания и структуре промежуточное положение между глубинными и излившимися породами. При кристаллизации магмы в приповерхностных условиях образуются полнокристаллические неравномернозернистые и неполнокристаллические структуры. Среди неравномернозернистых структур выделяют порфировидные и порфировые структуры. Порфировидные структуры обусловлены наличием относительно крупных кристаллов на фоне полнокристаллической основной массы породы. Порфировые структуры характеризуются наличием хорошо образованных кристаллов – порфировых вкрапленников, погруженных в стекловидную основную массу породы. Структура – существенный признак, определяющий физикомеханические свойства породы. Наиболее прочными являются равномернозернистые породы, тогда как породы такого же минерального состава, но крупнозернистой порфировидной структуры быстрее разрушаются как при механическом воздействии, так и при резких колебаниях температур. Из магматических пород в строительстве наиболее широко применяют кварцевые и бескварцевые (полевошпатовые) порфиры. Различают эффузивы: излившиеся плотные и излившиеся пористые. К плотным излившимся породам относят трахиты, липариты, андезиты, базальты, диабазы. К пористым излившимся породам относят пемзу, вулканические туфы и пеплы, туфолавы. Осадочные горные породы. Осадочная порода образуется в условиях переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности растений. В результате воздействия агентов химического выветривания происходит окисление минералов, их гидратация, а также разложение минералов сложного состава с образованием новых минеральных видов и выносом в растворенном состоянии различного рода соединений. Преобладающая часть продуктов выветривания выносится из зоны выветривания и отлагается вдали от места разрушения материнских пород. Основными агентами переноса являются текучие воды, движущийся лед и ветер. Осадочные породы в зависимости от условий их образования делят на три основные группы: обломочные породы, или механические осадки: рыхлые (гравий, глины, пески), оставшиеся на месте разрушения пород или перенесенные водой, а также льдом (ледниковые отложения) или ветром (эоловые отложения); сцементированные (песчаники, конгломераты, брекчии); химические осадки (например, гипс и известковые туфы), образовавшиеся из продуктов разрушения пород, перенесенных водой в растворенном виде: органогенные породы, образовавшиеся из остатков некоторых водорослей и животных (скелеты губок, кораллов, раковины и панцири ракообразных и др.): к органогенным породам относятся мел, большинство известняков, диатомиты. Кроме обломочных рыхлых пород встречаются также породы (конгломераты, брекчии, песчаники), зерна которых сцементированы различными природными цементами. Эти цементы находились в растворенном или коллоидном состоянии в воде и выпали в толще рыхлых осадков, сцементировав их зерна в сплошные горные породы различной плотности. Большинство осадочных пород имеет более пористое строение, чем плотные магматические породы, а, следовательно, и меньшую прочность. Некоторые их них сравнительно легко растворяются (например, гипс) или распадаются в воде на мельчайшие нерастворимые частицы (например, глины). В составе осадочных пород можно выделить две различные по своему происхождению группы минералов: реликтовые и минералы осадочного происхождения. К первой группе относят минералы магматические и метаморфические; обычно зерна этих минералов окатаны; ко второй – минералы, образовавшиеся на месте в осадке или в породе. Главные породообразующие минералы. Группа кремнезема. Наиболее распространенные минералы этой группы – опал, халцедон и осадочный кварц. Группа карбонатов. Минералы группы карбонатов имеют широкое распространение в осадочных породах. Наиболее важную роль в них играют кальцит, доломит и магнезит. Группа глинистых минералов. Глинистые минералы играют в составе осадочных пород исключительно важную роль. Они слагают глины, а также могут находиться в качестве примеси в песчаниках, алевролитах, известняках и многих других породах, существенно изменяя их физико-химические свойства. Минералы этой группы относятся к водным алюмосиликатам. Наиболее широкое распространение имеют каолинит, монтмориллонит и гидрослюды. Органические остатки в осадочных породах. Осадочные породы нередко содержат органические остатки животного и растительного происхождения, сложенные кремнистым или известковым веществом. Наиболее важными по своим строительным свойствам из групп пород биохимического происхождения являются диатомиты, сложенные остатками диатомей, диатомовые водоросли – мельчайшие одноклеточные растения, заключенные в тонкий пористый панцирь, состоящий из опала. Встречаются преимущественно в кремнистых и глинисто-кремнистых породах. Вулканогенный материал в осадочных породах представлен обломками вулканического стекла (вулканический пепел), размеры которых колеблются от 0,01 до 1 мм и характеризуются остроугольными причудливо изогнутыми формами. Структура осадочной породы определяется размером и формой ее минеральных компонентов, текстура – их взаимным расположением и ориентировкой в пространстве. Структура и текстура характеризуют строение породы. Наиболее характерной особенностью строения осадочных пород является их слоистость. В том случае, когда слоистость отсутствует, текстуру называют беспорядочной, так как частицы располагаются в ней без всякой ориентировки. Беспорядочная текстура характерна для песков и грубообломочных пород. Обломочные породы. Породы рассматриваемой группы сложены преимущественно зернами устойчивых при выветривании минералов и горных пород. Рыхлые обломочные породы – песок и гравий – применяют в качестве заполнителей для бетона, в дорожном строительстве, для железнодорожного балласта. Пески служат компонентом сырьевой смеси в производстве стекла, керамических изделий и др. Песчаные породы широко используют при возведении намывных плотин, дамб и др. Глинистые породы сложены более чем на 50% частицами мельче 0,01 мм, причем не менее 25% из них имеют размеры меньше 0,001 мм. Они характеризуются сложным минеральным составом. Кроме того, глинистые породы могут содержать обломочные зерна кварца, полевых шпатов, слюд, а также гидроокислы, карбонаты, сульфаты и прочие минералы. Наличие обломочной примеси оказывает существенное влияние на степень пластичности глины. За основу минералогической классификации глинистых пород принимается состав глинистых минералов. Каолиновые глины сложены минералом каолинитом. Обычно эти глины окрашены в светлые тона, жирные на ощупь, они малопластичны, огнеупорны. Полимиктовые глины характерны наличием двух или нескольких минералов, причем ни один из них не является преобладающим. Они окрашены в бурые, коричневые, серые или зеленоватые тона. Обычно содержат значительное количество песчаной и алевритовой примеси и различные карбонаты, сульфаты, сульфиды, гидроокислы железа и т.п. Глины находят большое применение. Каолиновые глины являются огнеупорными и их широко используют в керамической промышленности. Гидрослюдистые глины и глины полимиктового состава применяют для изготовления кирпича, грубой керамики и других изделий. Глины являются также компонентом сырьевой смеси в производстве цемента. Глины используют как строительный материал при возведении земляных плотин (экраны и пр.) Хемогенные породы. Среди пород химического происхождения наиболее важными в строительном деле являются карбонатные, сульфатные и аллитовые породы. Карбонатные породы. Наиболее распространенными карбонатными породами являются известняки и доломиты. Известняк – порода, сложенная более чем на 50% кальцитом; доломит – порода, состоящая более чем на 50% из доломита. В зависимости от количественного соотношения в породе кальцита и доломита наблюдаются постепенные переходы от чистых известняков к чистым доломитам. Сульфатные породы состоят из сульфатных соединений, выпадающих в осадок в случае увеличения их концентрации в природных водах. Гипсовые и ангидритовые породы, как раньше упоминалось, слагаются одноименными минералами – гипсом и ангидритом, которые в природных условиях в результате гидратации и дегидратации переходят друг в друга. Ангидрит отличается от гипса большей твердостью. Обычно он имеет светлые цвета – белый, зеленоватый, светло-серый, серовато-голубоватый. Гипс и ангидрит служат сырьем для получения вяжущих веществ, иногда их применяют в виде облицовочных изделий. Аллитовые породы характеризуются высоким содержанием глинозема. В этой группе выделяют две главные породы: бокситы и латериты. Органогенные породы. К осадочным органогенным породам относятся биогенные кремнистые породы и органогенные известняки. Биогенные кремнистые породы (силициды) сложены осадочным кремнеземом (опалом, халцедоном, кварцем). По морфологическому признаку выделяют пластовые и конкреционные кремнистые породы. Органогенные известняки могут быть сложены целыми раковинами или обломками раковин различных морских беспозвоночных, а также остатками известковых водорослей. Органогенные известняки иногда слагают рифы. Рифостроящими организмами являются преимущественно известковые водоросли, кораллы и др. Метаморфические горные породы. Метаморфизмом называют преобразование горных пород, происходящее в недрах земной коры под влиянием высоких температур и давлений. В этих условиях может происходить кристаллизация минералов без их плавления. Главными факторами метаморфизма являются температура, давление и химически активные вещества – растворы и газы, под действием которых породы любого состава и генезиса (магматические, осадочные или уже ранее метаморфизированные) подвергаются изменениям. Главные породообразующие минералы. Минералы, слагающие метаморфические породы, можно разделить на следующие группы: минералы, широко распространенные как в метаморфических, так и в магматических породах (полевые шпаты, кварц, слюда, роговая обманка, большинство пироксенов, оливин и др.); типичные для осадочных пород минералы (кальцит, доломит); минералы, которые могут находиться в магматических породах в качестве вторичных, а также слагать типичные метаморфические породы (серпентин и др.); специфические метаморфические минералы, присутствие которых возможно только в глубоко преобразованных метаморфических породах. Основные разновидности метаморфических горных пород. Кристаллические сланцы имеют мелкозернистое строение с полностью утраченными первичными текстурами и структурами. Цвет их от темно- до светло-серого. Основная часть породы состоит из зерен кварца, биотита и мусковита. Кровельные сланцы используют в производстве кровельных плиток и некоторых строительных деталей (плит для внутренней облицовки помещений, лестничных ступеней, плит для пола, подоконных досок и т.п.). Гнейсы – породы метаморфического генезиса, образовавшиеся при температуре 600-800°С и высоком давлении. Исходными являются глинистые и кварцево-полевошпатовые породы. В состав гнейсов входят следующие минералы: кварц, биотит, роговая обманка, полевые шпаты. Текстура – массивная, полосчатая, структура – разнозернистая. Применяют гнейсы при бутовой кладке, для кладки фундаментов, в качестве материала для щебня и отчасти в виде плит для мощения дорог. Щебень из сильно сланцеватого гнейса не используют для бетона и дорожного строительства, так как он получается непригодным по форме зерен. Кварцитами называют мелкозернистые кварцевые или кремнистые песчаники, их образование связано с перекристаллизацией песчаников. Кварциты содержат 95-99% SiO2. Важным свойством их является высокая огнеупорность – до 1710-1770°С и прочность на сжатие – 100-455 МПа. В строительстве кварциты используют в качестве стенового камня, подферменных камней в мостах, бута, щебня и брусчатки, а кварциты с красивой и неизменяющейся окраской – для облицовки зданий. Кварциты, применяемые в качестве кислотоупорного материала, должны обладать высокой кислотоупорностью и малой пористостью. Мрамор – мелко-, средне- и крупнозернистая плотная карбонатная порода, состоящая главным образом из кальцита и представляющая собой перекристаллизованный известняк. Прочность на сжатие – 100-300 МПа, но легко поддается обработке, вследствие плотности хорошо полируется. Мрамор широко применяется для внутренней отделки стен зданий, ступеней лестниц и т.п. В виде песка и мелкого щебня (крошки) его используют для цветных штукатурок, облицовочного декоративного бетона и т.п. В условиях сульфатной коррозии для наружных облицовок мрамор не применяют. Техногенные отходы. Из отраслей, потребляющих промышленные отходы, наиболее емкой является промышленность строительных материалов, доля сырья которой в себестоимости продукции достигает 50% и более. Многие отходы по своему составу и свойствам близки к природному сырью. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10-30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья. Кроме того, из промышленных отходов можно создавать новые строительные материалы с высокими технико-экономическими показателями. Основными «производителями» многотоннажных отходов являются: горнообогатительная, металлургическая, химическая промышленности, энергетический комплекс, промышленность строительных материалов, агропромышленный комплекс, лесная и деревообрабатывающая, текстильная промышленность, бытовая деятельность человека. Наряду с термином «отходы производства», используются такие термины, как «побочные продукты промышленности», «вторичное сырье», «попутные продукты» и т.д. Суть основных понятий формулируется следующим образом. Отходы производства – это все виды остатков данного производства, которые имеют какую-то потребительскую ценность и могут быть использованы в материальном производстве (как правило, после дополнительных технологических операций). Побочные продукты промышленности – продукты, получение которых не являлось целью производственного процесса и которые могут быть использованы как готовая продукция после соответствующей обработки или как сырье для переработки. Вторичное сырье – материалы и изделия, которые после полного первоначального использования (износа) могут применяться повторно в производстве как исходное сырье. Все отходы можно разделить на две большие группы: минеральные и органические. Преобладающее значение имеют минеральные отходы: их больше, они лучше изучены и имеют наибольшее значение для производства строительных материалов. В зависимости от преобладающих химических соединений отходы делят на силикатные, карбонатные, известковые, гипсовые, железистые, цинксодержащие, щелочесодержащие и т.д. В пределах каждой группы возможна более подробная классификация. Например, силикатные отходы в зависимости от процентного содержания кислотных и щелочных оксидов можно разделить на ультраосновные, основные, средние, кислые, ультракислые. Чем выше основность, тем выше гидравлическая активность отходов. Большая часть минеральных отходов состоит преимущественно из силикатов и алюмосиликатов кальция и магния. Это объясняется тем, что 86,5% массы земной коры составляют природные силикаты. Соответственно и отходы, получаемые при добыче в переработке природных силикатов, тоже имеют силикатный состав. Силикатные отходы классифицируются также по структуре и химическому составу, по условиям образования и т.д. Наибольшую практическую применимость имеет классификация отходов по отраслям промышленности, их образующим, и классификации для отдельных видов отходов. Шлаки черной металлургии. Наибольшее значение для строительной индустрии и первое место по объему среди отходов черной металлургии имеют доменные шлаки – побочный продукт при выплавке чугуна из железных руд – доменные, мартеновские, ферромарганцевые. Выход шлаков очень велик и составляет от 0,4 до 0,65 тонны на одну тонну чугуна. В их состав входит до 30 различных химических элементов, главным образом в виде оксидов. Основные оксиды: SiO2, А12O3, CaO, MgO. В меньших количествах присутствуют FeO, МnО, Р2O5, ТiO2, V2O5 и др. Шлаки цветной металлургии чрезвычайно разнообразны по составу. Выход их на единицу выплавляемого металла гораздо больше. Так при выплавке 1 т меди выход шлака может достигать 10-30 т, а никеля – до 150 т. Основные оксиды, входящие в состав шлаков цветной металлургии: SiO2, А12O3, CaO, FeO, MnО и др. При получении цветных металлов по ряду так называемых «мокрых» технологий образуются не шлаки, а шламы (буквальный перевод с немецкого – «грязь»). Это общее название осадков суспензий, получаемых в металлургических и химических производствах в результате процессов, осуществляемых гидрохимическим способом. Основное применение шламы находят в цементном производстве. Золы и шлаки тепловых электростанций (ТЭС) – минеральный остаток от сжигания твердого топлива. Одна ТЭС средней мощности ежегодно выбрасывает в отвалы до 1 млн. т золы и шлака, а ТЭС, сжигающая многозольное топливо, – до 5 млн. т. По химическому составу топливные золы и шлаки состоят из SiO2, А12O3, Fe2O3, CaO, MgO и др., а также содержат несгоревшее топливо. Используются топливные золы и шлаки всего на 3-4% от их ежегодного выхода. Вскрышные породы – горнорудные отходы, отходы добычи разнообразных полезных ископаемых. Особенно большое количество этих отходов образуется при добыче открытым способом. Вскрышные и «пустые» породы находят применение в зависимости от своего состава (карбонатные, глинистые, мергелистые, песчаные и т.д.). Большое количество пустой породы поднимается на поверхность земли, измельчается и направляется в отвалы в виде хвостов обогащения. В отвалах и хвостохранилищах накоплено более 60 млрд, т техногенных материалов. Отходы угледобычи и углеобогащения образуются на углеобогатительных фабриках. Их ежегодный выход по странам СНГ около 50 млн. т. Для отходов угледобычи характерно постоянство состава, что их выгодно отличает от других видов минеральных отходов твердого топлива. В состав углесодержащей породы входят SiO2, А12O3, Fe2O3, CaO, MgO, Н2O, S. Гипсовые отходы химической промышленности – продукты, содержащие сульфат кальция в той или иной форме. Научные исследования показали полноценную заменимость традиционного гипсового сырья отходами химической промышленности. Отходы древесины и лесохимии. Лишь 1/6 часть всех древесных и лесохимических отходов перерабатывается на технологическую щепу для целлюлозно-бумажной промышленности и промышленности строительных материалов. Практически не используются такие отходы деревообработки, как кора, пни, вершины, ветви, сучья. Достаточно широкое применение находят горбыль, стружка, щепа, опилки. Отходы целлюлозно-бумажной промышленности – осадки сточных вод и другие промышленные шламы. Скоп – продукты, получившиеся в результате механической очистки сточных вод. Отходы промышленности строительных материалов. При получении цементного клинкера до 30% объема обжигаемого продукта уносится с дымовыми газами из печей в виде пыли. Эта пыль улавливается и возвращается в производство. Также она может использоваться для раскисления почв и в производстве вяжущих веществ. Кирпичный бой, старый и бракованный бетон используются в качестве искусственного щебня. Бетонный лом – отход предприятий сборного железобетона и строительных объектов. Пиритные огарки – отходы при получении серной кислоты из пирита FeS. Складирование их требует отчуждения больших площадей земли. Известно их исключительно вредное и неуправляемое воздействие на окружающую среду. Под действием атмосферных осадков из хранящихся под открытым небом пиритных огарков выщелачивается ряд токсичных веществ, например мышьяк. Их состав в основном представлен железом (40-63%), имеются серебро и золото (1 г на 1 т) и некоторые редкие элементы. Электротермофосфорные шлаки – отходы производства фосфорной кислоты, получаемой по так называемому электротермическому способу. В гранулированном виде содержат 95-98% стекла. Основные оксиды, входящие в их состав, SiO2 и СаО. Прочие отходы и вторичные ресурсы – отходы и бой стекла, макулатура, тряпье, резиновая крошка, отходы и попутные продукты производства полимерных материалов, попутные продукты нефтехимической промышленности и т.д. Важнейшие виды строительных материалов, получаемые из вышеперечисленных отходов промышленности, приведены в табл. 3.2. Таблица 3.2 – Отходы промышленности, используемые в производстве строительных материалов Отходы Материалы 1 2 Шлаки черной металлургии: доменные мартеновские ферромарганцевые Портландцемент (производство клинкера), портландцемент с минеральной добавкой, шлакопортландцемент, смешанные бесцементные вяжущие, заполнители для бетонов, шлаковая вата, шлакоситаллы и т.д. Отходы цветной металлургии: шлаки (медеплавильных печей, никелевого производства, свинцовой шахтной плавки и т.д.), шламы (бокситовый, нефелиновый, каолиновый, бокситонефелиновый и др.) Вяжущие автоклавного твердения, песок и щебень, портландцемент (производство клинкера), нефелиновый цемент, материалы для укрепления грунтов, огнеупоры, теплоизоляционные материалы и т.д. Золы и шлаки тепловых электростанций Вяжущие, пористый гравий, газобетон, силикатные изделия, добавки к керамике и т.п. Вскрышные породы: вскрышные и пустые породы, хвосты обогащения, флотационные хвосты Портландцемент (производство клинкера), воздушная известь, минеральная вата, стекло, пигменты, керамический кирпич, силикатный кирпич, заполнители для бетонов и т.д. Отходы угледобычи и углеобогащения: коксохимических предприятий углеобогатительных фабрик, шахтные негорелые породы Пористый заполнитель для бетона, керамический кирпич, материалы для строительства дорог Гипсовые отходы химической промышленности: фосфогипс, фторгипс, титаногипс, борогипс, сульфогипс Замена традиционного гипсового сырья Отходы древесины и лесохимии: кора, пни, вершины, ветви, сучья, горбыль, стружки, щепа, опилки, лигнин, скоп и т.д. Арболит, фибролит, ДВП, ДСП, столярные плиты, опилкобетон, ксилолит, клееные изделия, щитовой паркет, дрань, лигноуглеводные древесные пластики, королит, блоки из сучков, плиты из цельной коры, выгорающие добавки, пластифицирующие добавки, отделочные материалы, кровельный картон и т.д. Отходы промышленности строительных материалов: цементная пыль, каменная пыль, крошка, кирпичный бой, бракованный и старый бетон и т.д. Портландцемент, заполнители для бетона, минеральный наполнитель, добавки, смешанные вяжущие вещества и т.д. Пиритные огарки Портландцемент (корректирующая добавка) Электротермофосфатные шлаки Портландцемент (компонент сырьевой смеси), ШПЦ, сульфастойкий ШПЦ, литой щебень, шлаковая пемза, стеновая керамика (компонент шихты) Прочие отходы и вторичные ресурсы: стекольный бой и отходы стекла, макулатура, тряпье, изношенные шины и т.д. Стекло, наполнитель для фосфата, добавка при производстве стеновой керамики, пористый заполнитель для бетона, кровельный картон, изол, фольгоизол и т.д. Вопросы для самоконтроля 1. Источники для получения строительных материалов (горные породы, техногенные отходы промышленности, минералы). 2. Магматические горные породы (изверженные). (Породообразующие минералы, глубинные (интрузивные) горные породы, излившиеся (эффузивные) горные породы). 3. Что такое структура и текстура. 4. Осадочные горные породы. 5. Органогенные породы. 6. Метаморфические горные породы. (Главные породообразующие минералы, основные разновидности метаморфических горных пород). 7. Техногенные отходы. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Общие сведения. Каменные природные материалы очень прочны, долговечны, огнестойки, изготовлены из местного сырья. В наше время природные плотные каменные материалы уже не используются для возведения стен, арок, куполов, колонн и других несущих конструкций, так как они трудоемки, обладают большой массой и высокой теплопроводностью. Но из-за положительных эксплуатационных и эстетических качеств продолжают широко применяться для облицовочных работ, устройства полов, дорожных покрытий и пр. Пористые природные материалы применяются в конструкциях стен жилых и общественных зданий в виде стеновых камней и блоков. Отходы горнодобывающей и камнеобрабатывающей промышленности используются в качестве заполнителя для бетонов, изготовления других искусственных каменных изделий на минеральном и органическом вяжущем. Обработка природных каменных материалов. По виду обработки природные каменные материалы делят на следующие основные виды: грубо обработанные (бутовый камень, валунный камень, щебень, гравий и песок); изделия и профилированные детали из природного камня; штучный камень и блоки правильной формы (для кладки стен и др.); плиты с различно обработанной поверхностью (облицовочные для стен, чистого пола и др.); профилированные детали (ступени, подоконники, пояски, наличники, капители колонн и т.п.); изделия для дорожного строительства (бортовой камень, брусчатка, шашка для мощения). По способу изготовления природные каменные материалы и изделия можно разделить на пиленые (стеновые камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола) и колотые (бортовые камни, камни тесаные, брусчатка, шашка для мощения и др.). Используя ударную и абразивную обработку, природному камню придают ту или иную фактуру – различный характер поверхности. Ударная обработка заключается в обкалывании поверхности камня с помощью камнетесаного инструмента со сменными наконечниками: для тески пользуются широким долотом-скарпелью, скалывание неровностей производят спицей – остроконечным долотом, для чистой обработки лицевой поверхности применяют бучарду со средней или мелкой насечкой. Абразивная обработка включает распиливание, фрезерование, шлифовку и полировку. Выпиливание штучных стеновых камней и блоков из пористых пород производят камнерезными машинами. Режущими элементами машин являются дисковые пилы. Быстровращающиеся стальные диски имеют на ободе резцы, армированные твердыми сплавами или алмазами. Распиливание блоков из мрамора, известняка и других пород ведут при помощи рамных пил, армированных твердосплавными вставками или снабженных алмазными резцами. Алмазные резцы увеличивают скорость резания в 5-10 раз и снижают расход электроэнергии в 2-2,5 раза по сравнению с резцами карборундовыми или из твердых сплавов. Кроме того, алмазные резцы позволяют значительно увеличить выход готовой продукции. Ширина пропила сокращается примерно в 3 раза, а расход сырья – на 12-18%. Алмазными резцами можно изготавливать тонкие плиты толщиной всего 5-10 мм, поэтому из 1 м камня получают 40-45 м плит, что обусловливает их низкую себестоимость. К тому же обеспечивается высокая чистота поверхности резания. Для получения профилированных изделий (ступеней, поясков, карнизов и т.п.) на камнеобрабатывающих заводах применяют камнефрезерные и универсальные профилирующие машины (рис. 4.2). Рис. 4.2. Камнерезная машина с дисковыми пилами Шлифовку и полировку производят на шлифовальнополировальных станках с вращающими дисками, которые перемещают по поверхности изделия. Шлифуют с применением зернового абразива: корунда, карбокорунда или мелких пылевидных алмазов, применение которых, как и при распиливании, увеличивает производительность оборудования. После шлифовки камень имеет гладкую матовую поверхность. Полировка осуществляется войлочными полировальными дисками с использованием мастик и тонких полирующих порошков из оксидов металлов (хрома, олова, железа и др.) или азотнокислого олова. После полировки поверхность плотного камня становится зеркально гладкой. Абразивная обработка дает фактуры: пиленую – с тонкими штрихами и бороздками глубиной до 2 мм; шлифованную – равномерно шероховатую с глубиной рельефа до 0,05 мм; лощеную – гладкую бархатисто-матовую с выявленным рисунком камня; зеркальную – гладкую с зеркальным блеском. Для обработки некоторых видов горных пород применяют термический метод, основанный на воздействии струи газа высокой температурой. Она достигается сжиганием бензина в воздушной струе. При обработке бензовоздушными термоотбойниками камень нагревается неравномерно и возникающие термические напряжения вызывают скалывание верхнего слоя. В некоторых случаях с помощью термической обработки оплавляется поверхностный слой камня, что позволяет получить своеобразную глазурованную фактуру и изменить естественный цвет породы. Классификация природных изделий по эксплуатационно-техническим свойствам. По показателям плотности природные камни делятся на легкие и тяжелые. Легкие камни плотностью не более 1,8 г/см3 имеют пористое строение (вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник) и поэтому применяются преимущественно в виде штучного камня и блоков для стен зданий и щебня для легких бетонов. Тяжелые камни плотностью более 1,8 г/см3 (из гранита, сиенита, диорита и т.п.) служат облицовкой и используются в виде плит пола, материалов и изделий для гидротехнического и дорожного строительства. Прочность. По пределу прочности при сжатии образцов в воздушно-сухом состоянии природные каменные материалы делят на марки (МПа): 0,4; 0,7; 1,5; 2,5; 3,5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80 и 100. Марки с 0,4 до 20 свойственны легким камням различной пористости. Морозостойкость. По числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцами в условиях стандартного испытания, природные каменные материалы разделяют на марки по морозостойкости: 10; 15; 35; 100; 150; 200; 300 и 500. Высокую морозостойкость имеют плотные камни с равномерно зернистой структурой. Камни с неравномерным порфировым строением быстрее растрескиваются при резких изменениях температуры вследствие различия коэффициентов температурного расширения мелкокристаллической массы и крупных вкрапленников. Свежедобытые известняки, доломиты, песчаники, туфы легко разрушаются от мороза вследствие того, что их поры заполнены «горной влагой» и коэффициент насыщения пор водой близок к 1. После естественной просушки они оказываются достаточно морозостойкими и более прочными. Водостойкость. Коэффициент размягчения камня, применяемого для гидротехнических сооружений и фундаментов, должен быть не менее 0,8, для наружных стен зданий – не менее 0,6. Истираемость и износ. Эти свойства природного каменного материала имеют важное значение при устройстве дорожных покрытий, полов, лестниц и т.п. Мелкокристаллические материалы при истирании становятся слишком скользкими, поэтому для лестниц, полов и дорожных покрытий следует применять среднезернистые материалы, которые при истирании остаются немного шероховатыми. При выкрашивании крупных зерен в процессе истирания в камне образуются выбоины. Огнестойкость зависит от минерального состава камня. Некоторые материалы при повышенной температуре разлагаются (гипс при 100°С, известняк при 900°С), другие (например, гранит, порфиры) растрескиваются при пожаре вследствие различного теплового расширения составляющих их минералов. В зависимости от назначения и условий применения природные каменные материалы оценивают также по твердости, стойкости химическому воздействию внешней среды и т.п. Характеристика и применение природных каменных изделий. Грубообработанные каменные изделия. Бутовый камень (бут) – куски камня неправильной формы размером не более 50 см по наибольшему измерению. Бутовый камень может быть рваный (неправильной формы) и постелистый. Для получения рваного бута и щебня разработку пород осуществляют преимущественно взрывным способом. Плитняковый бут получают из пород пластового залегания. Крупные отдельности такой породы, ограниченные трещинами, отделяют экскаватором с последующей развалкой кусков до требуемых размеров камнекольным инструментом. Бутовый камень получают разработкой местных осадочных и изверженных пород, отвечающих проектным требованиям в отношении прочности, морозостойкости, водостойкости. Бут из осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников) не должен содержать примесей глины, рыхлых прослоек и включений пирита. Из бута возводят плотины и другие гидротехнические сооружения, его применяют для подпорных стенок, кладки фундаментов и стен неотапливаемых зданий. Большое количество бутового камня перерабатывается в щебень. Щебень – куски камня размером 5-70 мм (для гидротехнического строительства – до 150 мм). Получают его дроблением бутового камня. Для обеспечения нужного зернового состава щебня процесс дробления осуществляют в несколько стадий. Встречается и природный щебень, называемый дресвой. Гравий состоит из окатанных зерен тех же размеров, что и у щебня. Его получают просеиванием рыхлых осадочных пород, в необходимых случаях применяют промывку для удаления вредных примесей (глины, пыли). Песок состоит из зерен различных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.) размерами 0,16-5 мм. Применяют природные и искусственные (дробленые) пески. Щебень, гравий и песок используют в качестве заполнителей для бетонов. Предприятия-поставщики на эти материалы должны выдавать сертификат радиационно-гигиенической оценки о содержании естественных радионуклидов. Камни и плиты. Стеновые камни получают из туфов и пористых известняков путем выпиливания механизированным способом из массива горной породы или распиловки блоков-заготовок. Камни применяют для кладки наружных и внутренних стен и перегородок. Основные размеры стеновых камней: 390x190x188; 490x240x188; 390x190x288 мм. Каждый такой камень заменяет в кладке 8-12 кирпичей. Целесообразно изготовлять и применять стеновые блоки объемом не менее 0,1 м3 из туфа, известняка, доломита, песчаника или пористого андезита (рис. 4.3). Укрупнение камней уменьшает затраты труда, позволяет перейти к индустриальным методам строительства. Стены из мелкопористого природного камня не требуют наружной штукатурки или облицовки. Рис. 4.3. Блоки а) колотый; б) тесаный; в) пиленый Для наружных стен применяют камни плотностью не более 2300 кг/м3. Водопоглощение камня должно быть не более 30%, морозостойкость – не менее 15. Для облицовки гидротехнических сооружений, набережных, устоев мостов, цокольной части монументальных зданий применяют камни и плиты из гранита и других изверженных пород, которым свойственна высокая морозостойкость, прочность и твердость. Камни для облицовки могут быть плитообразные (толщиной 15-25 см), утолщенные пирамидального вида (толщиной 30 см и более). Наружная облицовка зданий может выполняться из атмосферостойких осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников, туфов), которые легче поддаются обработке и экономнее гранитных пород. Для внутренней облицовки общественных зданий и сооружений (например, станций метрополитена) широко используют плиты, получаемые из хорошо распиливающихся пород мрамора, ангидрида, гипса. Плиты для наружной облицовки имеют толщину 4-8 см, для внутренней – 1,2-4 см Применение алмазных резцов позволяет изготовлять тонкие (5-10 мм) экономичные плиты, стоимость которых в 2-4 раза ниже, чем обычных Тонкие плиты находят широкое применение, особенно для внутренней облицовки. Специальные облицовки применяют для защиты от коррозии и действия высоких температур, для защиты от растворов кислот (кроме плавиковой и кремнефтористоводородной) используют андезит, гранит, сиенит, диабаз, кварцит, кремнистый песчаник и другие кислотостойкие породы. Цокольные плиты, а также детали карнизов, поясков и других выступающих частей сооружений изготовляют из стойких пород. Эти изделия не должны иметь волосных трещин, им придается такая форма, чтобы на них не задерживалась вода от дождя и тающего снега. Плиты для полов и каменных ступеней внутренних лестниц должны иметь высокие износостойкость и декоративные свойства, соответствующие архитектуре интерьера. Природные каменные материалы применяют в больших количествах для гидротехнических сооружений. В зоне переменного уровня воды условия службы материала особенно неблагоприятны: камень испытывает многократное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Защитную облицовку в этой зоне устраивают из плотных изверженных пород, имеющих водопоглощение не более 1%, марку по прочности – не ниже 80-100 МПа и по морозостойкости – 150-500 в зависимости от класса сооружения, климатических и других условий эксплуатации. Соответствующим требованиям должны удовлетворять и материалы для каменных набросных плотин. Внутренние части набросок можно сделать из камня, полученного из осадочных пород марок 30-60 МПа с коэффициентом размягчения не менее 0,7-0,8. Каменные материалы проверяют на влияние веществ, растворенных в воде (морской, грунтовой, речной, болотной). Бортовые камни, отделяющие проезжую часть дороги от тротуара, изготовляют из плотных изверженных пород (гранита, диабаза и т.п.), отличающихся высокой морозо- и износостойкостью и прочностью. Бортовые камни бывают прямые и лекальные, высокие – до 40 см и низкие – до 30 см. Эти камни применяют вместо бетонных при соответствующем технико-экономическом обосновании. Брусчатка для мощения дорог имеет форму бруска, слегка суживающегося книзу. Брусчатку изготовляют механизированным способом из однородных мелко- и среднезернистых пород (диабаза и др.). Из таких пород изготовляют шашку для мозаиковой мостовой (приближающуюся по форме к кубу) и шашку для мощения (в виде усеченной пирамиды). Тротуарные плиты изготовляют из гнейсов и подобных ему слоистых горных пород. Они имеют форму прямоугольной или квадратной плиты со стороной 20-80 см с ровной поверхностью, толщиной не менее 4 см и не более 15 см. Каменные кислотоупорные изделия. Некоторые магматические и метаморфические (кварциты) горные породы используют для футеровки разнообразных установок и аппаратов, подвергающихся действию кислот, щелочей, солей и агрессивных газов, а также испытывающих влияние высоких и резко меняющихся температур и давлений. Кислотоупорные породы идут на изготовление тесаных плит, кирпичей, брусков и фасонных изделий, а в дробленом и размолотом виде служат в качестве заполнителей и наполнителей в кислотоупорном бетоне, являются составными частями кислотоупорных цементов. В соответствии с назначением применяемые горные породы должны удовлетворять определенным требованиям, а именно: быть кислотоупорными, т.е. хорошо сопротивляться воздействию различных кислот и других реагентов; это свойство оценивается по растворимости порошка породы в концентрированных кислотах (соляной, серной) при нагревании; иметь высокую огнеупорность; обладать достаточным сопротивлением сжатию и изгибу, а также вязкостью; выдерживать резкие колебания температур. Из изверженных горных пород кислотоупорными являются главным образом кислые мелкокристаллические, к которым относятся андезиты, граниты и некоторые туфы, а из метаморфических – кварциты. Применение кислотоупорного штучного камня ограничено его высокой стоимостью, обусловленной трудностью добычи и обработки, а также малым выходом готовой продукции из горной массы. Полноценным заменителем камня служит значительно более дешевый кислотоупорный бетон. Со штучным тесаным камнем соперничает также искусственный литой камень (базальтовый, диабазовый). Предохранение каменных материалов от разрушения. Основные причины разрушения природных каменных материалов в сооружениях: замерзание воды в порах и трещинах, вызывающие внутренние напряжения; частое изменение температуры и влажности, вызывающее появление в материале микротрещин; растворяющее действие воды и понижение прочности при водонасыщении; химическая коррозия, происходящая под действием газов, содержащихся в атмосфере (SO2, СO2 и др.), и веществ, растворенных в грунтовой или морской воде. Конструктивную защиту открытых частей сооружений (цоколей, карнизов, поясков, столбов, парапетов) сводят к приданию им такой формы, которая облегчает отвод воды. Этому же способствует гладкая полированная поверхность облицовки и профилированных деталей. Стойкость пористых каменных материалов, которые не полируются, повышают путем пропитки поверхностного слоя уплотняющими составами и нанесения на лицевую поверхность гидрофобизующих (водоотталкивающих) составов. Кремнефторизацию (или флюатирование) применяют для повышения стойкости наружной облицовки и других материалов, полученных из карбонатных пород. При пропитывании известняка раствором флюата (соли кремнефтористоводородной кислоты) происходит химическая реакция: 2СаСO3 + MgSiF6 = 2CaF2 + MgF2 + SiO2 +2CO2. Полученные нерастворимые в воде вещества CaF2, MgF2 и SiO2 отлагаются в порах и уплотняют лицевой слой камня. В результате этого уменьшается его водопоглощение и возрастает морозостойкость; облицовка из камня меньше загрязняется пылью. Некарбонатные пористые каменные материалы предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей (например, СаС12), а после этого пропитывают флюатами. Гидрофобизация, т.е. пропитка гидрофобными составами (например, кремнийорганическими жидкостями), понижает проникновение влаги в пористый камень, в частности, при капиллярном подсосе. Применяют для защиты камня от коррозии пленкообразующие полимерные материалы – прозрачные и окрашенные. Также пропитывают поверхность камня мономером с последующей его полимеризацией. Вопросы для самоконтроля 1. Обработка природных каменных материалов. 2. Классификация природных изделий по эксплуатационно-техническим свойствам. 3. Характеристика и применение природных каменных изделий. (Грубообработанные каменные изделия, камни и плиты, каменные кислотоупорные изделия). 4. Предохранение каменных материалов от разрушения. Лекция 4 ПОНЯТИЕ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ Общие сведения. Композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого из них. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей. Другой компонент прерывный, разделенный в объеме композиции, считается упрочняющим или армирующим. Матричными материалами могут быть металлы, их сплавы, керамика, неорганические и органические вяжущие, полимеры. Упрочняющими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы. В композиционных материалах – композитах разнородные компоненты создают синергетический эффект – новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов. В конструкционных композитах главное – это высокая удельная прочность (коэффициент конструктивного качества), превышающая аналогичную характеристику стали примерно в 15 раз. Производство композитов в мире стремительно растет. В 1977 г. в Западной Европе и США было продано по 350 тыс. т композитов соответственно; в 1986 г. – уже по 1 млн. т, т.е. за 10 лет – утроение продукции. В 2000-2005 гг. годовое потребление композитов достигло по 2,5-3,0 млн. т. Одновременно в передовых западных странах падает потребление стали. С учетом меньшей – в 4 раза массы, более высокого (в 2-3 раза) выхода при изготовлении готовых изделий, большей продолжительности эксплуатации (в 2-3 раза), 1,0 т композита может заменить теоретически 15-25 т, а практически 4-5 т стали. Появление названия композиционных материалов связано с принципиально новым направлением в технике, когда были созданы технологии, позволяющие получать высокопрочные материалы в основном для авиа-, ракето- и машиностроения. Примером такого материала, применяемого и в строительстве, являются стеклопластики, состоящие из полимерной матрицы и стекловолокон. Следовательно, дальнейшее создание новых материалов для строительства возможно, будет развиваться с использованием теории и технологии композиционных материалов. Назовем их истинными композитами в отличие от других, к которым можно отнести многие строительные материалы: бетон, железобетон, фибробетон, асбестоцемент, древесностружечные, древесноволокнистые плиты и др. Состав и строение композита. Механические и другие свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью упрочняющих компонентов, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-упрочнитель. Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения. Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором исходных компонентов, так и рациональной технологией производства, обеспечивающей сохранение их первоначальных свойств. Многообразие упрочняющих и матричных материалов, а также схем армирования позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и др. Для волокнистых композиционных материалов существует несколько классификаций, например материаловедческий (по природе компонентов); конструктивный (по типу арматуры и ее ориентации в матрице). Можно выделить несколько больших групп композитов: с полимерной матрицей (пластики), с металлической матрицей (металлокомпозиты), с керамической матрицей и матрицей из углерода. В зависимости от природы армирующих волокон различают следующие композиты, например, на полимерной матрице: стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики и т.д. То же и на других матрицах. Различают композит и от способов армирования: компактно образованные из слоев, армированных параллельно-непрерывными волокнами, армированные тканями с хаотическим и пространственным армированием. В зависимости от вида армирования композиты могут быть разделены на две группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой и механизмом образования высокой прочности. Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы, оптимальное их содержание 2-4%. Но эффект упрочнения связан с размерами частиц и их сближением, т.е. концентрацией. Например, при упрочнении мелкими частицами d = 0,001-0,1 мкм объемная концентрация может доходить до 15%; при частицах более 1,0 мкм объемная концентрация может быть 25% и более. При этом повышается прочность, твердость, теплостойкость, сохраняется эластичность (например, матрица – битум, каучук, полимер; упрочняющие частицы – мел, слюда, углерод, кремнезем, известняк). В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица. В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения при внешних нагрузках и обеспечивают жесткость и прочность композита. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении волокон в пластичной матрице, объемная доля их может достигать 75% и более. Армирующие волокна должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости и т.п. Теоретическая прочность материалов возрастает с увеличением модуля упругости и поверхностной энергии вещества и падает с увеличением расстояния между соседними атомными плоскостями. Таким образом, высокопрочные твердые тела должны иметь высокие модули упругости и поверхностную энергию и возможно большее число атомов в единице объема. Этим требованиям удовлетворяют бериллий, бор, углерод, азот, кислород, алюминий и кремний. Наиболее прочные материалы всегда содержат один из этих элементов, а зачастую состоят только из этих элементов. При создании волокнистых композитов применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, а также волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений. Арматурные компоненты в композитах применяются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. К технологическим требованиям относятся такие, которые дают возможность создания высокопроизводительного процесса изготовления изделий на их основе. Важным требованием также является совместимость волокон с материалом матрицы, т.е. возможность достижения прочной связи волокно-матрица при сохранении исходных значений механических свойств компонентов. Зависимости между деформациями и напряжениями различны в изотропных и анизотропных материалах. В изотропном упругом теле главные оси напряжений и деформаций совпадают, в анизотропном – нет. Если упрочнитель представляет собой уложенную в определенном порядке систему волокон, то модули упругости композита в различных направлениях могут существенно различаться. В таких анизотропных телах каждая компонента (матрица и упрочнитель) деформированного состояния зависит от каждой из компонент напряженного состояния. Следовательно, в анизотропном теле главные оси напряженного и деформированного состояний не совпадают. Композиты с однонаправленной укладкой волокна называются монотропными (рис. 4.1). В монотропных композитах модули упругости и коэффициенты Пуассона имеют различные значения в направлении осей. Наиболее характерным видом анизотропии для композитов является ортотропия, обладающая симметрией относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей. Здесь, в зависимости от монотропии, оси Х и Y неравномерны. Рисунок 4.1 – Монотропный композит Матричные материалы. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении частиц волокон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технических процессов и т.д. Требования, предъявляемые к матрицам, можно разделить на эксплуатационные и технологические. К эксплуатационным относятся требования, связанные с механическими и физико-химическими свойствами материала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов. Технологические требования определяются процессами получения композита, т.е. совмещения армирующих волокон с матрицей и окончательного формирования изделия. Целью технологических операций является обеспечение равномерного распределения волокон в матрице (без касания между собой) при заданном их объемном содержании; максимально возможное сохранение свойств волокон, главное – прочности; создание достаточно надежного взаимодействия на границе волокно-матрица. Границы раздела. В первую очередь адгезионное (склеивающее) взаимодействие волокна и матрицы определяет уровень свойств композитов и их работу при эксплуатации. Локальные напряжения в композите достигают максимальных значений вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала. Граница раздела должна обеспечивать эффективную передачу нагрузки от матрицы на волокна. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений вследствие различия в температурном коэффициенте линейного расширения матрицы и волокна или в результате химической усадки связующего при его отвердении. Защита волокон от внешнего воздействия также в значительной степени определяется адгезионным взаимодействием по границе раздела. Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита. В дисперсно-упрочненных композитах частицы начинают оказывать упрочняющее действие тогда, когда они ограничивают деформацию матрицы посредством механического стеснения. Это есть функция отношения расстояния между частицами к их диаметру, а также упругих характеристик матрицы и частиц. Обычно модуль упругости композита ЕК, матрица которого VM упрочнена частицами VЧ, имеет меньшую величину, чем это следует по правилу смесей. (Правило смесей (аддитивность) – свойство, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величины его частей.) В волокнистых композитах, как указывалось выше, включается два компонента – волокна и матрица, что дает высокую прочность на растяжение и изгиб. В этом убедимся, анализируя прочность волокнистого композита с помощью простой модели: выделенного из композита параллелепипеда объемом, равным единице, армированного волокнами, расположенными параллельно (рис. 4.2). Рисунок 4.2 – Расчетная схема простой модели композита Строительные материалы – композиты. К композитам можно отнести многие строительные материалы: бетон и железобетон, строительные растворы, фибробетон, асбестоцемент, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и др. Они не обладают прочностью истинных композитов, но в принципе состоят из тех же компонентов: матрицы и упрочнителя. Теория композиционных материалов заключается прежде всего в понимании композита как системы с несколькими структурными уровнями, скомпонованными через поверхности раздела в единый монолит – конгломерат (от лат. conglomerates – уплотненный, смесь). Строительные материалы на основе неорганических и органических вяжущих веществ иногда объединяют названием искусственные конгломераты в отличие от природных конгломератов, имеющихся в земной коре. Природные и искусственные конгломераты образуются с обязательным цементированием полизернистых и другого вида заполнителей (наполнителей) – волокнистых, пластинчатых, посредством первичных связей (химических, электрических, металлических и т.п.) или вторичных веществ – вяжущих (связующих). Свойства конгломерата в первую очередь обусловливаются сцеплением (склеиванием) связующего с заполнителем. В отсутствие такового компоненты материала образуют механическую смесь и проявляют независимо друг от друга индивидуальные свойства. Неорганические и органические вяжущие обладают определенными клеющими способностями, и их функции состоят в склеивании в единое целое отдельных зерен, частиц, образуя конгломерат. Поэтому все вяжущие можно считать клеями. Склеивание определяется двумя факторами: адгезией – прочностью сцепления клея и материала и когезией – прочностью самого клея. Нарушение склеивания может произойти по причине слабой адгезии или когезии (или же самого склеиваемого материала). В местах склейки возникает контактный слой, толщина которого у полимерных клеев равняется долям микрона, а у минеральных – 20-50 мк. Адгезия может быть специфической и механической. Специфическая адгезия объясняется различными видами физико-химических связей; механическая – шероховатостью поверхности, усадочными напряжениями, защемлением, вызывающим трение, и др. Адгезия в чистом виде выявляется при нормальной отрывающей силе, вызывающей нормальные напряжения. Высокая адгезия возможна только при совершенном контакте клея со склеиваемыми поверхностями: При этом большое значение имеет чистота поверхности, хорошая ее смачиваемость, шероховатость – что увеличивает площадь контакта. У минеральных клеев наилучшими адгезионными свойствами обладают растворимое стекло, магнезиальный цемент, затем портландцемент и глиноземистый; худшими – пуццолановый и шлако- портландцемент, строительный гипс и известь. Строительные растворы на портландцементе с высоким содержанием 2CaO∙SiO2 показывают сцепление несколько выше, чем портландцемент с обычным минералогическим составом или с высоким содержанием 3CaO∙SiO2. В полимерных клеях адгезионные качества определяются функциональными группами, входящими в состав молекул: например, гидроксильная – ОН, карбоксильная – СООН, нитрильная – CN и др. Немаловажную роль при этом играют режим полимеризации, ряд физико-химических и технологических факторов и их различные сочетания (повышенное давление, температура, горячее прессование и т.п.). Высокими адгезионными свойствами обладают эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические и другие смолы. На долю искусственных конгломератов ориентировочно приходится 90% строительных материалов, примерно 10% приходится на металлические и деревянные материалы. Но в соответствии с теориями о кристаллитном строении (мелкие кристаллы, не имеющие ясно выраженной формы) эти материалы имеют структуры, также сходные с конгломератами. Они содержат «заполнитель» в виде кристаллов и «вяжущую часть» – своеобразные аморфные вещества. Таким образом, большинство строительных материалов можно отнести к композиционным материалам, так как в них имеются в том или ином виде матрица и упрочняющий компонент. Причем последний может быть как дисперсно-упрочняющим, так и волокнистым. Для матрицы применяют цемент, известь, гипс, битум, керамику, полимеры и др. Матрицей могут быть и более сложные материалы, уже являющиеся композитами: строительный раствор, бетон, где матрица – цементный камень, упрочняющий компонент – мелкий и крупный заполнитель. При армировании этих композитов получают как бы новые композиты – армоцемент и железобетон соответственно. Этот композит имеет двойное и тройное упрочнение, то есть, как отмечалось выше, системы с несколькими структурными уровнями. Исходя из этих предпосылок строительные материалы можно классифицировать как композиты. Вопросы для самоконтроля 1. Что представляют собой композиционные материалы. 2. Состав и строение композита. 3. Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита. 4. Строительные материалы – композиты. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Общие сведения. Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, полученные в процессе технологической обработки минерального сырья и последующего обжига при высоких температурах. Название «керамика» происходит от греческого слова keramos – глина. Поэтому под технологией керамики всегда подразумевали производство материалов и изделий из глинистого сырья и смесей его с органическими и минеральными добавками. Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком. Классификация керамических материалов и изделий. По назначению керамические изделия подразделяют на следующие виды: стеновые, отделочные, кровельные, для полов, для перекрытий, дорожные, санитарно-технические, кислотоупорные, теплоизоляционные, огнеупорные и заполнители для бетонов. По структуре различают керамические изделия с пористым и спекшимся (плотным) черепком. Пористыми считают изделия с водопоглощением по массе более 5%. К ним относятся изделия как грубой (керамические стеновые кирпич и камень, изделия для кровли и перекрытий, дренажные трубы), так и тонкой (облицовочные плитки, фаянсовые) керамики. К плотным относят изделия с водопоглощением по массе менее 5%. К ним принадлежат также изделия и грубой (клинкерный кирпич, крупноразмерные облицовочные плиты), и тонкой (фаянс, полуфарфор, фарфор) керамики. По температуре плавления керамические материалы и изделия подразделяются на легкоплавкие (температурой плавления ниже 1350°С), тугоплавкие (с температурой плавления 1350°С-1580°С), огнеупорные (1580°С-2000°С), высшей огнеупорности (более 2000°С). Возможность получения любых заданных свойств, широкая номенклатура, большие запасы повсеместно распространенного сырья, сравнительная простота технологии, высокая долговечность и экологическая безвредность керамических материалов обеспечивают им одно их первых мест по значимости и объемам производства среди других строительных материалов. Так выпуск керамического кирпича составляет около половины объема всех стеновых материалов. Сырье для производства керамических материалов. Основным сырьевым материалом для производства строительных керамических изделий является глинистое сырье, применяемое в чистом виде, а чаще в смеси с добавками – отощающими, породообразующими, плавнями, пластификаторами и др. Глинистое сырье. Глинистое сырье (глины и каолины) – продукт выветривания изверженных полевошпатных горных пород, содержащий примеси других горных пород. Глинистые минеральные частицы диаметром 0,005 мм и менее обеспечивают способность при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную форму, а после обжига приобретающее водостойкость и прочность камня. Помимо глинистых частиц в составе сырья имеется определенное содержание пылевидных частиц с размерами зерен 0,005-0,16 мм и песчаных частиц с размерами зерен 0,16-2 мм. Глинистые частицы имеют пластинчатую форму, между которыми при смачивании образуются тонкие слои воды, вызывая набухание частиц и способность их к скольжению относительно друг друга без потери связности. Поэтому глина, смешанная с водой, дает легко формуемую пластичную массу. При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается по объему. Этот процесс называется воздушной усадкой. Чем больше в глинистом сырье глинистых частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка глин. В зависимости от этого глины подразделяются на высокопластичные, среднепластичные, умеренно-пластичные, малопластичные и непластичные. Высокопластичные глины имеют в своем составе до 80-90% гнилистых частиц, число пластичности более 25, водопотребность более 28% и воздушную усадку 10-15%. Средне- и умеренно-пластичные глины имеют в своем составе 30-60% глинистых частиц, число пластичности 15-25, водопотребность 20-28% и воздушную усадку 7-10%. Малопластичные глины имеют в своем составе от 5% до 30% глинистых частиц, водопотребность менее 20%, число пластичности 7-15 и воздушную усадку 5-7%. Непластичные глины не образуют пластичное удобоформуемое тесто. Глины с содержанием глинистых частиц более 60% называют «жирными» они отличаются высокой усадкой, для снижения которой в глины добавляют «отощающие» добавки. Глины с содержанием глинистых частиц менее 10-15% – «тощие» глины, в них при производстве изделий вводят тонкодисперсные добавки, например бентонитовую глину. Различное сочетание химического, минералогического и гранулометрического состава компонентов обусловливает различные свойства глинистого сырья и пригодность его для получения керамических изделий тех или иных свойств и назначения. Для изготовления отдельных видов огнеупорных теплоизоляционных изделий применяют глинистое сырье из трепелов и диатомитов, состоящее в основном из аморфного кремнезема, а для производства легких заполнителей используют перлит, пемзу, вермикулит. В настоящее время природные глины в чистом виде редко являются кондиционным сырьем для производства керамических изделий. В связи с этим их применяют с введением добавок различного назначения. Добавки к глинам. Отощающие добавки. Их вводят в пластичные глины для уменьшения усадки при сушке и обжиге и предотвращения деформаций и трещин в изделиях. К ним относятся: дегидратированная глина, шамот, шлаки, золы, кварцевый песок. Порообразующие добавки. Их вводят для повышения пористости черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий. К ним относятся: древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль. Эти добавки являются одновременно и отощающими. Плавни. Их вводят с целью снижения температуры обжига керамических изделий. К ним относятся: полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, пегматит, стеклобой, перлит. Пластифицирующие добавки. Их вводят с целью повышения пластичности сырьевых смесей при меньшем расходе воды. К ним относятся высокопластичные глины, бентониты, поверхностноактивные вещества. Специальные добавки. Для повышения кислотостойкости керамических изделий в сырьевые смеси добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома, титана и др.). Глазури и ангобы. Некоторые виды керамических изделий для повышения санитарно-гигиенических свойств, водонепроницаемости, улучшения внешнего вида покрывают декоративным слоем – глазурью или ангобом. Глазурь – стекловидное покрытие толщиной 0,1-0,2 мм, нанесенное на изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и глухими (непрозрачными), различного цвета. Для изготовления глазури используют кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочно-земельных металлов. Сырьевые смеси размалывают в порошок и наносят на поверхность изделий в виде порошка или суспензии перед обжигом. Ангобом называется нанесенный на изделие тонкий слой беложгущейся или цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку. Общая схема производства керамических изделий. При всем многообразии керамических изделий по свойствам, формам, назначению, виду сырья и технологии изготовления основные этапы производства керамических изделий являются общими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых материалов, подготовка массы, формование изделий, их сушка и обжиг. Добыча глины осуществляется на карьерах обычно открытым способом экскаваторами и транспортируется на предприятие керамических изделий рельсовым, автомобильным или другим видом транспорта. Разработке карьера предшествуют подготовительные работы: геологическая разведка с установлением характера залегания, полезной толщи и запасов глин; счистка поверхности от растений за год-два до начала разработки, удаление пород, непригодных для производства. Подготовка глин и формование изделий. Карьерная глина в естественном состоянии обычно непригодна для получения керамических изделий. Поэтому проводится ее обработка с целью подготовки массы. Подготовку глин целесообразно вести сочетанием естественной и механической обработки. Естественная обработка подразумевает собой вылеживание предварительно добытой глины в течение 1-2 лет при периодическом увлажнении атмосферными осадками или искусственном замачивании и периодическом замораживании и оттаивании. Механическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления вредных примесей, измельчения глин и добавок и перемешивания всех компонентов до получения однородной и удобоформуемой массы с использованием специализированных машин. Например, глинорыхлителей; камневыделительных, дырчатых, дезинтеграторных, грубого и тонкого помола вальцов; бегунов, глинорастирочных машин, корзинчатых дезинтеграторов, роторных и шаровых мельниц, одно- и двухвальных глиномешалок, пропеллерных мешалок и др. В зависимости от вида изготовляемой продукции, вида и свойств сырья массу приготовляют пластическим, жестким, полусухим, сухим и шликерным способами. Способ приготовления массы определяет и способ формования, и название в целом способа производства. При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают с добавками воды до получения теста влажностью от 18 до 28%. Этот способ производства керамических строительных материалов является наиболее простым, наименее металлоемким и потому наиболее распространенным. Он применяется в случаях использования среднепластичных и умеренно-пластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающих и превращающихся в однородную массу. На рис. 4.3 приведена одна из технологических схем производства кирпича пластическим способом. Жесткий способ формования является разновидностью современного развития пластического способа. Влажность формуемой массы при этом способе колеблется от 13% до 18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравлических прессах. При этом способе требуются меньшие энергетические затраты на сушку, а получение изделия сырца с повышенной прочностью позволяет избежать некоторые операции в технологии производства, обязательные при пластическом способе. Формование при пластическом и жестком способах завершается разрезкой непрерывной ленты отформованной массы на отдельные изделия на резательных устройствах. Эти способы формования наиболее распространены при выпуске сплошных и пустотелых кирпичей, камней, блоков и панелей, черепицы и т.п. Полусухой способ производства строительных керамических изделий распространен меньше, чем способ пластического формования. Керамические изделия по этому способу формуют из шихты влажностью 8-12% при давлениях 15-40 МПа. Недостаток способа в том, что его металлоемкость почти в 3 раза выше, чем пластического. Но вместе с тем он имеет и преимущества. Длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза; изделия имеют более правильную форму и более точные размеры; до 30% сокращается расход топлива; в производстве можно использовать малопластичные тощие глины с большим количеством добавок отходов производства – золы, шлаков и др. Сырьевая масса представляет собой порошок, который должен иметь около 50% частиц менее 1 мм и 50% размером 1-3 мм. Прессование изделий производится в пресс-формах на одно или несколько отдельных изделий на гидравлических или механических прессах. По этому способу делаются все виды изделий, которые изготовляются и пластическим способом. Рисунок 4.3 – Технологическая схема производства керамического кирпича: 1 – карьер глины; 2 – экскаватор; 3 – глинозапасник; 4 – вагонетка; 5 – ящичный подаватель; 6 – добавки; 7 – бегуны; 8 – вальцы; 9 – ленточный пресс; 10 – резак; 11 – укладчик; 12 – тележка; 13 – сушильные камеры; 14 – туннельная печь; 15 – самоходная тележка; 16 – склад Сухой способ является разновидностью современного развития полусухого производства керамических изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится влажностью 2-6%. При этом устраняется полностью необходимость операции сушки. Таким способом изготовляют плотные керамические изделия – плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора. Шликерный способ применяется, когда изделия изготавливаются из многокомпонентной массы, состоящей из неоднородных и трудноспекающихся глин и добавок, и когда требуется подготовить массу для изготовления керамических изделий сложной формы методом литья. Отливка изделий производится из массы с содержанием воды до 40%. Этим способом изготовляются санитарно-технические изделия, облицовочные плитки. Сушка изделий. Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержания влаги 5-6% во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге. Прежде сырец сушили преимущественно в естественных условиях в сушильных сараях в течение 2-3 недель в зависимости от климатических условий. В настоящее время сушка производится преимущественно искусственная в туннельных непрерывного действия или камерных периодического действия сушилах в течение от нескольких до 72 часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца. Сушка производится при начальной температуре теплоносителя – от ходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха – 120-150°С. Обжиг изделий. Обжиг – важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Этот процесс можно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение. Огневой усадкой называют образование легкоплавкими соединениями керамической массы и минералами плавнями некоторого количества расплава, который обволакивает нерасплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом. Свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спекаемостью глин. В зависимости от назначения обжиг изделий ведется до различной степени спекания. Спекшимся считается черепок с водопоглощением менее 5%. Большинство строительных изделий обжигается до получения черепка с неполным спеканием в определенном температурном интервале от температуры огнеупорности до начала спекания, называемом интервалом спекания. Интервал спекания для легкоплавких глин составляет 50-100°С, а огнеупорных до 400°С. Чем шире интервал спекания, тем меньше опасность деформаций и растрескивания изделий при обжиге. Интервал температур обжига лежит в пределах: от 900°С до 1100°С – для кирпича, камня, керамзита; от 1100°С до 1300°С – для клинкерного кирпича, плиток для полов, гончарных изделий, фаянса; от 1300°С до 1450°С – для фарфоровых изделий; от 1300°С до 1800°С – для огнеупорной керамики. Структура и общие свойства керамических изделий. Керамические материалы представляют собой композиционные материалы, в которых матрица или непрерывная фаза представлена остывшим расплавом, а дисперсная фаза представлена нерасплавленными частицами глинистых, пылевидных и песчаных фракций, а также порами и пустотами, заполненными воздухом. Истинная плотность керамических материалов 2,5-2,7 г/см3; плотность 2000-2300 кг/м3; теплопроводность абсолютно плотного черепка 1,16 В/(м∙°С). Теплоемкость керамических материалов 0,75-0,92 кДж/(кг∙°С). Предел прочности при сжатии керамических изделий меняется в пределах от 0,05 до 1000 МПа. Водопоглощение керамических материалов в зависимости от пористости меняется в пределах от 0 до 70%. Керамические материалы имеют марки по морозостойкости: 15; 25; 35; 50; 75 и 100. Стеновые изделия. К группе стеновых изделий относятся: кирпич керамический обыкновенный, эффективные керамические материалы (кирпич пустотелый, пористо-пустотелый, легкий, пустотелые камни, блоки и плиты), а также крупноразмерные блоки и панели из кирпича и керамических камней. Керамические кирпичи и камни. Керамические кирпичи и камни изготовляют из легкоплавких глин с добавками или без них и применяются для кладки наружных и внутренних стен и других элементов зданий и сооружений, а также для изготовления стеновых панелей и блоков. В зависимости от размеров кирпич и камни подразделяются на виды: кирпич (рис. 4.4, а), утолщенный (рис. 4.4, б), модульный (рис. 4.4, в), камень обыкновенный (рис. 4.4, г), укрупненный (рис. 4.4, д), модульный (рис. 4.4, е) и с горизонтальным расположением пустот (рис. 4.4, ж, з). Кирпич может быть полнотелым и пустотелым, а камни – только пустотелыми. Утолщенный и модульный кирпич должен быть также только с круглыми или щелевыми пустотами, чтобы масса одного кирпича не превышала 4 кг. Поверхность граней может быть гладкой и рифленой. Кирпич и камень должены быть нормально обожжены, так как недожог (алый цвет) обладает недостаточной прочностью, малой водостойкостью и морозостойкостью, а пережженный кирпич (железняк) отличается повышенной плотностью, теплопроводностью и, как правило, имеет искаженную форму. Допускается изготовление кирпича и камней с закругленными углами с радиусом закругления до 15 мм. Размер цилиндрических сквозных пустот по наименьшему диаметру должен быть не менее 16 мм, ширина щелевых пустот не более 12 мм. Диаметр несквозных пустот не ограничивается. Толщина наружных стенок кирпича и камней должна быть не менее 12 мм. По внешнему виду кирпич и камень должны удовлетворять определенным требованиям. Это устанавливается путем осмотра и обмера определенного количества кирпича от каждой партии (0,5%, но не менее 100 шт.) по отклонениям от установленных размеров, непрямолинейности ребер и граней, отбитости углов и ребер, наличию сквозных трещин, проходящих по постели кирпича. Общее количество изделий с отклонениями выше допустимых должно быть не более 5%. Рисунок 4.4 – Типы керамического кирпича и камня Кирпич: а) обыкновенный; 6) утолщенный; в) модульный. Камень: г) обыкновенный; д) укрупненный; е) модульный; ж, з) с горизон­тальным расположением пустот В зависимости от этих показателей прочности определяют марку изделий, например кирпича (табл. 4.1). Морозостойкость кирпича и камней 15, 25, 35 и 50. Водопогло- щение для полнотелого кирпича должно быть для марок до 150 не менее 8%, а для полнотелого кирпича более высоких марок и пустотелых изделий – не менее 6%. По плотности в сухом состоянии кирпич и камни подразделяются на 3 группы: обыкновенные – плотностью более 1600 кг/м3; условно-эффективные – плотностью более 1400-1600 кг/м; эффективные – плотностью не более 1400-1450 кг/м3. К эффективным стеновым материалам относятся также пористые сплошные и пустотелые кирпич и камни, изготовляемые из диатомитов и трепелов и имеющие плотность: класс А – 700-1000 кг/м3, класс Б – 1001-1300 кг/м3, класс В>1301 кг/м3. Применение эффективных стеновых керамических материалов позволяет уменьшить толщину наружных стен, снизить материалоемкость ограждающих конструкций до 40%, сократить транспортные расходы и нагрузки на основание. В зарубежной практике известно производство кирпича пазогребневой конструкции для безрастворной кладки, крупноразмерных керамических стеновых элементов, звукоизоляционного кирпича и других стеновых изделий. Панели и блоки стеновые из кирпича и керамических камней. Панели и блоки стеновые из кирпича и керамических камней изготовляют для повышения индустриальности строительства. Их изготовляют обычно в горизонтальном положении в металлической форме с матрицей, имеющей ячейки для фиксации положения каждого кирпича и камня и обеспечивающей расшивку швов с лицевой стороны изделия или с матрицей со специальным рисунком отделочного слоя. Они изготовляются трех-, двух- и однослойные длиной на один или два планировочных шага и высотой на 1 и 2 этажа. Толщина панелей для внутренних стен и перегородок 80, 140, 180 и 280 мм. Однослойные панели изготавливаются из керамических камней. Двухслойная панель состоит из одного слоя в ½ кирпича и слоя утеплителя толщиной до 100 мм. Трехслойная панель состоит из двух кирпичных наружных слоев, каждый толщиной 65 мм, и слоя утеплителя толщиной 100 мм между ними. Для обеспечения прочности панели при транспортировании и монтаже их армируют стальными каркасами из проволоки по периметру панели и проемов. Таблица 4.1 – Марка кирпича в зависимости от пределов прочности при сжатии и изгибе Марка кирпича Предел прочности, МПа Для всех видов кирпичей При изгибе при сжатии для полнотелого кирпича пластического прессования для полнотелого кирпича полусухого прессования и пустотелого кирпича для утолщенного кирпича средний для 5 образцов min средний для 5 образцов min средний для 5 образцов min средний для 5 образцов min 300 30,0 25,0 4,4 2,2 3,4 1,7 2,9 1,5 250 29,0 20,0 3,9 2,0 2,9 1,5 2,5 1,3 200 20,0 17,5 3,4 1,7 2,5 1,3 2,3 1,1 175 17,5 15,0 3,1 1,5 2,3 1,1 2,1 1,0 150 15,0 12,5 2,5 1,4 1,9 0,9 1,6 0,8 100 10,0 7,5 2,2 1,2 1,6 0,8 1,4 0,7 75 7,5 5,0 1,8 0,9 1,4 0,7 1,2 0,6 Облицовочные изделия. Керамические облицовочные изделия применяются для наружной и внутренней облицовки конструкции зданий и сооружений не только с целью декоративно-художественной отделки, но и повышения их долговечности. Керамические изделия для внешней облицовки зданий. Керамические изделия для внешней облицовки зданий подразделяют на кирпич и камни лицевые, крупноразмерные плиты, плитки керамические фасадные и ковры из них. Кирпич и камни лицевые являются не только облицовочными изделиями. Они укладываются вместе с кладкой стены и одновременно служат конструктивным несущим элементом вместе с обычным кирпичом. Лицевые кирпичи и камни выпускаются тех же размеров и форм, что и обычные, и отличаются от последних более высокой их плотностью и однородностью цвета. Производятся по прочности марок 75, 100, 125 и 150, а по морозостойкости не менее 25. Регулируя состав сырья и режим обжига получают от белого, кремового до светло-красного и коричневого цветов. При отсутствии высококачественного сырья изготавливаются с лицевой поверхностью офактуренной: ангобированием, двухслойным формованием, глазурованием и торкетированием цветной минеральной крошкой. Двухслойные изделия изготовляют формованием из двух масс: основной части – местных красножгущихся глин и лицевого слоя толщиной 3-5 мм из светложгущихся окрашенных или неокрашенных глин. Применяется и рельефное офактуривание, которое производится путем обработки еще влажных сырцовых изделий специальными металлическими ершами, гребенками, рифлеными валиками. Для зданий, возводимых из кирпича, лицевые кирпичи являются наиболее экономичным видом облицовки зданий. Крупноразмерные облицовочные керамические плиты типа «плинк» универсального назначения выпускаются глазурованные и неглазурованные с гладкой, шероховатой или рифленой, одно- или многоцветной поверхностью. Плиты имеют водопоглощение менее 1% и морозостойкость 50 циклов и более. Изготовляются квадратной или прямоугольной формы длиной 490, 990, 1190 мм, шириной 490 и 990 мм и толщиной 9-10 мм. Применяются для облицовки фасадов и цоколей зданий, подземных переходов. Плитки керамические фасадные и ковры из них выпускаются методом пластического и полусухого прессования. Применяются для облицовки наружных стен кирпичных зданий, наружных поверхностей железобетонных стеновых панелей, цоколей, подземных переходов и оформления других элементов зданий. Плитки выпускаются глазурованные и неглазурованные, рядовые и специального назначения с гладкой и рельефной поверхностью 26 типов размерами от 292x192x9 мм до 21x21x4 мм. Стандартом допускается выпуск плиток и других типоразмеров. Водопоглощение рядовых плиток 7-10%, а специальных – не более 5%. Морозостойкость должна быть для рядовых плиток не менее 35 циклов, а специальных – не менее 50 циклов. Плитки могут поставляться в коврах. Заводы выпускают ковры с наклейкой плиткой их лицевой стороной на крафт-бумагу. Керамические плитки для внутренней облицовки. Плитки керамические для внутренней облицовки подразделяются на две группы – для облицовки стен и для покрытия полов. Эти изделия не подвергаются в условиях эксплуатации действию отрицательных температур, поэтому требования морозостойкости к ним не предъявляются. Плитки для облицовки стен применяются двух видов – майоликовые и фаянсовые. Фаянсовые плитки изготовляются из сырьевой смеси каолина, полевого шпата и кварцевого песка, а майоликовые из красножгущихся глин с последующим покрытием глазурью. Плитки классифицируют: по характеру поверхности – на плоские рельефно-орнаментированные, фактурные; по виду глазурного покрытия – прозрачные и глухие, блестящие и матовые, одноцветные и декорированные многоцветными рисунками. По форме, назначению и характеру кромок плитки производятся (рис. 4.5) следующих видов: квадратные, прямоугольные, фасонные угловые, фасонные карнизные прямые, для отделки внешних и внутренних углов; фасонные плинтусные – прямые, для отделки внешних и внутренних углов. Размеры плиток для внутренней отделки (150-200)х(50-200)х(5-8) мм. Водопоглощение плиток для внутренней отделки до 16%, предел прочности при изгибе – 12 МПа. Плитки должны выдерживать перепады температур от 125±5°С до 15÷20°С без появления дефектов. Рисунок 4.5 – Типы керамических плиток для внутренней отделки: 1-5 – квадратные; 6-10 – прямоугольные; 11, 12 – фасонные угловые; 13-16 – фасонные карнизные; 17-20 – фасонные плинтусные Плитки керамические для полов (метлахские)3 производятся из тугоплавких и огнеупорных глин с добавками и без них. Их применяют для настилки полов в зданиях, к чистоте которых предъявляются высокие требования, где возможны воздействия жиров и других химических реагентов, интенсивное движение, а также в случаях, когда материал для полов служит и декоративным элементом в архитектурном оформлении помещения. При производстве плитки обжигаются до спекания, вследствие чего имеют водопоглощение не более 4% и высокую износостойкость. Плитки могут быть квадратными, прямоугольными, четырех-, пяти-, шести- и восьмигранными (см. рис. 4.6). Размеры плиток 16 типов (200-4)х(173-49)х(10-13) мм. По виду лицевой поверхности плитки выпускаются гладкими, с рельефом и тиснением: одноцветные и многоцветные, матовые и глазурованные, с рисунками и без них. Выпускаются и крупноразмерные универсальные керамические плитки размерами (1200-1500)х500 мм, которые применяются для облицовки и стен, и полов. Рисунок 4.6 – Типы керамических плиток для полов: 1 – квадратная; 2 – прямоугольная; 3 – треугольная; 4 – шестигранная; 5 – четырехгранная; 6 – пятигранная; 7 – шестигранная; 8, 9 – фигурные Для устройства полов применяют и мозаичные плитки квадратной или прямоугольной формы размер 23 и 48 мм при толщине 6-8 мм, собранные в ковры на крафт-бумаге размером 398 х 598 мм. Керамические изделия для кровли и перекрытий. Черепица, имеет долговечность до 300 лет. По этому показателю она значительно превышает любые другие кровельные материалы, а по текстурным качествам и по стоимости не уступает им. К недостаткам черепицы относятся необходимость большого уклона (не менее 30%) кровли, значительный вес кровли (что требует особой прочности конструкции стропил) и высокая трудоемкость кровельных работ. Однако высокая долговечность, огнестойкость, устойчивость к атмосферным воздействиям и распространенность сырья делают керамическую черепицу одним из самых эффективных кровельных материалов. Известна черепица разных типов (рис. 4.7). По назначению черепицу подразделяют на рядовую, коньковую, разжелобочную, концевую для замыкания рядов и черепицу специального назначения. Черепица производится из легкоплавких глин. Черепица при монтаже укладывается друг на друга и в связи с этим полезная площадь составляет соответственно у плоской – 50%, у штампованной и ленточной пазовой – 75-85%. При испытании черепица должна выдерживать не менее 70 кг при расстоянии между опорами у плоской – 180 мм, у ленточной пазовой и штампованной – 300 мм. Вес штампованной и ленточной пазовой, уложенной в кровлю и насыщенной водой, должен быть не более 50 кг/м2, а плоской – не более 65 кг/м2. Морозостойкость черепицы должна быть не менее 25 циклов. Камни и плиты для перекрытий. Перекрытия из пустотелых камней и плит огнестойки, долговечны, обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Для их устройства требуется небольшой расход цемента и стали и не требуется дополнительной засыпки. Рисунок 4.7 – Разновидности керамической черепицы: а) пазовая штампованная; б) пазовая ленточная; в) плоская ленточная; г) коньковая; д) голландская, е) желобчатая; ж) татарская Камни керамические для перекрытий (рис. 4.8) по назначению подразделяются: для сборных элементов настилов, часторебристых сборных или монолитных перекрытий, накатов (заполнение между балками). Пустотность керамических камней для перекрытий 50-75%. Рисунок 4.8 – Керамические камни для перекрытий: а) несущие; б) ненесущие Санитарно-технические керамические изделия и трубы. Изделия санитарные керамические – умывальники, унитазы, сливные бачки, биде, писсуары, раковины и другие аналогичные изделия – производятся из фарфоровых, полуфарфоровых, фаянсовых и шамотированных масс, которые получают из одинаковых материалов (табл. 4.2). Изделия покрываются блестящей однотонной или цветной глазурью и обладают разными свойствами (табл. 4.3). Таблица 4.2 – Типовые составы масс для производства санитарно-технических изделий (% по массе) Материалы Фарфор Полуфарфор Фаянс Каолин 28-30 28-32 32-34 Пластическая беложгущаяся глина 20-22 20-22 22-24 Полевой шпат 20-24 10-12 2-4 Песок кварцевый 20-22 25-28 26-30 Бой обоженный 6-10 8-12 26-30 Жидкое стекло 0,15-0,30 0,15-0,30 0,15-0,30 Сода 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 Таблица 4.3 – Физико-механические свойства санитарно-технической керамики Свойства Фарфор Полуфарфор Фаянс Водопоглощение, % 0,2-0,5 3-5 10-12 Плотность, кг/м3 2250-2300 2000-2200 1900-1960 Предел прочности при сжатии, МПа 400-500 150-200 100 Предел прочности при изгибе, МПа 70-80 38-43 15-30 Трубы керамические канализационные применяют для строительства безнапорных сетей канализации, транспортирующих промышленные, бытовые, дождевые, агрессивные и неагрессивные воды. Трубы изготовляются из пластичных тугоплавких и огнеупорных глин, цилиндрической формы длиной 1000-1500 мм с внутренним диаметром 150-600 мм. На одном конце имеется раструб для соединения отдельных звеньев трубопровода. Водопоглощение труб должно быть не более 8%, а кислотостойкость – не ниже 93%. Трубы должны быть водонепроницаемыми и выдерживать внутреннее давление не менее 0,15 МПа. Трубы керамические дренажные изготовляются из глины с добавками и без них и применяются в мелиоративном строительстве для устройства закрытого дренажа с защитой стыков фильтрующими материалами. Трубы производятся с цилиндрической, шести- и восьмигранной поверхностью с внутренним диаметром 50-250 мм и длиной 333 мм. Морозостойкость их не менее 15 циклов, а разрушающая внешняя нагрузка – от 3,5 до 5,0 кН в зависимости от диаметра. Внешняя поверхность труб покрывается глазурью. Вода в трубы поступает через круглые или щелевидные отверстия в стыках, а также через стыки труб. Специальные керамические изделия. К специальным керамическим изделиям относятся кирпич для дымовых труб, клинкерный кирпич и кислотоупорные изделия. Кирпич для дымовых труб применяется для кладки дымовых труб и обмуровки промышленных труб в случае, если температура нагрева их дымовыми газами не превышает 700°С. Кирпич изготовляется марок от 125 до 300. Размеры кирпича: длина 120 и 250 мм, ширина 120 или 250 мм, толщина 65 или 88 мм. Кирпич бывает прямоугольный или клинообразный. Меньшую длину клинообразного кирпича принимают 70, 100, 200 и 225 мм. Водопоглощение кирпича должно быть не менее 6%, а морозостойкость 25, 35 и 50. Клинкерный кирпич получают обжигом глин до полного спекания, но без остекловывания поверхности, поэтому он отличается от обычного высокими прочностью и морозостойкостью. Размер кирпича 220x110x65 мм. В соответствии с пределом прочности при сжатии его разделяют на 3 марки – 1000, 700 и 400, морозостойкость которых соответственно – 100-50 циклов, а водопоглощение – соответственно не более 2-6%. Клинкерный кирпич называют и дорожным, и применяется он для покрытия дорог и мостовых, обмуровки канализационных коллекторов и облицовки набережных. Применяется он и в химической промышленности как кислотостойкий материал. Кислотоупорный кирпич применяется для защиты аппаратов и строительных конструкций, работающих в условиях кислых агрессивных сред, и при футеровке дымовых труб, которые служат для отвода дымовых газов, содержащих агрессивные среды. Кирпич изготовляется высшей и первой категории качества трех классов А, Б и В и четырех форм: прямой, клиновой (торцовый и ребровый), радиальный (поперечный и продольный) и фасонный (слезник). Размеры кирпича 230x113x65 и 230x113x55 мм. Свойства кирпича имеют следующие значения: кислотостойкость – (98,5-96)%; прочность при сжатии (60-35) МПа; термическая стойкость (5-25) теплосмен. Кислотоупорные плитки применяются для футеровки оборудования и защиты строительных конструкций и сооружений, эксплуатируемых в условиях воздействия агрессивных сред. Плитки производятся высшего и первого сортов 6 марок: кислотоупорные фарфоровые – КФ, термокислотоупорные дунитовые – ТКД, термокислотоупорные для гидролизной промышленности – ТКГ, кислотоупорные для строительных конструкций – КС, кислотоупорные шамотные – КШ и термокислотоупорные шамотные – ТКШ. По форме плитки бывают: квадратные плоские, квадратные радиальные, прямоугольные, клиновые и спаренные. С одной стороны плитки имеют ребристую поверхность, обеспечивающую лучшее сцепление с футерируемой конструкцией. Размеры плиток меняются в пределах: длина и ширина 50-200 мм, толщина 15-50 мм. Значения свойств плиток в зависимости от сорта и марок колеблются в пределах: водопоглощение – (0,4-8)%; кислотостойкость – (97-99)%; предел прочности при сжатии – (10- 150) МПа, а при изгибе – (10-40) МПа; термическая стойкость (2- 10) теплосмен; морозостойкость – (15-20) циклов. Использование отходов в керамическом производстве. При производстве обжиговых изделий имеются отходы в виде керамического боя, очажных остатков в печах. Керамический бой после дробления и помола (шамот) можно использовать, как отощающие добавки в керамическом производстве и как заполнители для растворов и бетонов. Очажные остатки печей, состоящие из топливной золы и керамического боя, могут служить гидравлической добавкой при получении известковых местных гидравлических вяжущих. С другой стороны, керамическое производство имеет возможности утилизации экологически вредных отходов многих отраслей промышленности, которые в качестве добавок могут улучшать технологические свойства глин, а при обжиге последних терять вредность к окружающей среде. Вопросы для самоконтроля 1. Что называют керамическими материалами и изделиями. 2. Классификация керамических материалов и изделий. 3. Сырье для производства керамических материалов. (Глинистое сырье, добавки к глинам, глазури и ангобы). 4. Общая схема производства керамических изделий. (Подготовка глин и формование изделий, сушка изделий, обжиг изделий). 5. Структура и общие свойства керамических изделий. 6. Стеновые изделия. (Керамические кирпичи и камни, панели и блоки стеновые из кирпича и керамических камней). 7. Облицовочные изделия. (Керамические изделия для внешней облицовки зданий, керамические плитки для внутренней облицовки). 8. Керамические изделия для кровли и перекрытий. 9. Санитарно-технические керамические изделия и трубы. 10. Специальные керамические изделия. 11. Использование отходов в керамическом производстве. Лекция 5 СТЕКЛО И ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ РАСПЛАВОВ Общие сведения. Стекло и другие плавленые материалы и изделия получают из минеральных силикатных расплавов, сырьем для которых служат распространенные горные породы и некоторые побочные продукты промышленности. Минеральные расплавы в зависимости от исходного сырья разделяются на следующие группы: стеклянные, каменные, шлаковые, ситаллы и шлакоситаллы. Материалы из расплавов обладают высокими показателями долговечности, химической стойкости к воздействию агрессивных сред, отличными декоративными свойствами, а некоторые из них и прозрачностью. Из минеральных расплавов, получают изделия самого различного назначения: листовые светопрозрачные, конструкционные, отделочные, облицовочные, трубы специальные, тепло- и звукоизоляционные. Стекло и его свойства. Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплавов независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. Признаками стеклообразного состояния вещества является отсутствие четко выраженной точки плавления, гомогенность и изотропность. В стеклообразном состоянии могут быть получены многие вещества. Стекло способно образовывать называемые стеклообразующими оксиды SiO2, Р2О5 и В2O3 без каких-либо добавок. Однако в большинстве случаев сырьевой массой для производства стекол является многокомпонентная шихта, содержащая помимо стеклообразующего оксида различные добавки. В строительстве используют почти исключительно силикатное стекло, основным компонентом которого является диоксид кремния SiO2. Стекло не является веществом с определенным химическим составом, который может быть выражен химической формулой, поэтому состав стекла условно выражают суммой оксидов. Состав строительных стекол в зависимости от вида и назначения содержит оксиды (в % по массе): SiO2 – 64-73,4; Na2O3 – 10-15,5; K2O – 0-5; CaO – 2,5-26,5; MgO – 0-4,5; A12O3 – 0-7,2; Fe2O3 – 0-0,4; SO3 – 0-0,5; B2O3 – 0-5. Каждый из оксидов играет свою роль в процессе варки формирования свойств стекла. Оксид натрия ускоряет процесс варки, понижая температуру плавления, но уменьшает химическую стойкость стекла. Оксид калия придает блеск и улучшает светопропускание. Оксид кальция повышает химическую стойкость стекла. Оксид алюминия повышает прочность, термическую и химическую стойкость стекла. Оксид бора повышает скорость стекловарения. Для получения оптического стекла и хрусталя в шихту вводят оксид свинца, повышающий показатель светопреломления. Сырье для производства стекла. Сырьевые материалы для производства стекла разделяются на основные и вспомогательные. К основным относятся минеральное сырье и некоторые продукты промышленности: кварцевый песок, сода, доломит, известняк, поташ, сульфат натрия. Кроме того, в последнее время стали широко использоваться отходы различных отраслей промышленности – доменные шлаки, кварцесодержащие материалы, тетраборит кальция, стеклобой и др. Минеральное сырье, как правило, имеет большое количество примесей и непостоянный состав. Примеси условно разделяются на две группы: ухудшающие качества стекломассы (оксиды железа, хрома, титана, марганца, ванадия); соответствующие основным компонентам состава стекла (оксиды алюминия, кальция, магния, калия, натрия). Примеси первой группы придают стеклу нежелательную окраску, а также могут привести к образованию пороков в стекле в виде включений. Примеси второй группы обычно учитываются при расчете рецепта шихты. Вспомогательные сырьевые материалы (осветлители, глушители, красители и др.) вводят в шихту для ускорения варки стекла и придания ему требуемых свойств. Осветлители (сульфаты натрия и алюминия, калиевая селитра, мышьяковистый ангидрид) способствуют удалению из стекломассы газовых пузырьков. Глушители (криолит, плавиковый шпат, двойной суперфосфат) делают стекло непрозрачным. Красители придают стеклу заданный цвет – соединения: кобальта – синий, хрома – зеленый, марганца – фиолетовый, железа – коричневый и сине-зеленые тона и т.д. Основы производства стекла. Производство строительного стекла состоит из следующих основных операций: обработка сырьевых материалов; приготовление шихты, варка стекла, формование изделий и их отжиг. Обработка включает дробление и помол материалов, поступающих на завод в виде кусков (доломит, известняк, уголь), сушку влажных материалов (песок, доломит, известняк), просеивание всех компонентов через сита заданного размера. Приготовление шихты включает операции усреднения, дозирования и смешения. Шихта считается качественной, если отклонение от заданного состава ее не превышает 1%. Стекловарение производится в специальных стеклоплавильных печах непрерывного (ванные печи) или периодического (горшковые печи) действия. При нагревании шихты до 1100-1150°С происходит образование силикатов сначала в твердом виде, а затем в расплаве. При дальнейшем повышении температуры в этом расплаве полностью растворяются наиболее тугоплавкие компоненты Si02 и А12O3 – образуется стекломасса. Эта масса неоднородна по составу и настолько насыщена газовыми пузырьками, что ее называют варочной пеной. Для осветления и гомогенизации температуру стекломассы повышают до 1500-1600°С. При этом вязкость расплава снижается, облегчается удаление газовых включений и получение однородного расплава. Стекловарение завершается охлаждением (студкой) стекломассы до температуры, при которой она приобретает вязкость, требуемую для выработки стеклоизделий. Формование изделий производится различными методами: вытягиванием, литьем, прокатом, прессованием и выдуванием. Формование листового стекла производится путем вертикального или горизонтального вытягивания ленты из расплава (рис. 5.1), прокатом или способом плавающей ленты (флоат-способ). Метод вытягивания применяют для получения стекла толщиной 2-6 мм. Лента вытягивается из стекломассы вращающимися валками машины через лодочку (огнеупорный брус с продольной прорезью) или свободной поверхности стекломассы (безлодочный способ). Флоат-способ является наиболее совершенным и высокопроизводительным из всех способов, известных в настоящее время. Он позволяет получать стекло с высоким качеством поверхности. Особенностью способа является то, что процесс формования ленты стекла протекает на поверхности расплавленного олова в результате растекания стекломассы. Поверхности листового стекла получаются ровными и гладкими и не требуют дальнейшей полировки. Отжиг – обязательная операция при изготовлении изделий. При быстром охлаждении для закрепления формы изделий в них возникают большие внутренние напряжения, которые могут привести даже к самопроизвольному разрушению стеклоизделий. Закалка – эта операция применяется при получении стекла с повышенной в 4-6 раз при сжатии и 5-8 раз при изгибе прочностью по сравнению с обычным стеклом. Закалка проводится доведением стекла до пластического состояния и затем резким охлаждением поверхности. Заключительная обработка изделий включает в себя операции шлифования, полирования, декоративной обработки. Рисунок 5.1 – Схема работы машины вертикального вытягивания стекла: 1 – лента стекла, 2 – стеклянный расплав; 3 – валики; 4 – шахта машины; 5 – камера; 6 – горелка для поддержания высокой темпера­туры в камере; 7 – холодильники Структура и свойства стекла и стеклоизделий. В процессе производства стекла, и особенно на стадии его охлаждения возникает такая структура, которая может быть охарактеризована как промежуточная между полной беспорядочностью частиц жидкого расплава и полной упорядоченностью частиц вещества в кристаллическом состоянии. В стекле наблюдается лишь ближний порядок расположения частиц, что и обусловливает изотропность его свойств. Плотность обычного строительного силикатного стекла – 2 г/см3. В зависимости от содержания различных добавок стекла специального назначения имеют плотность от 2,2 до 6,0 г/см3. Плотность теплоизоляционных стеклоизделий меняется в пределах 15-600 кг/м3. Прочность и деформативность стекла. Расчетный теоретический предел прочности при растяжении стекла составляет 12000 МПа, технический – 30-90 МПа, что объясняется наличием в стекле микронеоднородностей, микротрещин, внутренних напряжений, инородных включений и др. Предел прочности при сжатии стекла может составлять 600-1000 МПа и более. Предел прочности стеклянных волокон диаметром 4-10 мкм достигает 1000-4000 МПа. Модуль упругости стекол различного состава колеблется в пределах (4,5-9,8)∙104 МПа. У стекла отсутствуют пластические деформации. Хрупкость является главным недостатком стекла, которое плохо сопротивляется удару. Прочность обычного стекла при ударном изгибе составляет всего 0,2 МПа. Оптические свойства стекол являются их важными свойствами и характеризуются показателями светопропускания (прозрачности), светопреломлением, отражением и рассеиванием. Обычные силикатные стекла пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Коэффициент направленного пропускания света стеклами достигает 0,89. Теплопроводность стекол меняется от состава в пределах 0,5-1,0 Вт/(м∙°С). Теплопроводность теплоизоляционных стеклоизделий составляет 0,032-0,14 Вт/(м∙°С). Из-за малого значения коэффициента температурного расширения (9∙10-6-15∙10-6) обычное стекло имеет относительно малую термостойкость. Теплоемкость стекол при комнатной температуре составляет 0,63-1,05 кДж/(кг°С). Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. По этому показателю стекло толщиной 1 см соответствует кирпичной стене в полкирпича – 12 см. Химическая стойкость стекла зависит от его состава. Силикатное стекло обладает высокой химической стойкостью к большинству агрессивных сред за исключением плавиковой и фосфорной кислот. Стеклянные материалы. Листовые светопрозрачные и светорассеивающие стекла. Листовое стекло – основной вид стекла, используемый для остекления оконных и дверных проемов, витрин и внутренней отделки зданий. Оконное стекло производится трех марок: полированное, неполированное улучшенное, неполированное. Оконное стекло производится толщиной от 2,0 до 6,0 мм максимальных размеров в зависимости от толщины 1000x1600 мм, а минимальных – 400x500 мм. Светопропускание оконных стекол 84-89%. Витринное стекло производится двух марок: М7 – полированное и М8 – неполированное, толщиной 6,5-12 мм и максимальных размеров 3000x6000 мм. Применяется для остекления витрин, витражей и окон общественных зданий. Светопропускание витринных стекол 75-83%. Стекло листовое узорчатое имеет на одной или обеих сторонах четкий рельефный узор и изготовляется способом проката. Узорчатое стекло бывает бесцветным и цветным, окрашенным в массе или нанесением на поверхность его пленок оксидов различных металлов. Применяется для декоративного остекления оконных и дверных проемов, внутренних перегородок, крытых веранд и т.д. Для этих же целей применяется листовое стекло «мороз», имеющее на одной стороне узор, напоминающий заиндевевшее стекло. Армированное листовое бесцветное и цветное стекло для устройства световых проемов, фонарей верхнего света, ограждений в зданиях и сооружениях различного назначения. Армированное стекло может иметь обе поверхности или одну поверхность гладкими, рифлеными или узорчатыми. Для армирования применяется сварная или крученая сетка из стальной проволоки со светлой поверхностью или с защитным алюминиевым покрытием, диаметр проволоки сетки 0,45-0,60 мм. Сетка имеет квадратные или шестиугольные ячейки размерами 12,5 и 25 мм. Армированное стекло отличается повышенной прочностью и огнестойкостью. Светопропускание бесцветного армированного стекла 65-75%. Увиолевое стекло пропускает 25-75% ультрафиолетовых лучей и применяется для остекления оранжерей и заполнения оконных проемов в детских и лечебных учреждениях. Такое стекло получают из шихты с минимальными примесями оксидов железа, титана, хрома. Закаленное стекло является безопасным, так как при разрушении распадается на мелкие осколки с тупыми нережущими краями. В строительстве применяют для устройства дверей, перегородок, потолков. Многослойное стекло (триплекс), армированное или неарми-рованное, состоит из нескольких листов стекла, прочно склеенных между собой прозрачной эластичной прокладкой, чаще всего из по-ливинилбутирольной пленки. При ударе оно не дает осколков и является безопасным. Теплопоглощающее стекло предназначено для защиты интерьеров зданий от воздействия прямого солнечного излучения и уменьшения солнечной радиации в помещениях. Стекла голубого, серого и бронзового оттенков получают введением в состав стекломассы оксидов кобальта, железа или селена. Задерживая большое количество инфракрасных лучей, стекло нагревается и подвергается большим температурным деформациям. Поэтому при остеклении следует предусматривать достаточный зазор между рамой и стеклом. Применяется с целью уменьшения нагрева солнцем помещений жилых, культурных, общественных и промышленных зданий. Теплоотражающее стекло применяется для нагрева помещений от солнечных и тепловых лучей. Изготавливается нанесением на поверхность тонких (0,3-1 мкм) пленок металлов и их оксидов. Светопропускание стекол 30-70%, а пропускание тепла 40-60%. В связи с тем, что в таких стеклах большая часть инфракрасных лучей не поглощается, а отражается, само стекло почти не нагревается. Вследствие уменьшения излучения из помещения они повышают теплозащиту зимой. Стекла имеют различную окраску: золотистую, голубую, оранжевую и др. Электропроводящее стекло применяется в строительстве для стеклопакетов, используемых как источники тепла. Электропроводящие прозрачные покрытия наносятся на стекло с целью обогрева стекла и предотвращения запотевания. Покрытие получают напылением на поверхность стекла тонкой (0,5 мкм) пленки солей металлического серебра. Стекло, устойчивое к радиоактивным излучениям, применяется при строительстве АЭС и предприятий по изготовлению изотопов. Для поглощения радиоактивных лучей используются стекла с высоким содержанием свинца и бора. Например, тяжелое свинцовое стекло плотностью 6200 кг/м3, содержащее 80% оксида свинца, по своей защитной способности в этом отношении эквивалентно стали. Светопрозрачные изделия и конструкции. Кроме листового светопроницаемого стекла в строительстве применяются светопрозрачные изделия и конструкции: стеклоблоки, стеклопрофилит, стеклопакеты, стеклобетонные конструкции и стеклянные трубы. Блоки стеклянные пустотелые применяются для устройства наружных и внутренних ограждений, которые помимо хорошей светопропускающей способности имеют хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства. Стеклоблоки представляют герметически закрытые полые стеклянные коробки с гладкими наружными и ребристыми внутренними поверхностями (рис. 5.2). Ребра и призмы на внутренней поверхности препятствуют прямой видимости через блок. Рисунок 5.2 – Виды стеклянных блоков: а) БК 244/98; б) БКЦ 194/98, в, г) БПЦ 294/194/98 Профильное стекло (стеклопрофилит) представляет собой погонажные длинномерные светопрозрачные изделия, применяемые для устройства светопрозрачных ограждений и самонесущих стен, внутренних перегородок и прозрачных плоских кровель в зданиях различного типа. Профильное стекло изготовляется открытого (швеллерное, ребристое и т.д.) и замкнутого (коробчатое, овальное, треугольное и т.д.) сечений (рис. 5.3), неармированное и армированное, бесцветное и цветное, а также с аэрозольным оксидно-металлическим покрытием. Рисунок 5.3 – Виды профильного стекла открытого (а) и закрытого (б) сечения: 1 – швеллерное; 2, 3 – ребристое; 4 – обрезное; 5 – коробчатое с одним швом КП; б – коробчатое с двумя швами КП-2; 7 – коробчатое с овальными кромками боковых стенок; 8 – треугольное; 9 – коробчатое с козырьком Стеклопакеты – изделия, состоящие из двух или более листов светопропускающего стекла, соединенные между собой по контуру таким образом, что между ними образуются герметически замкнутые прослойки, заполненные сухим воздухом или другим газом. Они применяются для остекления окон и дверей, витрин, зенитных фонарей зданий различного назначения. Стеклопакеты подразделяются на клееные, паяные и сварные (рис. 5.4), по числу слоев стекла – на двух-, трех-и четырехслойные. Стеклопакеты по назначению подразделяются на обычные, светорассеивающие, упрочненные, безосколочные, солнцезащитные, звукоизоляционные и электрообогреваемые. Рисунок 5.4 – Общий вид двухслойных и трехслойных стеклопакетов (а). Конструктивное решение узлов стеклопакетов – клеевых (б), паяных (в) и сварных (г): 1 – стекло; 2 – воздушная (газовая) прослойка; 3 – распорная рамка; 4 – клеящий и герметизирующий слой; 5 – полоса из свинцового сплава; 6 – металлизованный слой на стекле; 7 – место пайки; 8 – узел сварки стекол Стеклобетонные конструкции представляют собой железобетонный каркас, внутри которого на растворе уложены стеклоблоки. Применяется для заполнения наружных световых проемов, остекления лестничных клеток и для устройства светопрозрачных перегородок и покрытий. Стеклянная черепица изготовляется в некоторых странах для устройства светопрозрачных фонарей в кровлях из керамической или бетонной черепицы. Трубы стеклянные и фасонные части к ним применяются для напорных, безнапорных и вакуумных трубопроводов, используемых для транспортировки жидких, газообразных и твердых веществ с различными физико-химическими свойствами (за исключением плавиковой кислоты) при температуре от -50°С до +120°С. Стеклянные трубы производятся диаметром условного прохода от 40 до 200 мм и длиной от 1500 до 3000 мм. Основными недостатками стеклянных труб является хрупкость и невысокая термостойкость (около 40°С). Облицовочные изделия из стекла. По структурно-агрегатному состоянию они подразделяются на три основные группы: аморфные (цветное листовое стекло, стемалит, марблит, стекломрамор, стеклоплитка, эмалированная плитка, коврово-мозаичная плитка, смальта, стеклокрошка); гетерогенные аморфные системы на основе стекла и газовоздушной смеси (коврово-мозаичная плитка, глушенная газовоздушными включениями; пенодекор, порокерамзит, мозаичная плитка; пемза, спеченная из стеклопорошка); гетерогенные стеклокристаллические материалы, состоящие из стекловидной и кристаллической фаз (сигран, стекло-кристаллит, стеклокерамит, стеклокремнезит). Цветное листовое стекло изготавливается на основе обычного и термоупрочненного стекла. Окраска поверхности осуществляется электрохимическим способом. Листы, главным образом бронзового цвета, имеют светопропускание 1,5-2%. Применяются для декоративного остекления окон, дверей, перегородок, мебели, изготовления витражей и светильников. Для внутренней облицовки и устройства перегородок применяется декоративный триплекс – листы с запрессованной между ними цветной или декоративной пленкой или тонкой тканью. Стемалит – изделия из листов плоского стекла, внутренняя сторона которых в процессе изготовления окрашена керамической эмалевой краской и подвергнута термообработке, при которой происходит закрепление эмали на стекле и его упрочнение. Покрытие может быть защищено тонким слоем алюминия, наносимого в вакууме. Стекольные заводы выпускают стемалит 27 различных цветов толщиной 5-7,5 мм, размерами от 400x900 до 1500x1100 мм. Основное назначение – облицовка стен зданий. Марблит – листовое изделие из цветного глушенного стекла толщиной 5-25 мм с полированной лицевой поверхностью и рифленой тыльной стороной. Стекломрамор – разновидность марблита, имеющая мраморовидную окраску различных цветов. Применяется для декоративно защитной облицовки стен зданий, покрытия полов, оформления интерьеров, антикоррозионной защиты строительных конструкций и футеровки резервуаров. Облицовочная плитка – изделия из неокрашенного или цветного глушенного стекла размерами от 50x50 до 150x150 мм и толщиной 4-9 мм. Термостойкость плиток 40-45°С. Лицевая поверхность плиток может быть гладкой или с различными рельефными узорами, тыльная сторона – рифленой или шероховатой, что обеспечивает лучшее сцепление с раствором. Эмалированная плитка изготовляется из цветного оконного или узорчатого стекла путем его резки, нанесения на одну из поверхностей непрозрачной эмали и ее сплавления. Размеры плиток от 100x100 до 200x200 мм, а толщина 4-6 мм. Предназначена для внутренней облицовки зданий различного назначения. Плитки стеклянные облицовочные коврово-мозаичные и ковры из них являются одним из наиболее эффективных облицовочных материалов. Они долговечны, обладают морозостойкостью и гигиеничностью, надежно защищают фасады стен зданий от воздействия внешней среды. Выпускаются размерами 21x21x5 и 46x46x5 мм. В различных странах выпускаются плитки до сотни различных цветов и оттенков размерами от 10x10 до 50x50 мм, квадратные, прямоугольные, угловые и круглые по форме. Смальта представляет собой кусочки глушенного цветного стекла неправильной формы размером до 20 мм, изготовленные литьем стекломассы или прессованные из стеклянного порошка и используемые для отделки фасадов, изготовления мозаичных панно, художественных и декоративных композиций на фасадах зданий или в интерьерах. Палитра смальты превышает 200 цветов и оттенков. Декоративная стеклокрошка при применении вместо керамических стеклянных плиток для отделки дает существенный экономический эффект. Крошка представляет собой гранулы размерами от 0,4 до 10 мм из глушенного окрашенного или неокрашенного стекла. Стеклянная крошка применяется для декоративной отделки фасадных поверхностей стен и оформления интерьеров. Пенодекор – плиты размером 450x450 мм и толщиной до 40 мм, лицевая поверхность которых покрыта сплошной стекловидной пленкой широкой гаммы цветов. В качестве сырья используется стеклобой стекла. Сигран – стеклокристаллический материал, имитирующий гранит, мрамор. Получают методом прессования стекла из шлаковых расплавов. К этой разновидности относятся и плиты из авантюринового стекла (природный авантюрин представляет собой мелкозернистый кварцит). Массовое применение находят хромовые авантюриновые стекла, получаемые на основе минерального сырья и металлургических шлаков с добавками оксидов хрома. Авантюриновые стекла используются и для покрытия керамических плиток в качестве глазури. Применяются для внутренней и наружной отделки интерьеров и витражей, работающих в отраженном свете. Стеклокристаллит – выпускается в виде плит, получаемых сплавлением гранул из бесцветного или окрашенного стекла. Размеры плит 300x300 и 300x150 мм. Применяется для облицовки стен зданий и устройства полов. Стеклокремнезит – облицовочно-декоративный плиточный материал, получаемый спеканием массы из стеклянных гранул и наполнителей (песка, глины, шамота). Стеклокерамит – облицовочный материал, получаемый спеканием массы на основе отходов стекла, глины и кварцевого песка. Изделия из пеностекла. Пеностекло представляет собой искусственный материал, подобный пемзе. Процесс производства пеностекла заключается во вспучивании размолотого стекла, смешанного с небольшим количеством (1-3%) древесного угля, известняка или других материалов, выделяющих газ при температуре размягчения стекла. Пеностекло хорошо обрабатывается, склеивается, гвоздится, воздухопроницаемо и негигроскопично. Изготавливается в виде блоков и гранул. Блоки из пеностекла применяются для тепловой изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования, холодильников (в интервале рабочих температур от -260 до +430°С и относительной влажности до 97%). Максимальные размеры изделий 475x400x120 мм. Гранулированное пеностекло применяется в качестве особо легкого заполнителя в производстве легкого и конструкционного или теплоизоляционного бетона; изготавливается путем вспенивания во вращающихся печах сырцовых гранул, полученных из порошка стекла, измельченного в шаровых мельницах. Насыпная плотность гранулированного пеностекла – 100-150 кг/м3. Материалы на основе стекловолокна. Стеклянное волокно применяется в производстве композиционных строительных материалов в виде непрерывных нитей, тканей, холста, рубленого стекловолокна и стекловаты. Диаметр стекловолокон 5-15 мкм. Прочность их при растяжении достигает 4000 МПа. Непрерывное стекловолокно получают из расплава методами механического вытягивания из фильер плавильных ванн и намотки. Коротковолокнистые материалы получают центробежным или дутьевым способами (рис. 5.5). Непрерывное стекловолокно используется для изготовления стеклонитей и стеклотканей. Стеклонити применяются для изготовления стеклопластиковых труб и резервуаров методом намотки на соответствующие оправки. Стекловолокнистый холст представляет собой тонкий листовой материал из переплетенных непрерывных волокон, скрепленных синтетическим связующим. Применяется как полуфабрикат для изготовления гидроизоляционных и кровельных материалов, в частности стеклорубероида. Стеклоткани применяются для изготовления стеклотекстолитов на полимерном связующем, а также в строительстве при теплоизоляции трубопроводов. Рубленое стекловолокно получают резанием непрерывного стекловолокна и применяют для повышения прочности различных изделий на основе минеральных связующих и в производстве стеклопластиковых светопрозрачных плоских и волнистых листов для кровли и обшивок трехслойных панелей. Рисунок 5.5 – Получение стекловолокна центробежным (а) и дутьевым (б) способами: 1 – ванна с расплавом; 2 – струя расплава; 3 – грелка; 4 – патрубок подачи сжатого воздуха или пара; 5 – центрифуга; 6 – стеклянное волокно Ситаллы, шлакоситаллы и ситаллопласты. Ситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, полученные из стеклянных расплавов путем их полной или частичной кристаллизации. По структуре ситаллы представляют собой композиционные материалы со стекловидной аморфной непрерывной фазой матрицей, наполненной мелкими кристаллами стекла. Обладая поликристаллическим строением, ситаллы, сохраняя положительные свойства стекла, лишены его недостатков: хрупкости, малой прочности при изгибе, низкой теплостойкости. По своим физико-техническим свойствам ситаллы выдерживают сравнение с металлами. Твердость ситаллов приближается к твердости закаленной стали. Термостойкость изделий из ситалла достигает 1100°С. Ситаллы обладают высокой стойкостью к воздействию сильных кислот (кроме плавиковой) и щелочей. Отдельные виды ситаллов отличаются жаростойкостью и способностью паяться со сталью. Прочность ситаллов при сжатии – до 500 МПа. В строительстве ситаллы используются для устройства полов промышленных цехов, в которых могут быть проливы кислот, щелочей, расплавов металлов, а также движение тяжелых машин. Высокую технико-экономическую эффективность дает применение ситаллов для изготовления химической аппаратуры и труб для транспортировки высокоагрессивных сред и теплообменников. По внешнему виду ситаллы могут быть темного, серого, коричневого, кремового, светлого цветов, глухие и прозрачные. Шлакоситаллы являются разновидностью ситаллов, производство которых получило наиболее широкое развитие. Это стеклокристаллические материалы, получаемые путем управляемой кристаллизации стекла, полученного на основе металлургических шлаков, кварцевого песка и некоторых добавок. По внешнему виду шлакоситаллы – плотные, тонкозернистые и непрозрачные материалы. Плотность шлакоситаллов – 2500-2700 кг/м3, предел прочности при сжатии до 650 МПа, термическая стойкость – до 750°С. Возможно получение также пеношлакоситалла плотностью 300-600 кг/м3, прочностью при сжатии 6-14 МПа и термической стойкостью до 750°С, который может применяться для тепловой изоляции трубопроводов теплотрасс и промышленных печей. Ситаллопласты – материалы, изготовляемые на основе фторопластов и ситаллов, отличаются более высокой химической стойкостью и износостойкостью, чем каждый из компонентов в отдельности. Применяются для изготовления изделий, работающих в условиях, где ни ситаллы, ни фторопласт не удовлетворяют по износостойкости к химическому сопротивлению. Изделия из каменных расплавов. Изделия из каменных расплавов подразделяются на плотные, ячеистые и волокнистые. Литые каменные изделия изготовляют из расплавов горных пород или шлаков литьем в формы с последующей термической обработкой. По однородности и техническим свойствам литые изделия превосходят многие самые прочные природные каменные материалы. В зависимости от используемого сырья каменное литье бывает темного и светлого цвета. Для получения изделий темного цвета применяются магматические горные породы – базальты и диабазы. Для получения светлого каменного литья используют осадочные горные породы – доломит, известняк, мрамор и кварцевый песок. Плотные литые каменные изделия имеют: плотность 2900-3000 кг/м3, высокую морозостойкость, прочность при сжатии 200-240 МПа и при растяжении 20-30 МПа; истираемость до 5 раз меньше, чем у гранита, базальта и диабаза; высокую химическую стойкость, в том числе к воздействию концентрированных серной и соляной кислот. В строительстве литые каменные изделия используют в особо тяжелых условиях эксплуатации: брусчатка для дорог, трубы для агрессивных сред, облицовочные плитки для предприятий химической промышленности. Термозит (шлаковая пемза) – ячеистый материал, получаемый в результате вспучивания расплава шлака при быстром его охлаждении струей воды. Насыпная плотность щебня из термозита – 300-1100 кг/м3 – позволяет его использовать в качестве эффективного легкого заполнителя для бетонов. Стоимость такого заполнителя в 2-3 раза ниже стоимости керамзита. Минеральная вата и изделия из нее представляют собой волокнистые материалы, полученные из расплава горных пород или металлургических шлаков. Вату из расплава горных пород называют горной, а из расплава шлаков – шлаковой. Высокая пористость ваты, содержащей пустоты до 95% по объему, обеспечивает ей отличные тепло-и звукоизоляционные свойства. Длина волокон в вате от 2 до 60 мм. Производство минеральной ваты и изделий из нее не отличается от описанной выше технологии производства стекловаты и изделий из нее. Эти изделия производятся марок от 50 до 250 и имеют теплопроводность от 0,032 до 0,077 Вт/(м∙°С). Минераловатные изделия применяются для теплоизоляции строительных конструкций при температуре изолируемых поверхностей от -180 до +600°С. Минераловатные утеплители в нашей стране занимают первое место среди всех других теплоизоляционных материалов. Использование отходов в производстве плавленых изделий. Отходы стекла представляют в различных странах 28-38% всех бытовых отходов. Кроме того, значительные отходы стекла образуются на самих стекольных заводах и в строительстве. В связи с этим их утилизация с целью защиты окружающей среды представляет важную экологическую задачу, которая в промышленности строительных материалов находит определенное решение. В настоящее время некоторые фирмы для производства стеклотары используют 90% стеклянного боя. В США и Канаде построено более 30 экспериментальных дорог с использованием более 50% стеклобоя в качестве заполнителя. Эта добавка улучшает торможение и увеличивает долговечность дорог. Значительное применение отходы стекла нашли в производстве отделочных стеклянных материалов и изделий, а также блочного и гранулированного пеностекла. Отходы шлифования стекла применяются в качестве кремнеземистого компонента для замены молотого песка при производстве автоклавных силикатных изделий. Отходы камнедобычи и камнепиления представляют собой наиболее значительные по объему по сравнению с другими отходами промышленности. Использование их в производстве изделий из каменных расплавов является важным направлением рационального их применения. На металлургических заводах стран СНГ ежегодно образуется более 90 млн. т доменных шлаков. Значительная часть их используется в производстве шлакопортландцемента. Вместе с тем имеются большие резервы неиспользуемых шлаков, которые находят и имеют большие перспективы для использования их в производстве изделий из каменного литья: шлаковой пемзы, шлакового щебня, шлаковаты, шлакосиликатов. Вопросы для самоконтроля 1. Общие сведения о стекле. 2. Стекло и его свойства. 3. Сырье для производства стекла. 4. Способы получения стекла. 5. Структура и свойства стекла и стеклоизделий. 6. Стеклянные материалы. (Листовые светопрозрачные и светорассеивающие стекла, светопрозрачные изделия и конструкции, облицовочные изделия из стекла, материалы на основе стекловолокна). 7. Ситаллы, шлакоситаллы и ситаллопласты. 8. Изделия из каменных расплавов. 9. Использование отходов в производстве плавленых изделий. Лекция 6 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Металлы, как материалы, обладают комплексом ценных для строительной техники свойств – большой прочностью, пластичностью, свариваемостью, выносливостью; способностью упрочняться и улучшать другие свойства при термомеханических и химических воздействиях. Этим обусловливается их широкое применение в строительстве и других областях техники. В чистом виде металлы вследствие недостаточной прочности, твердости и высокой пластичности применяются редко. Главным образом они используются в виде сплавов с другими металлами и неметаллами, например, углеродом. Железо и его сплавы (сталь С≤2,14%, чугун С>2,14%) называют черными металлами, остальные (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn и др.) и их сплавы – цветными (рис. 6.1). Наибольшее применение в строительстве имеют черные металлы. Стоимость их значительно ниже цветных. Однако последние обладают рядом ценных свойств – высокой удельной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и декоративностью, расширяющими области их применения в строительстве, в первую очередь архитектурно-строительных деталей и конструкций из алюминия. Рисунок 6.1 – Классификация металлов и сплавов Сырьем для получения черных металлов служат руды железа, представленные минералами класса оксидов – магнетитом (FeFe2O4), гематитом (Fe2O3), хромитом (FeCr2O4) и др. Для производства цветных металлов используются бокситы; сульфидные и карбонатные руды меди, никеля, цинка и др. Основы получения чугуна и стали Чугун получают в ходе доменного процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов, содержащихся в железных рудах, коксом при высокой температуре. Кокс, сгорая, образует углекислый газ. При прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по обобщенной схеме: Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe. Опускаясь в нижнюю горячую часть печи, железо плавится в соприкосновении с коксом и, частично растворяя его, превращается в чугун. В готовом чугуне содержится около 93% железа, до 5% углерода и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора, серы и некоторых других элементов, перешедших в чугун из пустой породы. В зависимости от количества и формы связи углерода и примесей с железом, чугуны имеют разные свойства, в том числе цвет, подразделяясь по этому признаку на белые и серые. Сталь получают из чугуна путем удаления из него части углерода и примесей. Существуют три основных способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный. Конвертерный основан на продувке расплавленного чугуна в больших грушевидных сосудах-конвертерах сжатым воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси, переводя их в шлак; углерод выгорает. При малом содержании в чугуне фосфора конвертеры футеруют кислыми огнеупорами, например динасом, при повышенном – основными, периклазовыми. Соответственно выплавляемую в них сталь по традиции называют бессемеровской и томасовской. Конвертерный способ отличается высокой производительностью, обусловившей его широкое распространение. К недостаткам его относятся повышенный угар металла, загрязнение шлаком и наличие пузырьков воздуха, ухудшающих качество стали. Применение вместо воздуха кислородного дутья в сочетании с углекислым газом и водяным паром значительно улучшает качество конвертерной стали. Мартеновский способ осуществляется в специальных печах, в которых чугун сплавляется вместе с железной рудой и металлоломом (скрапом). Выгорание примесей происходит за счет кислорода воздуха, поступающего в печь вместе с горючими газами и железной рудой в составе оксидов. Состав стали хорошо поддается регулированию, что позволяет получать в мартеновских печах высококачественные стали для ответственных конструкций. Электроплавление является наиболее совершенным способом получения высококачественных сталей с заданными свойствами, но требует повышенного расхода электроэнергии. По способу ее подведения электропечи подразделяются на дуговые и индукционные. Наибольшее применение в металлургии имеют дуговые печи. В электропечах выплавляют специальные виды сталей – средне- и высоколегированные, инструментальные, жаропрочные, магнитные и другие. Механические свойства металлов Механические свойства устанавливают по результатам статических, динамических и усталостных (на выносливость) испытаний. Статические испытания характеризуются медленным и плавным приложением нагрузки. Основными из них являются: испытания на растяжение, твердость и вязкость разрушения. Для испытании на растяжение используют стандартные образцы с расчетной длиной lp=10d и площадью 11,3 А0, где d и А0 – соответственно диаметр и площадь поперечного сечения образца сортового проката круглого, квадратного или прямоугольного сечения. Испытания проводят на разрывных машинах с автоматической записью диаграммы растяжения. Твердость металлов испытывают путем вдавливания в него под определенной нагрузкой стального шарика, алмазного конуса или пирамиды и оценивают по величине произведенной пластической деформации (отпечатку). В зависимости от вида используемого наконечника и критерия оценки различают твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу. Испытание металлов на вязкость разрушения проводят на стандартных образцах с надрезом при трехточечном изгибе. Метод позволяет оценить сопротивление металла распространению, а не зарождению трещины или трещиноподобного дефекта любого происхождения, всегда имеющегося в металле. Динамические испытания металлов проводят на ударный изгиб и знакопеременное циклическое нагружение. На ударный изгиб испытывают образцы металла размерами (1x1x5,5)10-2 м с концентратором напряжения (надрезом) посередине. Испытание проводят на маятниковом копре. Ударная вязкость характеризует сопротивление металла хрупкому разрушению и используется для определения порога хладноломкости. Сопротивление металла циклическому нагружению характеризуется максимальным напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за заданное число циклов, и называется пределом выносливости. Модифицирование структуры и свойств стали Свойство железоуглеродистых сплавов испытывать фазовые превращения при кристаллизации и повторном нагревании – охлаждении, изменять структуру и свойства под влиянием термомеханических и химических воздействий и примесей-модификаторов широко используется в металлургии для получения металлов с заданными свойствами. При разработке и проектировании стальных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, технологического оборудования и машин (автоклавов, обжигательных печей, мельниц, напорных и безнапорных трубопроводов различного назначения, металлоформ для изготовления строительных изделий, строительных машин и др.) необходимо учитывать климатические, технологические и аварийные условия их работы. Низкие отрицательные температуры понижают порог хладноломкости, ударную вязкость и вязкость разрушения. Повышенная температура снижает модуль упругости, временное сопротивление разрыву, предел текучести, что отчетливо проявляется, например, при пожарах. При 600°С сталь, а при 200°С – алюминиевые сплавы полностью переходят в пластическое состояние, и конструкции, находящиеся под нагрузкой, теряют устойчивость. Вот почему незащищенные металлические конструкции обладают сравнительно небольшой огнестойкостью. Технологическое оборудование – котлы, трубопроводы, автоклавы, металлоформы, а также арматура железобетонных конструкций, постоянно подвергающиеся в процессе производства циклическому нагреву-охлаждению в интервале температур 20-200°С и более, испытывают термическое старение и низкотемпературный отпуск, усугубляемые часто коррозией, которые необходимо учитывать при выборе марок стали для конкретных целей. Основными способами модифицирования структуры и свойств стали, применяемыми в металлургии, являются: 1) введение в расплавленный металл веществ, образующих тугоплавкие соединения (карбиды – ZrC, VC, NbC, TiC; нитриды – AlN; оксиды – (Cr, Fe)2O3, (Al, Fe)2O3), являющиеся центрами кристаллизации; 2) введение легирующих элементов, повышающих прочность кристаллических решеток феррита и аустенита, замедляющих диффузионные процессы выделения углерода, карбидов и движение дислокаций; 3) термическая и термомеханическая обработка стали. Конструкционные строительные стали Углеродистые стали выпускают обыкновенного и повышенного качества, по степени раскисления, спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Спокойные стали полностью раскислены и содержат минимальное количество FeO; кипящие нераскислены. Полуспокойные занимают промежуточное положение. Кипящие стали склонны к старению, хладноломкости, хуже свариваются, но пластичны. Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от гарантируемых свойств объединены в группы А, Б и В. Стали обозначают марками Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, добавляя спереди букву группы стали, а после – индекс раскисления, сп, пс и кп, например АСт3сп, ВСт4пс. По группе А стали поставляют с гарантированными механическими свойствами, по группе Б – химическими и по группе В – с теми и другими одновременно. Сталь для строительных конструкций, учитывая вышеуказанные требования к ней, изготовляется по группе ВСт3сп (пс) и ВСт3Гпс. Она содержит обычно углерода 0,14-0,22%, марганца 0,4-0,65%, кремния 0,05-0,17% сп или 0,12-0,3% пс. Сталь марки ВСт3Гпс содержит марганца 0,8-1,1% и кремния до 0,15%. Рациональные марки сталей для строительных конструкций выбирают исходя из их вида, назначения, ответственности, режима и условий работы и эксплуатации. Все виды стальных строительных конструкций разделены на 4 группы. К первой группе отнесены сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях динамического нагружения под крановые балки, эстакады и др.). Для этих конструкций применяют высокопрочные низколегированные стали типа 18Г2АФпс, 12ГН2МФАЮ, а также ВСт3Гпс5, 09ГС12. Ко второй группе отнесены сварные конструкции, работающие в условиях статической нагрузки, – фермы, ригели, рамы,балки перекрытий и покрытий и др. Для этих конструкций рекомендуются низкоуглеродистые и низколегированные стали повышенной и высокой прочности – ВСт3сп5, 09Г2С, 10ХСНД и др. К третьей группе отнесены сварные конструкции, работающие преимущественно на сжатие – колонны, стойки, опоры под оборудование и др. Для них могут использоваться наряду с вышеуказанными для второй группы низкоуглеродистые стали – 3Ст3кп2. В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, фахверк, лестницы, ограждения и др.). Для них рекомендуются обычные низкоуглеродистые кипящие, полуспокойные и спокойные стали группы Вст3кп (пс, сп)2(5). Стальная арматура для железобетонных конструкций Для армирования железобетонных конструкций применяют стержневую и проволочную арматуру гладкого и периодического профиля и канаты из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, упрочненную закалкой с прокатного нагрева, холодной или теплой деформацией. Этим требованиям в большей мере удовлетворяет высокопрочная стержневая (A-IV – A-VI; Ат-IVC(K) – Ат-VIC(K) и др.), проволочная (B-II, Вр-II) и канатная (К-7, К-9) арматура с пределом текучести 590-1410 МПа и относительным удлинением 8-14% соответственно, используемая для изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций. При этом, наряду с повышением прочности и трещиностойкости конструкций на 20-30%, сокращается расход арматурной стали по сравнению с ненапрягаемой А-I (А-240), A-II (А-300), A-III (А-400), Вр-I. Однако с точки зрения коррозионного поведения высокопрочная, особенно преднапряженная арматура, потенциально более уязвима. Коррозионное поведение арматуры в бетоне характеризуют главным образом изменением прочности, пластичности и характера ее излома, а также глубиной коррозионного поражения (мм/год) или потерей массы (г/м2-сут или г/м2 ч). Пассивное состояние арматуры в бетоне, термодинамически склонной к реакциям окисления, обеспечивается высокощелочным характером среды (рН≥12) и достаточно толстым (0,01-035 м) и плотным защитным слоем бетона. Чугун Как указывалось выше, сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% С. называют чугуном. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита и графита либо в обоих видах одновременно. Цементит придает излому светлый цвет и характерный блеск; графит – серый цвет без блеска. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым, а в виде цементита и свободного графита – серым. В зависимости от формы графита и условий его образования различают серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий чугуны. В строительстве находят применение все виды рассмотренных чугунов с графитным включением. Серые чугуны используются в конструкциях, работающих на статическую нагрузку (колонны, фундаментные плиты, опорные плиты под фермы, балки, канализационные трубы, люки, задвижки); высокопрочные и ковкие чугуны, обладающие повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью, используют в конструкциях, подвергающихся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы промзданий, фундаменты тяжелого кузнечно-прессового оборудования, подферменные опоры железно-дорожных и автодорожных мостов, тюбинги для крепления ответственных транспортных тоннелей под землей, в горах). Цветные металлы Из цветных металлов наибольшее применение в строительстве имеет алюминий, обладающий высокой удельной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и экономической эффективностью. Серебро, золото, медь, цинк, титан, магний, олово, свинец и другие используются главным образом как легирующие добавки и компоненты сплавов и имеют поэтому специальное и ограниченное применение в строительстве (специальные виды стекла, уникальные объекты – мемориалы на Мамаевом кургане в Волгограде, на Поклонной горе, обелиск в честь покорения космоса в Москве и другие, в которых большое применение нашли титан, медь, и их сплавы; запорно-регулировочная арматура и устройства водопроводноотопительных, электротехнических систем зданий и сооружений). В чистом виде цветные металлы, как и железо, вследствие их малой прочности и твердости, применяются редко. Алюминий – металл серебристого цвета, плотностью 2700 кг/м3 и температурой плавления 658°С. Все сплавы алюминия делятся на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы в свою очередь подразделяются на термически упрочняемые и неупрочняемые. Медь в чистом виде имеет небольшую прочность и высокую пластичность. Температура ее плавления 1083°С. Она плохо обрабатывается резанием, но хорошо деформируется в холодном и горячем состояниях. Широко распространены сплавы меди – латуни и бронзы. Латунь – сплав меди с цинком. Предельная растворимость цинка в меди – 39%. Такой сплав представляет собой твердый раствор цинка в меди. Бронзы – это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свинцом, бериллием и другими элементами. Титан – металл серебристо-белого цвета, плавится при 1665±5°С. На поверхности титана легко образуется прочная оксидная пленка, защищающая его от коррозии во всех средах. Вопросы для самоконтроля 1. Какими характерными свойствами обладают металлы как материал для строительных конструкций и оборудования? 2. Какие дефекты строения характерны для металлов и как они влияют на их физико-механические свойства? 3. Какими показателями характеризуются свойства металла и как они определяются? 4. Какие основные фазы различают в структуре железоуглеродистых сплавов, условия их существования и превращения? 5. Что такое сталь и чугун? Основные их виды. 6. Каково назначение легирующих элементов, вводимых в железоуглеродистые сплавы? Их виды, содержание. 7. Какие из цветных металлов имеют наибольшее применение в строительстве и каковы их свойства? Лекция 7 НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно затвердевать в результате физико-химических процессов. Переходя из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество скрепляет между собой камни либо зерна песка, гравия, щебня. Это свойство вяжущих используют для изготовления: бетонов, силикатного кирпича, асбоцементных и других необожженных искусственных материалов; строительных растворов – кладочных, штукатурных и специальных. Неорганические вяжущие вещества делят на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительное время сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу они делятся на четыре группы: 1) гипсовые вяжущие, основой которых является сернокислый кальций; 2) магнезиальное вяжущее, содержащее каустический магнезит Mg; 3) жидкое стекло – силикат натрия или калия (в виде водного раствора); 4) известковые вяжущие, состоящие главным образом из оксида кальция СаО. Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. По своему химическому составу гидравлические вяжущие вещества представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех видов: СаО-SiO2-Al2O3-Fe2O3. Эти соединения образуют три основные группы гидравлических вяжущих: 1) силикатные цементы, состоящие преимущественно (на 75%) из силикатов кальция; к ним относятся портландцемент и его разновидности – главные вяжущие современного строительства; 2) алюминатные цементы, вяжущей основой которых являются алюминаты; главным из них является глиноземистый цемент и его разновидности; 3) гидравлическая известь и романцемент. В отдельную группу выделяют вяжущие автоклавного твердения – это вещества, способные при автоклавном синтезе, происходящем в среде насыщенного водяного пара, затвердевать с образованием плотного, прочного камня. В эту группу входят известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжущие, нефеленовый цемент и др., хотя по существу они тоже относятся к гидравлическим вяжущим. ВОЗДУШНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА Гипсовые вяжущие вещества – это воздушные вяжущие, состоящие в основном из полуводного гипса или ангидрида и получаемые тепловой обработкой сырья и помолом. Сырьем для получения гипсовых вяжущих чаще всего служит горная порода гипс, состоящая преимущественно из минерала гипса CaSO4∙2H2O. Воздушная известь. Воздушная известь – продукт умеренного обжига кальциевомагниевых карбонатных горных пород: мела, известняка, доломитизированного известняка, доломита с содержанием глины не более 6%. Гидравлические вяжущие вещества – это гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности. Гидравлическая известь и романцемент ранее широко применялись, но теперь эти вяжущие уступили свое место более совершенным гидравлическим вяжущим и прежде всего портландцементу. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80%). Портландцемент – продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой гипса (3-5%). Клинкер представляет собой зернистый материал («горошек»), полученный обжигом до спекания (при 1450°С) сырьевой смеси, состоящей в основном из углекислого кальция (известняки различного вида) и алюмосиликатов (глины, мергеля, доменного шлака и др.). Небольшая добавка гипса регулирует сроки схватывания портландцемента. Для производства портландцемента имеются неограниченные сырьевые ресурсы в виде побочных продуктов промышленности (шлаков, зол, шламов) и распространенных карбонатных и глинистых горных пород. Принципы производства Производство портландцемента – сложный технологический и энергоемкий процесс, включающий: 1) добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов известняка и глины; 2) приготовление сырьевой смеси; 3) обжиг сырьевой смеси до спекания – получение клинкера; 4) помол клинкера с добавкой гипса – получение портландцемента. Сырьевые материалы. Сырьевыми материалами для производства клинкера служат известняки с высоким содержанием углекислого кальция (мел, плотный известняк, мергели и др.) и глинистые породы (глины, глинистые сланцы), содержащие SiO2, А12O3 и Fe2O3. Для производства портландцемента все шире используют побочные продукты промышленности. Подготовка сырья. Приготовление сырьевой массы состоит в тонком измельчении и смешении взятых в установленном соотношении компонентов, что обеспечивает полноту прохождения химических реакций между ними и однородность клинкера. Приготовление сырьевой смеси осуществляется сухим, мокрым и комбинированным способами. Обжиг. Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье в виде порошка (сухой способ) или в виде шлама (мокрый способ) подается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде факела на протяжении 20-30 м длины печи. Горячие газы поступают навстречу сырью. Сырье занимает только часть печи по поперечному сечению, и при ее вращении со скоростью 1-2 об/мин медленно движется к нижнему концу, проходя различные температурные зоны. Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен-гранул («горошка») темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000°С до 100-200°С. После этого клинкер выдерживается на складе 1-2 недели. Помол. Помол клинкера в тонкий порошок производится преимущественно в трубных (шаровых) мельницах. Трубная мельница представляет собой стальной барабан, облицованный внутри стальными броневыми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2-4 камеры. Материал в трубных мельницах измельчается под действием загруженных в барабан мелющих тел – стальных шаров (в камерах грубого помола) и цилиндров (в камерах тонкого помола). При вращении мельницы мелющие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и истирая зерна материала. Готовый портландцемент – очень тонкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета; по выходе из мельницы он имеет высокую температуру (80-120°С) и направляется пневматическим транспортом для хранения в силосы, которые обычно выполняются в виде железобетонных банок диаметром 8-15 м и высотой 25-30 м. Большие силосы вмещают 4000-10000 т цемента. Твердение Клинкер обычно получают в виде спекшихся гранул размером 10-40 мм, имеющих сложную микроструктуру, так как клинкер включает ряд кристаллических фаз и некоторое количество стекловидной фазы. Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе). Главными являются: СаО – 63-66%, SiO2 – 21-24%, А12Oз – 4-8% и Fe2O3 – 2-4%, суммарное количество которых составляет 95-97%. В небольших количествах в виде различных соединений могут входить MgO, SiO3, Na2O, К2O, TiO2, Сr2O3 и P2O5. В процессе обжига, доводимого до спекания, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторая часть их входит в стекловидную фазу. Минеральный состав клинкера. Основными минералами клинкера являются: Алит 3Ca0 SiO2 (или C3S). Белит 2Ca0 Si02 (или C2S). Трехкальциевый алюминат (или С3А). Четырехкальциевый алюмоферрит (или C4AF). Клинкерное стекло (СаО, А12O3, Fe2O3, MgO, К2O, Na2O). Щелочи (Na2O, К2O). Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, имеет три периода твердения. Вначале, в течение 1-3 ч после затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5-10 ч после затворения; в это время цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще невелика. Переход загустевшего цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, которое характерно заметным возрастанием прочности. Твердение при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента. Химические реакции. Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Уже в начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроксида: 2(3CaO∙SiO2) + 6Н2O = 3CaO∙2SiO2∙3H2O + 3Са(ОН)2. После затворения гидроксид кальция образуется из алита, так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)2 что видно из уравнения химической реакции: 2(2CaO∙SiO2) + 4Н2O = 3CaO∙2SiO2∙3H2O + Са(ОН)2. Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция: 3СаO∙А12O3 + 6Н2O = 3СаO∙А12O3∙6Н2O. Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют небольшое количество природного гипса (3-5% от массы цемента). Сульфат кальция играет роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с трехкальциевым алюминатом и связывающей его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит) в начале гидратации портландцемента: 3СаO∙А12O3 + 3(CaSO4∙2H2O) + 26Н2O = 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4∙32H2O. В насыщенном растворе Са(ОН)2 эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частищ 3СаО∙А12Оз, замедляет их гидратацию и затягивает начало схватывания цемента. Кристаллизация Са(ОН)2 из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроксида кальция в растворе, и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обусловливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31-32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ (С3А и сульфат кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция. Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит: 4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 + т∙H2O = 3СаO∙А12O3∙6Н2O + CaO∙Fe2O3∙H2O. Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля. Коррозия цементного камня вызывается воздействием агрессивных газов и жидкостей на составные части затвердевшего портландцемента, главным образом на Са(ОН)2 и 3СаO А12O3∙6Н2O. Несмотря на разнообразие агрессивных веществ, основные причины коррозии можно разделить на три вида: 1) разложение составляющих, цементного камня, растворение и вымывание гидроксида кальция; 2) образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия гидроксида кальция и других составных частей цементного камня с агрессивными веществами и вымывание этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия); 3) образование в порах новых соединений, занимающих больший объем, чем исходные продукты реакции; это вызывает появление внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание (сульфоалюминатная коррозия). ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Характеристики портландцемента определяют: минеральный и вещественный составы, тонкость помола, нормальная густота, сроки схватывания, марка по прочности и другие технические свойства. Минеральный состав выражает содержание в клинкере (в % по массе) главных минералов. Применяются расчетный и прямые экспериментальные методы определения минерального состава клинкера. Минеральный состав рассчитывают на основании данных химического анализа, который определяет содержание оксидов (в % по массе). Вещественный состав цемента выражает содержание в цементе (в % по массе) основных компонентов: клинкера, гипса, минеральных добавок, пластифицирующих и гидрофобизующих добавок; он приводится в паспорте на цемент. Допускается введение в цемент при его помоле пластифицирующих или гидрофобизующих поверхностно-активных добавок в количестве не более 0,3% от массы цемента (по согласованию с потребителем). Тонкость помола цемента оценивается по стандарту путем просеивания предварительно высушенной пробы через сито № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм); тонкость помола должна быть такой, чтобы через указанное сито проходило не менее 85% массы просеиваемой пробы. Плотность портландцемента (без минеральных добавок) составляет 3,05-3,15. Его насыпная плотность зависит от уплотнения и у рыхлого цемента составляет 1100 кг/м3, у сильно уплотненного – до 1600 кг/м3, в среднем – 1300 кг/м3. Водопотребность цемента определяется количеством воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Водопотребность портландцемента в пределах от 22 до 28%. При введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотребность цемента повышается и может достигнуть 32-37%. Сроки схватывания и равномерность изменения объема цемента определяют в тесте нормальной густоты. Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем погружения иглы в тесто нормальной густоты. Равномерность изменения объема. Причиной неравномерного изменения объема цементного камня являются местные деформации, вызываемые расширением свободной СаО и периклаза MgO вследствие их гидратации. Активность и марка портландцемента. Активность и марку определяют испытанием стандартных образцов-призм размером 4x4x16 см, изготовленных из цементно-песчаной растворной смеси состава 1:3 (по массе) и В/Ц = 0,4 при консистенции раствора по расплыву конуса 106-115 мм. Через 28 сут твердения (первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе, а затем 27 сут – в воде комнатной температуры), образцы-призмы сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки призм – на сжатие. Портландцемент разделяют на марки 400, 500, 550, 600. (В соответствии с ГОСТ 30515-97 предусматривается введение классов цементов (МПа): 22,5; 32,5; 42,5; 52,5). У быстротвердеющих портландцементов нормируется не только 28-суточная прочность, но и начальная, 3-суточная. Выделение тепла при твердении. Гидратация цемента сопровождается выделением тепла. В тонких бетонных конструкциях тепло гидратации быстро рассеивается и не вызывает существенного разогрева бетона. Однако тепловыделение внутренней части массивной конструкции может повысить его температуру на 40°С и более по отношению к температуре бетонной смеси при укладке. Снаружи массив остывает быстрее, чем внутри, возникают температурные напряжения, которые нередко являются причиной появления трещин в бетоне. Чтобы избежать растрескивания, стремятся использовать низкотермичные цементы, снижают расход цемента в бетоне, а в случае необходимости применяют искусственное охлаждение массива. Вопросы для самоконтроля 1. Сравните по химическому составу и структуре гипсовые вяжущие β-модификации и α-модификации (высокопрочный гипс); определите свойства и назовите применение разновидностей гипсовых вяжущих. 2. Сравните гидравлическую и воздушную извести по составу и свойствам, определяющим области применения. Объясните влияние минерального состава на прочность и экзотермию портландцемента, используя сведения о процессах гидратации главных клинкерных минералов (C3S, C2S, С3А, C4AF). 3. Укажите происхождение и виды портландцемента. Как влияет структура на свойства цементного камня: прочность, морозостойкость, усадку, ползучесть? 4. Укажите различие понятий «активность» и «марка» цемента по прочности. Как определить марку цемента? Предназначение цемента различных марок. 5. Методы придания портландцементу специальных свойств, приведите примеры их использования: быстротвердеющий, сульфатостойкий портландцементы. 6. Методы первичной защиты цементного камня от коррозии при воздействии жидких агрессивных сред. Лекция 8 БЕТОНЫ Бетон на неорганических вяжущих веществах представляет собой композиционный материал, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок. Состав бетонной смеси должен обеспечить бетону к определенному сроку заданные свойства (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и др.). Бетон является главным строительным материалом, который применяют во всех областях строительства. Технико-экономическими преимуществами бетона и железобетона являются: • низкий уровень затрат на изготовление конструкций в связи с применением местного сырья, • возможность применения в сборных и монолитных конструкциях различного вида и назначения, • механизация и автоматизация приготовления бетона и производства конструкций. Бетонная смесь при надлежащей обработке позволяет изготавливать конструкции оптимальной формы с точки зрения строительной механики и архитектуры. Бетон долговечен и огнестоек, его плотность, прочность и другие характеристики можно изменять в широких пределах и получать материал с заданными свойствами. Недостатком бетона, как любого каменного материала, является низкая прочность на растяжение, которая в 10-15 раз ниже прочности на сжатие. Этот недостаток устраняется в железобетоне, когда растягивающие напряжения воспринимает арматура. Близость коэффициентов температурного расширения и прочное сцепление обеспечивают совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетоне как единого целого. Это основное свойство железобетона как композиционного материала. В силу этих преимуществ бетоны различных видов и железобетонные конструкции из них являются основой современного строительства. По виду вяжущего бетоны разделяют на цементные (наиболее распространенные), силикатные (известково-кремнеземистые), гипсовые, смешанные (цементно-известковые, известково-шлаковые и т.п.), специальные, применяемые при наличии особых требований (жаростойкости, химической стойкости и др.). По виду заполнителя различают бетоны на плотных, пористых, специальных заполнителях, удовлетворяющих специальным требованиям (защиты от излучений, жаростойкости, химической стойкости и т.п.). В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента составляет 8-15%, а заполнителей – 80-85% (по массе). Поэтому в виде заполнителей применяют местные каменные материалы: песок, гравий, щебень, а также побочные продукты промышленности (например, дробленые и гранулированные металлургические шлаки), характеризующиеся сравнительно невысоким уровнем издержек производства. В зависимости от плотности различают бетоны: • особо тяжелые – плотностью более 2500 кг/м3, изготовляемые на особо тяжелых заполнителях (из магнетита, барита, чугунного скрапа и др.); эти бетоны применяют для специальных защитных конструкций; • тяжелые – плотностью 2200-2500 кг/м3 на песке, гравии или щебне из тяжелых горных пород; применяют во всех несущих конструкциях; • облегченные – плотностью 1800-2200 кг/м3; их применяют преимущественно в несущих конструкциях; • легкие – плотностью 500-1800 кг/м3; к ним относятся: а) легкие бетоны на пористых природных и искусственных заполнителях; б) ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон) из смеси вяжущего, воды, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразователя; в) крупнопористые (беспесчаные) бетоны на плотном или пористом крупном заполнителе, без мелкого заполнителя; • особо легкие (ячеистые и на пористых заполнителях) – плотностью менее 500 кг/м3, используемые в качестве теплоизоляции. Легкие бетоны менее теплопроводны по сравнению с тяжелыми, поэтому их применяют преимущественно в наружных ограждающих конструкциях. В несущих конструкциях используют более плотные и прочные легкие бетоны (на пористых заполнителях и ячеистые) плотностью 1200-1800 кг/м3. Следовательно, плотность бетонов изменяется в широких пределах: от 400 до 2500 кг/м3 и более. Поэтому и пористость бетонов может быть очень большой – 70-85% у ячеистых теплоизоляционных бетонов и незначительной – 8-10% у плотных гидротехнических бетонов. ТЯЖЕЛЫЙ БЕТОН. Материалы для изготовления бетона. Цемент. Для тяжелого бетона применяют портландцемент и его разновидности, а также глиноземистый цемент и другие вяжущие, отвечающие требованиям соответствующих ГОСТов. Марку цемента назначают в зависимости от проектной марки бетона по прочности при сжатии: Марка бетона М150 М200 М250 М300 М350 М400 М450 М500 М600 и выше Марка цемента М300 М300 М400 М300 М400 М400 М500 М400 М500 М500 М600 М550 М600 М550 М600 М600 Мелкий заполнитель. В качестве мелкого заполнителя в тяжелом бетоне применяют песок, состоящий из зерен размером 0,16-5 мм и имеющий плотность более 1,8 г/см3. Для приготовления тяжелых бетонов применяют природные пески, образовавшиеся в результате естественного разрушения горных пород, а также искусственные, полученные путем дробления твердых горных пород и из отсевов. Крупный заполнитель. В качестве крупного заполнителя для бетона применяют гравий, щебень с размером зерен 5-70 мм. При бетонировании массивных конструкций можно применять щебень крупностью до 150 мм. Радиационно-гигиеническая оценка мелкого и крупного заполнителя должна проверяться постоянно на содержание естественных радионуклидов. Водопотребность является важной технологической характеристикой заполнителя. Зерна заполнителя поглощают воду и адсорбируют ее на своей поверхности, поэтому необходимо регулировать количество воды затворения с учетом «смачивания» заполнителя, чтобы получить нужную удобоукладываемость бетонной смеси. Вода, применяемая для затворения бетонной смеси и поливки бетона, не должна содержать вредных примесей, препятствующих схватыванию и твердению вяжущего вещества. Для затворения бетонной смеси применяют водопроводную питьевую воду, а также природную воду (рек, естественных водоемов), имеющую водородный показатель pH не менее 4, содержащую не более 5000 мг/л минеральных солей, в том числе сульфатов не более 2700 мг/л (в пересчете на SO3). Не допускается применять болотные, а также сточные бытовые и промышленные воды без их очистки. Свойства бетонной смеси. Реологические свойства бетонной смеси. Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют исходя из требований к самой смеси и к бетону. По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами взаимодействия. Основной структурообразующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто. По мере развития процесса гидратации цемента возрастает дисперсность частиц твердой фазы и увеличивается клеящая и связующая способность цементного теста. Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения, и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении. При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости. Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропией. Технические свойства бетонной смеси. При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании монолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т.е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя: 1) подвижность бетонной смеси, являющуюся характеристикой структурной прочности смеси; 2) жесткость (Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси; 3) связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания. Подвижность бетонной смеси характеризуется измеряемой осадкой (см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию (рис. 8.1, а). Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью. Рисунок 8.1 – Определение удобоукладываемости бетонной смеси: а) прибор (конус) для определения подвижности бетонной смеси: 1 – жесткая смесь; 2 – подвижная смесь; 3 – осадка конуса; б) прибор для определения жесткости бетонной смеси: 4 – схема испытания Жесткость бетонной смеси характеризуется временем (с) вибрирования, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для определения жесткости (рис. 8.1, б). Цилиндрическое кольцо прибора (его внутренний диаметр 240 мм, высота 200 мм) устанавливают и жестко закрепляют на лабораторной виброплощадке. В кольцо вставляют и закрепляют стандартный конус, который заполняют бетонной смесью в установленном порядке и после этого снимают. Диск прибора с помощью штатива опускают на поверхность отформованного конуса бетонной смеси. Затем одновременно включают виброплощадку и секундомер; вибрирование производят до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из отверстий диска диаметром 5 мм. Время виброуплотнения (с) и характеризует жесткость бетонной смеси. Ее вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Применяют сверхжесткие, жесткие и подвижные бетонные смеси. Связность бетонной смеси обусловливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом часть воды отжимается вверх. Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей. Удобоукладываемость бетонной смеси. Количество воды затворения является основным фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворения (В, кг/м3) распределяется между цементным тестом (Вц) и заполнителем (Взап): В = Вц + Взап. Количество воды в цементном тесте определяют его реологические свойства: предельное напряжение сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетонной смеси – подвижность и жесткость. Адсорбционная способность (или водопотребность) заполнителя Взап является его важной технологической характеристикой; она возрастает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у мелких песков. При определении состава бетона учитывают, что количество воды (на 1 м3 бетона), необходимое для получения из данных материалов бетонной смеси требуемой подвижности, является более или менее постоянной величиной, если расход вяжущего находится в пределах от 200 до 400 кг/м3. Поэтому количество воды затворения определяют исходя из требуемых показателей удобоукладываемости, пользуясь таблицами и графиками, составленными на основании практических данных с учетом вида и крупности заполнителя. Удобоукладываемость бетонной смеси зависит как от вязкости, так и от объема вяжущего вещества. Объем цементного теста. В подвижной бетонной смеси плотной структуры цементное тесто заполняет пустоты в заполнителе и образует смазочные слои на поверхности его зерен, снижающие внутреннее трение. Объем цементного раствора. На рис. 8.2 приведены типичные структуры плотной бетонной смеси. Если в бетонной смеси заполнить цементным раствором только пустоты между зернами крупного заполнителя, то получится очень жесткая бетонная смесь (рис. 8.2,а). Для придания подвижности необходимо раздвинуть зерна крупного заполнителя и окружить их оболочкой из растворной смеси, которая играет роль смазки, скрепляющей после отверждения зерна камневидной составляющей бетона (рис. 8.2,б). Следовательно, объем растворной части бетона следует принимать равным объему пустот в крупном заполнителе, умноженному на коэффициент раздвижки; он равен 1,05-1,15 – для жестких смесей и 1,2-1,5 – для подвижных смесей. Рисунок 8.2 – Структура бетонной смеси: а) жесткой; б) подвижной Пластификация бетонных смесей осуществляется с помощью химических веществ: гидрофилизующих – JICT, гидрофобизующих – мылонафт и др., микропенообразующих – омыленный древесный пек и т.п. и комплексных добавок. Разработаны новые химические добавки – суперпластификаторы, весьма значительно повышающие подвижность бетонной смеси. Все химические добавки являются модификаторами бетона. Добавки изменяют не только число пор, но и их размер, конфигурацию, равномерность распределения и др. В результате этого значительно уменьшается капиллярная пористость бетона. Прочность бетона. Физический смысл закона прочности бетона. Закон прочности бетона устанавливает зависимость прочности от качества применяемых материалов и пористости бетона. Прочность вяжущего характеризуется его маркой (Rц), качество заполнителя – коэффициентом А, а пористость косвенно определяется величиной водо-цементного отношения В/Ц. Зависимость прочности от В/Ц является в сущности зависимостью прочности от объема пор, образованных водой, не вступающей в химическое взаимодействие с цементом. Пористость бетона плотной структуры вычисляют по формуле где В и Ц- расход воды и цемента на 1 м3 бетона (1000 л), w – количество химически связанной воды (в долях от расхода цемента). В возрасте 28 сут цемент связывает примерно 15% воды от своей массы (w =0,15). Формулы прочности бетона. Обычно цементное тесто заполняет пустоты между зернами заполнителя и лишь немного их раздвигает (на величины двух-трех средних диаметров цементных зерен). При таком сближенном («контактном») расположении зерен заполнителя его свойства будут оказывать заметное влияние на прочность бетона. Поэтому рекомендуется применять для тяжелых бетонов заполнитель с прочностью в 1,5-2 раза больше заданной марки бетона. При большом содержании цементного теста зерна заполнителя раздвинуты на значительные расстояния, они почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому решающее значение будет иметь прочность цементного камня и прочность сцепления его с заполнителем. На практике часто используют зависимость прочности бетона не от водоцементного отношения, а от цементно-водного отношения по формуле швейцарца И. Боломея и Б.Г. Скрамтаева (рис. 8.3). Для бетонов с Ц/В ≤ 2,5 формула прочности имеет вид: Для высокопрочных бетонов, изготовляемых с Ц/В > 2,5, применяется формула где Rц – активность цемента, определяемая по стандартной методике; коэффициенты А и А1 характеризуют качество используемых заполнителей и цемента. Рисунок 8.3 – Зависимость прочности тяжелого бетона от Ц/В при разных марках цемента При В/Ц = 0,4 (Ц/В = 2,5) прочность бетона, определенная по формулам (10.2) и (10.3) при разных значениях коэффициентов А и А1, на 10...30% оказывается выше прочности нормального цементно-песчаного раствора, используемого для определения активности (марки) цемента, что предопределяет выбор коэффициентов (0,55; 0,37 при Rб≥1,1/Rц; 0,6; 0,4 при R6≥1,2Rц и 0,65; 0,43 при Rб≥1,3Rц). Марки и классы бетона. При проектировании бетонных и железобетонных конструкций назначают требуемые характеристики бетона: класс (марку) прочности, марки морозостойкости и водонепроницаемости. За проектную марку бетона по прочности на сжатие принимают сопротивление осевому сжатию (кгс/см2) эталонных образцов-кубов. За проектную марку бетона по прочности на осевое растяжение принимают сопротивление осевому растяжению (кгс/см2) контрольных образцов. Эта марка назначается тогда, когда она имеет главенствующее значение. Проектная марка бетона по морозостойкости характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы в условиях стандартного испытания. Назначается для бетона, подвергающегося многократному воздействию отрицательных температур. Проектная марка бетона по водонепроницаемости характеризуется односторонним гидростатическим давлением (кгс/см2), при котором образцы бетона не пропускают воду в условиях стандартного испытания. Назначается для бетона, к которому предъявляются требования по плотности и водонепроницаемости. Проектную марку бетона по прочности на сжатие контролируют путем испытания стандартных бетонных образцов: для монолитных конструкций – в возрасте 28 сут, для сборных конструкций – в сроки, установленные для данного вида изделий стандартом или техническими условиями. Проектную марку бетона монолитных конструкций разрешается устанавливать при специальном обосновании в возрасте 90 или 180 сут в зависимости от сроков загружения, что позволяет экономить цемент. Предел прочности при растяжении возрастает при повышении марки бетона по прочности при сжатии, однако увеличение сопротивления растяжению замедляется в области высокопрочных бетонов. Поэтому прочность бетона при растяжении составляет 1/10-1/17 предела прочности при сжатии, а предел прочности при изгибе – 1/6-1/10. Проектные марки тяжелого бетона по прочности на сжатие: М50, М75, M100, M150, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М500, М550, М600, М700, М800, М900, M1000. Марки М300, М350 и М400 применяют при условии, что это приводит к экономии цемента. Бетоны высоких марок используются для предварительно напряженных железобетонных конструкций. При этом плотный бетон хорошо защищает стальную арматуру от коррозии, что особенно важно для предварительно напряженных конструкций, работающих в агрессивных условиях. Однородность прочности и класс бетона. Бетон должен быть однородным – это важнейшее техническое и экономическое требование. Для оценки однородности прочности бетона данной марки используют результаты контрольных испытаний бетонных образцов за определенный период времени (имеется в виду, что стандартные образцы твердели в одинаковых условиях одно и то же время). Прочность бетонных образцов будет колебаться, отклоняясь от среднего значения в большую и меньшую стороны. На прочности бетона сказываются колебания качества цемента и заполнителей, точность дозирования составляющих, тщательность приготовления бетонной смеси и другие факторы. Чем ближе частные результаты испытания образцов к среднему значению, тем выше однородность прочности бетона. Класс бетона – это количественная характеристика одного из его свойств с обеспеченностью ≥0,95. Это означает, что класс бетона должен обеспечиваться не менее чем в 95 случаях из 100 и лишь в 5 случаях он может иметь меньшее значение. Для тяжелых и мелкозернистых бетонов, например, установлены следующие классы по прочности на сжатие (МПа): В3,5; В5; В7,5; В10; В15; В20; В25; В30; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80. Соотношение между классами и марками бетона в МПа по прочности на сжатие при нормативном коэффициенте вариации VR = 13,5% составляет В / Rбср =0,7786 . Например, для класса В5 средняя прочность бетона будет Rбср = 6,42 МПа. Прочность и твердение бетона. Прочность бетона нарастает в результате физико-химических процессов взаимодействия цемента с водой, которые нормально проходят в теплых и влажных условиях. Взаимодействие цемента с водой прекращается, если бетон высыхает или замерзает. Раннее высыхание и замерзание бетона непоправимо ухудшает его строение и свойства. Бетон нуждается в уходе, создающем нормальные условия твердения, в особенности в начальный период после укладки (до 15-28 сут). В теплое время года влагу в бетоне сохраняют путем поливки и укрытия. На поверхность свежеуложенного бетона наносят битумную эмульсию или его укрывают полиэтиленовыми и другими пленками. Свойства бетона. Деформативные свойства бетона. Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упругие материалы. Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия. Область условно упругой работы бетона – от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины. Ползучестью называют явление увеличения деформаций бетона во времени при действии постоянной статической нагрузки. Таким образом, полная относительная деформация бетона при длительном действии нагрузки слагается из его начальной («мгновенной») упругой деформации и пластической деформации ползучести. Усадка и набухание бетона. При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т.е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционной составляющих. Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня. Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона. Карбонизация содержащегося в цементном камне гидрата окиси кальция с переходом его в углекислый кальций также вызывает усадку, особенно заметную в ячеистых бетонах. Обычные измерения дают общую величину усадки бетона, слагающуюся из влажностной и карбонизационной составляющих. Контракционная составляющая усадки, вызванная уменьшением абсолютного объема системы цемент-вода, невелика и составляет всего около 10% от влажностной усадки. Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Морозостойкость бетона. Морозостойкость бетона определяют путем попеременного замораживания в холодильной камере при температуре от 17 до 20°С и оттаивания в воде при температуре 15-20°С бетонных образцов кубов с размерами ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наибольшей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 сут выдерживания в камере нормального твердения или через 7 сут после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в камере нормального твердения. За марку бетона по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое при испытании выдерживают образцы установленных размеров без снижения прочности на сжатие более 5% по сравнению с прочностью образцов, испытанных в эквивалентном возрасте, а для дорожного бетона, кроме того, без потери массы более 5%. Установлены марки по морозостойкости: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000. Водонепроницаемость бетона. По водонепроницаемости бетон делят на марки W2, W4, W6, W8 и W12, W14, W16, W18, W20, причем марка обозначает давление воды (кгс/см2) при котором образец-цилиндр диаметром и высотой 15 см не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Теплофизические свойства бетона. Теплопроводность – наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих конструкциях зданий. Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м∙°С), т.е. она в 2-4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наружных стен из тяжелого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя. Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах – 0,75-0,92 Вт/(м∙°С). Линейный коэффициент температурного расширения бетона составляет около 10∙10-6 °С. Следовательно, при увеличении температуры на 50°С расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурно-усадочными швами. Для повышения морозостойкости и водонепроницаемости бетона применяют добавки поверхностно-активных веществ. Легкие бетоны. Бетоны на пористых заполнителях. Снизить высокую среднюю плотность бетона можно применением пористого заполнителя вместо плотного и поризацией цементирующего слоя. Пористые заполнители, используемые для изготовления легких бетонов, подразделяются на природные и искусственные. Свойства легких бетонов. Качество легких бетонов оценивают двумя важнейшим показателями – классами по прочности на сжатие (В, МПа) и марками по средней плотности (D, кг/м3). По средней плотности в соответствии с назначением и классами по прочности на сжатие легкие бетоны подразделяются на: • теплоизоляционные, D≤500; В0,35; В0,5; В0,75; Bl; Bl,5; В2; • конструкционно-теплоизоляционные, D500...D1400; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; • конструкционные, D1400...D2000; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В50; В60. Допускается применение классов В22,5 и В27,5 вместо В25 и В30 при технико-экономическом обосновании. Морозостойкость и водонепроницаемость легких бетонов устанавливаются в зависимости от назначения и условий эксплуатации конструкций и могут достигать для конструкционных бетонов мостов, морских платформ, высоконапорных труб, безрулонных кровельных плит, аэродромов и других гидротехнических сооружений высоких марок по морозостойкости F≥1000 и водонепроницаемости W20. Для наружных стен зданий обычно применяют легкие бетоны марок по морозостойкости F25; F35; F50, по водонепроницаемости W2, W4. Теплопроводность является важной строительной характеристикой легких бетонов, определяющей наряду с прочностью и средней плотностью эффективность их применения в ограждающих и несущих конструкциях. Крупнопористый бетон. В состав крупнопористого (беспесчаного) бетона входит гравий или щебень крупностью 5-20 мм, портландцемент или шлакопортландцемент М300-М400 и вода. За счет исключения песка из состава крупнопористого бетона его плотность уменьшается примерно на 600-700 кг/м3 и составляет 1700-1900 кг/м3. Отсутствие песка и ограниченный расход цемента (70-150 кг/м3) позволяют получить пористый бетон теплопроводностью 0,55-0,8 Вт/(м∙°С) и марками М15-М75. Вопросы для самоконтроля 1. Бетон как композиционный материал. Влияние вида заполнителя на структуру и среднюю плотность бетона. 2. Связь реологических и технических свойств бетонной смеси; классификация смесей по показателям удобоукладываемости. 3. Применение пластификаторов для регулирования удобоукладываемости бетонной смеси и экономии цемента. 4. Основной закон прочности бетона, его физический смысл и математическое выражение. 5. Эффективность легких бетонов (на пористом заполнителе и ячеистого) по сравнению с тяжелым бетоном. 6. Для чего нужен статистический контроль прочности бетона? Объясните основные понятия: класс прочности бетона, коэффициент вариации прочности, средний уровень прочности. Почему состав бетона определяют исходя из среднего уровня прочности? Лекция 9 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ Искусственные каменные материалы и изделия на основе вяжущих веществ получают необходимую прочность в результате затвердевания вяжущих, в отличие от керамических материалов, которые переходят в камневидное состояние только после обжига. В качестве заполнителей применяют кварцевый песок, шлак, пемзу, золу, древесные опилки, а в качестве армирующих материалов – асбест, древесное волокно, льняные очесы, бумажную макулатуру, стальную арматуру и проволоку и др. Различают изделия на основе гипса, извести, портландцемента. На основе гипса изготовляют перегородочные плиты, гипсобетонные камни, обшивочные листы, архитектурные детали и другие изделия. На основе извести получают силикатный, известково-шлаковый и известково-зольный кирпичи, силикатные, пеносиликатные и другие изделия из плотного и ячеистого силикатного бетона. Портландцемент идет на производство бетонных и железобетонных изделий, асбоцементных плиток и профилированных листов, асбоцементных труб. Материалы на основе гипса. Быстрое твердение гипса и его высокие формовочные свойства дают возможность сократить технологический процесс производства гипсовых изделий, повысить оборачиваемость форм, открывают широкую перспективу для изготовления сборных крупноразмерных элементов зданий и снижения стоимости строительства. При сравнительно малой плотности гипсовые изделия имеют достаточную прочность, низкую теплопроводность и высокую звукоизоляцию; они легко поддаются механической обработке (распиливанию, сверлению и т.п.) и окрашиваются в различные цвета. Наряду с перечисленными выше преимуществами изделия на основе гипса имеют и существенный недостаток – низкую водостойкость, при увлажнении значительно снижается прочность гипсовых изделий, а также наблюдается явление ползучести (увеличение пластических деформаций при неизменной нагрузке), поэтому их можно применять только в сухих помещениях или надежно защищать от увлажнения. Для уменьшения ползучести в гипсовую массу добавляют молотый доменный шлак. Изделия из гипса разделяют на гипсовые и гипсобетонные. Гипсовые изделия изготовляют из гипсового теста (иногда с небольшой добавкой органических или молотых минеральных заполнителей). Гипсобетонные изделия получают из гипсового раствора или бетона обычно с легкими и пористыми минеральными заполнителями, с которыми гипсовый камень сцепляется лучше, чем с песком и гравием. В качестве минеральных заполнителей применяют топливные и доменные шлаки, туфовый и пемзовый щебень, ракушечник и др., а в качестве органических – сечку из древесной шерсти, соломы, камыша, измельченную бумажную макулатуру, опилки и др. Применение заполнителей хотя и сокращает расход гипса, но уменьшает прочность изделий. Для повышения прочности гипсовых и гипсобетонных изделий уменьшают расход воды, а при укладке смеси применяют вибрирование, прессование, трамбование. Для производства гипсовых и гипсобетонных изделий используют гипс строительный, высокопрочный, а также смешанный гипсошлаковый цемент, который наряду с высокой прочностью не вызывает коррозии стальной арматуры. По назначению гипсовые и гипсобетонные изделия разделяют на следующие группы: плиты и панели для перегородок, изделия для перекрытий; листы для облицовки стен (гипсовая сухая штукатурка); стеновые камни; теплоизоляционные изделия; архитектурно-декоративные детали (карнизы, потолочные розетки, плафоны, фризы и др.). Плиты и панели для перегородок. Плиты для перегородок. Изготовляют такие плиты из гипсового теста (гипсовые) либо из гипсового раствора и бетона с минеральными или органическими заполнителями (гипсобетонные). Панели для перегородок. Такие панели отличаются от плит большими размерами и большей прочностью гипсового бетона. Крупноразмерные гипсобетонные панели изготовляют в виде плит толщиной 80-120 мм, шириной, равной высоте этажа, и длиной на комнату, а в отдельных случаях – на часть комнаты. Более эффективными крупноразмерными изделиями для перегородок являются гипсоволокнистые панели, которые изготовляют из смеси гипса, воды и волокнистых заполнителей (бумажной макулатуры, стеблей, соломы, камыша, отходов текстильной промышленности и др.). Плиты и панели применяют для устройства внутренних перегородок зданий; в качестве огнезащитной облицовки металлических и деревянных конструкций (поскольку плиты и панели из гипсовых вяжущих достаточно огнестойки); в санитарных узлах квартир при условии защиты их поверхностей водонепроницаемыми красками, плитками и т.п. Гипсовые обшивочные листы. Гипсовая сухая штукатурка представляет собой листовой отделочный материал, состоящий из тонкого слоя затвердевшего гипса, покрытого с обеих сторон картоном и прочно соединенного с ним. Сцепление покровного слоя (картона) с гипсом должно быть настолько прочным, чтобы картон при отрывании не отделялся от гипсовой основы, а мог только разрываться. Для формования обшивочных листов гипсовую массу приготовляют без добавок или с добавками минеральных или органических материалов. Органические добавки волокнистого строения образуют армирующий каркас в гипсовом камне, однако основную роль в повышении прочности при изгибе гипсовых обшивочных листов выполняют картонные покрытия. Длину гипсовых обшивочных листов принимают равной 250, 270, 290 и 330 см, т.е. на всю высоту этажа помещения, ширину – 120 и 130 см, толщину- 10-12 мм. Гипсовые обшивочные листы применяют для отделки внутренних поверхностей помещений – стен, потолков и перегородок. Использовать их можно только в помещениях с нормальной относительной влажностью воздуха (до 60%), а в санитарных узлах – лишь при условии надежной защиты от увлажнения. Такие листы целесообразнее прикреплять к основанию не гвоздями, а мастиками. Сухая гипсовая штукатурка является хорошим огнезащитным средством для сгораемых и неогнестойких конструкций. Материалы на основе извести (силикатные изделия). Производство силикатных строительных материалов базируется на гидротермальном синтезе гидросиликатов кальция, который осуществляется в реакторе-автоклаве в среде насыщенного водяного пара давлением 0,8-1,3 МПа и температурой 175-200°С. Для гидротермального синтеза можно использовать при надлежащем обосновании иные параметры автоклавизации, применять обработку не только паром, но и паровоздушной или парогазовой смесью, водой. Силикатные автоклавные материалы – это бесцементные материалы и изделия (силикатные бетоны, силикатный кирпич, камни, блоки), приготовленные из сырьевой смеси, содержащей известь (гашеную или молотую негашеную), кварцевый песок и воду, которые образуют в процессе автоклавной обработки гидросиликаты кальция: Са(ОН)2 + SiO2 + mH2O = CaO∙SiO2∙nH2O. Автоклав представляет собой горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками. Диаметр автоклава – 2,6-3,6 м, длина – 21-30 м. Автоклав снабжен манометром, показывающим давление пара, и предохранительным клапаном, автоматически открывающимся при повышении давления выше предельного. В нижней части автоклава уложены рельсы, по которым передвигаются загруженные в автоклав вагонетки с изделиями. Автоклав оборудован устройствами для автоматического контроля и управления режимом автоклавной обработки. Для уменьшения теплопотерь автоклав покрыт слоем теплоизоляции. После загрузки автоклав закрывают и в него постепенно впускают насыщенный пар. Высокая температура при наличии в бетоне воды в капельно-жидком состоянии создает благоприятные условия для химического взаимодействия между гидроксидом кальция и кремнеземом. Прочность автоклавных материалов формируется в результате взаимодействия двух процессов: структурообразования, обусловленного синтезом гидросиликатов кальция, и деструкции, обусловленной внутренними напряжениями. Для снижения внутренних напряжений автоклавную обработку проводят по определенному режиму, включающему постепенный подъем давления пара в течение 1,5-2 ч, изотермическую выдержку изделий в автоклаве при температуре 175-200°С и давлении 0,8-1,3 МПа в течение 4-8 ч и снижение давления пара в течение 2-4 ч. После автоклавной обработки продолжительностью 8-14 ч получают силикатные изделия. Силикатные бетоны, как и цементные, могут быть • тяжелыми (заполнитель – песок и щебень или песок и песчано-гравийная смесь), • легкими (заполнители пористые – керамзит, вспученный перлит, аглопорит и др.) • и ячеистыми. В силикатном бетоне применяют известково-кремнеземистое вяжущее, в состав которого входят воздушная известь и тонкомолотый кварцевый песок (взамен песка применяют золу, молотый доменный шлак). Изготовление бетонных и железо бетонных изделий включает 1) приготовление известково-кремнеземистого вяжущего, 2) приготовление и гомогенизацию силикатнобетонной смеси, 3) формование изделий, автоклавную обработку. В процессе автоклавизации между всеми компонентами бетона имеют место химические взаимодействия. Заполнитель (в особенности кварцевый песок) участвует в синтезе новообразований, подвергаясь изменениям на глубину до 15 мкм. Тяжелый силикатный бетон плотностью 1800-2500 кг/м3, с прочностью 15-80 МПа применяют для изготовления сборных бетонных и железобетонных конструкций, в том числе предварительно напряженных. Силикатный кирпич изготовляется из жесткой смеси кварцевого песка (92-94%), извести (6-8%, считая на активную СаО) и воды (7-9%) путем прессования под давлением (15-20 МПа) и последующего твердения в автоклаве. Цвет силикатного кирпича светло-серый, но он может быть любого цвета путем введения в состав смеси щелочестойких пигментов. Выпускают кирпич двух видов: одинарный 250x120x65 мм и модульный 250x120x88 мм. Модульный кирпич изготовляют с пустотами, чтобы масса одного кирпича не превышала 4,3 кг. В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кирпич имеет марки: 100, 125, 150, 200 и 250. Плотность силикатного кирпича (без пустот) – около 1800-1900 кг/м3, т.е. он немного тяжелее обыкновенного глиняного кирпича, теплопроводность – 0,70-0,75 Вт/(м°С), водопоглощение лицевого силикатного кирпича не превышает 14%, а рядового – 16%. Марки по морозостойкости для лицевого кирпича: 25, 35, 50; для рядового – 15. Силикатный кирпич, как и глиняный, применяют для несущих стен зданий. Не рекомендуется его применять для цоколей зданий из-за недостаточной водостойкости. Для кладки труб и печей силикатный кирпич не используют, так как при высокой температуре дегидратируется Са(ОН)2, разлагаются СаСО3 и гидросиликаты кальция, а зерна кварцевого песка при 600°С расширяются и вызывают растрескивание кирпича. Изделия из пеносиликата и других ячеистых материалов. Пеносиликат – это искусственный каменный материал ячеистой структуры, который получается в результате затвердевания пластичной известково-песчаной смеси, смешанной с технической пеной. Материал, полученный смешиванием того же раствора с газообразователем (алюминиевой пудрой, пергидролем и др.), называют газосиликатом. Пеносиликатные изделия изготовляют плотностью от 300 до 1200 кг/м3 и прочностью в пределах 0,4-20 МПа. Из теплоизоляционного пеносиликата изготовляют термовкладыши, которые используют для утепления стен; плиты, скорлупы и короба – для ограждения теплопроводов и другие теплоизоляционные изделия. Для кладки несущих стен одно-, двухэтажных зданий применяют мелкие офактуренные неармированные блоки плотностью 600-700 кг/м3. Для защиты блоков от атмосферных воздействий в процессе эксплуатации наружная поверхность изделий покрывается облицовочным слоем из цементно-песчаного раствора толщиной 2-3 см, который укладывается на дно формы перед заливкой ячеистой смеси. Конструктивно-теплоизоляционный пено- и газосиликат применяют теперь также для изготовления крупноразмерных изделий для наружных и внутренних стен, покрытий промышленных сооружений, междуэтажных и чердачных перекрытий жилых зданий, перегородок и др. Для покрытий промышленных зданий изготовляют армопеносиликатные и армогазосиликатные прямоугольные плиты. Плотность пеносиликата 900-1100 кг/м3, предел прочности его при сжатии 6-10 МПа. Материалы на основе цемента. Асбоцементные изделия. Асбоцемент – искусственный композиционный каменный строительный материал, получаемый в результате затвердевания смеси, состоящей из цемента, асбеста (10-20% от массы цемента) и воды. Такой материал обладает высокой прочностью, огнестойкостью, долговечностью, малыми водонепроницаемостью, теплопроводностью и электропроводностью. Сырьевые материалы для производства асбоцементных изделий. Портландцемент. В качестве вяжущего для производства асбестоцемента применяют портландцемент марок 400 и 500, песчанистый портландцемент при автоклавном твердении полуфабриката, белый и цветные цементы при изготовлении декоративных изделий. Асбестом называют природный тонковолокнистый минерал, состоящий из водных или безводных силикатов магния, а некоторые разновидности – из силикатов кальция и натрия. Асбест обладает большой адсорбционной способностью. При смешивании асбеста с портландцементом и водой он адсорбирует выделяющийся при твердении цемента Са(ОН)2 и другие продукты гидратации клинкерных минералов. Вода для производства асбестоцемента не должна содержать органических и глинистых примесей. Нельзя использовать болотную, торфяную, морскую и другую минерализованную воду. Минеральные примеси и растворимые соли не должны превышать допустимые для питьевой воды нормы. Производство асбестоцементных изделий. Способы производства асбестоцементных изделий в зависимости от количества воды, которое используется при их изготовлении, подразделяются на мокрый, полусухой и сухой. В технологии производства асбестоцементных изделий имеются технологические операции, которые производятся при всех способах: 1) приготовление шихты асбеста, 2) распушка асбеста, 3) смешение его с цементом и водой, 4) формование изделий, 5) их твердение, 6) механическая обработка. Основные виды асбестоцементных изделий включают: кровельные, стеновые, декоративные, погонажные трубы и специальные. К кровельным асбестоцементным изделиям относятся: 1) волнистые листы различного профиля и фасонные детали к ним, 2) крупноразмерные плоские листы для плит покрытий, 3) армированный конструктивный настил, 4) панели экструзионные, 5) плитки для кровли малоэтажных зданий. К стеновым асбестоцементным изделиям относятся: 1) волнистые листовые, 2) плоские крупноразмерные листы, 3) панели и плиты экструзионные, 4) панели стеновые наружные на деревянном и асбестоцементном каркасах. Декоративные изделия могут быть офактуренными либо окрашенными в процессе формования (до твердения) и в затвердевшем виде. Асбестоцементные трубы составляют около 10% в общем балансе труб, применяемых в строительстве, и выпускаются напорные и безнапорные. Специальные асбестоцементные изделия. К специальным изделиям относятся: вентиляционные короба полуцилиндры для покрытий теплоизоляционных слоев на трубопроводах, электроизоляционные доски, а также крупногабаритные листы двоякой кривизны длиной до 5 м для летних домиков. Утилизация отходов производства. В производстве асбестоцементных изделий образуются отходы в виде влажной смеси асбеста и цемента, оседающей в отстойниках при очистке сбрасываемой в них воды, а также брак изделий и обрезки, получаемые при их механической обработке. В целом отходы могут составлять по объему 1-8% исходного сырья и используются: вторично в производстве изделий при введении их в малых дозах в суспензии, в производстве минеральной ваты, стеновых блоков, в производстве погонажных асбестоцементных экструзивных изделий (15-20% взамен цемента). Вопросы для самоконтроля 1. Что такое автоклав и какие процессы происходят при автоклавной обработке? 2. В результате чего образуется прочность силикатного кирпича? Его основные свойства. 3. Что такое пеносиликат и газосиликат? 4. Какие изделия получают на основе гипсового вяжущего, какими свойствами они обладают? 5. Назовите основные свойства асбестоцементных изделий. СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ Строительный раствор – это искусственный каменный материал, полученный в результате затвердевания растворной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя и добавок, улучшающих свойства смеси и растворов. Крупный заполнитель отсутствует, так как раствор применяют в виде тонких слоев (шов каменной кладки, штукатурка и т.п.). Для изготовления строительных растворов чаще используют неорганические вяжущие вещества (цементы, воздушную известь и строительный гипс). Строительные растворы разделяют в зависимости от вида вяжущего вещества, плотности и назначения. По виду вяжущего различают растворы цементные, известковые, гипсовые и смешанные (цементно-известковые, цементноглиняные, известково-гипсовые и др.). По плотности различают: тяжелые растворы плотностью более 1500 кг/м3, изготовляемые обычно на кварцевом песке; легкие растворы плотностью менее 1500 кг/м3, изготовляемые на пористом мелком заполнителе и с порообразующими добавками. По назначению различают строительные растворы: 1) кладочные – для каменной кладки стен, фундаментов, столбов, сводов и др.; 2) штукатурные – для оштукатуривания внутренних стен, потолков, фасадов зданий; 3) монтажные – для заполнения швов между крупными элементами (панелями, блоками и т.п.) при монтаже зданий и сооружений из готовых сборных конструкций и деталей; 4) специальные растворы (декоративные, гидроизоляционные, тампонажные и др.). Материалы для изготовления растворных смесей Вяжущие вещества. Применяют портландцемент и шлакопортландцемент, принимают марку цемента в 3-4 раза выше марки раствора. Воздушную известь в виде известкового теста вводят в смеситель при изготовлении растворной смеси; реже используют молотую негашеную известь. Строительный гипс входит в состав гипсовых и известково-гипсовых растворов. Пески применяют природные – кварцевые, полевошпатовые, а также искусственные – дробленые из плотных горных пород и пористых пород; из искусственных материалов (пемзовые, керамзитовые, перлитовые и т.п.). Пористые пески служат для приготовления легких растворов. Если песок содержит крупные включения (комья глины и др.), его просеивают. Для кирпичной кладки применяют растворы на песках с зернами не более 2 мм, для растворов марки M100 и выше пески должны удовлетворять тем же требованиям в отношении содержания вредных примесей, что и пески для изготовления бетона. Для растворов марки М50 и ниже допускается по соглашению сторон содержание пылевидных частиц до 20% по массе. Пластифицирующие добавки. Чаще всего растворные смеси укладывают тонким слоем на пористое основание, способное отсасывать воду (кирпич, бетоны легкие, ячеистые и т.п.). Чтобы сохранить удобоукладываемость растворных смесей при укладке на пористое основание, в них вводят неорганические и органические пластифицирующие добавки, повышающие способность растворной смеси удерживать воду. В растворы, применяемые для зимней кладки и штукатурки, добавляют ускорители твердения, понижающие температуру замерзания растворной смеси: хлористый кальций, поташ, хлористый натрий, хлорную известь и др. Свойства строительных растворов Удобоукладываемость – это свойство растворной смеси легко укладываться плотным и тонким слоем на пористое основание и не расслаиваться при хранении, перевозке и перекачивании растворонасосами. Она зависит от подвижности и водоудерживающей способности смеси. Подвижность растворных смесей характеризуется глубиной погружения металлического конуса (массой 300 г) стандартного прибора (рис. 9.1). Подвижность назначают в зависимости от вида раствора и отсасывающей способности основания. Для кирпичной кладки подвижность растворов составляет 9-13 см, для заполнения швов между панелями и другими сборными элементами – 4-6 см, а для вибрированной бутовой кладки – 1-3 см. Рисунок 9.1 – Прибор для определения подвижности растворной смеси: 1 – штатив; 2 и 3 – держатели; 4 – пружинная кнопка; 5 – скользящий стержень; 6 – конус; 7 – циферблат; 8 – сосуд для растворной смеси Водоудерживающая способность – это свойство растворной смеси сохранять воду при укладке на пористое основание, что необходимо для сохранения подвижности смеси, предотвращения расслоения и хорошего сцепления раствора с пористым основанием (кирпичом и т.п.). Водоудерживающую способность увеличивают путем введения в растворную смесь неорганических дисперсных добавок и органических пластификаторов. Смесь с этими добавками отдает воду пористому основанию постепенно, при этом оно становится плотнее, хорошо сцепляется с кирпичом, отчего кладка становится прочнее. Основными свойствами строительных растворов являются: прочность (марка) к заданному сроку твердения, сцепление с основанием, морозостойкость и деформативные характеристики: усадка в процессе твердения, влияющая на трещиностойкость, модуль упругости, коэффициент Пуассона, теплопроводность, проницаемость. Прочность при сжатии определяют испытанием образцов-кубиков с длиной ребра 7,07 см в возрасте, установленном в стандарте или технических условиях на данный вид раствора. Изготовление образцов из растворной смеси подвижностью менее 5 см производят в обычных формах с поддоном, а из смеси с подвижностью 5 см и более – в формах без поддона, установленных на отсасывающем основании-кирпиче (покрытом смоченной водой газетной бумагой). Прочность цементного раствора при отсутствии отсоса воды определяется теми же факторами, что и прочность бетона; зависимостью предела прочности раствора при сжатии R28 от активности цемента RЦ и цементно-водного отношения и качества заполнителей. Прочность раствора, уложенного на пористое основание (кирпич), удобно выразить в зависимости от расхода вяжущего вещества, а не от Ц/В, поскольку после отсоса воды основанием в растворе остается примерно одинаковое количество воды: Приведенная формула применима для цементно-известковых растворов: Ц – расход цемента, т/м3; коэффициент k зависит от качества песка: для крупного песка – 2,2, песка средней крупности – 1,8, мелкого песка – 1,4. На основании закономерностей, управляющих прочностью растворов (они приведены выше в виде формул и графиков), составлены таблицы рекомендуемых составов разных марок, которыми широко пользуются на практике. Строительные растворы по прочности в 28-суточном возрасте при сжатии делят на марки: 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200. Растворы марок 4 и 10 изготовляют на воздушной и гидравлической извести и др. Понижение температуры замедляет рост прочности растворов: Температура твердения, °С 1 5 10 15 20 25 Предел прочности при сжатии в 28-суточном возрасте, % от R28 при 15°С 55 72 88 100 106 110 Следовательно, при низких положительных температурах прочность раствора в возрасте 28 сут составляет 55-72% от марки. Поэтому в зимнее время широко применяют растворы с химическими добавками (поташа, нитрата натрия и др.), понижающими температуру замерзания раствора и ускоряющими набор его прочности. Зимой марку раствора для каменной кладки (без тепляков) и монтажа крупнопанельных стен обычно повышают на одну ступень против марки при летних работах (например, 75 вместо 50). Морозостойкость раствора характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают насыщенные водой стандартные образцы-кубики размером 7,07x7,07x7,07 см (допускается снижение прочности образцов не более 25% и потеря массы не свыше 5%). Строительные растворы для каменной кладки наружных стен и наружной штукатурки имеют марки по морозостойкости: F10, F15, F25, F35 и F50, причем марка повышается для влажных условий эксплуатации. В таких условиях растворы удовлетворяют и более высоким требованиям по морозостойкости: F100, F150, F200 и F300. Морозостойкость растворов зависит от вида вяжущего вещества, водоцементного отношения, введенных добавок и условий твердения. Виды строительных растворов Для каменной кладки наружных стен зданий применяют главным образом цементные и смешанные растворы (цементно-известковые и цементно-глиняные) марок 10, 25, 50 и 100 в зависимости от влажностных условий, вида, этажности и требуемой долговечности здания. В кладке перемычек, простенков, карнизов, столбов марка раствора должна быть повышена до 100. Виброкирпичные панели изготовляют с применением растворов марок 75, 100, 150, приготовленных на портландцементе и шлакопортландцементе. Монтажные растворы для заполнения горизонтальных швов при монтаже стен из легкобетонных панелей должны иметь марку не ниже 50, а для панелей из тяжелого бетона – не ниже 100. Минимальные расходы цемента для растворов различного назначения – 75-125 кг/м3. Для кладки во влажных грунтах и ниже уровня грунтовых вод применяют растворы на портландцементе с активными минеральными добавками или на шлакопортландцементе. Штукатурные растворы. Для наружных каменных и бетонных стен зданий применяют цементно-известковые растворы, а для оштукатуривания деревянных поверхностей в районах с сухим климатом используют известково-гипсовые растворы. Внутреннюю штукатурку стен и покрытий зданий при относительной влажности воздуха помещений до 60% выполняют из известковых, гипсовых, известково-гипсовых и цементно-известковых растворов. Подвижность штукатурных растворов и предельная крупность применяемого песка для каждого слоя штукатурки различны. Подвижность раствора для подготовительного слоя при нанесении механизированным способом составляет 6-10 см, а при ручном труде – 8-12 см. Наибольшая крупность песка при этом должна быть не выше 2,5 мм. Для отделочного слоя применяют мелкие пески крупностью не более 1,2 мм. Для увеличения подвижности штукатурных растворов вводят гидрофобно-пластифицирующие добавки. Декоративные растворы предназначены для отделочных слоев стеновых панелей и блоков, наружной и внутренней отделки зданий. Эти растворы изготовляют на белом, цветном и обычном портландцементах; для цветных штукатурок внутри зданий применяют также строительный гипс и известь. Заполнителем служит чистый кварцевый песок либо дробленые пески из белого известняка, мрамора и т.п. Для лицевого отделочного слоя панелей наружных стен (из легкого бетона) применяют раствор марки 50, для отделки железобетонных конструкций – 150 с морозостойкостью не ниже 35. Гидроизоляционные растворы для гидроизоляционных слоев и штукатурок обычно изготовляют состава 1:2,5 или 1:3,5 (цемент : песок по массе), применяя портландцемент, расширяющиеся цементы, пуццолановый портландцемент. Причем в составы на портландцементе должны быть введены добавки (жидкое стекло, хлорное железо, водорастворимые смолы и др.). Инъекционные цементные растворы применяют для заполнения каналов в предварительно напряженных конструкциях и уплотнения бетона. Марка раствора должна быть не ниже 300, поэтому используют портландцемент марки 400-500. Рентгенозащитный раствор приготовляют на баритовом песке (BaSO4) (предельной крупностью 1,25 мм), применяя портландцемент или шлакопортландцемент. В него вводят добавки, содержащие легкие элементы: литий, бор и др. Сухие смеси Строительные сухие смеси – это композиции заводского изготовления на основе минеральных вяжущих веществ, включающие заполнители и добавки. В отдельных случаях в качестве вяжущего могут быть использованы водорастворимые или водоэмульгируемые полимеры. На место производства строительных работ сухие смеси доставляются в расфасованном виде, причем для их использования по назначению достаточно только добавить необходимое количество воды. Сухие смеси применяют в качестве кладочных, монтажных и штукатурных растворов, шпатлевок, плиточных клеев, составов для наливных полов, ремонтных составов. Материалы, применяемые для сухих смесей. В качестве вяжущего используют порошкообразные минеральные вяжущие: портландцемент, строительный гипс, воздушную известь. В отдельных случаях применяют в качестве связующего порошкообразные полимеры, которые растворяются в воде либо образуют эмульсии (эфиры целлюлозы, поливинилацетат, акрилаты). В качестве заполнителя широко применяется песок для строительных работ с модулем крупности 1...2, причем наибольшая крупность зерен не должна превышать 1,25 мм. Для легких растворов применяют пористые вспученные пески (перлитовые, вермикулитовые, керамзитовые). Для шпатлевок применяют известняковую муку и порошкообразный мел. Большую роль в технологии сухих смесей играют добавки. Поскольку растворные смеси, приготавливаемые из сухих смесей, укладываются, как правило, на пористые основания тонким слоем, то для обеспечения пластичности и водоудерживающей способности применяются неорганические и органические пластифицирующие добавки: глина, воздушная известь, зола ТЭС; лигносульфонат JICT, СНВ, суперпластификатор С-3. Для повышения адгезии, трещиностойкости и непроницаемости в состав сухих смесей вводят полимерные добавки, которые, как указывалось выше, должны находиться в порошкообразном состоянии, быть водорастворимыми либо образовывать эмульсии с водой. Для производства работ при отрицательных температурах в состав сухих смесей вводят противоморозные добавки: поташ, нитрит нитрата натрия, формиат. При этом особые требования предъявляются к гигроскопичности добавок. Вода для затворения сухих смесей не должна содержать вредных примесей. Готовые смеси хранят в сухом месте, а смеси, модифицированные полимерами, при температуре не выше 40°С. Вопросы для самоконтроля 1. Для каких целей предназначены строительные растворы? 2. Назовите составы строительных растворов. 3. Перечислите основные свойства строительных растворов. 4. Что такое смешанные растворы? 5. В чем прогрессивность применения сухих смесей? Лекция 10 ЛЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Свойства древесины. Физические свойства. Истинная плотность древесины изменяется незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества – целлюлозы. В связи с этим истинную плотность древесины можно принять равной 1,54 г/см3. Плотность древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, поскольку строение и пористость растущего дерева зависят от почвы, климата и других природных условий. С увеличением влажности плотность древесины возрастает. Свежесрубленная древесина значительно тяжелее древесины воздушно-сухой, имеющей влажность 12%. Влажность выражают обычно в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают гигроскопическую влагу, связанную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свободно заполняет полости клеток и межклеточное пространство. Предел гигроскопической влажности (в среднем он составляет около 30%) соответствует полному насыщению стенок клеток древесины водой. Полная влажность древесины (считая гигроскопическую и капиллярную влагу) может значительно превышать 30%. Например, влажность свежесрубленного дерева может колебаться от 40 до 120%, а при выдерживании древесины в воде ее влажность может возрасти до 200%. При длительном нахождении влажной древесины на воздухе она постепенно высыхает и достигает равновесной влажности. Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Для определения равновесной влажности пользуются номограммой (см. учебник). Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет 8-12%. Влажность воздушно-сухой древесины после продолжительной сушки на открытом воздухе составляет 15-18%. Показатели свойств (плотность, прочность), полученные при испытании древесины различной влажности, для возможности сопоставления приводят к стандартной влажности, равной 12%. Усушка, разбухание и коробление. Колебания влажности волокон древесины влекут за собой изменение размеров и формы досок, брусьев и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Свободная влага, заполняющая полости клеток, на размерах древесины не отражается. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток, т.е. если влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности, то усушка достигает максимального значения при полном удалении влаги, содержащейся в клеточных стенках. Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково. Вдоль оси ствола (вдоль волокон) максимальная линейная усушка сравнительно невелика – около 0,1% (1 мм на 1 м), в радиальном направлении 3-6% (3-6 см на 1 м), а в тангенциальном – 6-12% (6-12 см на 1 м). При высушивании древесины от предела гигроскопичности (который характеризуется влажностью около 30%) до воздушно-сухого состояния (соответствующего 15-18% влажности) усушка составит примерно половину своего максимального значения. При высушивании до комнатно-сухого состояния (т.е. влажности 8-10%) усушка составит три четверти максимальной. Объемную усушку YV (%) вычисляют, не учитывая продольной усушки, с точностью до 0,1% по формуле где а и b – размеры поперечного сечения образца при данной начальной влажности; a0 u b0 – то же, в абсолютно сухом состоянии. Степень усушки древесины характеризуется коэффициентом объемной усушки Кy, который вычисляют на 1% влажности с точностью до 0,01% по формуле В этой формуле среднее значение предела гигроскопичности WПГ древесины различных пород принято равным 30%. Усушка и разбухание древесины вызывают коробление и растрескивание лесных материалов. Коробление деревянных изделий (рис. 10.1) является следствием разницы в усушке древесины в тангенциальном и радиальном направлениях и неравномерности высыхания. Неравномерность усушки и коробление вызывают появление внутренних напряжений в древесине и растрескивание пиломатериалов и бревен. Широкие доски коробятся больше, чем узкие, поэтому для настилки пола и столярных изделий применяют доски шириной 10-12 см. Рисунок 10.1 – Коробление досок в результате усушки: а) продольное; 1 – простое; 2 – сложное; б) поперечное; в) крыловатость Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий используют древесину с той равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации. Например, для столярных изделий влажность древесины не должна превышать 8-10%, а для наружных конструкций 15-18%. Чтобы защищать древесину от последующего увлажнения, ее покрывают красками, лаком и эмалями. В круглом лесе и пиломатериалах трещины усушки образуются в первую очередь на торцах. Для уменьшения растрескивания торцы бревен, брусьев, досок обмазывают смесью из извести, соли и клея или другими составами. Текстура – это рисунок древесины, зависящий от сочетания ее видимых элементов: годовых слоев, сердцевинных лучей, сосудов. Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы дерева. Текстура дуба, чинары, бука, груши и некоторых других пород высоко ценится в отделочных работах. Древесные породы тропического пояса могут иметь своеобразные цвета, например древесина эбенового дерева – черный, бакута – темно-оливковый. Блеск древесины зависит от плотности и степени обработки. Блеск придается древесине путем полирования и покрытия лаками. Древесина теряет блеск при загнивании. Запах древесины зависит от содержания в ней смолистых, эфирных и дубильных веществ. Например, древесина лиственницы и сосны пахнет скипидаром. Теплопроводность сухой древесины незначительна: сосны поперек волокон – 0,17 Вт/(м∙°С); вдоль волокон 0,34 Вт/(м∙°С). Теплопроводность древесины зависит от ее пористости, влажности и направления теплового потока. Теплозащитные свойства древесины широко используются в строительстве. Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Древесина, используемая для электрической проводки (розетки, доски и т.п.), должна быть сухой. Электрическое сопротивление сухой древесины в среднем составляет 75х107 Ом∙см, а сырой древесины – в десятки раз меньше. Механические свойства. Целлюлозные цепочки всегда представляют собой нитевидные молекулы. Растительная клетка имеет форму трубки, стенки которой образованы длинными, уложенными приблизительно параллельно нитевидными молекулами целлюлозы. Таким образом, с инженерной точки зрения любую древесину можно считать пучком параллельных трубок. Поскольку материал этих трубок по существу для всех пород одинаков, то прочность древесины зависит от толщины стенок и, следовательно, от средней плотности древесины. Механические свойства древесины не отличаются от свойств, которые можно ожидать от пучка трубок или волокон. Прочность древесины определяют путем испытания малых, чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон. Прочность древесины зависит от породы дерева, средней плотности, косвенно характеризующей пористость древесины, наличия пороков и влажности. Прочность древесины понижается, когда ее влажность возрастает от 0 до 30% (до предела гигроскопической влажности), при этом в интервале влажности 8-20% понижение прочности прямо пропорционально приросту влажности: где R12, RW – предел прочности образцов соответственно при 12% и фактической влажности в момент испытаний; α – коэффициент изменения прочности при изменении влажности на 1%; при сжатии и изгибе α = 0,04, при скалывании α = 0,03; W – влажность образца (%) в момент испытаний. Предел прочности древесины с влажностью в момент испытания равной или больше предела гигроскопической влажности приводят к влажности 12% по формуле где К12 – пересчетный коэффициент, имеющий различные значения для разных пород и вида испытаний (указан в соответствующих ГОСТах). Прочность древесины определяют на небольших лабораторных образцах без пороков. Прочность при сжатии определяют вдоль и поперек волокон. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 3-6 раз больше, чем прочность поперек волокон. Например, предел прочности при сжатии образцов воздушно-сухой сосны вдоль волокон – около 60 МПа, а поперек – только 20 МПа. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии. Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон примерно такая же, как у высокопрочной стали и стеклопластика. Следовательно, древесина по своей удельной прочности конкурирует с современными конструкционными материалами. Однако использовать высокую прочность древесины не так легко, поскольку сучки, трещины и другие пороки сильно снижают ее механические свойства. В этом отношении большие возможности дает применение древесины в клееных деревянных конструкциях. Прочность при статическом изгибе древесины очень высокая: она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон и составляет около 70% прочности при растяжении. Поэтому древесина (балки, настилы и т.п.) чаще всего работает на изгиб. К тому же дерево стойко к концентрации напряжений ввиду наличия внутренних поверхностей раздела между волокнами. Прочность древесины при скалывании имеет большое значение при устройстве врубок, клеевых швов и т.д. в деревянных конструкциях. Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основных древесных пород составляет 6,0-13 МПа, а при скалывании поперек волокон – в 3-4 раза выше. Кроме этих испытаний может проводиться определение предела прочности древесины при перерезании поперек волокон. Статическая твердость численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика радиусом 5,64 мм (при этом площадь отпечатка равна 1 см2). Твердость древесины по торцу на 15-50% выше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Мягкие породы (сосна, ель, пихта, ольха) имеют торцовую твердость 35-50 МПа, твердые породы (дуб, граб, береза, ясень, лиственница и др.) – 50-100 МПа, очень твердые (кизил, самшит) – более 100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают шурупы. Твердость древесины понижается при увлажнении. Ударную твердость , (Дж/см2) вычисляют по формуле где т – масса стального шарика диаметром 2,5 мм, падающего на образец древесины; g – ускорение земного притяжения; h – высота падения шарика (по стандарту равна 50 см); d – средний геометрический диаметр отпечатка, вычисляемый по формуле , где d1 – диаметр отпечатка поперек волокон; d2 – то же вдоль волокон. Ударную и статическую твердость пересчитывают к влажности 12%. Модуль упругости при статическом изгибе EW древесины с влажностью W определяют, нагружая образец, покоящийся на двух опорах, двумя сосредоточенными силами. Модуль упругости вычисляют по формуле где Р – нагрузка; l – расстояние между опорами (0,24 м); b и h – ширина и толщина образца; f – прогиб образца в зоне чистого изгиба. Модуль упругости EW образца с влажностью 8-20% пересчитывают к влажности 12% по формуле Пересчетный коэффициент α = 0,01. Модуль упругости образцов с влажностью, равной или большей предела гигроскопичности, пересчитывают к влажности 12% по формуле Пересчетный коэффициент k12 равен 1,25 для хвойных пород; для различных лиственных пород он колеблется от 1,12 до 1,3. Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели – 10000- 15000 МПа, он возрастает с увеличением плотности древесины, а увлажнение его снижается. Известно, что гнуть сырую древесину легче, чем сухую. Еще больше облегчает гнутье древесины пропаривание – это удобный способ нагрева древесины без ее высушивания. Особенностью древесины является ползучесть, проявляющаяся особенно во влажных условиях. Следствием ползучести является постепенное увеличение деформаций (прогибов балок, провисание тесовых крыш и т.д.) при длительном действии нагрузки. В отличие от других строительных материалов сорта лесоматериалов устанавливают не по прочности образцов, а на основании тщательного осмотра материала и оценки имеющихся в нем пороков. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ. Строганые и шпунтовые доски и бруски имеют на одной кромке шпунт, а на другой – гребень для плотного соединения элементов. Фрезерованные изделия: плинтусы в галтели применяют для заделки углов между стенами и полом; поручни и наличники для обшивки дверных и оконных коробок. Паркет бывает обыкновенный (планочный) и щитовой. Паркетные планки (дощечки) изготовляют из твердых пород – дуба, бука, ясеня и др. Щитовой паркет имеет основание из досок или брусьев, на которые наклеен паркет, набранный из отдельных планок. Паркетные доски состоят из реечного основания (которое позволяет избежать коробления), на которое наклеены паркетные планки. На кромках паркетных досок имеется паз и гребень для плотного соединения при настилке пола. Применение паркетных досок дает большие преимущества по сравнению со штучным паркетом. Их изготовляют заводским механизированным способом; устройство чистого пола из паркетных досок производится значительно быстрее. Столярные изделия – оконные и дверные блоки с вмонтированными в них оконными переплетами и дверными полотнами, столярные перегородки и панели для жилых и гражданских зданий. Оконные и дверные блоки поступают на строительство в полной готовности с навешенными полотнами и створками, окрашенными и застекленными. Столярные перегородки собирают на месте строительных работ и скрепляют при помощи плинтусов и карнизов. Щитовые двери для жилых и общественных зданий представляют собой деревянную раму со сплошным или пустотным заполнением облицованную с обеих сторон шпоном, твердой древесноволокнистой плитой или фанерой. Сплошное заполнение дверей выполняют из деревянных брусков, древесно-стружечных плит, а пустотное – из полосок фанеры, твердой древесно-волокнистой плиты, бумажных сот и т.п. Полотна дверей окрашивают масляной краской, эмалями или имитируют под древесину ценных пород пленкой или текстурной бумагой. Фанера представляет собой листовой материал, склеенный из трех и более слоев лущеного шпона. Наружные слои шпона в фанере называют «рубашками», а внутренние – «серединками». Лицевая «рубашка» имеет меньше пороков древесины (сучков и др.) и дефектов обработки, чем оборотная «рубашка» и «серединки» При нечетном числе слоев шпона уменьшается коробление фанеры. Обычно фанеру склеивают из листов шпона, расположенных так, чтобы волокна смежных листов шпона были взаимно перпендикулярны (рис. 10.2). Однако в диагональной фанере волокна «рубашек» направлены под углом 45° к волокнам «серединок». Выпускают также фанеру с направлением волокон шпона в соседних слоях под углом 30° или 60°. Рисунок 10.2 – Схема изготовления фанеры: а) лущение шпона: 1 – нож; 2 – шпон; 3 – прижим; б) склеивание шпонов Лущеный шпон. Короткие (до 2 м) бревна пропаривают или выдерживают в бассейнах с горячей водой, чтобы придать древесине пластичность. Затем на лущильных станках с поверхности бревна, вращающегося вокруг своей оси, снимается тонкая непрерывная стружка – шпон; строганый шпон применяют только для производства декоративной фанеры. В зависимости от вида примененного клея и его водостойкости различают фанеру повышенной водостойкости (марка ФСФ на фенолформальдегидном клее), средней водостойкости (марки ФК и ФБА соответственно на карбамидном и альбумин-казеиновом клеях) и ограниченной водостойкости (марка ФБ на казеиновом клее). По виду обработки поверхности фанера может быть нешлифованной или шлифованной с одной или двух сторон. По числу слоев шпона различают трехслойную, пятислойную и многослойную фанеру толщиной 1,5-18 мм и размером листа до 2400x1525 мм. Фанеру марки ФСФ применяют для обшивки наружных стен, кровельных работ, изготовления несущих и ограждающих конструкций, а других марок – для устройства внутренних перегородок и обшивки стен и потолков внутри помещений. Бакелизированную фанеру получают из березового лущеного шпона, пропитанного и склеенного фенолформальдегидными клеями. Бакелизированная фанера имеет высокие конструктивные качества: ее предел прочности при растяжении 60-80 МПа, при этом она почти так же легка, как и древесина. Эта фанера обладает повышенной водостойкостью, атмосферостойкостью и прочностью. Ее применяют для изготовления легких конструктивных элементов. Декоративную клееную фанеру изготовляют из березового, ольхового или липового шпона и облицовывают с одной или двух сторон строганым шпоном из ценных пород дерева (дуба, груши и т.п.) с красивой текстурой либо полимерными пленками. Декоративную фанеру (марки ДФ) применяют для внутренней отделки стен, перегородок, дверных полотен, встроенной мебели и т.п. Фанерные плиты представляют собой многослойные изделия из шпона, склеенного полимерными клеями; их толщина 8-30 мм и 35- 78 мм. Столярные плиты – это реечные щиты, оклеенные с обеих сторон березовым или другим шпоном. Толщина плит 16-50 мм. Их применяют для дверей, перегородок, встроенной мебели. Кровельные материалы для временных зданий выпускают следующих видов: стружку, дрань, плитки деревянные и гонт (от польского gont). Материалы для кровель изготовляют из осины, сосны, ели, пихты. Стружку производят длиной (вдоль волокон) 40- 50 см, шириной 7-12 см и толщиной 0,3 см; дрань – длиной 40- 100 см, шириной 9-13 см и толщиной 0,3-0,5 см; гонт – длиной 50- 70 см, шириной 7-12 см и толщиной 1,5 см. Древесно-стружечные плиты изготовляют путем горячего прессования специально приготовленных древесных стружек с термореактивными жидкими полимерами (карбамидными или фенолформальдегидными). Расход полимера составляет 8-12% (по массе). Древесноволокнистые плиты изготовляют путем горячего прессования волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, воды, наполнителей, полимера и специальных добавок (антисептиков, антипиренов, гидрофобизующих веществ). Древесные волокна получают из отходов деревообрабатывающих производств и неделовой древесины. Твердые плиты применяют для устройства перегородок, подшивки потолков, настилки полов, для изготовления дверных полотен и встроенной мебели. Отделочные плиты облицовывают синтетической пленкой с прокладкой текстурной бумаги под цвет и текстуру древесины ценных пород. Изоляционные древесноволокнистые плиты находят широкое применение в виде тепло- и звукоизоляционного материала. Столярные плиты – это реечные щиты, оклеенные с обеих сторон березовым или другим шпоном. Толщина плит 16-50 мм. Их применяют для дверей, перегородок и встроенной мебели. Древесно-слоистые пластики – это листы или плиты, изготовленные из лущеного шпона, пропитанного и склеенного резольным фенолформальдегидным полимером. Отличаются от фанеры большей плотностью (1,25-1,33 г/см3) и обладают высокими механическими свойствами: предел прочности при растяжении вдоль волокон «рубашки» 140-260 МПа, при изгибе 150-280 МПа, удельная ударная вязкость 3-8 МПа. Эти пластики стойки к действию масел, растворителей, моющих средств. Применяют в строительных конструкциях, от которых требуется химическая стойкость, немагнитность, высокое сопротивление истиранию. Вопросы для самоконтроля 1. Положительные и отрицательные свойства древесины как строительного материала. 2. Назовите основные элементы макро- и микроструктуры древесины. 3. Формы связи воды в древесине, равновесная влажность, влияние влажности на свойства древесины. 4. Объясните особенности механических свойств древесины с позиций теории композиционных материалов. 5. Основные пороки древесины и их влияние на прочность древесины. 6. Методы защиты древесины от гниения и горения. 7. Что такое биокомпозиты? Лекция 11 ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Пластическими массами называют материалы, содержащие в качестве важнейшей составной части высокомолекулярные соединения – полимеры и обладающие пластичностью на определенном этапе производства, которая полностью или частично теряется после отверждения полимера. Молекулы высокомолекулярных соединений состоят из нескольких тысяч или даже сотен тысяч атомов. Чаще всего макромолекулы таких соединений построены путем многократного повторения определенных структурных единиц. Степенью полимеризации называют число структурных единиц, содержащихся в одной макромолекуле. Молекулярная масса низкомолекулярных соединений обычно не превышает 500. Вещества, имеющие промежуточные значения молекулярной массы, называют олигомерами. Высокомолекулярные соединения встречаются в природе. К ним принадлежат натуральный каучук, целлюлоза, шелк, шерсть, янтарь и др. С начала XX века искусственным путем стали получать новые высокомолекулярные вещества, полученные реакциями синтеза из сравнительно простых по химическому составу веществ – мономеров. Состав и свойства пластмасс. Пластмассы получают обычно из связующего вещества и наполнителя, вводя в состав исходной массы те или иные специальные добавки-пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и красители. Связующим веществом в пластмассах служат различные полимеры – синтетические смолы и каучуки, производные целлюлозы. Выбор связующего вещества в значительной мере определяет технические свойства изделий из пластмасс: их теплостойкость, способность сопротивляться воздействию растворов кислот, щелочей и других агрессивных веществ, а также характеристики прочности и деформативности. Связующее вещество – это обычно самый дорогой компонент пластмассы. Полимерные связующие служат основой композиционных материалов. Для производства полимеров имеются огромные запасы сырья. Исходными материалами для их получения являются природный газ и так называемый «попутный» газ, сопровождающий выходы нефти. В газообразных продуктах переработки нефти содержится этилен, пропилен и другие газы, перерабатываемые на предприятиях в полимеры. Сырьем для полимеров служит также каменноугольный деготь, получаемый при коксовании угля и содержащий фенол и другие компоненты. В производстве синтетических материалов применяют также азот и кислород, получаемые из воздуха, воду и ряд других широко распространенных веществ. Наполнители представляют собой разнообразные неорганические и органические порошки и волокна. В виде наполнителей слоистых пластмасс широко применяют также бумагу, ткани, древесный шпон и другие листовые материалы. Наполнители значительно уменьшают потребность в дорогом полимере и тем самым намного удешевляют изделия из пластмасс. Кроме того, наполнители улучшают ряд свойств изделий – повышают теплостойкость, а волокна ткани и листовой материал сильно повышают сопротивление растяжению и изгибу, действуя подобно арматуре в железобетоне. Пластификаторы – это вещества, добавляемые к полимеру для повышения его высокоэластичности и уменьшения хрупкости. В виде пластификаторов могут использоваться некоторые низкомолекулярные высококипящие жидкости Молекулы жидкости, проникая между звеньями цепей полимера, увеличивают расстояние и ослабляют связи между ними. Это и приводит к уменьшению вязкости полимера. При изготовлении пластмасс в их состав вводят и другие добавки. Вещества, являющиеся инициаторами реакции полимеризации, ускоряют процесс отверждения пластмасс, и их, поэтому называют отвердителями. Стабилизаторы способствуют сохранению структуры и свойства пластмасс во времени, предотвращая их раннее старение при воздействии солнечного света, кислорода воздуха, нагрева и других неблагоприятных влияний. В качестве красителей пластмасс применяют как органические (нигрозин, хризоидин и др.), так и минеральные пигменты – охру, мумие, сурик, ультрамарин, белила и др. Для производства пористых пластических масс в полимеры вводят специальные вещества – порообразователи (порофоры), обеспечивающие создание в материале пор. Положительным свойством пластмасс является то, что возможно получить некоторые материалы с высокими показателями, например: • малая плотность в пределах от 20 до 2200 кг/м3; • высокие прочностные характеристики – у текстолита предел прочности при разрыве достигает 150 МПа, у древопластиков равен 350 МПа. Пределы прочности при сжатии этих материалов также достаточно высоки, например у древопластиков порядка 200 МПа, у СВАМа (стекловолокнистый анизотропный материал) – 420 МПа. Пластмассы с наполнителями (как порошкообразными, так и волокнистыми) имеют предел прочности при сжатии в пределах от 120 до 160 МПа; • низкая теплопроводность. Самые легкие пористые пластмассы имеют показатель теплопроводности всего лишь 0,03 Вт/(м∙°С), т.е. близкий к теплопроводности воздуха; • высокая химическая стойкость; • высокая устойчивость к коррозионным воздействиям; • способность окрашиваться в различные цвета; • малая истираемость некоторых пластмасс. В связи с этим в первую очередь эти пластмассы целесообразно внедрять как материалы для покрытия полов; • прозрачность пластмасс. Обычные стекла пропускают менее 1% ультрафиолетовых лучей, тогда как органические наоборот – более 70%; они легко окрашиваются в различные цвета. Следует отметить их значительно меньшую плотность. Так, стекло из полистирола имеет плотность 1060 кг/м3, тогда как обычное оконное стекло – 2500 кг/м3; ◦ технологическая легкость обработки (пиление, сверление, фрезерование, строгание, обточка и др.), позволяющая придавать изделиям из пластмасс разнообразные формы. Пластмассовые изделия поддаются склеиванию как между собой, так и с другими материалами (например, с металлом, деревом и др.). Поэтому из пластмасс можно изготовлять различные комбинированные клееные строительные изделия и конструкции; ◦ относительная легкость сварки материалов из пластмасс (например, труб в струе горячего воздуха) позволяет механизировать работы по монтажу пластмассовых трубопроводов; ◦ способность некоторых пластмасс образовывать тонкие пленки в сочетании с их высокой адгезией к ряду материалов, вследствие чего такие пластмассы незаменимы как сырье для производства строительных лаков и красок; ◦ наличие в стране обширной сырьевой базы для производства полимеров (природные газы, газы нефтепереработки). Вместе с тем пластмассы имеют ряд недостатков: • низкая теплостойкость (от +70 до +200°С); • малая поверхностная твердость; • высокий коэффициент термического расширения. Он колеблется в пределах 25-120∙10-6, т.е. в 2,5-19 раз более высокий, чем у стали. Это необходимо учитывать при проектировании строительных конструкций, особенно крупноразмерных (например, трубопроводов); • повышенная ползучесть, особенно заметная при повышении температурного режима; • горючесть с выделением вредных газов; • токсичность при эксплуатации. Некоторые изделия из полимерных материалов. Материалы для несущих и ограждающих конструкций. Полимербетоны – композиционные материалы, изготовляемые преимущественно на основе термореактивных полимеров: полиэфирных, эпоксидных, фенолформальдегидных, фурановых и др. Заполнители выбираются в зависимости от вида агрессивной среды. Для кислых сред изготовляют полимербетоны на кислотостойких заполнителях – кварцевом песке и щебне из кварцита, базальта или гранита. Используют также бой кислотоупорного кирпича, кокс, антрацит, графит. Расход связующего составляет 100-200 кг на 1 м3 полимербетона при соотношении к наполнителю 1:5-1:12 по массе. Технология приготовления и уплотнения полимербетонов такая же как и цементных. Термообработка при 40-80°С значительно ускоряет процесс твердения. Полимербетоны (полимеррастворы) хорошо склеиваются с цементным бетоном, поэтому его применяют для ремонта железобетонных конструкций. Дня уменьшения хрупкости полимербетона применяют волокнистые наполнители – асбест, стекловолокна и др. Полимербетоны отличаются от обычного цементного бетона не только химической стойкостью (особенно по отношению к кислотам), но и высокими показателями прочности, в особенности при растяжении (7-20 МПа) и изгибе (16-40 МПа). Прочность при сжатии достигает 60- 120 МПа. Морозостойкость полимербетонов может иметь 200-300 циклов замораживания и оттаивания; теплостойкость – 100-200°С. Но их стоимость в несколько раз выше цементных блоков. Применяют полимербетоны для химически стойких конструкций, износостойких покрытий, там, где высокая стоимость полимербетонов будет оправданна. Отрицательным свойством полимербетонов является их большая ползучесть, а также старение, усиливающееся при действии попеременного нагревания и охлаждения. Кроме того, необходимо соблюдение специальных правил охраны труда при работе с полимерами и кислыми отвердителями, могущими вызвать ожоги. В частности, необходима хорошая вентиляция, обеспечение рабочих защитными очками, резиновыми рукавицами, спецодеждой. Стеклопластики – это композиционные листовые материалы, изготовляемые из стеклянных волокон или тканей, связанных полимером. Связующим веществом в стеклопластиках обычно служат фенолформальдегидные, полиэфирные и эпоксидные полимеры. Выпускают три разновидности стеклопластиков: на основе ориентированных волокон, рубленых волокон и тканей или матов. Стеклопластики с ориентированными волокнами (типа СВАМ- стекловолокнистого анизотропного материала) обладают большей прочностью (при растяжении до 100 МПа), легкостью (их плотность 1,8-2 г/см3), что в сочетании с химической стойкостью делает их эффективным материалом для строительных конструкций, емкостей и труб. Стеклопластики с рубленым стеклянным волокном изготовляют в виде волокнистых или плоских листов на полиэфирном связующем, обладающем светопрозрачностью. Эти изделия применяют для устройства кровель, ограждений балконов, лоджий и перегородок. Стеклопластики, изготовляемые на основе стеклянной ткани (стеклотекстолиты), получают горячим прессованием полотнищ ткани, пропитанной термореактивным полимером, при высоком давлении и температуре. Стеклотекстолит идет для наружных слоев трехслойных стеновых панелей (внутренний слой панели из теплоизоляционного материала). Этот же материал применяют для устройства оболочек и других строительных конструкций. Стеклотекстолиты получают также прессованием пастообразной массы из полиэфирного полимера, стекловолокна, асбеста и порошкообразного наполнителя. Из этого материала формуют оконные и дверные блоки, фурнитуру, санитарно-технические изделия. Облицовочные полистирольные плитки – тонкие, квадратной или прямоугольной формы, с гладкой наружной и рифленой тыльной поверхностью. Плитки изготовляют методом литья под давлением на литьевых автоматических машинах. Полимерная композиция включает кроме полимера еще наполнитель (тальк, каолин), пигмент, а иногда и модифицирующие добавки. Толщина плиток – 1,25-1,5 мм, поэтому масса 1 м3 плиток составляет лишь 1,5-1,7 кг. К поверхности стен плитки приклеивают полимерными или каучуковыми мастиками. Плитки имеют красивые расцветки, гигиеничны, водо- и химически стойки. Плитки применяют для облицовки стен санузлов и торговых помещений. Однако полистирольные плитки горючи, поэтому их нельзя использовать возле открытого огня (например, около газовых плит). Отделочные полистирольные плитки («полиформ») изготовляют из ударопрочного полистирола с добавлением вспенивающего компонента толщиной 8-10 мм. Панели крепят при помощи шурупов и гвоздей, используют для внутренней облицовки потолков, стен, а также для устройства передвижных перегородок и элементов интерьера. Бумажно-слоистые пластики изготовляют из нескольких слоев специальной бумаги, пропитанных фенолформальдегидным или карбомидным полимером. Пластик выпускают в виде листов длиной 1000-3000 мм, шириной 600-1600 мм, толщиной 1-5 мм. Бумажнослоистые пластики разнообразны по цвету и рисунку, хорошо обрабатываются, – их можно пилить, сверлить, фрезеровать. Пластик толщиной до 1,6 мм крепят битумно-каучуковыми и другими мастиками, эпоксидными и резорцино-формальдегидными клеями. Более толстые листы пластика крепят механическим способом. Материалы для полов. Линолеум выпускают безосновный и на теплозвукоизоляционной основе (тканевой, войлочной, вспененной). Независимо от основы линолеум может состоять из двух или большего количества слоев. Верхний лицевой полимерный слой содержит меньше наполнителей, более стоек к истиранию, эластичен и декоративно оформлен. Последний слой более жесткий, содержит меньше полимера и больше наполнителей, чем лицевой слой. Наполнителями служат тонкие минеральные порошки (мел, тальк и др.). Линолеум на тканевой основе получают путем нанесения пасты, содержащей полимер, пластификатор, наполнитель, краситель и другие добавки, на джутовую или иную ткань. Затем ткань со слоем нанесенной пасты проходит через термокамеру, в которой происходят полимеризация и превращение пасты в упругий и эластичный мате риал. Войлочную основу линолеума пропитывают антисептиками для придания биостойкости. Линолеум-релин (резиновый линолеум) состоит из двух слоев – нижнего (подкладочного), изготовленного из бывшей в употреблении дробленой резины с битумом, и верхнего (лицевого) – из смеси синтетического каучука (резины) с наполнителем и пигментом. Двухслойный линолеум выпускают и другого типа: лицевым слоем служит обычный линолеум, а подкладочным – ячеистая (вспененная) пластмасса, придающая покрытию пола высокие тепло- и звукоизоляционные свойства. Около половины общего выпуска рулонных полимерных материалов для пола приходится на долю поливинилхлоридного линолеума. Чистые полы из этого линолеума гигиеничны, биостойки и огнестойки. Низкая себестоимость и незначительные эксплуатационные расходы являются их преимуществом перед паркетным и дощатыми полами. Выпускается также глифталевый (алкидный) и коллоксилиновый (нитроцеллюлозный) линолеумы коричневого и красного цветов. Из-за повышенной возгораемости коллоксилиновый линолеум не применяют в детских учреждениях, театрах и т.п. Линолеум изготовляют с гладкой и рельефной поверхностью, придавая ей разные цвета и рисунок. Длина рулонов 12 м, ширина 1,4-1,6 м, толщина 2-4 мм. Укладывают линолеум по ровному основанию, наклеивают с использованием горячих и холодных мастик. Ковровые синтетические материалы для пола имеют основу из полиуретана (или другого полимера), а для верха ковра применяют синтетические волокна, из которых изготовляют тканые и нетканые покрытия. Например, ворсолин состоит из двух слоев: основой его служат поливинилхлоридная пленка, а покрытие выполнено из ворсовой пряжи. Для устройства чистых полов могут применяться водостойкие сверхтвердые древесно-стружечные плитки плотностью не менее 950 кг/м3, имеющие высокую прочность при изгибе (не ниже 50 МПа). Однако при сборке пола даже из крупноразмерных листов все же получаются швы. Из полимерных материалов можно устраивать чистые монолитные полы, вовсе не имеющие швов. Для этой цели применяют мастики, состоящие из связующего полимерного вещества, наполнителей, специальных добавок и красителей. Бесшовные полы устраивают, применяя состав на основе водоразбавляемой поливинилацетатной эмульсии. Водную дисперсию полимера, воду, наполнитель (молотый песок, зола и т.п.), пигмент загружают в растворомешалку. Полученную после 4-5 мин перемешивания однородную мастику наносят на подготовленное основание пистолетом-распылителем в 2-3 слоя, причем каждый последующий слой наносят после высыхания предыдущего. Полиэфирные составы для бесшовных полов приготовляют, используя перекисные инициаторы и наполнители в виде стеклянного волокна, белой сажи и др. Благодаря химической стойкости, сопротивлению ударам и истиранию полимерные полы применяют в первую очередь в зданиях с химически агрессивными средами. Однако полиэфирные полы недостаточно водостойки. Полимербетонные наливные полы толщиной 20-50 мм не только химически стойки, но и способны выдержать тяжелые нагрузки, возникающие при работе внутрицехового транспорта. Полимерным связующим в бетоне являются фенолформальдегидные, фурановые, эпоксидные или полиэфирные смолы с модификаторами, пластификаторами, отвердителями, стабилизаторами и другими добавками. В состав бетонной смеси помимо связующего входят порошкообразный наполнитель и заполнители (песок, щебень или гравий). Полимербетонную смесь укладывают на хорошо подготовленное основание и уплотняют виброрейками или катками, потом поверхность пола заглаживают. Плитки для пола размерами 300x300, 200x200 и 150x150 мм изготовляют из поливинилхлорида, инденкумаронового полимера или резины. Износостойкие и химически стойкие плитки получают также из фенолоальдегидных прессовочных порошков, состоящих из полимера, наполнителя и добавок. Трубы. Санитарно-технические и погонажные изделия. Термопластичные трубы получают из поливинилхлорида, полиэтилена и полипропилена экструзивным способом, прессованием, сваркой или склеиванием из листовых заготовок. Например, трубы из органического стекла получают непрерывным свертыванием листов-заготовок с одновременной сваркой шва. Пластмассовые трубы легки (в 3-6 раз легче стальных), обладают высокой коррозионной стойкостью. Благодаря низкому коэффициенту трения внутренней поверхности пропускная способность труб увеличивается на 30-40% (по сравнению с железобетонными или стальными). Трубы легко резать, сверлить, сваривать. Их используют при сооружении канализационных и водопроводных сетей, вентиляционных сетей, вентиляционных систем. Прозрачные трубы из органического стекла не имеют запаха, гигиеничны, наибольшее применение находят в парфюмерном производстве и медицинской промышленности. Стеклопластиковые трубы изготовляют из полиэфирных полимеров, стекложгута, стеклоткани центробежным методом, намоткой на сердечник пропитанной стеклоткани и стеклолент. Стеклопластиковые трубы значительно прочнее других полимерных труб, они выдерживают рабочие температуры до 150°С. Применяют их в основном при строительстве химических предприятий и в нефтяной промышленности. Для получения санитарно-технических изделий применяют полиметилметакрилат, ударопрочный полистирол, полипропилен, полиамиды, стеклопластики. Из пластмасс изготовляют ванны, мойки, сифоны, смывные бачки, детали вентиляторов, отдельные детали в кранах-смесителях и т.д. Все эти изделия отличаются малой массой (пластмассовая ванна примерно в 10 раз легче эмалированной), коррозионной стойкостью. Изделия из пластмасс обходятся дешевле фаянсовых и чугунных. Цветные длинномерные элементы для отделки зданий, называемые погонажными изделиями, – плинтуса, поручни лестничных перил, наличники, нащельники, защитные уголки для лестничных перил, проступи и т.п. изготовляют на основе поливинилхлорида, полиэтилена, полистирола, органического стекла. Такие профильнопогонажные изделия имеют гладкую поверхность, окрашиваются в различные цвета. Изделия долговечны и обходятся не дороже деревянных. Полимерные клеи и мастики. Клеи из синтетических материалов обладают высокой клеящей способностью (адгезией) и водостойкостью. Разработаны универсальные составы, которые в отличие от природных клеев хорошо склеивают древесину, пластмассу, металлы, керамику, стекло, природные и искусственные камни. Полимерные клеи дают возможность просто и быстро осуществлять сборку строительных элементов. При этом прочность клеевых стыков может быть выше прочности самого материала. Широко применяют полимерные клеи для ремонта железобетонных конструкций, главным образом клеи на эпоксидных смолах. Применение клеев способствовало развитию производства индустриальных деревянных клееных конструкций. Клеи изготовляют из различных полимерных смол, каучуков и производных целлюлозы. Для регулирования свойств в клеи вводят растворители, наполнители, пластификаторы, отвердители. Применяют клеи горячего и холодного отверждения. Мастиками называют высоковязкие полимерные композиции, способные склеивать различные материалы, покрывать поверхность конструкций довольно толстым слоем для предохранения их от коррозии, заполнять щели, раковины, отверстия и другие углубления для получения гладкой поверхности или обеспечения герметичности. По свойствам и технологии мастики отличаются от клеев только повышенной вязкостью или значительным содержанием наполнителя. Вопросы для самоконтроля 1. Назовите положительные и отрицательные свойства некоторых полимерных материалов. 2. Что такое полимеризационные и поликонденсационные полимеры, термопластичные и термореактивные? Приведите примеры. 3. Из каких компонентов состоит пластмасса? 4. Назовите основные приемы переработки пластмасс, и какие материалы при этом можно получить? 5. Назовите основные материалы для полов. 6. В чем заключается модификация традиционных материалов (и каких) полимерами? Лекция 12 БИТУМНЫЕ И ДЕГТЕВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И БЕТОНЫ (РАСТВОРЫ) НА ИХ ОСНОВЕ К битумным материалам относятся следующие. Природные битумы – вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводородов и их неметаллических производных: серы, азота, кислорода и др. Природные битумы получились в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако природные битумы в чистом виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные породы. Асфальтовые породы – пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Из этих пород извлекают битум или их размалывают и применяют в виде асфальтового порошка. Нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой нефтяного сырья, в зависимости от технологии производства могут быть: остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел; окисленные, получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти. Гудрон – остаток после отгонки из мазута масляных фракций; он является основным сырьем для получения нефтяных битумов, используется в виде связующего вещества в дорожном строительстве. К дегтевым материалам относят различные виды дегтя и пеки, получаемые в результате сухой перегонки каменного угля, древесины и др. Все эти материалы относятся к органическим вяжущим веществам. Наиболее широкое применение они получили в промышленно-гражданском, гидротехническом, дорожном строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных и уплотняющих материалов – асфальтобетона, асфальтораствора. Органические вяжущие хорошо совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в соответствии с требованиями современного строительства. Битумные вяжущие вещества. Состав и строение битумов. Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим веществам. Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70-80%, водорода 10-15%, серы 2-9%, кислорода 1-5%, азота 0-2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Все многообразие соединений, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла. Твердая часть битума – это высокомолекулярные углеводороды и их производные с молекулярной массой 1000-5000, плотностью более 1, объединенные общим названием «асфальтены». Смолы представляют собой аморфные вещества темно- коричневого цвета с молекулярной массой 500-1000, плотностью около 1. Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов с молекулярной массой 100-500, плотностью менее 1. Свойства битума как дисперсной системы определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальтенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума. Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при пониженных температурах. Поэтому стремятся к тому, чтобы содержание парафина в битуме не превышало 5%. Состав определил практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние: нагревание до 140-170°С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах; растворение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т.п.); эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст. Свойства битумов. Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготавливаемых на их основе, различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве. Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м∙°С); теплоемкость – 1,8-1,97 кДж/кг∙°С. Коэффициент объемного теплового расширения при 25°С находится в пределах от 5∙104 до 8∙10-40С-1, причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения. Устойчивость при нагревании характеризуется потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и температурой вспышки (230-240°С в зависимости от марки). Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей. Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20-25°С составляет 25-35 эрг/см2. От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионовСа2+ и Mg2+. Старение – процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел. Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. Битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей оксиды азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др. Физико-механические свойства. Марку битума определяют по твердости, температуре размягчения и растяжимости. Твердость определяют по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра) прибора – пенетрометра. Температуру размягчения определяют на приборе «кольцо и шар», помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той температуре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное испытуемым битумом. Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) образца битума («восьмерки») при температуре 25°С, определяемым на приборе – дуктилометре. Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению различают битумы строительные, кровельные и дорожные. Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных кровель. Кровельные битумы используют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким битумом марки БНК 45/180 пропитывают основу (кровельный картон); а тугоплавкие битумы служат для покровного слоя. Битумом пропитывали железобетонные конструкции, работающие в грунте, в частности сваи для антикоррозионной защиты. Дегтевые вяжущие вещества. Деготь представляет собой густую вязкую массу чернокоричневого цвета, образующуюся при нагревании без доступа воздуха твердых видов топлива (каменного и бурого углей, горючего сланца, торфа, древесины). В строительстве применяют главным образом каменноугольные дегти, получаемые в коксохимическом производстве. При переработке 1 т угля получают 700-750 кг кокса, 300-350 м3 коксового газа, 12-15 л бензола, до 3 кг аммиака и 30- 40 кг сырой каменноугольной смолы (сырого дегтя). Дегтевые вяжущие вещества подразделяются на следующие виды: сырой каменноугольный деготь: а) низкотемпературный первичный, получаемый при полукоксовании, заканчивающемся при 500-600°С; представляет собой вязкую темно-бурую жидкость плотностью 0,85-1 г/см3, состоящую из насыщенных и ненасыщенных углеводородов и фенола: часто служит для получения отогнанного угля; б) высокотемпературный деготь, получаемый при коксовании (которое заканчивается при 1000-1300°С) в виде черной вязкой жидкости, либо вязкотвердого продукта плотностью 1,12-1,23 г/см и температурой размягчения до 40-70°С; отогнанный деготь (каменноугольная смола), получаемый в результате фракцирования сырой низкотемпературной смолы с выделением из нее лигроиновой и керосиновой фракций (до 30% от массы смолы); по своей вязкости и свойствам близок к высокотемпературному дегтю; пек, являющийся твердым остаточным продуктом перегонки сырой каменноугольной смолы. Пек – аморфная хрупкая масса черного цвета с характерным раковистым изломом плотностью 1,25-1,28 г/см3; состоит из высокомолекулярных углеводородов и их производных, а также свободного углерода от 8 до 30%; составленные дегти, получаемые сплавлением песков с дегтевыми маслами (антраценовым или др.) или обезвоженными сырыми дегтями. Состав каменноугольного дегтя характеризуется содержанием следующих групп веществ: твердые (углистые и неплавкие вещества), нерастворимые в органических растворителях, называемые свободным углеродом; дегтевые смолы твердые неплавкие (подобные асфальтенам в битуме) и вязко-пластичные плавкие смолы, растворимые в бензоле и хлороформе; жидкие дегтевые масла, состоящие в основном из жидких углеводородов. Следовательно, дегтевые вяжущие представляют собой сложные дисперсные системы, свойства которых будут определяться соотношением между твердой составляющей, смолами и маслами. Свойства дегтей. Средняя плотность каменноугольных дегтей -1,25 г/см3. Вязкость дегтей повышается с увеличением количества свободного углерода и твердых смол за счет уменьшения масляной части дегтя. Температура размягчения дегтей высоких марок обычно ниже, чем тугоплавких битумов. Атмосферостойкость дегтевых материалов (толя, толь-кожи и др.) ниже по сравнению с битумными материалами (рубероидом, пергаментом и др.). Это объясняется тем, что дегти стареют быстрее, чем нефтяные битумы. В дегтях содержится большое количество непредельных углеводородов, которые подвергаются окислительной полимеризации при контакте с кислородом и водой, воздействии ультрафиолетовых лучей солнечного света. Испарение масел и частичное вымывание водой фенолов ускоряет старение, – дегтевые материалы становятся хрупкими и теряют водоотталкивающие свойства. Биостойкость материалов на основе дегтевых вяжущих выше по сравнению с битумными материалами. Стойкость против гниения объясняется высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола (карболовой кислоты). Асфальтовые бетоны и растворы. Для приготовления асфальтовых растворов и бетонов применяют асфальтовое вяжущее, представляющее смесь нефтяного битума с тонкомолотыми минеральными порошками (известняка, доломита, мела, асбеста, шлака). Минеральный наполнитель не только уменьшает расход битума, но и повышает температуру размягчения бетона. Мелким заполнителем в растворе и бетоне служат чистые природные и искусственные пески с содержанием пылевато-глинистых частиц не более 3% по массе. Щебень изготовляют из прочных и морозостойких изверженных, осадочных и метаморфических горных пород, а также из металлургических шлаков. Асфальтовые бетоны подразделяют по назначению на гидротехнические, дорожные и аэродромные, для устройства полов в промышленных цехах и складских помещениях, плоской кровли, стяжек. Основные свойства асфальтового бетона зависят от примененного асфальтового вяжущего, состава и пористости. Пористость асфальтового бетона обычно колеблется от 5 до 7%. Плотные бетоны (с пористостью не более 5%) практически водонепроницаемы. Биохимическая стойкость характеризует сопротивление «органическому выветриванию» под влиянием бактерий, вызывающих разложение сложных органических веществ, составляющих битум. Для повышения биостойкости в состав битумного вяжущего вводят антисептики. Состав асфальтового раствора должен быть такой, чтобы пустоты в песке были полностью заполнены асфальтовым вяжущим с избытком (10-15%) для обволакивания песчинок. Асфальтовый бетон можно представить как смесь асфальтового раствора и крупного заполнителя – щебня. Количество асфальтового раствора берут с расчетом заполнения пустот в щебне и небольшого избытка (10-15%) для плотного бетона. В отличие от цементного бетона на показатели прочности асфальтового бетона сильно влияет температура. Например, если предел прочности при сжатии асфальтобетона при 20°С – 2,2-2,4 МПа, то при 50°С – только 0,8-1,2 МПа. Зато асфальтовые бетоны и растворы лучше, чем цементные, противостоят коррозии. Асфальтовые бетоны укладывают в горячем или холодном состоянии. Наиболее распространены горячие асфальтобетонные смеси, имеющие при укладке температуру 140-170°С. Асфальтовые бетоны, укладываемые в холодном состоянии, приготовляют на жидких битумах и битумной эмульсии. Жидкий битум подогревают до 110-120°С и смешивают с высушенными и подогретыми до той же температуры заполнителями. Асфальтобетонную смесь охлаждают до 60°С, развозят на места и укладывают при температуре окружающей среды не ниже 5°С. Бетон готовят и на битумной эмульсии, смешивая вяжущие и заполнители без подогрева. В дегтебетон в качестве вяжущего вещества входит деготь (или пек). Водостойкость, износ и долговечность дегтебетона ниже, чем асфальтового бетона. Вопросы для самоконтроля 1. Как получают битумы и дегти? 2. По каким показателям определяют марку битума? 3. Назовите составы асфальтобетона и асфальтораствора. 4. В результате чего идет процесс твердения асфальтобетонов? 5. Где применяются органические вяжущие? Лекция 13 КРОВЕЛЬНЫЕ, ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ Общие сведения. Назначение кровельных, гидроизоляционных и герметизирующих материалов – изоляция строительных конструкций от воздействия влаги и агрессивной внешней среды. Условия, в которых работают кровельные материалы, существенно отличаются от условий, в которых работают гидроизоляционные материалы. Кровельные материалы подвергаются периодическому увлажнению и высушиванию, воздействию прямого солнечного излучения (особенно опасно действие его УФ-составляющей), нагреву, замораживанию, снеговым и ветровым нагрузкам. Чтобы длительно и успешно работать в таких условиях, кровельные материалы должны быть атмосферостойкими, светостойкими, водо- и морозостойкими и достаточно прочными В тех же случаях, когда крыша является элементом сооружения (мансардные, двускатные, вальмовые и т.п. кровли), материал должен отвечать и определенным архитектурно-декоративным требованиям. И, наконец, технологичность и экономичность – общее требование ко всем кровельным материалам. Гидроизоляционные материалы, в отличие от кровельных, работают в условиях постоянного воздействия влаги или агрессивных водных растворов (часто под давлением); температурные условия их работы более стабильны, солнечное облучение отсутствует, но возможно развитие гнилостных процессов. От гидроизоляционных материалов требуется полная водопроницаемость, долговечность, зависящая от гнилостойкости и коррозионной стойкости, и свойства, обеспечивающие сохранение сплошности материала при различных внешних механических воздействиях Технологичность и экономичность остаются также непременными требованиями Герметизирующие материалы – особый вид материалов, назначение которых – обеспечить герметичность (водонепроницаемость и непродуваемость) стыков элементов зданий и сооружений (например, уплотнение стыков между панелями или между оконными блоками и стеной). Для получения кровельных и гидроизоляционных материалов и изделий используют разнообразные материалы: металлы, керамику, асбестоцемент, битумы, полимеры и др. В этой главе рассматриваются самые распространенные кровельные, гидроизоляционные и герметизирующие материалы, получаемые на основе битумов, дегтей и полимеров. Кровельные материалы. Материалы на основе битумных, полимербитумных и полимерных связующих – главнейший вид кровельных материалов. К ним относятся самые разные по форме, размерам и физическому состоянию материалы: - мембранные – большеразмерные полотнища (площадью 100...500 м2); - рулонные полотнища шириной около 1 м и длиной 7...20 м, поставляемые на строительную площадку в рулонах; - штучные и листовые – мелкоразмерные полосы и листы (площадью не менее 1 и 2 м2 соответственно); - мастичные – вязкие жидкости, образующие водонепроницаемую пленку после нанесения на изолируемую конструкцию. Выбор того или иного материала зависит от многих факторов: - конструктивных (угол наклона крыши, материал основания и др.); - технологических (простота устройства покрытия); - архитектурно-декоративных (желаемый цвет и фактура поверхности кровли); - экономических (стоимость и долговечность). Рулонные материалы. Этот вид кровельных материалов находит наибольшее применение. Площадь кровель, выполненных из рулонных материалов, составляет 45...47% от общей площади кровель в России. Объясняется это, с одной стороны, невысокой стоимостью самих материалов и простотой устройства кровельного покрытия, а с другой – тем, что рулонные материалы – наиболее удобный вид кровельного материала для плоских (угол наклона 3...6°) кровель, характерных для типовых многоэтажных панельных и кирпичных зданий. Первые рулонные материалы, появившиеся в начале XX в., – это толь, пергамин и рубероид. В основе этих материалов лежит кровельный картон, пропитанный черными вяжущими. Кровельный картон получают из вторичного текстиля, макулатуры и древесного сырья. Картон имеет рыхлую структуру и хорошо впитывает влагу и другие жидкости (в частности, расплавленный битум). При увлажнении под действием солнечного излучения и в результате гниения картон теряет свои свойства. Пропитка битумом и дегтем замедляет, эти процессы. Марка картона устанавливается по его поверхностной плотности (масса 1 м3 картона в г); она может быть от 300 до 500; ширина кровельного картона – 1000; 1025 и 1050 мм. Толь – картон, пропитанный и покрытый с двух сторон дегтем. В качестве кровельного материала толь применяют лишь для временных сооружений, так как деготь быстро стареет на солнце и материал разрушается через 2-3 года. Более целесообразен толь для гидроизоляции, где отсутствует солнечное излучение и где важную роль играют антисептические свойства дегтя. Пергамин – простейший рулонный материал, получаемый пропиткой кровельного картона расплавленным легкоплавким битумом (например, БНК 45,180). Применяют пергамин для нижних слоев кровельного ковра и для устройства пароизоляционных прокладок в строительных конструкциях. Марки пергамина П-300; П-350 и т.п. (П – пергамин; 300 – марка картона). Рубероид – многослойный материал, получаемый, как и пергамин, пропиткой кровельного картона легкоплавким битумом и последующим нанесением с обеих сторон слоя тугоплавкого битума, наполненного минеральным порошком. Лицевая сторона рубероида покрывается посыпкой (песком, слюдой, сланцевой мелочью и т.п.), защищающей материал от УФ-излучения; нижняя сторона – порошком из известняка или талька для защиты от слипания слоев в рулоне. Длина рулона 10...20 м. Марки рубероида – РКК-420; РКЧ-350 и т.п. (Р – рубероид; К- кровельный; К и Ч – вид посыпки, соответственно, – крупнозернистая или чешуйчатая). Для нижних слоев кровельного ковра выпускается рубероид подкладочный (П) с пылеватой посыпкой (П) с обеих сторон (например, РПП-300). Качество рулонных кровельных материалов оценивается в соответствии со стандартом комплексам показателей: - прочностью, характеризуемой силой, необходимой для разрыва образца материала шириной 5 см, Н; - деформативностью, характеризуемой относительным удлинением материала при разрыве,%; - гибкостью на холоде, характеризуемой минимальной температурой, при которой образец материала не трескается при загибе его вокруг бруса радиусом 25 мм (для материалов с основой) и 5 мм (для безосновных), °С; - теплостойкостью, характеризуемой максимальной температурой, при которой у вертикально подвешенного образца не наблюдается стекания покровной массы, °С; - водопоглощением, %; - водонепроницаемостью, характеризуемой временем, в течение которого образец не пропускает воду при определенном давлении. Так, рубероида марок РКК-400; РКК-350 и РПП-300 в соответствии с техническими условиями должны иметь следующие показатели Таблица 13.1 – Технические характеристики материала Показатели РК-400 РКК-350 РПП-300 Разрывная сила при растяжении, Н, не менее 340 320 220 Теплостойкость, °С, не менее 80 80 80 Гибкость на брусе R – 25 мм,° С +5 +5 +5 Водопоглощение, % 2,0 2,0 2,0 Водонепроницаемость при давлении Р = 0,001 МПа в течение, ч 12 12 72 Кровля из рубероида и пергамина многодельна, так как представляет собой многослойный (3...5 слоев) кровельный ковер, выклеиваемый на крыше с помощью битумных мастик. Из-за хрупкости битумного связующего на холоде устройство кровли из рубероида невозможно в зимний период. Помимо этого, кровли из обычного рубероида и пергамина имеют невысокую долговечность – 5...6 лет. Последнее объясняется низкими значениями прочности и водо- и биостойкостью картонной основы. А также узким интервалом рабочих температур битумного вяжущего: на холоде (около 0°С) он становится хрупким, а при нагреве до 60...80°С размягчается и течет. Кроме того, и битум, и картонная основа быстро стареют под действием солнечного излучения и кислорода воздуха. Современные рулонные материалы прошли длинный путь совершенствования свойств и мало напоминают традиционный рубероид. Модификация рубероида происходила в несколько этапов. Первым этапом было упрощение технологии устройства кровельного ковра благодаря внедрению наплавляемого рубероида. Он отличается от обычного рубероида более толстым слоем битума (в особенности на нижней стороне материала, где, в соответствии со стандартом, расход битума должен быть не менее 1500 г/м2). Из наплавляемого рубероида кровельный ковер получают без клеящих мастик путем подплавления нижней поверхности рубероида газовой горелкой с последующей его прикаткой. Следующим шагом была замена основы непрочной и подверженной гниению картонной основы на более прочную и гнилостойкую. Были опробованы асбестокартон и основы на базе стекловолокна и синтетического волокна «полиэстр» в виде тканей, холста и нетканого полотна. (Стеклохолст – простейший вид стеклоткани, выполненный полотняным переплетением (через раз) из нескрученных прядей стеклянного волокна (ровницы). Нетканое полотно – полотно, в котором волокна расположены хаотически (например, сукно или войлок) и скрепляются между собой силой трения, клеевым составом или термической сваркой). В настоящее время предпочтение отдают нетканым основам и стеклохолсту. Стекловолокнистые основы отличаются малым удлинением при разрыве (ε = 1,5...3%); у синтетических – оно выше (ε = 35...40%). Производят материалы на основе алюминиевой и медной фольги (например, материал фольгоизол). Фольга, находящаяся на лицевой стороне материала, придает ему декоративные свойства и защищает от солнечного излучения. Применение новых прочных и долговечных основ, в свою очередь, потребовало модификации битумного связующего в сторону повышения его долговечности и расширения диапазона рабочих температур. Эта задача была решена путем модификации битума полимерами. Полимерные добавки позволяют расширить интервал рабочих температур битума (снижая температуру хрупкости и повышая температуру размягчения) и обеспечивают сохранение эластичности вяжущего длительное время (т.е. повышают долговечность материала). В настоящее время для модификации битума используют в основном термоэлапласты, в частности атактический полипропилен (АПП) – побочный продукт при производстве полипропилена, по внешнему виду и свойствам напоминает невулканизированный каучук, и синтетические каучуки, например стирол-бутадиенстирольный (СБС). Битумы, модифицированные АПП, по сравнению с обычным окисленным битумом характеризуются высокой теплостойкостью, хорошей гибкостью на холоде (до -20°С) и высокой устойчивостью к атмосферным воздействиям. Битумы, модифицированные СБС, характеризуются еще более высокой гибкостью на холоде (до -30°С), но они более чувствительны к УФ-облучению, в связи с чем требуют применения эффективной защиты от солнечного света. Материалы на основе таких модифицированных битумов имеют расширенный диапазон эксплуатационных температур, повышенную долговечность и позволяют производить работы по устройству кровли из рулонных материалов при отрицательных температурах (т.е. практически круглый год). У современных рулонных битумно-полимерных материалов для защиты от солнечного излучения применяют бронирующие посыпки из цветной минеральной (сланцевой, керамической) или полимерной крошки. Такие посыпки более надежны, чем традиционные (песок, слюда), и придают декоративность материалу. Промышленность рулонных кровельных материалов выпускает большое количество материалов на различных основах и с различными модификаторами, при этом каждое предприятие дает свое собственное название материалу. Так, завод «Филикровля» (Москва) производит материал «Филизол», завод «Изофлекс» (Кириши, Санкт-Петербург) выпускает широкий спектр материалов под названием «Изопласт» и т.д. Однако все эти материалы в принципе имеют одно и то же строение: многослойный композиционный материал на прочной негниющей основе, на которую с обеих сторон нанесен толстый слой битумно-полимерного связующего с декоративной посыпкой на верхней стороне и пленочной защитой от слипания на нижней. Толщина современных рулонных материалов 3...5 мм, что позволяет делать кровельный ковер двухслойным (а не 3...5-слойным) и укладывать его методом наплавления. Штучные материалы. Рулонные материалы в основном применяют для крыш с малым уклоном. Зрительно они образуют монотонную, лишенную декоративности поверхность. Для плоских, «невидимых» для людских глаз крыш это не имеет значения. В современном строительстве входят в моду крыши с большим уклоном (15...60°), поверхность которых уже является декоративным элементом здания. В этом случае необходимы кровельные материалы, придающие кровле цвет и фактуру. Традиционно такими материалами были черепица, натуральный шифер (плитки из сланца) и дранка. Каждый из них имеет свои положительные и отрицательные стороны. Как альтернативный вариант промышленность предлагает мяг кую черепицу – штучный материал, получаемый на основе традиционных рулонных материалов путем вырубки из полотна фигурных полос, которые при укладке напоминают кровлю из натурального шифера или дранки. Мягкая штучная кровля не нова: еще в 30-е годы в СССР использовались плитки из «рубероидного срыва», а в США – плитки «Шинглс». Сейчас подобные плитки улучшенного качества выпускают под различными названиями. Как правило, это листы размером (900...1000)х(350...400) мм, имитирующие 3...4 штуки плоской черепицы различной формы. Листы крепят к обрешетке гвоздями, а соединение листов друг с другом по вертикали обеспечивают само- клеящие участки на их нижней поверхности. Основанием под мягкую черепицу служит сплошная (дощатая) обрешетка. Минимальный угол наклона кровли 9...10°, максимальный не ограничивается; этим материалом можно облицовывать и примыкающие к крышам участки стен. Трудоемкость устройства кровельного покрытия невелика, а вес 1 м2 покрытия не превышает 10...12 кг. Цвет и шероховатая фактура лицевой поверхности достигаются минеральной посыпкой. Фирмы выпускают плитки практически любого цвета: одноцветные или имитирующие «объемность» материала. Кровли из таких материалов удивительно декоративны. Мягкая черепица более долговечна, чем аналогичные по строению рулонные материалы, из-за того, что она не образует сплошного покрытия, и деформации материала при старении локализуются в каждой плитке в отдельности, что исключает нарушение сплошности покрытия от внутренних напряжений. У мягкой черепицы долговечность кровли будет определяться потерей декоративности из-за потери цветной посыпки плиток. Волнистые битумно-картонные листы (ондулин) – штучный материал для кровель, представляющий собой гибкие листы размером 2000x1000 мм и толщиной около 3 мм (вес листа « 6 кг). Листы – волнистый картон, пропитанный битумом и с лицевой стороны, окрашенный атмосферостойкой полимерной краской. Окраска создает декоративный эффект и защищает картон и битум от действия солнечного излучения. Этот материал был предложен французской фирмой «Ондулин» в 40-х годах XX в. В настоящее время подобные волнистые листы производят многие фирмы. Ондулин укладывают по решетчатой обрешетке так же, как асбестоцементные волнистые листы (шифер); возможна укладка по старому кровельному покрытию. Укладку производят с нахлестом в одну волну с помощью гвоздей или шурупов. Долговечность материала более 30 лет. Мембранные покрытия. Для кровель промышленных, общественных и других зданий с малыми уклонами, прочными и плотными (например, бетонными) основаниями интерес представляют мембранные покрытия. Такие покрытия – как бы развитие идеи кровельного ковра из рулонных материалов, отличающихся тем, что мембрана сделана из высокоэластичного полимерного материала (эластомеров) с относительным удлинением 200...400% и высокой прочностью на растяжение и прокол. Материал мембраны сохраняет свои свойства при температуре от -60°С до +100 »°С. Размеры полотнищ таких материалов до 15x60 м (т.е. их площадь достигает до 900 м2). Одним из главнейших преимуществ мембранных покрытий является быстрота устройства кровельных покрытий больших площадей. Полотнища подают на крышу в сложенном виде, разворачивают и укладывают на основание. Стыкуют полотнища друг с другом са- мовулканизирующимися лентами; ими же выполняют примыкания. Возможна укладка мембран по старому кровельному ковру. Обязательным условием является тщательная очистка основания от твердых частиц. Сверху мембрана пригружается и защищается от УФ-излучения засыпкой гравием или бетонными плитками. При этом крыша может быть «эксплуатируемой». Мастичные кровельные покрытия получают при нанесении на основание (обычно бетонное) жидковязких олигомерных продуктов, которые, отверждаясь, образуют сплошную эластичную пленку. Мастики имеют хорошую адгезию к бетону, металлам и битумным материалам. По сути мастичные кровельные покрытия – это полимерные мембраны, формируемые прямо на поверхности крыши. Особенно удобны мастичные материалы при выполнении узлов примыкания. Мастики могут применяться как самостоятельно, так и совместно с армирующей основой (например, стеклотканью). Как правило, мастики представляют собой наполненные системы, пленкообразующим компонентом в которых служит жидкий каучук или другой реакционноспособный эластомер. Непосредственно перед нанесением в основную часть мастики вводится отверждающий (вулканизирующий) компонент. После этого мастика наносится валиком, кистью или распылителем на основание. Используются и однокомпонентные мастики, отверждающиеся кислородом или влагой воздуха. Большинство мастик позволяет работать даже при отрицательных температурах (до минус 5...10°С). Полное отверждение мастики, как правило, наступает не позже 1 сут после нанесения. Обычно мастика наносится в 2...3 слоя, в результате чего образуется пленка толщиной 2...3 мм. Эластичность образующихся пленок очень велика (относительное удлинение при разрыве 300...500%). В случае использования стеклоткани относительное удлинение будет определяться уже стеклотканью, т.е. не превысит 2...4%. Таким образом, увеличение прочности покрытия достигается ценой потери эластичности. Мастичные покрытия могут устраиваться и по старой рулонной кровле без ее снятия; также возможен ремонт старого мастичного покрытия путем нанесения нового тонкого слоя мастики. Гидроизоляционные материалы. Гидроизоляционные материалы предназначены для предохранения строительных конструкций от контакта с водой, поглощения воды или от фильтрации воды через них. В зависимости от физического состояния и соответственно технологии их применения гидроизоляционные материалы можно разделить на жидкие, пастообразные пластично-вязкие, твердые упруго-пластичные. Жидкие гидроизоляционные материалы могут быть пропиточные и пленкообразующие. Пропиточные материалы – жидкости, проникающие в поры поверхностных слоев материала и образующие там водопроницаемые барьеры или гидрофобизирующие поверхности пор. Битумы и дегти, переведенные в жидкое состояние, – простейшие пропиточные материалы. Битумы придают пропитанному слою материала водонепроницаемость, а дегти, кроме того, антисеп- тируют материал. Для перевода в жидкое состояние дегти и битумы можно расплавить, растворить в органических растворителях или приготовить из них эмульсию. Битумные эмульсии готовят в гомогенизаторах (высокоскоростных смесителях). В них расплавленный битум диспергируют в горячей воде (85...90°С), в которой предварительно растворяют поверхностно-активные вещества-эмульгаторы, обеспечивающие стабильность эмульсии. Эмульсии могут модифицироваться полимерами и латексами каучуков. Пропитка эмульсиями целесообразна для влажных материалов. Пропитка мономерами с последующей их полимеризацией в порах материала обеспечивает их стабильную водонепроницаемость. Наиболее перспективны для этой цели акриловые мономеры. Их полимеризация возможна с помощью инициаторов, введенных в пропитывающую жидкость. Кремнийорганические жидкости – эффективный пропиточный материал, гидрофобизирущий (придающий водоотталкивающие свойства) пористые материалы. Эти вещества имеют высокую проникающую способность, они атмосферостойки и термостойки. Жидкости не имеют цвета и запаха и не изменяют внешний вид пропитываемого материала. Самая распространенная кремнийорганическая жидкость применяется в строительстве – КО 136-041. Для обработки строительных материалов используют 1...10%-ный раствор этой жидкости в органических растворителях или 0,5...3%-ную эмульсию. После высыхания на стенках пор и самом материале образуется тончайшая гидрофобная пленка, прочно скрепленная с материалом. Инъекционные материалы нагнетают в поры изолируемого материала под давлением. В качестве инъекционных могут использоваться не только все пропиточные, но и более вязкие жидкости (например, эпоксидные смолы, полимерные дисперсии). Принудительное нагнетание гидроизоляционного материала в конструкцию обеспечивает более высокую водонепроницаемость образующегося защитного слоя, чем свободная пропитка, но его выполнение значительно сложнее и дороже ее. Пленкообразующие материалы – вязкожидкие составы, которые после нанесения на поверхность изолируемой конструкции образуют на ней водонепроницаемую пленку. Образование пленки происходит либо в результате улетучивания растворителя, либо в результате полимеризации. Среди пленкообразующих веществ наибольшее распространение получили разжиженные битумы и битумные эмульсии, лаки и эмали. Пастообразные гидроизоляционные материалы используют как обмазочные и приклеивающие. Обмазочные материалы после нанесения образуют на изолируемой поверхности достаточно толстый гидроизоляционный слой. К обмазочным материалам относят мастики и пасты – пластично-вязкие системы с ярко выраженными тиксотропными свойствами. Это означает, что они при нанесении на поверхность тем или иным инструментом разжижаются, а затем переходят в твердообразное состояние. Мастики получают смешиванием органических вяжущих с минеральными наполнителями и специальными добавками (пластифицирующими, структурирующими и др.). По виду вяжущего различают мастики битумные, битумно-полимерные и полимерные; реже используются дегтевые. Самые распространенные мастики битумные. Они относительно дешевы и имеют хорошую адгезию к большинству материалов. Выпускают такие мастики в двух вариантах: холодные, готовые к употреблению (они содержат растворитель), и горячие, нуждающиеся в нагреве до 160...180°С для перевода в рабочее состояние. Последние годы все более широкое распространение получают полимербитумные и полимерные мастики с использованием в качестве связующего синтетических каучуков (бутилового, стиролбута- диенстирольного, тиоколового и др.) и эластомеров (полиизобутилена, хлорсульфополиэтилена и др.). Мастики – в качестве приклеивающего материала (например, для наклейки рулонной гидроизоляции) и в качестве материала, образующего гидроизоляционный слой на обрабатываемой конструкции (например, для обмазки наружных поверхностей стен подвалов и фундаментов). Полимерные мастики применяют также для устройства антикоррозионных покрытий на бетонных и металлических конструкциях, работающих в агрессивных средах. Пасты получают на основе битумов и дегтей путем их диспергирования в присутствии твердого эмульгатора (глины, извести и т.п.). Примерный состав битумной пасты,% по массе: Битум легкоплавкий 45...55 Глина (известь) 10...15 Вода 35...45 Пасты хорошо смешиваются с наполнителями (песком) и легко наносятся даже на влажные поверхности; после высыхания капли битума сливаются и образуется мастичное покрытие. Упругопластические гидроизоляционные материалы представлены рулонными материалами (безосновными и на различных основах), аналогичные кровельным. Как уже говорилось, в отличие от кровельных, гидроизоляционные материалы не подвергаются солнечному излучению, но постоянно находятся во влажных условиях, где на первое место выходит гнилостойкость. Первыми рулонными гидроизоляционными материалами были толь и рубероид (без бронирующей посыпки). Долговечность этих материалов ограничена низкой гнилостойкостью кровельного картона. При этом толь за счет пропитки дегтем более долговечен в роли гидроизоляционного материала. В современных рулонных гидроизоляционных материалах для повышения долговечности, надежности используют битумные и полимербитумные материалы на негниющих основах. Гидростеклоизол – битумный гидроизоляционный материал, состоящий из стекловолокнистой основы, на которую с двух сторон нанесен слой битумного вяжущего, состоящего из битума, минерального наполнителя (20% от массы вяжущего) и пластификатора- мягчителя. Масса битумного вяжущего 3000±300 г/м2; материал укрепляется на изолируемой поверхности путем оплавления пламенем газовоздушных горелок (см. рис. 13.1); рекомендуемая температура работ при укладке – не ниже 10°С. Рисунок 13.2 – Зависимость теплопроводности от толщины воздушных прослоек. Q – направление теплового потока Гидростеклоизол предназначен для гидроизоляции тоннелей метрополитена, пролетных строений и мостов, подвалов, бассейнов и т.п. Для кровельных работ не рекомендуется. Герметизирующие материалы. Герметики применяют для уплотнения швов между элементами сборных конструкций зданий, швов покрытий автодорог и аэродромов, деформационных стыков, мостов и пр. Они должны обеспечить эластичность, необходимую для восприятия температурных и усадочных деформаций, и не допускать проникания влаги через швы. В настоящее время для заполнения и уплотнения швов служат герметизирующие мастики (нетвердеющие и твердеющие) и эластичные уплотняющие прокладки. Герметизирующую мастику наносят в пластичном состоянии специальным инструментом, который может иметь сменные наконечники, приспособленные к конфигурации шва. Поэтому мастика хорошо заполняет не только сам шов, но и места пересечений вертикальных и горизонтальных швов, являющиеся уязвимым местом сборной конструкции. Мастика хорошо прилипает к бетону и сохраняет адгезию к бетону при положительных и отрицательных температурах; она не должна сползать или стекать при повышении температуры (до 60°С). Широко применяют мастики на основе полисульфидных каучуков-тиоколов и резинобитумного вяжущего. Тиоколовые мастики приготовляют перед началом работ путем тщательного смешения тиоколовой пасты, вулканизирующей добавки, ускорителя вулканизации и разжижителя. В результате процесса вулканизации смесь отвердевает непосредственно в шве и получается эластичный, резиноподобный уплотнитель черного цвета. Нетвердеющую мастику изготовляют из полиизобутилена, мяг- чителя (нейтрального масла) и тонкодисперсного минерального наполнителя – мела, известняка и другого порошкообразного материала. Для нагнетания мастики применяют шприц со сменными патронами (рис. 13.2). Термошкаф для подогрева патронов оборудован электронагревателями. Рисунок 13.3 – Заделка стыков мастикой с помощью пневматического шприца Мастика изол представляет собой сложную смесь, составленную из резиновой крошки (полученной измельчением отработанной резины), битума, кумароновой смолы, волокнистого наполнителя (асбеста) и антисептика (антраценового масла). Эту мастику применяют как в горячем состоянии (подогретой до температуры 80-100°С), так и в холодном виде – с добавкой растворителя (бензина, лигроина, зеленого масла и т.п.). Холодная мастика изол используется для обмазки и приклейки пороизола. Эластичные прокладки выпускают в виде пористых или плотных жгутов на основе резины, полиуретана, синтетических каучуков. Пороизол – эластичные пористые жгуты, изготовленные из крошки отработанной резины, мягчителя, порообразователя и антисептика. Применяют для герметизации вертикальных и горизонтальных швов панелей наружных стен, а также для герметизации зазоров между оконными коробками и примыкающими к ним панелями наружных стен. Пороизол выпускают в виде прямоугольного сечения размером 30x40 мм и 40x40 мм и жгутов диаметром 10-60 мм. Гернит – пористая эластичная прокладка в виде жгута с водонепроницаемой пленкой на поверхности. Его изготовляют на основе негорючего полихлоропренового каучука, хорошо сопротивляющегося атмосферным воздействиям. Прокладки из гернита выпускают длиной 3 м и диаметром 20, 40 и 60 мм. Плотная наружная оболочка обеспечивает водонепроницаемость гернита: его водопоглощение за 48 ч не превышает 0,4%. Гернит более долговечен, чем пороизол, к тому же он обладает и большим относительным удлинением. Для герметизации швов применяют прокладки сплошного и полого сечения. Внутри полой прокладки можно создать вакуум; такую прокладку устанавливают в шов, конец ее обрезают, и воздух, заполняя полость прокладки, плотно прижимает ее стенки к кромкам панели, что обеспечивает хорошую герметизацию шва. Необходим постоянный контроль за операциями подготовки швов к герметизации и за качеством самой герметизации. Кромки панелей в местах укладки герметика должны быть очищены от раствора и загрязнения, нужно проверить степень обжатия упругих прокладок (гернит, пороизол и т.п.) в швах по всей длине прокладок, а также плотность приклеивания прокладок к бетонным кромкам панелей. В настоящее время получил распространение новый вид герметиков – монтажные пены. Это олигомеры, насыщенные газом и отверждаемые на воздухе. Они упакованы в баллончики, при нажатии на клапаны которых выходит газонасыщенный олигомер, вспенивающийся и отверждаемый на воздухе. Это позволяет обеспечить не только гидроизоляцию, но и теплоизоляцию шва. Широкое распространение получил пенополиуретановый герметик Рипор – 6Т НД. Вопросы для самоконтроля 1. Какая разница между рубероидом и толем? 2. По каким признакам определяются марки рубероида? 3. Назовите наиболее долговечные гидроизоляционные материалы. 4. Что такое мастики? 5. Назовите основные герметизирующие материалы. Лекция 14 ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Общие сведения. Теплоизоляционными называют материалы, имеющие теплопроводность не более 0,175 Вт/(м·°С) при 25°С. Они предназначены для тепловой изоляции зданий, технологического оборудования, трубопроводов, тепловых и холодильных промышленных установок. Применение таких материалов в конструкциях позволяет весьма существенно экономить тепловую энергию, дефицитность и стоимость которой растет. Считается, что 1 м3 эффективных теплоизоляционных материалов экономит 1,45 т у.т. (условного топлива). Тепловые агрегаты при их изоляции сокращают потери на 20-30%. Изоляция холодильных установок еще более значима, так как стоимость получения единицы холода примерно в 20 раз дороже соответствующей единицы тепла. Нормативные требования к теплозащите вновь строящихся и эксплуатируемых зданий значительно повышены. Только высокоэффективные материалы (ρm = 200 кг/м3, λ = 0,06 Вт/(м·°С), энергоемкость конструкций из которых не превышает 10-15 кг у.т. на 1 м2, способны в течение 5-15 лет компенсировать энергозатраты на их производство и в дальнейшем приносить чистую прибыль (например, пенопласты, волокнистые материалы, суперволокно и т.д.). Особенно важно теплосбережение в северных районах, где в настоящем и особенно будущем усиленно будет развиваться добывающая и перерабатывающая промышленность и, следовательно, гражданское строительство. Теплоизоляционные материалы и изделия классифицируют по виду основного исходного сырья (неорганическое, органическое), структуре (волокнистая, ячеистая, зернисто-сыпучая); форме – рыхлые (вата, перлит), плоские (плиты, маты, войлок), фасонные (цилиндры, полуцилиндры, сегменты и др.), шнуровые (шнуры, жгуты); содержанию связующего вещества (содержащие и не содержащие), горючести (негорючие НГ, слабогорючие ГЗ, сильногорючие Г4; степень горючести устанавливается по скорости распространения пламени, дымообразующей способности и токсичности продуктов горения); теплопроводности (низкая, λ≤0,06 Вт/(м·°С), средняя, λ = 0,06...0,115 Вт/(м·°С), повышенная, λ = 0,115...0,175 Вт/(м·°С)). Значительная часть теплоизоляционных материалов производится в нашей стране и за рубежом из волокнистого полуфабриката (около 60%). Строение и свойства. Процесс переноса тепла в материале под действием градиента температуры называется теплопроводностью. Тепловой поток q, проходящий через материал, пропорционален градиенту температуры, dt/dx, который обозначается как grad t и имеет размерность, °С/м Множитель λ в уравнении, выражающий пропорциональность теплового потока градиенту температуры, называется коэффициентом теплопроводности. Он представляет собой количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности материала при падении температуры 1°С на единицу длины, и имеет размерность Вт/(м·°С). Знак минус в формуле означает, что перенос тепла происходит в направлении понижения температуры (отрицательный градиент температуры). Коэффициент теплопроводности строительных материалов определяют экспериментально в стационарных условиях теплопередачи при температуре +25°С. Численные их значения приведены в нормативных документах – СНиП II-3-79. Зная коэффициент теплопроводности материала, можно определить его тепловое (термическое) сопротивление R передаче тепла при заданной толщине δ из соотношения – , м2·С/Вт и сравнить с требуемым. Теплопроводность связана с коэффициентом температуропроводности α, теплоемкостью с и плотностью материала ρm в виде . Численные значения коэффициента температуропроводности а и теплоемкости с для материалов строительных конструкций в стационарных условиях теплопередачи можно условно считать постоянными. Отсюда следует, что . Эта зависимость позволяет установить связь теплопроводности материалов с их плотностью с достаточной для практики точностью (рис. 14.1) и провести маркировку теплоизоляционных материалов по этому показателю: D15, D25, D35, D50, D100, D125, D150, D175, D200, D250, D300, D350, D400, D500 (кг/м3). Рисунок 14.1 – Зависимость теплопроводности теплоизоляционных материалов от плотности: 1 – неорганические материалы, 2 – органические материалы В практике используют следующие основные способы создания высокопористого строения материала. Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бетоны, пеностекло, пористые пластмассы) используют способы газовыделения и пенообразования. Способ высокого водозатворения состоит в применении большого количества воды при получении формовочных масс (например, из трепела, диатомита); последующее испарение воды при сушке и обжиге формовочных изделий способствует образованию воздушных пор. Этот способ часто сочетается с введением выгорающих добавок (углесодержащих техногенных отходов, древесных опилок и др.). Создание волокнистого каркаса – основной способ образования пористости у волокнистых материалов (минеральная вата, древесно-волокнистые плиты и т.п.). Высокопористое строение закрепляется главным образом путем тепловой обработки изделий. Тепловой поток через пористые многокомпонентные строительные материалы представляет собой сумму кондукционного λТ, конвекционного λК и радиационного λР потоков. Для описания процессов теплопереноса через строительные материалы нельзя использовать термин теплопроводность, относящийся только к кондукционному переносу тепла. Зависимость характеризует составные части или компоненты эффективной (общей) теплопроводности. Целесообразно для комплексного ресурсосбережения изготовлять теплоизоляционные изделия с технологическими пустотами, в которых создаются воздушные прослойки. Чем тоньше прослойки воздуха и чем их больше, тем меньше теплопроводность изделия (рис. 14.2). Рисунок 14.2 – Зависимость теплопроводности от толщины воздушных прослоек. Q – направление теплового потока Стремление к замкнутой пористости отличает структуру теплоизоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые должны иметь определенное количество «сквозных» пор. Это принципиальное отличие необходимо иметь в виду, так как часто для производства теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий используются одни и те же исходные материалы. Известно, что теплопроводность материала является функцией теплопроводности скелета материала λСК, теплопроводности воздушной среды λВ и влаги λW, находящейся в поровом пространстве. Существенно понизить теплопроводность скелета можно путем использования материала аморфного строения, так как оно значительно хуже проводит тепловой поток, чем материал кристаллического строения. Минимальную теплопроводность имеет сухой воздух, заключенный в мелких замкнутых порах, в которых практически невозможен конвективный теплообмен. В этом случае теплопроводность воздуха минимальна и составляет 0,0255 Вт/(м·°С) при 25°С. Следовательно, структура теплоизоляционного материала и изделия должна иметь скелет аморфного строения, предельно насыщенный мелкими замкнутыми порами или тонкими воздушными прослойками. Для теплопроводности имеет огромное значение влажность материала и его сорбционный потенциал, так как теплопроводность воды λW=0,6Вт/(м·°С) при 25°С, что в 24 раза выше теплопроводности воздуха, содержащегося в мелких замкнутых порах материала. В случае замерзания воды в порах материала теплопроводность его резко возрастает, так как теплопроводность льда на два порядка выше теплопроводности сухого воздуха и в 4 раза больше теплопроводности воды. В определенных пределах теплопроводность повышается прямо пропорционально возрастанию объемной влажности W0 (%), что позволяет вычислить теплопроводность влажного материала λW по следующей формуле: где λС – теплопроводность сухого материала; δ – приращение теплопроводности на 1% объемной влажности, которое составляет: для неорганических материалов при положительной температуре – 0,002 Вт/(м·°С), при отрицательной температуре – 0,004 Вт/(м·°С); для органических соответственно 0,003 и 0,004 Вт/(м·°С). Принято защищать теплоизоляционные материалы и изделия от увлажнения. Материал, примыкающий к теплоизоляционному материалу в изделии и покрывающий его с одной, двух или всех сторон, называется покровным. Теплоизоляция тепловых агрегатов и теплопроводов работает при повышенных температурах. Теплопроводность λt, при повышенной температуре материала можно вычислить, зная теплопроводность при 0°С и температурную поправку β на 1°С повышения температуры: У различных пористых материалов теплопроводность возрастает при повышении температуры с разной скоростью, поэтому и температурный коэффициент β будет различный. Расчетные значения теплопроводности материала принимают по СНиП «Строительная теплотехника». У некоторых материалов (магнезиальных огнеупоров, металлов) теплопроводность уменьшается при повышении температуры и, следовательно, температурная поправка имеет отрицательный знак. Плотность волокнистого материала – отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке. Прочность на сжатие определяется при 10%-ной деформации, это величина напряжения, вызывающего изменение толщины изделия на 10%. Сжимаемость – способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Материалы по сжимаемости делят на мягкие (М) – деформация свыше 30%; полужесткие (П) – деформация 6-30%; жесткие (Ж) – деформация не более 6%. Сжимаемость характеризуют относительной деформацией материала при сжатии под действием удельной нагрузки 0,002 МПа. Прочность теплоизоляционных материалов при сжатии сравнительно невелика – 0,2-2,5 МПа. Основной прочностной характеристикой волокнистых материалов (плит, скорлуп, сегментов) является предел прочности при изгибе. У неорганических материалов он составляет 0,15-0,5 МПа; у древесных плит – 0,4-2 МПа. Гибкие теплоизоляционные материалы (минераловатные маты, войлок, асбестовый картон) испытывают на растяжение. Прочность материала должна обеспечивать его сохранность при перевозке, складировании, монтаже и, конечно, в эксплуатационных условиях Водопоглощение не только ухудшает теплоизоляционные свойства пористого материала, но также понижает его прочность и долговечность. Материалы с закрытыми порами, например пеностекло, отличаются небольшим водопоглощением. Для снижения водопоглощения при изготовлении материалов вводятся гидрофобизующие добавки. Газо- и паропроницаемость учитывают при применении в ограждающих конструкциях. Теплоизоляция не препятствует воздухообмену жилых помещений с окружающей средой, происходящему через наружные стены зданий. Теплоизоляцию стен влажных производственных помещений защищают от увлажнения с помощью надежной гидроизоляции, устраиваемой с «теплой» стороны. Огнестойкость связана с горючестью материала, т.е. его способностью воспламеняться и гореть. Сгораемые материалы можно применять только при осуществлении мероприятий по их защите. Горючесть материалов определяется при стандартных условиях воздействия температуры и времени выдержки. Предельная температура применения не должна изменять эксплуатационные свойства материала. Химическая и биологическая стойкость. Большая пористость теплоизоляционных материалов благоприятствует проникновению в них агрессивных газов и паров, находящихся в окружающей среде. Органические теплоизоляционные материалы и связующие (клей, крахмал) должны обладать биологической стойкостью, т.е. сопротивляться действию микроорганизмов, домовых грибов, насекомых (муравьев, термитов). Неорганические теплоизоляционные материалы. Минеральная вата – волокнистый бесформенный материал – состоит из тонких стекловидных волокон диаметром 5-15 мкм, получаемых из расплава легкоплавких горных пород (мергелей, доломитов и др.), металлургических и топливных шлаков и их смеси. Расплав обычно получают в вагранке. Волокна образуются при воздействии подаваемого под давлением пара или воздуха на непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава либо путем подачи расплава на валки или фильтры, или диск центрифуги. Полученное минеральное волокно осаждается в камере на непрерывно движущейся сетке. В эту камеру вводят органические и минеральные связующие вещества. Минераловатные твердые плиты, имеющие повышенную жесткость, изготовляют на синтетическом связующем (фенолоспирте, растворе или водной дисперсии карбамидного полимера и др.). Ранее принятая технология предусматривает изготовление твердых плит из гидромассы (т.е. «мокрым» способом), состоящей из минерального волокна, раствора полимера, пенообразователя. Плиты из массы жидкотекучей консистенции формуют в вакуум-прессах и подвергают тепловой обработке при 150-180°С. Получают плиты плотностью 180-200 кг/м3, теплопроводностью 0,047 Вт/(м·°С), толщиной 30-70 мм. Существенно важным для свойств изделий является ориентация волокон. Наиболее прогрессивная технология формования твердых минераловатных плит с вертикальной ориентацией волокон осуществляется на 10- и 17-этажных прессах. Там же происходит тепловая обработка изделий. Прочность на сжатие минераловатных изделий возрастает с ростом количества вертикально ориентированных волокон. Прочность на сжатие 100 кПа при 10%-ной деформации может быть достигнута для минераловатных плит плотностью 150-160 кг/м3 при содержании вертикально ориентированных волокон около 65%; для плит плотностью 180-190 кг/м3 – около 55%. Минераловатные изделия с гофрированной структурой, содержащие до 30% ориентированных в вертикальном направлении волокон, имеют плотность 140-200 кг/м3. По сравнению с плитами с горизонтальной ориентацией волокон гофрированные плиты отличаются меньшей деформативностью и повышенной в 1,7-2,5 раза прочностью. При утеплении бесчердачных кровель твердыми минераловатными плитами гидроизоляционный слой устраивают, наклеивая рулонный гидроизоляционный материал непосредственно на сами плиты. При жестких плитах не требуется устройство стяжки между плитой и гидроизоляцией. Возможно применение самонесущих плит. Минераловатные жесткие плиты и фасонные изделия (скорлупы, сегменты) выпускают с синтетическим, битумным и неорганическим связующим (цементом, глиной, жидким стеклом и др.). Для повышения прочности и снижения количества связующего в состав изделий вводят коротковолокнистый асбест. Плиты толщиной 40-100 мм выпускают плотностью 100-400 кг/м3 и теплопроводностью 0,051- 0,135 Вт/(м·°С). Минераловатные полужесткие и мягкие плиты изготовляют с синтетическим, битумным и крахмальным связующим. Изделия (плиты, цилиндры, сегменты, маты) с синтетическим связующим имеют меньшую плотность, более прочны и привлекательны на вид по сравнению с изделиями на битумном связующем. Плотность плит – 35-250 кг/м3, теплопроводность – 0,041-0,07 Вт/(м·°С). Основные показатели технического уровня приведены в табл. 14.1. Таблица 14.1 – Основные показатели технического уровня и эксплуатационных свойств минераловатных изделий Вид продукции Наименование показателей качества, единица измерения Значение показателей продукции России Фирмы «Parok» Фирмы «Rockwool» Минеральная вата Плотность, кг/м3 35-190 30-230 37-180 Диаметр волокна, мкм <6 4-5 <6 Теплопроводность, Вт/(м·°С) 0,045-0,05 0,043-0,047 0,035-0,043 Минераловатные плиты на синтетическом связующем Плотность, кг/м3 50-200 65-175 50-150 Теплопроводность, Вт/(м·°С), при 25±5°С 0,037-0,046 0,035-0,039 0,035-0,043 Сжимаемость, % 0,6-1,0 Прочность при сжатии для плит Д175, Д200, МПа 0,4-1,0 0,4-1,1 0,4-1,2 Содержание связующего, %, для Д75 <2 - - для Д125 3 2,5 2,7 Прошивные маты – это гибкие изделия из слоя прошитого волокнистого материала. Последнее время используются вертикальнослоистые гибкие маты, состоящие из приклеенных к покровному материалу полос волокнистых плит при преимущественно перпендикулярном расположении волокон. Гибкие изделия, состоящие из слоя волокнистого материала со связующим веществом, называются войлоком. Минераловатные маты в рулонах выпускают следующих видов: с синтетическим связующим (ρm = 35-75 кг/м3), прошивные с металлическими, тканевыми, бумажными обкладками, с обкладкой из стеклохолста (ρm = 100-200 кг/м3); из штапельного стекловолокна (ρm = 25- 50 кг/м3); из непрерывного стекловолокна ρm = 80-120 кг/м3); в виде холста из базальтового волокна (ρm – 15-20 кг/м3). Базальтовое волокно выдерживает температуру до 1000°С, как и основная порода (стекловолокно только 650 и 550°С). Базальтовая вата применяется в виде огнестойких матов, лент и плит, поставляемых в рулонах, обладает стойкостью к коррозии. При плотности 80-100 кг/м3 и температуре 25°С вата имеет теплопроводность 0,032 Вт/(м·°С). Диаметр волокон 3-6 мм. Используются также стеклянная вата и керамическая вата, получаемая из алюмосиликатных расплавов с содержанием Al2O3 не менее 45%. Керамические теплоизоляционные изделия изготовляют путем формования, сушки и обжига. По сравнению с другими теплоизоляционными материалами они имеют высокую прочность и температуростойкость до 900°С. В качестве сырья используют диатомит, трепел, огнеупорную глину, перлит. Большая пористость создается путем введения в формовочную массу пенообразователей, выгорающих добавок. Для тепловой изоляции горячих трубопроводов используют теплоизоляционные материалы и изделия в виде сегментов и скорлуп, теплопроводность которых должна быть не более 0,06 Вт/(м·°С). Это необходимо, потому что большая толщина теплоизоляции, а следовательно, большая кривизна ее поверхности приводят к увеличению теплопотерь. Неорганические жесткие изделия – диатомитовые, ячеистокерамические, перлитокерамические – имеют температуростойкость 900°С. Теплоизоляционные легкие бетоны (плотные и пористые) средней плотности 300...150 кг/м3 получают на основе легких пористых заполнителей – вспученного перлита, пористого гравия, керамзита, шлакостеклогранулята и другого минерального и реже органического связующего. К перлитовым изделиям, содержащим перлитовый обжиговый заполнитель, относятся: легковес, перлитобитумные и битумно-перлитные изделия, перлитопластбетон, перлитофосфатные изделия, поризованный перлитосиликат. Наиболее легкие теплоизоляционные бетоны – полистиролбетон и пенопо- лиуретанбетон – получают на основе вспученных гранул из бисерного полистирола, полиуретана и других полимеров. Вулканитовые изделия изготовляют из смеси молотого диатомита или трепела (около 60%), воздушной извести (20%) и асбеста (20%). Отформованные изделия подвергают автоклавной обработке, которая ускоряет химическое взаимодействие между кремнеземистым компонентом и воздушной известью, приводящее к образованию гидросиликатов кальция. Совелит является у нас наиболее распространенным асбестомагнезиальным материалом. Сырьем для производства совелита служат доломит (CaCO3MgCO3) и асбест (в количестве 15%). Доломит подвергают сложной переработке, которая включает обжиг, гашение обожженного доломита, карбонизацию полученного доломитового молока с использованием газов, содержащих СO2. Конечным продуктом химической переработки доломита является четырехводный основный карбонат магния MgCO3Mg(OH)2·4H20, который вместе с осажденным СаСO3 составляет основу совелита. Сушка и прокаливание имеют целью декарбонизацию магнезиальной составляющей. Благодаря прокаливанию снижается плотность и теплопроводность, а температуростойкость повышается. Совелит применяют для изоляции промышленного оборудования при температурах до 500°С. Теплоизоляционные цементные ячеистые (газо- и пено-) бетоны получают плотностью 100-500 кг/м3. Эти бетоны имеют низкую теплопроводность, достаточную марку по прочности, низкое водопоглощение, морозостойки, обладают хорошей гвоздимостью, повышенной огнестойкостью. Их используют для утепления наружных ограждений в виде комбинированных плит или монолита, для изоляции трубопроводов и других конструкций. Ячеистое стекло (пеностекло) вырабатывают из стекольного боя либо используют те же сырьевые материалы, что и для производства других видов стекла: кварцевый песок, известняк, соду и сульфат натрия. Могут использоваться горные породы: трахиты, сиениты, нефелины, обсидианы. При спекании порошка стекольного боя с газообразователями – коксом и известняком – выделяется углекислый газ, образующий поры. Газообразующими добавками могут служить также мел или карбиды кальция и кремния. При выходе из печи от непрерывно двигающегося бруса отрезаются блоки определенной длины, направляемые в печь отжига. Благодаря этому предотвращается возникновение внутренних напряжений, вызывающих растрескивание. Ячеистое стекло имеет в материале стенок крупных пор мельчайшие микропоры, обусловливающие малую теплопроводность при достаточно высокой прочности, водостойкости и морозостойкости. Ячеистое стекло – несгораемый материал с высокой температуростойкостью – 400°С для бесщелочного до 600°С; хорошо обрабатывается. Применяют для теплоизоляции тепловых сетей при их подземной бесканальной прокладки, для теплоизоляции стен, перекрытий, кровель, в конструкциях холодильников. Стеклопор получают путем грануляции и вспучивания жидкого стекла с минеральными добавками (мелом, молотым песком, золой ТЭС и др.). Технологический процесс включает производство гранулята – «стеклобисера» и его низкотемпературное (при 320-360°С) вспучивание. Стеклопор выпускают трех марок: «СЛ» с ρm = 15-40 кг/м3, λ = 0,028-0,035 Вт/(м·°С); «Л» с ρm = 40-80 кг/м3; λ = 0,032-0,04 Вт/(м·°С); «Т» с ρm = 80-120 кг/м3; λ = 0,038-0,05 Вт/(м·°С). В сочетании с различными связующими стеклопор используют для изготовления штучной, мастичной и заливочной теплоизоляции. Наиболее эффективно применение стеклопора в наполненных пенопластах, так как введение его в пенопласт позволяет снизить расход полимера и значительно повысить огнестойкость теплоизоляционных изделий. Монтажные асбестовые материалы выпускают в виде листов и рулонов из асбестового волокна; иногда вводят наполнитель и небольшое количество склеивающих веществ (крахмала, казеина и др.), получая асбестовую бумагу, картон, шнур. Алюминиевую фольгу применяют в качестве отражателей, учитывая ее низкую излучательную способность, в воздушных прослойках слоистых ограждающих конструкций зданий и для теплоизоляции промышленного оборудования и трубопроводов при температурах до 300°С. Неорганические рыхлые материалы для мастичной теплоизоляции изготовляют из смеси волокнистых материалов (асбеста, минерального волокна) с неорганическими вяжущими, затворяемыми водой. Их применяют для изоляции промышленного оборудования и трубопроводов с учетом их температуры. Минераловатную смесь приготовляют из минеральной ваты, асбеста, тонкодисперсной глины и портландцемента. Плотность изоляции в сухом состоянии – 400 кг/м, теплопроводность – не более 0,28 Вт/(м·°С). Асбестодиатомитовый порошок представляет собой смесь асбеста (15%), молотого диатомита и трепела (85%), иногда с добавками других веществ (отходов производства асбоцементных заводов, слюды). Плотность теплоизоляции – 400-600 кг/м3, теплопроводность – 0,093-0,21 Вт/(м·°С). Совелитовый порошок – это смесь легкого основного углекислого кальция с асбестом, применяемая при температурах до 500°С. Готовая совелитовая теплоизоляция имеет плотность 450 кг/м3 и теплопроводность не более 0,098 Вт/(м°С). Асбестомагнезиальный порошок (ньювель) готовят в виде смеси легкого основного углекислого кальция с асбестом и применяют при температурах до 500°С. Зернистые материалы применяют для теплоизоляционных засыпок. При температурах до 900°С применяют: вспученный перлит в виде пористого песка плотностью 50-100 кг/м3 и теплопроводностью 0,04-0,05 Вт/(м·°С); вспученный вермикулит в виде смеси пластинчатых зерен крупностью не более 15 мм, плотностью 100-120 кг/м3 и теплопроводностью около 0,075 Вт/(м·°С): измельченные диатомиты и трепелы с крупностью зерен до 5 мм, плотностью 400-700 кг/м3 и теплопроводностью 0,11-0,18 Вт/(м·°С). При температурах до 450-600°С применяют гранулированную и стеклянную вату, дробленую пемзу и вулканический туф, топливные шлаки, получаемые при сжигании кускового топлива, топливные золы от сжигания пылевидного топлива, доменные гранулированные шлаки. Органические теплоизоляционные материалы. Фибролит – плитный материал из древесной шерсти и неорганического вяжущего вещества. Древесную шерсть (стружку длиной 200-500, шириной 2-5 и толщиной 0,3-0,5 мм) получают на специальных станках, используя короткие бревна ели, липы, осины или сосны. Вяжущим чаще всего служит портландцемент и раствор минерализатора – хлористого кальция. Формы с массой последовательно проходят камеру начеса, прессовочный вал, пост разделки на плиты, камеру твердения и сушки. Влажность цементнофибролитовых плит ограничивается. Плиты выпускают плотностью 300-500 кг/м3, теплопроводностью 0,1-0,15 Вт/(м·°С), с пределом прочности при изгибе 0,4-1,2 МПа. Толщина плит – 25, 50,75,100 мм. Плиты применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций, для устройства перегородок, каркасных стен и перекрытий в сухих условиях. Фибролит хорошо обрабатывается – его можно пилить, сверлить, в него можно вбивать гвозди. Арболитовые изделия изготовляют из портландцемента и органического коротковолокнистого сырья (древесных опилок, дробленой станочной стружки или щепы, сечки соломы или камыша, костры и др.), обработанного раствором минерализатора. Химическими добавками служат: хлористый кальций, растворимое стекло, серно-кислый глинозем. Применяют теплоизоляционный арболит плотностью до 500 кг/м3 и конструкционно-теплоизоляционный плотностью до 700 кг/м3. Прочность арболита при сжатии – 0,5-3,5 МПа, растяжение при изгибе – 0,4-1,0 МПа; теплопроводность – 0,08-0,12 Вт/(м·°С). Древесностружечные плиты изготовляют путем горячего прессования массы, содержащей около 90% органического волокнистого сырья (чаще всего применяют специально приготовленную древесную шерсть) и 7-9% синтетических смол (фенолоформальдегидных и др.). Для улучшения свойств плит в сырьевую массу добавляют гидрофобизующие вещества, антисептики и антипирены. Древесноволокнистые изоляционные плиты производят из неделовой древесины, отходов лесопиления и деревообработки. Используют также бумажную макулатуру, солому, стебли кукурузы. Плотность плит – до 250 кг/м3, теплопроводность – до 0,07 Вт/(м·°С). На основе растительного сырья готовят ряд местных материалов: камышит, соломит, торфяные изоляционные плиты и др. Одним из перспективных направлений в производстве теплоизоляционных материалов является использование макулатуры (бумаги и картона). Полученная эковата является идеальным заменителем традиционных утеплителей: минеральной ваты, стекловаты и т.д. Среднее значение теплопроводности составляет 0,040 Вт/(м·°С). Эковата биостойка, обладает звукопоглощающими свойствами, трудно сгораема при пропитке антипиренами. Сотопласты изготовляют путем склейки гофрированных листов бумаги, стеклянной или хлопчатобумажной ткани, пропитанных полимером. Они служат эффективным утеплителем в трехслойных панелях. Теплоизоляционные свойства сотопласта повышаются при заполнении ячеек крошкой из мипоры. Ячеистые пластмассы подразделяются в зависимости от характера пор на пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими перегородками. К поропластам относятся ячеистые пластмассы с сообщающимися порами. Имеются материалы со смешанной структурой. В ячеистых пластмассах поры занимают 90-98% объема материала, а на стенки приходятся всего лишь 2-10%, поэтому ячеистые пластмассы очень легки и малотеплопроводны (теплопроводность 0,026-0,058 Вт/(м·°С). В то же время они водостойки и не загнивают. Жесткие пено- и поропласты достаточно прочны, гибки и эластичны. Особенностью теплоизоляционных пластмасс является ограниченная температуростойкость. Большинство из них горючи, поэтому необходимо предусматривать конструктивные меры для защиты их от непосредственного действия огня. Ячеистые пластмассы в виде плит и скорлуп применяют для утепления стен и покрытий, теплоизоляции промышленного оборудования и трубопроводов при температурах до 60°С. Теплоизоляционный слой пенопласта толщиной 5-6 см, имеющий массу около 2-3 кг/м3, – эквивалент слою 14-16 см из минеральной ваты или ячеистого бетона. Поэтому масса 1 м2 трехслойной панели, утепленной ячеистой пластмассой, снижается на 20-50 кг. Пористые пластмассы можно пилить, резать обычными способами, а также проволокой, нагреваемой электрическим током. Они хорошо склеиваются с бетоном, асбоцементом, металлом, древесиной. Это значительно упрощает изготовление крупных панелей ограждающих конструкций. Пенополиуретан получают в результате химических реакций, протекающих при смешении исходных компонентов (полиэфира, диизоцианата, воды, катализаторов и эмульгаторов). Изготовляют жесткий и эластичный пенополиуретан. Плотность 25-45 кг/м3, прочность при 10%-ном сжатии – 0,3-0,7 МПа. Жесткий пенополиуретан используется в широком интервале температур, отличается легкостью и экономичностью обработки, высокой механической прочностью, устойчивостью к износу, химической и биологической стойкостью. Характеризуется самой низкой теплопроводностью по сравнению с другими изоляционными материалами; теплопроводность его при температуре 10°С ниже 0,019 Вт/(м·°С). Может быть использован при температуре от – 50°С до +110°С. Объемное водопоглощение 0,2%. Стойкость к действию грибков и микроорганизмов делает его негниющим и неразлагающимся материалом. Жесткий пенополиуретан применяют в виде плит и скорлуп для изоляции оборудования и трубопроводов. Эластичный пенополиуретан служит для герметизации стыков. Разработаны рецептуры заливочных композиций, которые могут вспениваться даже на холоде. Материал «самозатухаю щий» по огнестойкости. Пенополистирол – легкий тепло- и звукоизоляционный материал, изготовляемый из полистирола и порообразователей прессовым, беспрессовым и экструзионным методами. Средняя плотность теплоизоляционного пенополистирола, используемого для утепления и звукоизоляции конструкций, – 15-150 кг/м3, теплопроводность в сухом состоянии при +25°С – 0,03...0,05 Вт/(м·°С). Водопоглощение сильно зависит от метода изготовления пенополистирола. Наибольшим водопоглощением, достигающим через двое суток 18...20% по массе, обладает беспрессовый пенополистирол, что в 6...3 раза превышает водопоглощение прессового и экструзионного. Со временем это различие увеличивается в несколько раз. Гигроскопичность экструзионного пенополистирола в 1,2... 1,5 раза меньше прессового и беспрессового. Экструзионный и прессовый пенополистирол широко используется для изготовления стеновых «сэндвич»-панелей, плит покрытий, утепления слоистых наружных стен и фасадов, стеновых пустотелых блоков. Беспрессовый, получивший большое распространение благодаря простой технологии, применяется в тех же целях с учетом пониженной долговечности. Полуфабрикат его в виде легких пористых гранул получаемых вспениванием бисера-полистирола гбрячей водой, воздухом или паром, нашел широкое применение для изготовления полистиролбетона. Пенополистирол био- и химически стоек в средах многих химических веществ, кроме азотной кислоты, дизельного топлива, бензина, бензола, сложных эфиров, органических растворителей; обладает хорошими звукоизоляционными свойствами, но недостаточно пожаростоек. Степень горючести ГЗ, Г4. Пенополивинилхлорид выпускают жесткий и эластичный. Жесткий пенополивинилхлорид – теплоизоляционный материал, незначительно изменяющий свои свойства при изменении температуры от +60 до -60°С. Он менее горюч по сравнению с пенополистиролом. Мипору изготовляют путем вспенивания мочевиноформальдегидной смолы, отвердевания отлитых из пеномассы блоков и их последующей сушки. Мипора наиболее легкий (10-20 кг/м3) и наименее теплопроводный из всех теплоизоляционных материалов -λ = 0,026-0,03 Вт/(м·°С). Пенопласты на основе фенолформальдегидных полимеров выпускают на основе чистого полимера (ФФ) с введением в него стеклянного волокна (ФС) или каучука (ФК), а также каучука и газообра- зователя в виде алюминиевой пудры (ФК-А). Пенопласты получают по беспрессовому методу из готовой смеси компонентов путем вспенивания смеси при нагреве и последующего охлаждения. Регулируя рецептуру исходной смеси и технологические условия, можно получить пенопласты с каучуком, выдерживающие длительное время действие высоких температур (200-250°С). Эти полимеры устойчивы к влиянию вибрации. Применение теплоизоляционных материалов и изделий. Теплоизоляция промышленного оборудования и трубопроводов. Изоляционные конструкции из жестких изделий – плит, скорлуп, сегментов – могут выполняться из одного материала или из двух разных материалов, укладываемых послойно. В верхнем слое могут применяться менее температуростойкие материалы. Производят двухслойные изделия, сочетающие огнеупорный и теплоизоляционный слои. Оберточные изоляционные конструкции применяют в тех случаях, когда трубы подвержены вибрации или частым сотрясениям. Используют асбестовую бумагу и картон, различные виды шнура (асбестовый, стекловатный, минераловатный) и жгуты. Мастичные конструкции выполняют путем нанесения на изолируемую поверхность теплоизоляционного материала в пластичном состоянии в виде мастики. Мастику готовят на месте работ путем затворения порошкообразного материала водой до рабочей густоты, наносят послойно вручную. Поэтому работы по мастичной изоляции трудоемки и продолжаются в 2-4 раза дольше монтажа изоляции из готовых изделий. Бесканальная прокладка может выполняться с применением гидрозащитной оболочки трубопровода и без нее. Взамен гидрозащитной оболочки теплопровод окружен пористым слоем, который образуется путем его обсыпки гравием (с размером зерен 3-15 мм) или обкладки скорлупами (сегментами) из крупнопористого бетона. Теплоизоляция труб в теплосетях может свести потери тепла к 1-2%. По современным требованиям теплопроводность теплоизолирующего материала в теплосетях для этого не может превышать 0,06 Вт/(м·°С). Материал должен быть долговечным, стойким к действию грунтовых вод, химической и биологической агрессии, не разрушаться под воздействием низких температур и механических нагрузок, пожаро- и экологически безопасным. Этим требованиям для стальных и пластмассовых труб отвечает пенополиуретановая оболочка. Вспененная оболочка из полиуретана заполняет промежуток между трубой и наружным покрытием из полиуретана. В результате высоких адгезионных свойств материала образуется одно герметичное целое между всеми связуемыми элементами. В местах стыкования труб устанавливается накладка из жесткого полиуретана с гидроизоляцией. Технически устаревшими выглядят сегодня различные виды традиционных теплоизоляционных материалов (минеральная вата, армопенобетон и др.), так как скорость коррозии труб с такой теплоизоляцией в 20-40 раз больше, чем у труб, изолированных пенополиуретаном. Долговечность труб при этом повышается до 30 и более лет. Теплоизоляция ограждающих конструкций зданий. Навесные панели стен выполняют в основном трехслойными. Некоторые типы слоистых панелей представлены на рис. 14.3. Наибольшее снижение массы 1 м2 панели достигается при использовании в качестве утеплителя пористых пластмасс, являющихся эффективной теплоизоляцией. Рисунок 14.3 – Типы трехслойных панелей наружных стен: а) облицовка из плоских железобетонных плит; б) то же, из ребристых железобетонных плит; в) облицовка из конструктивно-отделочных листовых материалов (алюминия, асбестоцемента, стеклопластика); г) то же, с воздушным промежутком; 1 – наружная облицовка; 2 – внутренняя облицовка; 3 – утеплитель; 4 – пароизоляция Новым направлением обеспечения надежной тепловой защиты зданий является применение наружных прозрачных теплоизоляционных материалов, которые позволяют обогревать находящиеся за ними помещения, утилизируя солнечную энергию. Суть явления заключается в том, что максимум солнечной радиации, приходящейся на холодный период года, поступает на поверхность ограждения электромагнитным излучением, поглощается им и преобразуется в тепловую энергию. Температура поверхности повышается. При этом массив конструкции ограждения является как бы тепловым аккумулятором, перераспределяющим тепловой поток в помещении и способствующим равномерности его обогрева. Прозрачные теплоизоляционные материалы можно изготавливать из поликарбонатной пленки пористо-капиллярной структуры толщиной 0,1 мм с диаметром капилляров 0,8 мм или в виде сотовой структуры; возможно создавать воздушные пузырьки в оболочке пленки, спаянные между собой (аэрогель). Изыскиваются различные приемы для сохранения тепла в помещениях. Шведская фирма, например, предлагает наклеивать специальную полимерную пленку на внутреннюю поверхность стены позади отопительного радиатора. Это повышает температуру в помещении на 1-2°С. Теплоизоляционные материалы широко применяют для утепления покрытий зданий (рис. 14.4). Рациональная эксплуатация ограждений возможна, если более проницаемые и малотеплопроводные материалы будут находиться с наружной стороны. Наружное расположение теплоизоляционного материала получило распространение при устройстве так называемых плоских «инверсионных» кровель, у которых гидроизоляционный слой располагается под теплоизоляционным. Такие конструкции успешно эксплуатируются в Европе в течение многих лет благодаря пенопластовым теплогидроизоляционным материалам (типа экструзионного пенополистирола «пеноплэкс»). Для повышения теплозащитных свойств уже существующих стен с внешней стороны наклеивают плиты утеплителя с дополнительной гидроизоляционной защитой. В нашей стране использование таких приемов имеет определенные трудности в связи с более суровым климатом. Рисунок 14.4 – Ограждающие конструкции покрытии промышленных зданий: а) утепленный профилированный лист; б) «монопанель»: 1 – металлический профилированный настил; 2 – утеплитель; 3 – рубероидный ковер на битумной мастике в три слоя; 4 – слой пленочной полимерной гидроизоляции Имеется ряд высокоэффективных теплоизолирующих композиций на основе пенополистирола, полиуретана и других материалов, предназначенных для теплозащиты ограждающих конструкций, трубопроводов и т.п. В этих материалах интенсивное отверждение совпадает с увеличением объема, создавая мелкопористый жесткий пенопласт. Показатель технико-экономической эффективности теплоизоляционных материалов Э (тенге), вычисляется по формуле где П – приведенные затраты на 1 м3 теплоизоляционного материала (тенге); λ – теплопроводность, Вт/(м·°С). Наиболее прогрессивные теплоизоляционные материалы: - полимерные, отличающиеся пониженной плотностью – 25- 45 кг/м3; - минераловатные плиты повышенной жесткости, позволяющие вести устройство гидроизоляционного ковра на покрытиях без подстилающих стяжек; - минераловатные и стекловолокнистые изделия с облицованной поверхностью; - изделия из термостойкого базальтового волокна; - перлитные изделия. Вопросы для самоконтроля 1. Особенности строения теплоизоляционных материалов, их классификация. 2. Технико-экономическое значение теплоизоляционных материалов при применении в ограждающих строительных конструкциях. 3. Важнейшие материалы для тепловой изоляции строительных конструкций. 4. Важнейшие материалы для изоляции горячих поверхностей. 5. Минеральная вата и минераловатные изделия. Получение и области применения. 6. Какие полимерные связки применяют при получении минераловатных изделий и каковы преимущества этих связок перед битумными? 7. Какие наиболее эффективные современные теплоизоляционные материалы? АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Общие сведения. Звуки, вызываемые случайными причинами, не несущие полезной информации и мешающие тому или иному жизненному процессу, принято называть шумами. Они раздражают и угнетают нервную систему человека. Поэтому уменьшение вредного влияния шумов на здоровье человека становится одной из социальных проблем. Ухо человека воспринимает звуковые колебания частотой от 16 Гц до 20 кГц, особо чувствительными являются частоты 1000-5000 Гц. Воздушный шум возникает и распространяется в воздушной среде. Звуковые волны воздействуют на ограждающие конструкции, приводят их в колебательное движение и тем самым передают звук в соседние помещения, отражаются и частично поглощаются ограждениями, а также проникают через них. Ударный шум возникает и распространяется в ограждающих конструкциях при ударных, вибрационных и других воздействиях непосредственно на конструкцию. СНиП нормирует допустимые уровни шума. Таким параметром является уровень звукового давления, т.е. избыточного давления, вызываемого распространением звуковой волны в воздухе. Звуковое давление измеряется в децибелах (дБ) на различных частотах. Предельные значения уровней шума: для производственных помещений с речевой связью – 80-85 дБ, административных помещений – 38-71 дБ, больниц – 13-51 дБ. Звукопоглощающие свойства материалов и изделий характеризуются среднеарифметическим коэффициентом звукопоглощения в каждом из трех диапазонов частот (табл. 1.2). Таблица 14.2 – Классификации частот Наименование диапазона частот Обозначение диапазона частот Среднеарифметические частоты октавных полос, Гц Низкочастотный Н 63; 125; 250 Среднечастотный С 500; 1000 Высокочастотный В 2000; 4000; 8000 По структурным показателям акустические материалы и изделия имеют пористо-волокнистое (вата), пористо-ячеистую (ячеистый бетон, перлит), пористо-губчатую (пенопласт, резина) структуру. По величине относительного сжатия они могут иметь твердый (Т), жесткий (Ж), полужесткий (П) и мягкий (М) скелет. В полужестком и особенно мягком скелете происходит усиленное звукопоглощение падающих звуковых волн за счет упругих деформаций скелета материала. К материалам с жестким скелетом относятся различные виды легких бетонов, а также фибролит. Древесно-волокнистые, минераловатные, стекловолокнистые и содержащие асбест материалы имеют полужесткий скелет. Мягким скелетом обладают полиуретановый поропласт, поливинилхлорид и другие виды ячеистых пластмасс. Акустические материалы, как и теплоизоляционные, подразделяются по степени горючести. Они должны быть влагостойкими, биостойкими, удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям и сохранять свои свойства в процессе длительной эксплуатации. Они могут быть штучными (блоки, плиты), рулонными (маты, полосовые прокладки, холсты), рыхлыми, сыпучими (вата, керамзит, песок, доменный шлак). Акустические материалы принято подразделять в зависимости от назначения, структуры и свойств на звукопоглощающие, звукоизоляционные или прокладочные и вибропоглощающие. Звукопоглощающие материалы. Звукопоглощающие материалы и изделия предназначаются для применения в звукопоглощающих конструкциях с целью снижения уровня звукового давления в помещениях производственных и общественных зданий. Поток звуковой энергии при падении звуковых волн на поверхность ограждения частично отражается поверхностью ограждения, остальная звуковая энергия проходит через ограждение. Звукопоглощение материалов оценивается коэффициентом звукопоглощения а. Коэффициент звукопоглощения есть отношение неотраженной энергии ЕПОГЛ, поглощенной поверхностью, к падающей энергии ЕПАД в единицу времени, Поглощение звуковой энергии в однородном пористом материале происходит за счет энергетических потерь на вязкое трение, преодолеваемое воздушным потоком в порах материала, теплообмена между стенками пор и воздухом, релаксационных процессов в материале с неидеальной упругостью скелета. Коэффициент звукопоглощения можно определить в специальной камере или при помощи специального прибора – акустического интерферометра. Коэффициент звукопоглощения зависит от частоты и угла падения звука. Чем большую пористость имеет материал, чем больше развита поверхность пор и больше пор сообщается между собой, тем больше его звукопоглощение. Поэтому звукопоглощающие материалы должны обладать сравнительно большой открытой, сквозной пористостью преимущественно сообщающегося и разветвленного характера. Оптимальные размеры пор желательно иметь от 0,01 до 0,1 см. Звукопоглощение на низких частотах происходит в более крупных порах. Увеличение влажности материала резко снижает коэффициент звукопоглощения по всему диапазону частот. Классификация звукопоглощающих материалов по классам производится в зависимости от величины коэффициента звукопоглощения в диапазонах частот: первый класс – свыше 0,8, второй – от 0,8 до 0,4 и третий класс – от 0,4 до 0,2 включительно. Примерами эффективных звукопоглощающих материалов являются минераловатные плиты на различных связующих, гипсовые и другие материалы. Минераловатные акустические плиты готовят методом пропитки с вакуумированием растворами различных связующих, например поливинилацетата и фенолоспиртов. Свежеотформованное изделие подвергают уплотнению под пригрузкой и термообработке. Затем производится механическая обработка с нанесением покровного декоративного слоя. Используются минеральные и другие виды волокон. Технологический процесс изготовления изделий включает следующие операции: грануляцию минеральной ваты, приготовление клейстеризованного крахмала, в который вводят различные модифицирующие добавки для улучшения пластических свойств и повышения качества изделий, формовочной массы (перемешивание гранул со связкой), формование изделий, сушка, отделочные операции (шлифовка, калибровка, покраска). Плотность минераловатных акустических плит товарных марок «Травертон», «Акмигран», «Акминит», «Спиптон» – 340-450 кг/м3. Для изготовления применяют гранулированную минеральную и стеклянную вату и связующее, основным компонентом которого является крахмал, карбоксилметилцеллюлоза, бентонит, а также гид- рофобизирующие и антисептирующие добавки. Взамен крахмального связующего (пищевой продукт) применяют тапиоковую муку. Газобетонные плиты «Силакпор» и газосиликатные плиты выпускают обычно плотностью до 350 кг/м3 в сухом состоянии. При этом прочность при сжатии составляет до 0,2 МПа. Высокоэффективные звукопоглощающие материалы получают из вспученного перлита и вяжущего из жидкого стекла или синтетических смол плотностью 250-500 кг/м3. Промышленность выпускает гипсовые литые плиты с ребрами жесткости и сквозной перфорацией. Плиты армируются дробленым стекложгутом и поливинилхлоридным шнуром, стеклопором, перлитом. Внутри гипсового экрана приклеена креповая бумага, затем укладывается минераловатная плита, обернутая фольгой. Эффективен двухслойный материал, наружным слоем которого является перфорированная плита из гипсокартонного листа, а внутренним, подстилающим слоем – нетканое полотно или фильтровальная бумага. Влажность материала – не более 8%. На основе отходов целлюлозно-бумажного производства – спока и фосфогипса – выпускается материал «акор». Звукопоглощение материалов зависит от их толщины, расположения по отношению к источнику звука и других факторов. Для усиления поглощения звуковой энергии материалы дополнительно перфорируют (до 30%). Размер и форма отверстий в изделиях, их наклон, глубина, а также процент перфорации, т.е. отношение площади, занимаемой отверстиями, к общей площади плиты, влияют на коэффициент звукопоглощения. При этом обычно перфорация плит увеличивает коэффициент звукопоглощения более чем на 10-12%. Звукопоглощающие плиты можно располагать в конструкции с различным воздушным зазором – «на относе». Используют для звукопоглощения в конструкциях резонаторы, т.е. щиты или пластины, расположенные на некотором расстоянии от поверхности ограждения; кроме того, применяют резонаторные перфорированные экраны, располагаемые вдали от ограждения и имеющие оклейку с обратной стороны тканевым покрытием. Звукопоглощающие отделочные материалы выпускают в основном в виде плит, имеющих хороший декоративный внешний вид, различные размеры. Фактура этих плит может быть щелевидной, трещиноватой, бороздчатой, круглой, иметь рельефы и быть окрашенной. Плиты при выполнении потолков крепятся в стык по деревянному каркасу. Возможно использование плит в конструкции подвесного потолка. Большинство применяемых в настоящее время звукопоглощающих материалов обладает повышенной гигроскопичностью. При эксплуатации во влажной среде более 70% названные изделия с высокой пористостью (60-98%) могут быстро сорбировать влагу из воздуха или увлажняться при непосредственном соприкосновении с водой. В результате эти материалы и изделия не могут эффективно использоваться в ряде зданий, сооружений и спецконструкций, так как теряют свои звукопоглощающие свойства: при насыщении водяными парами и водой звукопоглощение материала значительно уменьшается. Звукопоглощающие материалы «Акминит», «Акмигран», «Спиптон», «Травертон», а также другие на основе водостойкого связующего возможно по техническим условиям применять внутри помещений с относительной влажностью не более 70%. В противном случае крахмальное или другое неводостойкое связующее набухает, может загнивать, терять свои физикомеханические свойства. Известны различные варианты введения модифицирующих добавок, например полиакриламидов, дифинилпропана, фенолоспиртов, мочевиноформальдегидных и других соединений, в различных пределах повышающие водостойкость связующего. Звукопоглощающие пористо-волокнистые (мягкие и полужесткие) материалы в соответствующих конструкциях должны выпускаться только с защитными продуваемыми и непродуваемыми оболочками, препятствующими высыпанию мелких волокон и пыли. Предохранять такие материалы от повреждений могут защитные перфорированные покрытия. Появились новые звукопоглощающие материалы, имеющие специальные свойства, например, повышенную стойкость в интервале температур от -60 до +450°С, при использовании в качестве основы штапельного стекловолокна или супертонкого стекловолокна и синтетического связующего. Плотность изделий 25-65 кг/м3, класс изделий преимущественно первый, второй. В общественных и промышленных зданиях используют звукопоглощающие устройства. Одиночный резонатор, помещенный в звуковом поле, рассеивает энергию звуковой волны. Эффективность действия его зависит от размеров, формы и внутренних потерь. Звукопоглощающие конструкции обычно изготовляют из металла, фанеры, пластмассы в виде перфорированных панелей, расположенных «на относе» от стены. Используют пустотелый звукопоглощающий керамический кирпич, имеющий форму акустического резонатора – полости с узкой горловиной. В объеме полости звукопоглощение составляет около 0,8. Керамический звукопоглощающий материал является не только отделкой, но и несущим элементом. Звукоизоляционные материалы. Звукоизоляционные, или, как их часто еще называют, прокладочные, материалы применяют для звукоизоляции в основном от ударного шума в многослойных конструкциях перекрытий и перегородок и частично для поглощения воздушного шума. Нормируемыми параметрами звукоизоляции являются индекс изоляции воздушного шума ограждающей конструкции JВ (дБ) и индекс приведенного уровня ударного шума над перекрытием JУ (дБ). JB, JУ определяются по соответствующим графическим зависимостям или таблицам нормативных документов. Звукоизоляционная способность конструкции зависит от ее структуры, размеров, массы, жесткости, внутреннего сопротивления материала прохождению звука, способа опирания и других особенностей. В зависимости от структуры конструкции делят на акустически однородные и неоднородные. К первым относят конструкции, которые совершают колебания как единое целое, у вторых – частицы на поверхности конструкции совершают отличные друг от друга перемещения, что возможно при слоистой системе конструкции из разнородных материалов, в том числе содержащих прослойки воздуха. Звукоизолирующая способность акустически однородных конструкций прямо пропорциональна десятичному логарифму его массы. Это значит, что звукоизолирующая способность таких конструкций увеличивается, следуя логарифмической кривой, сначала довольно быстро, а затем очень медленно. Если идти по пути увеличения массы конструкции, то это сделает их слишком тяжелыми, громоздкими и дорогими. Повысить звукоизолирующую способность акустически неоднородных конструкций можно применением слоистых систем с прослойками воздуха или пористых прокладочных материалов, динамический модуль упругости которых намного меньше модуля упругости материала жестких слоев акустически однородной конструкции. Например, модуль упругости бетонов – от 5000 до 30000 МПа, а воздуха – 0,14 МПа. Пористые материалы в прослойке имеют модуль упругости 5 МПа. Примером акустически неоднородных конструкций являются межквартирные стены, разделенные воздушным промежутком, а также перекрытия с раздельным, «плавающим» полом и с раздельным потолком (рис. 14.5). Таким образом, акустически неоднородные конструкции должны иметь воздушные промежутки или звукоизоляционные прокладки и не иметь жестких связей между слоями. Осуществление первого условия, например, может при толщине воздушной прослойки 1 см эквивалентно заменить по звукоизоляции 10 см бетона. Рисунок 14.5 – Схема применения звукоизоляционных прокладочных материалов и изделий в стыках внутренних стен и междуэтажных перекрытий: 1 – панель внутренней несущей стены; 2 – панель перекрытия; 3 – полосовые или штучные нагруженные прокладки; 4 – полосовые или штучные ненагруженные прокладки Звукоизоляционные материалы применяют в перекрытиях – в виде сплошных нагруженных или ненагруженных (несущих только собственную массу) прокладок; в стенах и перегородках – в виде сплошной ненагруженной прокладки; в стыках конструкций – полосовых и штучных нагруженных и ненагруженных прокладок. Звукоизоляционные прокладочные материалы эксплуатируются под нагрузкой в сплошном слое или в виде полосовых прокладок, которые несут нагрузку в несколько раз больше, чем первые. Например, удельные нагрузки, рекомендованные для сплошного звукоизоляционного слоя, – 0,002 МПа или 2·103 Н/м2, а при полосовых прокладках – 0,01 МПа или 1·104 Н/м2. Эксплуатация под нагрузкой существенным образом меняет требования, предъявляемые нормативными документами к этим материалам. Для звукоизоляционных материалов становятся важными их относительные деформации под нагрузкой не только при кратковременном испытании, но особенно в длительной эксплуатации. Это соответствует фактической работе материалов, которые под нагрузкой и в зависимости от ее величины обжимаются и подвергаются процессу ползучести. Плотность пористо-волокнистых звукоизоляционных изделий должна быть от 75 до 175 кг/м3. Звукоизоляционные материалы и изделия характеризуются вязко упругими свойствами и должны обладать динамическим модулем упругости £д не более 15 МПа. (Например, песок, доменный шлак, керамзит). Пористо-волокнистые звукоизоляционные прокладочные изделия (материалы) из различной ваты, мягкой, полужесткой и жесткой, видов с ЕД не более 0,5 МПа или 5-105 Н/м2, имеют нагрузку на звукоизоляционный слой 0,002 МПа или 2·103 Н/м2. Пористо-губчатые звукоизоляционные прокладочные изделия (материалы) должны быть из пенопластов и пористой резины с ЕД от 1 до 5 МПа. Деформативность звукоизоляционного материала складывается из упругих свойств воздуха, заключенного в материале, и деформативности скелета материала. Звукоизоляционные материалы высокой деформативности под удельной нагрузкой 2·103 П/м2 имеют относительное сжатие свыше 15%. Это мягкие материалы (М). Они имеют волокнистую или пористо-губчатую структуру. Полужесткие (ПЖ) имеют величину относительного сжатия от 5 до 10%; жесткие (Ж) – до 5%, а твердые (Т) – вплоть до 0. Важнейшим свойством, определяющим эффективность звукоизоляционного прокладочного материала, является его жесткость. Жесткость связана с толщиной прослойки и динамическим модулем упругости материала. По величине динамического модуля упругости звукоизоляционные прокладочные материалы делятся на подгруппы. В таблице 14.3 приведены основные свойства некоторых звукоизоляционных материалов. Таблица 14.3 Свойства звукоизоляционных материалов Наименование материалов и изделий Плотность, кг/м3 Относительная деформация сжатия под нагрузкой Динамический модуль упругости при нагрузке 2·103 Н/м2 (при испытаниях в течение 15 мин) 2·102 Н/м2 (при длительных испытаниях), не более 2·104 Н/м2 (при длительных испытаниях), не более 2·103 Н/м2 1·104 Н/м2 Плиты и маты минераловатные на синтетическом связующем 80 0,1 0,4 0,55 4·105 5,6·105 100 0,2 0,50-0,52 0,65-0,7 (3,6-4,5) ·105 7·105 150 0,06 0,45 0,6 5·105 8·105 Древесно-волокнистые плиты 250 0,02 0,06 0,15 1·106 1,2·106 Песок кварцевый 1500 0,03 0,03 - 12·106 - Керамзит, шлак 300-600 0,03 0,03 - (5,6-9) ·106 - Цементно-стружечные листы в стальном каркасе (жесткий скелет) используются для ограждения внутрипроизводственных помещений. Конструкция звукоизолирующих перегородок – каркас из гнутых профилей с обшивкой с двух сторон цементно-стружечными плитами толщиной 10 мм. В экранированных звукоизолирующих перегородках между двумя цементно-стружечными плитами прокладывается стальной лист толщиной 2 мм и шириной 1,8 м. В европейских странах для подстилающего звукопоглощающего слоя дорожного покрытия успешно применяют керамзитобетонные плиты. Для изготовления плит применяют гранулированный керамзит диаметром 3-10 мм с замкнутыми пустотами, создающий высокую звукопоглощающую способность плит конструкций в среднечастотном и высокочастотном диапазоне звуковых волн. Улучшить звукоизоляционную способность материала можно путем сочетания упругих и эластичных волокон в каркасе материала, хаотичности их распределения. Установлено, что акустические характеристики различных материалов, например, с жесткой структурой, имеющие различные структурные характеристики (пористость и диаметр пор), но различные физико-технические свойства, акустически эквивалентны. Изготавливают ленточные и полосовые прокладки длиной от 1000 до 3000 мм и шириной 100, 150, 200 мм и штучные прокладки длиной и шириной 100, 150, 200 мм. Изделия из волокнистых материалов применяются только в оболочке из водостойкой бумаги, пленки, фольги и др. В качестве эффективных звукоизоляционных материалов применяют полужесткие минерало- и стекловатные маты и плиты на синтетическом связующем, маты стекловатные прошивные, плиты древесно-волокнистые, пенопласты (полиуретановые и поливинилхлоридные), пористую резину. Вибропоглощающие материалы предназначены для поглощения вибрации и шумов, вызываемых при работе санитарно-технического и инженерного оборудования в гражданских и промышленных зданиях. Промышленность остро нуждается в специальных вибропоглощающих материалах. Вибропоглощающими материалами могут служить листовые пластмассы, фольгоизол, некоторые сорта резины и различные мастики. Вибропоглощающие материалы наносятся на тонкие металлические поверхности, при этом создается эффективная вибропоглощающая конструкция с высокой потерей энергии на трение. Хорошая звукоизоляция зданий и сооружений может быть достигнута путем рационального применения звукопоглощающих и звукоизоляционных материалов, часто полифункционального действия, а также эффективных конструкций на их основе при хорошем качестве строительных работ. Вопросы для самоконтроля 1. Какие материалы называются акустическими? Их классификация. Физический смысл. 2. Какую функцию выполняют звукопоглощающие материалы конструкции? Основные виды звукопоглощающих материалов. Особенности их структуры. 3. Свойства различных видов звукопоглощающих материалов. 4. Какую функцию выполняют звукоизоляционные прокладочные материалы в конструкции? Особенности их структуры и свойств. Лекция 15 ОТДЕЛОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Общие сведения. Материалы, применяемые в качестве отделки, должны придавать строительным конструкциям и сооружениям определенные свойства: - защищать от воздействия окружающей среды; - придавать завершающее архитектурное оформление; - создавать особые санитарно-гигиенические условия, уменьшающие запыление, загрязнение, увлажнение, защиту от шума и др.; - обеспечивать возможность восстанавливать свойства поверхности отделки, эксплуатирующейся под влиянием коррозионного и морозного старения, механических и химических дефектов, радиационного облучения, износа и других воздействий среды, различными приемами. Во всем мире резко увеличивается объем производства отделочных материалов, расширяется ассортимент, повышаются качество и декоративность, столь необходимые современному городу, общественным зданиям и жилищу. Разнообразные отделочные материалы и изделия, применяемые в современном строительстве, а их насчитывается свыше 350 наименований, классифицируют на: - технологические по основному исходному материалу; - архитектурно-строительные по «месту» и назначению работы в конструкции. Согласно технологической классификации отделочные материалы и изделия подразделяют на следующие группы: красочные составы, природные и искусственные камни, керамика, стекло, металл, лесные материалы, полимеры и др. По архитектурно-строительной классификации отделочные материалы подразделяются: для наружной отделки; внутренней отделки; покрытия полов; специальных целей. Ряд материалов и изделий применяют для отделки как внутренних интерьеров, так и фасадов зданий, предъявляя к ним высокие эксплуатационные и эстетические требования. Среди эксплуатационных свойств важнейшими являются санитарно-гигиенические требования, создающие в помещениях здоровые условия для жизни, работы и отдыха, а также токсикологические, радиационные характеристики, удовлетворяющие соответствующим нормам. Весьма важно, чтобы материал отделки легко промывался, дезинфицировался, очищался, в том числе под вакуумом и давлением. Доминантой отделочных материалов является их долговечность. Она зависит от степени участия отделки в работе несущих и ограждающих конструкций, влияния среды эксплуатации на качество не только поверхностного слоя, но и контактного слоя, обеспечивающего сцепление отделки с основанием – подложкой. Чаще всего таким основанием служит раствор или бетон, для выравнивания поверхности которых применяются специальные композиции. Решающее значение на экономическую эффективность применения отделочных материалов оказывают фактический срок службы, эксплуатационные расходы на текущие и капитальные ремонты, а также общий срок службы с учетом морального старения. В настоящее время наибольшее распространение имеет окраска, составляющая в общем объеме отделочных работ только фасадов зданий более 50%. Красочные материалы. Красочными материалами называют вязко-жидкие многокомпонентные составы, наносимые тонкими слоями, которые после отверждения образуют покрытия. Красочные составы обычно совмещают функции отделки и защиты поверхности строительных конструкций от воздействия среды. По составу красочные материалы – композиты, состоящие из связующего (матрицы), пигмента, наполнителя, добавок. Поверхности большинства материалов, применяемых в строительстве, грубые, т.е. имеют большую шероховатость, раковины и другие дефекты структуры. Они подразделяются на классы А1-А7. В отличие от металлов эти материалы помимо уже указанных недостатков имеют еще на своей поверхности достаточное количество пор и капилляров различного размера. Это существенно меняет свойства поверхности, которая становится способной отсасывать связующее красочного состава. Поэтому поверхности, подлежащие окраске, например, железобетонных и бетонных конструкций, должны соответствовать категориям А2 и А3. Это значит, что на них ограничивается диаметр раковин (открытых пор), высота наплыва, глубина скола и пр. Процесс получения красочных покрытий включает следующие последовательные операции: грунтование, шпатлевание и нанесение красочных слоев. Число перечисленных операций определяется требованиями к внешнему виду и условиям эксплуатации покрытий. Грунтовочный слой представляет собой жидкий состав, хорошо впитывающийся основанием, предназначенный для выравнивания свойств материала-подложки по отсасывающим свойствам. Грунтовка способствует также улучшению сцепления основного покрытия с подложкой. В состав грунтовок для металлических поверхностей вводят противокоррозионные пигменты или другие ингибиторы коррозии. Шпатлевочные составы наносят с целью выравнивания поверхности и ликвидации ее дефектов. Для шпатлевания применяют густые пастообразные составы, которые имеют высокую трещиностойкость. Различают местное и общее шпатлевание. После грунтования и шпатлевания наносят последующие окрашивающие слои покрытия. Грунтовка, шпатлевка и окраска за счет многослойности образуют композиционный материал покрытия (рис. 15.1). Особенности композиционного красочного покрытия четко проявляются тогда, когда подложка-основание пориста и химически активна. В ряде случаев выполняют шлифование готовой поверхности различными абразивными материалами или покрытие ее лаком. Рис. 15.1. Схема строения красочного материала: 1 – пористая подложка (бетон); 2 – шпаклевочный слой; 3 – грунтовочный слой; 4 – слой красочного состава; 5 – верхний слой, контактирующий со средой Красочные составы бывают водоразбавляемые (известковые, силикатные, цементные, клеевые, казеиновые), масляные, полимерные, эмульсионные. Недостатком лаков и эмалей является наличие в них органического растворителя, что способствует их токсичности, взрыво- и пожароопасности, вследствие чего окраска должна производиться в специальных окрасочных камерах. Структура отечественных красочных материалов, к сожалению, до сих пор состоит преимущественно из лаков и эмалей. Эти материалы в своем большинстве содержат до 50% летучих органических растворителей, что создает серьезный источник экологической вредности. Задача промышленности – ограничить содержание растворителей в лаках и эмалях, а главное создать экологически полноценные материалы за счет воднодисперсионных и порошковых красок, выпуск которых в общем объеме производства пока еще мал. Вместе с тем воднодисперсные краски за рубежом составляют в среднем 15-20% (в Германии – более 35%), а порошковые краски – 3-7%. Реальную долговечность красочных покрытий определить трудно. Известно, что расход лакокрасочных материалов и их долговечность связаны обратно пропорциональной зависимостью. Это означает, что необходимо увеличить срок службы покрытия в «деле», т.е. повысить защитные свойства единицы толщины покрытия. Заводы, производящие краски, это могут сделать путем повышения дисперсности пигментов и наполнителей, отфильтрования включений как концентраторов напряжений, модификации компонентов состава, введения функциональных добавок. Повышение эксплуатационного срока службы покрытия напрямую связано с тщательной подготовкой поверхности для нанесения красочных составов. Классификация и свойства красочных материалов Красочные материалы и покрытия классифицируют преимущественно по химическому и эксплуатационному признакам. В основу химической классификации красочных материалов положены вид, природа пленкообразующего вещества и их назначение, которые имеют буквенные и цифровые обозначения. Буквы означают вид и природу пленкообразующего, цифры – назначение с учетом условий эксплуатации. Ниже приведены примеры таких обозначений. Алкидноакриловые АС, глифталевые ГФ, кремнийорганические КО, мочевинные (карбамидные) МИ, перхлорвиниловые ХВ, полиакриловые АК, полиамидные ПА, поливинилацетатные ПВА, силикатные ЖС, эпоксидные ЭП и т.д. Классификация покрытий по эксплуатационному признаку способствует определению рациональной области использования того или иного покрытий. В табл. 15.1 приведена классификация красочных материалов по группам эксплуатации покрытий. Таблица 15.1 – Классификация красочных материалов Наименование материала по назначению Группа эксплуатации Условия эксплуатации Атмосферостойкие 1 Покрытия, стойкие к различным климатическим воздействиям, эксплуатируемые на открытой площадке Ограниченно атмосферостойкие 2 Покрытия, эксплуатируемые под навесом и внутри неотапливаемых помещений Консервационные 3 Покрытия, применяемые для временной защиты окрашиваемой по- 'верхности Водостойкие 4 Покрытия, стойкие к воздействию воды и ее паров Специальные 5 Покрытия, обладающие специфическими свойствами: стойкостью к рентгеновскому излучению; светящиеся Далее по номерам идут покрытия специальные (например, маслобензостойкие – 6, химическистойкие – 7, термостойкие – 8, электроизоляционные – 9). Красочные составы имеют при маркировке в начале индекса буквы: вододисперсионные – ВД, органодисперсионные – ОД, водоразбавляемые – В, порошковые – П. Пример. Эмаль ХВ-16 – перхлорвиниловая эмаль (ХВ) для атмосферостойких покрытий 1, регистрационный номер 6. При маркировке покрытий учитывается также и качество внешнего вида покрытий. В соответствии с ГОСТ установлены 7 классов качества внешнего вида покрытий в зависимости от вида дефекта и их количества: I – не допускаются никакие дефекты; II-VII – возможны отдельные включения с учетом их числа (шт/м2) в зависимости от длины, ширины, диаметра дефекта и расстояния между ними; III-VII классы допускают волнистость, V-VII – потеки; IV-VII – разнооттеночность. Красочные составы различают по методу нанесения – кистевые, валиковые, пульверизационные, по условиям сушки – холодные и горячие, а также по степени блеска. Красочные составы по своей консистенции могут быть жидкими, вязкими, пастообразными, а по своим реологическим характеристикам относятся к структурированным системам. Для них характерно пластическое и псевдопластическое течение, связанное с различной степенью структурообразования в массе материала. Сильно структурированные краски пригодны для нанесения только распылением, кистью, валиком, но не методом окунания или облива. Каждому способу нанесения краски соответствует оптимальная вязкость, при которой не возникают дефекты покрытий. Для определения вязкости красок применяют вискозиметры, вязкость в которых условно измеряют в секундах. Жизнеспособность красочных составов определяется временем, в течение которого вязкость составов после смешения компонентов практически не изменяется. Для определения свойств красочных покрытий отверждение производят на твердой недеформируемой подложке (металле, стекле). Пленкообразование связано с протеканием химических и физико-химических процессов в краске, испарением растворителя или распадением водных дисперсий и др. Степень отверждения покрытий можно характеризовать показателем твердости. Наиболее доступным и простым является метод определения твердости покрытий по затуханию колебаний маятника специального прибора. Технологичность нанесения красочного материала зависит от времени отверждения связующего, в течение которого жидкий красочный состав, нанесенный тонким слоем, затвердевает и превращается в пленку. Различают 7 ее степеней. Основные компоненты красочных составов Красочные составы включают следующие компоненты: пленкообразующие вещества, наполнители, пластификаторы, растворители, разбавители, сиккативы, а также вспомогательные материалы (стабилизаторы, диспергаторы и т.д.). Пленкообразующие вещества или связующие служат для объединения всех компонентов красочного состава и образования тонкой твердой пленки, прочно связанной с окрашиваемой поверхностью. К связующим веществам относятся: клеи, казеин, известь, цемент, жидкое стекло, полимеры, олифы. От свойств связующего зависят технологические и эксплуатационные свойства красочных составов и покрытий. Натуральное связующее – олифа. Ее получают при переработке растительных масел (льняного, конопляного и др.). Олифа способна «высыхать», отвердевая, за счет окисления кислородом воздуха. Ускоряют этот процесс сиккативы («сикко» в переводе сушить, высушивать). Различают олифу натуральную, содержащую 100% растительного масла. Выпускают олифу, содержащую 55% масла и 45% уайт-спирита, а также комбинированную олифу с содержанием 70% масла и 30% уайт-спирита. Комбинированные олифы – сочетание олифы с искусственными полимерными связующими: глифталевая, пентафталевая, перхлорвиниловая и др. Глифталевую олифу, например, получают в результате нагрева льняного масла, фталевого ангидрида и глицерина. Пентафталевая смола является продуктом конденсации пентаэритрита и фталевого ангидрида. Синтетическое связующее способствует отказу от импорта натуральных смол (копал, шеллак, даммар) и экономит пищевые растительные масла. Синтетическими связующими стали разнообразные полимерные материалы, производство которых с каждым годом рас ширяется. Они применяются для изготовления лаков, эмалей, пастовых составов и вододисперсионных красок. Пигменты – это сухие красящие порошки (выполняющие также роль наполнителей), нерастворимые в воде, масле и других растворителях. В зависимости от происхождения пигменты подразделяются на минеральные и органические, а по способу получения – на природные и искусственные (табл. 15.2). Для получения природных минеральных пигментов производят механическую обработку природных материалов: помол, просев или отмучивание. Таблица 15.2 – Классификация пигментов по природе происхождения Пигменты Минеральные Органические Металлические порошки Природные Искусственные Мел Белила цинковые Пигмент желтый Пудра алюминиевая Известь Белила титановые Пигмент алый Каолин Белила свинцовые Пигмент красный Пыль цинковая Охра Литопон сухой Пигмент голубой Мумие Крон цинковый Киноварь искусственная Бронза золотистая Умбра Умбра жженая Сурик железный Сажа малярная Перекись марганца Зелень цинковая Графит Оксид хрома Лазурь малярная Искусственные минеральные пигменты получают путем термической обработки минерального сырья. Например, жженые охра, умбра. Среди искусственных пигментов наблюдается острый дефицит белых. В настоящее время широкое распространение среди белых пигментов – белил – имеет диоксид титана благодаря своим уникальным свойствам, стойкости и безвредности. Мировое его производство продолжает непрерывно расти. Применяют литопоновые и цинковые белила, имеющие хорошие показатели. Помимо традиционных сухих порошковых пигментов получают пигменты в виде пастконцентратов, эмульсий и микрокапсул. Запрещено применение токсичных пигментов, содержащих в своем составе, например, свинец, Однако они используются в редких ответственных случаях как надежное антикоррозионное покрытие. Дисперсность пигмента влияет на его основные свойства. Чем тоньше частицы, тем выше укрывистость и красящая способность пигмента. Полидисперсный состав пигмента позволяет получить плотное покрытие при минимальном расходе связующего. Укрывистость определяет расход красочного состава на единицу окрашиваемой поверхности. Красящая способность – способность пигмента передавать свой цвет в смеси с белым пигментом. Светостойкость характеризуется способностью пигмента сохранять свой цвет при действии ультрафиолетовых лучей. Большинство природных пигментов – светостойки, некоторые органические и неорганические пигменты обесцвечиваются в процессе эксплуатации. Маслоемкость характеризуется количеством олифы (г), необходимым для превращения 100 г пигмента в пастообразное состояние. Атмосферостойкость – свойство пигментов в составе красочных составов противостоять длительное время атмосферным воздействиям: воды, кислорода воздуха, кислых газов, попеременного увлажнения и высыхания, замораживания и оттаивания. Щелочестойкость – устойчивость пигмента к изменению цвета при соприкосновении со щелочной средой. Щелочестойкими являются почти все природные пигменты, а также многие искусственные пигменты (оксид титана, оксид хрома, органические пигменты «алый» и «оранжевый»). Для изготовления кислотостойких красок применяют только кислотостойкие пигменты (оксид хрома и титана, графит). Наполнители. В отделочные составы для их удешевления, повышения декоративных и защитных свойств добавляют тонкоизмельченные наполнители: тальк, диатомит, молотый песок, слюда и особенно часто мел и известняки. За рубежом расширяется применение в качестве наполнителей органических полимерных порошков: полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида и др. Виды красочных составов Масляные краски. Масляные краски изготовляют на заводах растиранием олифы с пигментами в специальных машинах-краскотерках. При растирании образуется однородная суспензия, в которой каждая частица пигмента или наполнителя имеет оболочку из связующего, адсорбированного на их поверхности. Различают густотертые и жидкотертые масляные краски. Густотертые краски производят в виде паст и доводят до рабочей вязкости добавлением олифы. Жидкотертые масляные краски выпускают готовыми к употреблению с содержанием олифы 40-50%. К таким краскам относятся титановые, цинковые белила. Масляные краски чаще всего применяют для защиты стальных конструкций от коррозии, для предохранения оконных переплетов и других деревянных элементов от увлажнения, а также для окраски поверхностей, подвергающихся истиранию и частой промывке водой (полы, нижние части стен коридоров общественных зданий, металлические ворота шлюзов и т.д.). Масляная краска не изменяет свой объем в процессе твердения, обладает стойкостью и долговечностью. Лаки и эмалевые краски. Лаки представляют собой пленкообразующие растворы синтетических или натуральных смол в органических растворителях. Для повышения качества лакового покрытия в рецептуру добавляют пластификатор, отвердитель и другие специальные добавки. В строительстве в основном применяют масляно-смоляные, синтетические безмасляные, битумные и асфальтовые лаки. Масляно-смоляные лаки – это растворы модифицированных растительными маслами натуральных, а также алкидных смол (глифталевых, пентафталевых и др.) в органических растворителях. Масляно-смоляные лаки применяют в основном для внутренней отделки по хорошо подготовленным поверхностям конструкций, а также для наружных работ. Выпуск таких лаков ограничен. Синтетические безмасляные лаки – это в основном растворы перхлорвиниловой смолы в органических растворителях. Эти лаки бесцветны, высыхают в течение 2 ч при температуре 20°С. Их применяют для лакировки масляных покрытий с целью улучшения их антикоррозионных свойств. Битумные и асфальтовые лаки представляют собой растворы нефтяного битума или асфальта или их смеси и растительных масел в органических растворителях. Применяют для грунтовки металлических поверхностей под антикоррозионное покрытие, для покрытия скобяных и других металлических поверхностей. Каменноугольные лаки – это растворы каменноугольного пека в органических растворителях. Их применяют как антикоррозионное покрытие чугунных и стальных конструкций и изделий. Эмалевые краски представляют собой суспензию пигмента в лаке. Строительные эмалевые краски должны обладать определенной твердостью, атмосферостойкостью, хорошим внешним видом, способностью высыхать при обычной температуре не более чем за 1-2 суток. К синтетическим эмалям относятся алкидные, перхлорвиниловые. Алкидные эмалевые краски – суспензия пигмента в глифталевом, пентафталевом, алкидно-стирольном и других алкидных лаках. Для наружных работ служат глифталевые ГФ-13 и пентафталевые эмали ПФ-14. Перхлорвиниловые эмалевые краски ПХВ используют для отделки предварительно загрунтованных металлических поверхностей и для отделки бетонных фасадных поверхностей. Широкое распространение нашли кремнийорганические эмали. Кремнийорганические покрытия гидрофобны, атмосферостойки, защищают наружные ограждения от увлажнения, но не препятствуют естественной вентиляции помещений. Покрытия на основе каучуковых эмалей (раствор хлоркаучука в органическом растворителе) обладают высокой водо- и коррозионной стойкостью, их применяют для защиты от коррозии металлических и железобетонных конструкций. Промышленность должна увеличить выпуск эмалей с пониженным содержанием летучих веществ. Вододисперсионные краски. Вододисперсионные краски состоят из глобул – полимеров, равномерно распределенных в водной среде, эмульгатора, препятствующего слипанию глобул, пигмента и специальных добавок. Вода при нанесении краски на поверхность изделий отсасывается пористым основанием и частично испаряется. При этом происходит обращение фаз и распад эмульсии, глобулы сливаются, и образуется гладкое покрытие. После отверждения покрытие приобретает матовый оттенок, становится водостойким, воздухопроницаемым. При этом вододисперсионные краски не токсичны, технологичны, так как могут легко разбавляться водой до требуемой вязкости. В ассортименте вододисперсионных красок ведущее положение пока занимает поливинилацетатная краска. Это водная дисперсия поливинилацетата, пластифицированная дибутилфталатом, пигмент, добавки. Краска обладает определенной водостойкостью, достаточной адгезией к бетону, штукатурке, дереву. Акрилатная краска отличается повышенной водостойкостью, атмосферостойкостью и долговечностью. Краску применяют для отделки фасадов зданий, влажных помещений. Акрилатные краски перспективны, так как у них есть развивающаяся сырьевая база. Кремнийорганические вододисперсионные краски имеют такое же применение, как и акрилатные. Они придают покрытию гидрофобность, которая значительно повышает долговечность покрытия и конструкции, которую защищают. Общая тенденция развития вододисперсионных красок – повышение их водостойкости и эксплуатационного срока службы. Пастовые составы. В отделке зданий и сооружений используются пастовые составы, создающие сразу покрытия толщиной до 1000 мкм. Пастовые составы готовят на основе синтетических смол и водных дисперсий полимеров. Имеются пастовые, полимерцементные, полимергипсовые, полимергипсоцементные составы. Применение нашел пастовый состав «Дефас», изготовленный на основе поливинилацетатной краски ВД-ВА-17, кварцевого песка, маршалита. Для отделки фасадов зданий широко применяются пастовые составы на основе и других вододисперсионных красок. Пастовые составы обладают одновременно свойствами штукатурок и красочных покрытий при сравнительной простоте нанесения таких составов, резком сокращении трудоемкости и сроков отделки. Порошковые краски. Порошковые краски представляют мелкодисперсную сухую смесь твердых полимеров, наполнителей, пигментов и специальных добавок. Основными свойствами их являются высокая дисперсность (10-100 м2/г), сыпучесть и малая насыпная плотность. Порошковые краски доводят до рабочей вязкости ожжижением, т.е. переводом в капельно-жидкое состояние (расплав), монолитизацией – слиянием частиц и их отверждением с образованием химически стойкого покрытия. В качестве основного сырья применяют термопластичные полимеры (полиэтилен, поливинилхлорид, полиамиды) и реактопласты (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые). Формирование покрытий может происходить в широком интервале температур, при этом изменяется и продолжительность процесса отверждения. Порошковые краски наносятся на защищаемую поверхность напылением с разогревом состава (пистолетом и др.). Например, покрытия из поливинилбутирольной краски ПВЛ-212 получают при температуре 170°С и 250°С, время формирования покрытия соответственно составляет 30 и 3 мин. Краски на неорганических вяжущих. Известковые, цементные, силикатные краски. В качестве связующего применяются цемент, гашеная известь, силикат калия. Для повышения водоудерживающей способности красочного состава вводят специальные добавки: хлористый кальций, поваренную соль или алюминиевые квасцы, иногда полимеры. Срок службы таких покрытий на воздухе невысок. В качестве связующего цементных красок применяют белый или цветной цементы. Для повышения водоудерживающей способности состава в него вводят известь- пушонку и хлористый кальций. Цементные краски применяют для наружных работ. Силикатные краски представляют суспензию пигментов и активных наполнителей (диатомита или трепела), затворяемых водным раствором силиката калия. Краска относительно водостойка. Силикатными красками окрашивают фасады зданий, добавляя для стойкости диспергированные акриловые или стиролакриловые полимеры. Состав используется для защиты от возгорания деревянных конструкций. Казеиновые и клеевые краски. Краски представляют собой суспензии пигментов и наполнителей в водных или водно-щелочных растворах клея или казеина. Клеевые краски приготовляют с использованием синтетических клеев – на основе карбоксилметилцеллю- лозы и других полимеров. Для повышения прочности и водостойкости в клеевые составы вводят олифу. Клеевые составы не водостойки, их применяют для внутренней отделки помещений. Казеиновые краски готовят на месте производства малярных работ перемешиванием с водой сухих (порошковых) красок промышленного производства. Для повышения водостойкости в казеиновые краски вводят известь, что повышает атмосферостойкость покрытия. Казеин – пищевое сырье, поэтому эти краски имеют ограниченное применение. Природный и искусственный камень. Природный камень применяется для наружной и внутренней отделки монументальных и общественных зданий. Для наружной отделки используют плиты и блоки из гранита, диорита, сиенита, лабрадорита, андезита, известняка, доломита, кварцита, кремнистого песчаника и др. Толщина плит 4-8 см. Применение мрамора не рекомендуется, так как в окружающей среде современного города он быстро корродирует. Структурно-текстурные особенности горных пород, наличие причудливого рисунка со своеобразным расположением минералов особенно в полированных плитах, украшает город, дает ему долгосрочную эксплуатационную защиту от влияния среды. Для внутренней отделки используют менее прочные породы: гипс, ангидрид, мрамор, ракушечник. Они хорошо распиливаются на тонкие плиты толщиной до 4 см. Мрамор возможно распиливать на более тонкие плиты толщиной 0,5-1,0 см, что снижает стоимость отделки. Применяется также «искусственный мрамор», изготавливаемый на минеральном и полимерном вяжущем, превосходящий природный по эксплуатационным показателям и цветовой гамме. Широко используется отделка декоративным бетоном с использованием белых и цветных цементов, с заполнителями из дробленых горных пород – известняка, гранита, мрамора, а также боя цветного стекла и керамики. Применяют декоративный бетон с обнаженным заполнителем. Для этого разработаны различные замедлители схватывания цемента на основе гидрола, декстрина, мелассы, буры, обеспечивающие продолжительную стабильную жизнеспособность смесей, цементирующих поверхностный слой. После приобретения бетоном некоторой прочности производят смыв несхватившейся части цементного раствора и обнажение заполнителя. Декоративная крошка по клеящей основе на бетонных поверхностях обеспечивает получение многоцветных рисунков, панно на фасаде зданий, получаемых также набрызгом, механическим способом или в электрическом поле. Возможно использование готовых «ковров» из мелкоразмерных материалов, укладываемых на поддон формы при изготовлении железобетонных панелей. Цветной и декоративный бетон должен иметь класс прочности не менее В15, марку по морозостойкости не менее F35; F50, а для домов повышенной этажности – не менее F100. Для того чтобы обеспечить эти характеристики бетона, предъявляются соответствующие требования к цементу, заполнителям, производственным факторам прочности и стойкости бетона. Необходимым условием долговечности отделки является также высокая прочность сцепления отделочного слоя с основанием конструкции, стабильная во времени. На практике используются детали декоративных бетонов с поверхностной пропиткой мономерами (полимерами), глубиной от 2...3 до 8...10 мм в зависимости от режимов сушки, вакуумирования и пропитки. Декоративные бетонополимеры имеют высокую морозостойкость – 2000-3000 циклов. Так, в нашей стране создан новый отделочный материал «Пластоун», который не отличается от природного камня по внешнему виду, но превосходит его по своим физикомеханическим и эксплуатационным свойствам, а также отсутствию радиационного фона. «Пластоун» изготавливается из мраморного фракционированного песка, латексного связующего, пигмента и представляет собой готовую для использования смесь нужного цветового решения. Перед укладкой основного состава на поддон формы наносится из пистолета специальный грунтовочный состав, после высыхания которого укладывается основной состав. Расход смеси 2-4 кг/м2, время высыхания «на отлип» – 24-48 ч. «Экстрагранит», аналогичный по текстуре природному граниту, получают на основе кварцевого песка в виде плит 300x300 и 300x400 мм толщиной 6…16 мм. По морозостойкости он в 5 раз превосходит керамику и в 2 раза – керамический гранит; по термостойкости в 5 раз, а по химстойкости в 30 раз выше природного гранита. Наружные ограждения здания часто покрывают раствором из готовых сухих компонентов с пигментами и модификаторами структуры, в том числе гидрофобного типа. В странах Европы применяют материалы из волокнистого цемента без асбеста – «Этернит АГ», из которого создают навесные вентилируемые панели «Поликолор» и «Изоколор». Штукатурка из мелкозернистого песка с выделением слюды, перлита, стеклянной и полимерной крошки может быть шероховатой, гладкой, бороздковой. Такая же штукатурка может быть украшением наружных стен и фасадов зданий. Большей частью каменные материалы выполняют при отделке не только декоративную, но и конструкционную функции. Керамика, стекло, металл. Наиболее распространены из керамики облицовочные кирпичи, блоки, плитки, получаемые из цветных природных глин белого, красного и кремового цветов, а также с добавками пигментов (серых, черных, коричневых, розовых); производят также объемную керамику с крупным рельефом поверхности или бордюры. Керамическая плитка выпускается специально для полов (более 50 видов), облицовки внутренних стен (более 40 видов) и фасадов. На некоторые плитки наносят глазурь, глянец транспарантный, то есть прозрачный, блестящий и приглушенный, матовый, что делает его более износостойким и нескользким. Метод распыления глазури аэрографией также делает плитку нескользкой. Прочность плитки обычно значительно выше нормы (> 25 МПа), износостойкость очень высокая, морозостойкость не менее 25 циклов. В заводской технологии используют в основном ковровую керамику, которая представляет собой мелкую тонкостенную плитку, наклеенную на плотную бумагу с зазорами, а также ковровую керамику типа «Брекчия», набранную из плиточного керамического боя. Для отделки цоколей здания применяют плитку «Кабанчик», размерами, соответствующими размерам кирпича при толщине 8 10 мм. Все керамические изделия отвечают высоким эксплуатационным требованиям и сроку службы в наружной отделке. Однако следует учитывать высокие показатели удельных капитальных вложений в основное керамическое производство и сопряженные отрасли. «Керамический гранит» производят из глинистых материалов с минеральными пигментами. Из сырьевой массы формуют плитки под давлением около 50 МПа, которые затем обжигают при температуре 1250°С. Плитки имеют размеры 200x200, 300x300 мм при толщине от 7,5 до 12 мм. Они не уступают по показателям прочности, износостойкости, термостойкости, морозостойкости и стойкости к агрессивным средам природному граниту. В странах северной Европы для отделки фасадов применяют цветной клинкерный кирпич, обжигаемый при температуре 1000-1400°С. Такой материал хорошо зарекомендовал себя в течение нескольких веков. В последнее десятилетие существенно повысилась роль облицовочных материалов из стекла. Номенклатура изделий из него далеко не исчерпывается приведенными примерами: - стекло цветное глушеное типа «Марблит»; - стекло крупноразмерное закаленное, покрытое с внутренней стороны керамической краской «Стемалит»; - коврово-мозаичные плитки; - эмалированные плитки; - ситалл и шлакоситалл; - смальта; - цветная стеклянная крошка; - эрклез (кусковое дробленое стекло) различного цвета. В последнее время удачно используется стекло в сочетании с алюминиевыми и другими конструкциями из цветных металлов. Такие конструкции и их цветовые решения дополняют подсветка, солнечное освещение, что создает эффектное восприятие. Фирма «Рус-Свич» производит остекленные алюминиевые конструкции с тройным открыванием, адаптированные к холодному зимнему климату северных районо РК. Системные стеклоалюминиевые конструкции для фасадов отвечают высоким требованиям экологии, тепло- и шумозащиты. Для повышения термического сопротивления стекол их покрывают специальными составами, уменьшающими тепловые потери за счет уменьшения излучательной способности. Лицевой слой легких навесных панелей целесообразно выполнять из ситалла, шлакоситалла, плакированных стальных, алюминиевых и асбоцементных листов. Эта отделка особенно эффективна в приморских районах, характеризующихся сильными ветрами. Лесные материалы. Отделка лесными материалами весьма разнообразна и ценится текстурой древесины. В первую очередь используются пиленые изделия: доски, рейки, вагонка, плинтуса, накладки и другие детали. Эти изделия часто покрывают лаками, в том числе цветными, а в случае наружной отделки в лак добавляют антисептики и антипирены, предотвращающие гниение и возгорание древесины. Древесно-волокнистые, древесно-стружечные плиты, фанера широко используются для отделки потолков и стен. Эти материалы также обрабатываются лаками, лучше бесцветными, позволяющими сохранить и подчеркнуть текстуру древесины различных пород. Эту же функцию выполняют тонкие пластинки шпона, наклеиваемые на древесину менее ценных пород. Особенно часто применяют лесные материалы для отделки полов паркетом штучным или в виде плит, набранных на заводе. Обычно в жилищном и гражданском строительстве используют древесину пород дуба, ясеня, ореха, липы, красного дерева, граба и многих других, создавая уникальные по красоте рисунки. Глубокая переработка древесины дает возможность получить картон и бумагу, что находит применение в отделке помещений. Гигиенично производить оклейку внутренних помещений бумажными обоями, ассортимент которых огромен. Простые бумажные обои – наиболее распространенный вид отделки стен. В последнее время появились грубоволокнистые обои из плотного нижнего и гладкого верхнего слоя. Такие обои обычно клеят встык и потом покрывают слоем лака. Моющиеся долговечные обои состоят из двух слоев: бумаги или ткани и синтетического покрытия. Структурные обои состоят из двух полотен бумаги, тисненных еще во влажном состоянии. Изготавливают также металлические, тканевые, велюровые обои, обои из стекловолокна на бумажной основе и др. Нужно выделить также оклеивающие пленки на полимерной основе и самоклеящем основании, применяемые в кухнях, коридорах, сантехузлах. Для внутренних помещений широко применяется сухая гипсовая штукатурка, комбинированные гипсокартонные панели с пенополистиролом или минватой, толщиной до 6,5 мм, приклеиваемые на поверхности бетона, кирпича и др. Гипсокартонные листы пригодны также для устройства стен, перегородок, потолков, сборного пола. Изготавливаются плиты сухой штукатурки на различных связующих на основе гипса и пористых заполнителей – перлита, керамзитового песка, гранулята и других составов, повышают теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства отделки ограждений. С помощью листов из различных материалов и металлического профиля можно смоделировать любую классическую архитектурную форму: карнизы, профили, круглые колонны, своды, арки, купола. Разные деревянные изделия, в частности скульптурные, являются большей частью произведениями искусства и используются для отделки интерьеров, включая деревья с интересными пороками, например свилеватостью, кривизной, различными сучками и т.п. Одним из эффективных приемов использования отходов и низкокачественной лиственной древесины является ее модифицирование полимерами и склеивание, повышающие прочность, влагостойкость, стойкость к агрессивным средам, формостабильность. Полимерные материалы. Покрытие полов из полимерных материалов в зданиях различного назначения предъявляет к ним ряд специальных требований: пониженной истираемости, высокой износостойкости и водостойкости при определенной прочности и твердости покрытия. Широко распространенным является покрытие полов линолеумом, различными ворсовыми тканями в виде ковров, дорожек. Используются также ковры пылепоглощающие, для влажных помещений, амортизационные, чистящие и др. Для перечисленных покрытий важное значение имеет отсутствие накопления статического электричества, искрообразование, нескользкость, беспыльность. Высокие требования предъявляются к получившим распространение самовыравнивающимся наливным полам, особенно к их трещиностойкости. Такие полы характеризуются высокой технологичностью исполнения, ровной поверхностью, не нуждающейся в дополнительной шлифовке и полировке. Наиболее прогрессивными являются составы на основе полимерцементных композиций с суперпластификаторами и модификаторами структуры. Кроме покрытия полов полимерные материалы используют: - как декоративные пленки, рулоны для облицовки стен, потолков, встроенной мебели; - набранные рейки, профили, плинтусы, раскладки; - плоские и волнистые стеклопластики. Созданы плоские панели и специальные системы из поликарбоната для легких светопрозрачных конструкций «Метрополитеновец», использующий в частности и клееную древесину. Вопросы для самоконтроля 1. Какие материалы применяют для отделки наружных поверхностей зданий и почему? 2. Требования, предъявляемые к отделочным материалам. 3. Основные пигменты строительных красочных составов. 4. Водные красочные составы. Известковые, клеевые, силикатные и другие составы, их свойства и области применения. 5. Виды олиф, их свойства и применение в масляных красочных составах. 6. Полимерные красочные составы. Лаки. Эмали. Их свойства, применение.