Основные свойства и оценка качества строительных материалов

ЛЕКЦИИ ПО СТРОИТЕЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ Раздел 1. Основные свойства и оценка качества строительных материалов Инженер-строитель должен уметь оценивать свойства строительных материалов с помощью числовых показателей и разбираться в методических принципах их определения. Свойство – это способность материала определенным образом реагировать на воздействие внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов. Основные свойства строительных материалов можно подразделить на физические, гидрофизические, механические, теплофизические и специальные. Физические свойства. К физическим свойствам относятся: истинная, средняя и насыпная средняя плотности, а также пористость. Истинная плотность. Истинной плотностью называется масса материала в единице объема в абсолютно плотном состоянии (1) m Va (1) – истинная плотность, г/см3; m – масса материала, г; Va – объем в абсолютно плотном состоянии, см3. Средняя плотность. Средней плотностью о называется масса материала в единице объема в естественном состоянии (2) где о m V (2) 3 где о – средняя плотность, г/см ; m – масса материала, г; V – объем в естественном состоянии, см3. Насыпная средняя плотность. Насыпная средняя плотность – это средняя плотность рыхлых сыпучих материалов, определяемая без вычета пустот между их частицами (3) н m Vн (3) 3 где н – насыпная средняя плотность, г/см ; m – масса материала, г; Vн – объем в рыхло-сыпучем состоянии, см3. Пористость. Пористостью называют отношение объема пор к общему объему материала (4) П где П – пористость, Vп – объем пор, V – общий объем материала. Vп V (4) 1 Пористость может быть величиной безразмерной, или, при умножении на 100%, выражаться в процентах. Поры – это мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой. Поры бывают открытые, сообщающиеся с окружающей средой, и замкнутые, с ней не сообщающиеся. По величине пористости можно приближенно судить о других важных свойствах материалов – плотности, прочности, водопоглощении, морозостойкости и др. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. Пористость можно определить, зная истинную и среднюю плотности материалов (5). П 1 о 100 % (5) Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98%. Общая пористость складывается из открытой По и замкнутой Пз пористости (6). (6) П По П з Открытые поры увеличивают водопроницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Открытую пористость можно определить по формуле 7 По m2 m1 V0 (7) где м2 и м1 – масса образца в водонасыщенном и сухом состоянии, г; 3 в – плотность воды, г/см , V – объем в естественном состоянии, см3. Гидрофизические свойства. Водопоглощение. Водопоглощением называют способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Водопоглощение определяют по разности масс образца материала в насыщенном водой и в сухом состоянии, и выражают в % от массы сухого материала (водопоглощение по массе Wm) или в % от объема образца (водопоглощение по объему Wv). Весовое водопоглощение Wm определяется по формуле 8: Wm m2 m1 m1 100 % (8) где m2 – масса материала в водонасыщенном состоянии,г; m1 – масса материала в сухом состоянии, г. Объемное водопоглощение Wv определяется по формуле 9: Wv m2 m1 ∙100% Vо (9) где m1 и m2 - масса материала в сухом и водонасыщенном состоянии, V0 – объем материала в естественном состоянии. Водостойкость. Водостойкость – это способность материала при насыщении водой сохранять основные физико-механические свойства. Она характеризуется коэффициентом размягчения Кразм. (10), который представляет 2 собой ношение предела прочности на сжатие водонасыщенного материала (Rcж. вод ) к пределу прочности на сжатие сухого материала (Rсж. сух.). К разм Rсж вод Rсж сух (10) При проектировании сооружений, подвергающихся воздействию воды, необходимо применять материалы с коэффициентом размягчения не ниже 0,8. Причиной снижения прочности при увлажнении материала водой может быть: 1) наличие в материале растворимых веществ, вымываемых водой. 2) Если материал не содержит растворимых веществ, падение прочности при увлажнении может быть связано с расклинивающим эффектом Ребиндера, связанным с расширением (расклиниванием) устьев микротрещин при проникании в них диполей воды. Влажность. Влажностью называют весовое содержание воды в материале, выраженное в процентах. Сорбционная влажность. Она характеризует способность материала поглощать пары воды из окружающего воздуха. Численно она равна влажности материала после окончания поглощения им водяного пара. С повышением давления пара (т.е. с увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность материала. Водопроницаемость. Водопроницаемость – способность материала пропускать через себя воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшей в течение 1 часа через 1 см2 поверхности материала при заданном давлении воды, которое устанавливается стандартом в зависимости от вида материала. Водонепроницаемость. Водонепроницаемостью называется способность материала не пропускать воду под давлением. Степень водонепроницаемости материалов зависит от их плотности и строения. Особо плотные материалы водонепроницаемы, материалы с замкнутыми мелкими порами практически также водонепроницаемы. Чем больше открытых пор, тем более проницаем для воды материал. Водонепроницаемость оценивается маркой материала по водонепроницаемости W, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, выраженное в МПа, при котором образец – цилиндр из испытуемого материала еще не пропускает воду. Строительные материалы имеют марки по водонепроницаемости W 0,2 – 1,2. Морозостойкость. Морозостойкостью считают способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать многократное переменное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Количественно морозостойкость оценивается маркой материала по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости Мрз или F принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают водонасыщенные образцы материала без снижения прочности при сжатии более 15%, и потери массы более 5%. Разрушения в материале связаны с тем, что вода, находящаяся в его порах, при замерзании увеличивается в объеме более чем на 9 %. Определение степени 3 морозостойкости материалов производится путем замораживания o о водонасыщенных образцов при t = (-15, -17) в течение нескольких часов и их последующего оттаивания при to более 15 о С. не менее 6 часов. По степени морозостойкости материалы подразделяются на марки F (или Мрз) : 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 300 и выше. Механические свойства. Прочность. Под прочностью понимают способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок или других факторов (например давлении, изменении темпрературы). Прочность материалов оценивается пределом прочности R, определяемым при данном виде деформаций (сжатия, растяжения, изгиба, кручения и среза). Пределом прочности R называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение материала. В зависимости от вида материала и действующей нагрузки, определяют предел прочности: - при сжатии Rcж (для бетонов, строительных растворов, природного камня, древесины, кирпича, вяжущих веществ); - при изгибе Rизг (для бетонов, строительных растворов, древесины, кирпича, вяжущих веществ); - при растяжении Rраст (для бетона, железобетона, металлов). Для хрупких материалов (природных камней, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии Rсж.. Предел прочности при сжатии Rcж. равен частному от деления разрушающей силы Р на первоначальную площадь поперечного сечения материала А (формула 12): Rсж Р , МПА А (12) Предел прочности при сжатии определяют нагружением до разрушения испытуемых образцов на гидравлических прессах. Строительные материалы часто испытывают на изгиб. При испытании на изгиб образцы в виде балочек или плит кладут на 2 опоры и нагружают одним (реже двумя) сосредоточенными грузами до разрушения (рис. 1). Предел прочности при изгибе Rизг. определяют по формуле 13: Rизг 3Рl , МПа 2bh 2 (13) где Р – нагрузка, l – расстояние между опорами, b и h – ширина и высота образца. 4 Рисунок 1 – Схема нагружения образца при испытании на изгиб Твердость. Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Это свойство характеризует стойкость материалов к деформированию или разрушению при местном силовом воздействии. Количественно твердость оценивается различными методами. Например, твердость минералов 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 ( от талька до алмаза). Твердость древесины, металлов, бетона и других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик, конус или пирамиду. В результате вычисляют число твердости H, являющееся функцией, обратнопропорциональной площади отпечатка (14), H f 1 A (14) где А – площадь отпечатка. Для металлов твердость определяют тремя методами - Бринелля, Роквелла и Виккерса. Метод Бринелля. При стандартном определении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемый образец под приложенной определенное время нагрузкой Р; после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка (рис. 2). Число твердости по Бринеллю определяют как отношение нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Обозначают число твердости по Бринеллю НВ. 5 Рисунок 2 – Схема измерения твердости по Бринеллю Метод Роквелла. При измерении твердости по методу Роквелла в поверхность материала вдавливают два индентора – алмазный или твердосплавный конус с углом 120о (рис. 3) или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Число твердости в условных единицах зависит от глубины вдавливания индентора. Обозначают твердость по Роквеллу НR c прибавлением буквы, обозначающей шкалу измерения, например, НRА, НRВ и НRС Рисунок 3 – Схема измерения твердости по Роквеллу Метод Виккерса. При стандартном измерении твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливают алмазный индентор в форме пирамиды. После удаления нагрузки измеряют диагональ отпечатка, оставшегося на поверхности образца (рис. 4). Число твердости HV определяют делением нагрузки на площадь боковой поверхности полученного отпечатка. 6 Рисунок 4 – Схема измерения твердости по Виккерсу Истираемость. Истираемость И – свойство материала уменьшаться в объеме и массе вследствие разрушения поверхностного слоя под действием истирающих усилий. Она оценивается потерей массы образца, отнесенной к площади истирания (15) И m1 m2 A (15) где И – истираемость, г/ см2. m1 – масса материала до испытания, г; m2 – масса материала после испытания, г; А – площадь образца, см2. Упругость. Упругостью твердого тела называют его свойство деформироваться под влиянием нагрузки и самопроизвольно восстанавливать форму и размеры после прекращения действия внешних сил. Пластичность. Пластичность – это свойство твердого тела изменять форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь. После снятия нагрузки первоначальная форма и размеры тела не восстанавливаются. Теплофизические свойства. Теплопроводность. Теплопроводностью называют способность материалов передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Степень теплопроводности важно знать для материалов, используемых при устройстве ограждающих конструкций, т.е. стен, верхних перекрытий, полов в нижних этажах, и в особенности для теплоизоляционных материалов, назначение которых – способствовать сохранению тепла в помещениях и тепловых установках. Степень теплопроводности различных строительных материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности (16). Он равен количеству тепла, в килокалориях (или джоулях), проходящего через стену толщиной 1 метр и площадью 1м2 за 1 час при разности температур на двух противоположных поверхностях стены в 1о. 7 Qd Вт , о A t 2 t1 м С (16) где Q – количество тепла, d – толщина стены, - время теплопередачи, А – площадь стены, t2 и t1 – температура на двух поверхностях стены. Теплопроводность материала зависит от степени его пористости, характера пор, вида материала, влажности, средней плотности и других факторов. Сильное влияние на теплопроводность оказывает влажность материала, т.к. у воды =0,59 Вт/м о С, а у воздуха = 0,023 Вт/м о С. Поэтому поры, заполненные водой, гораздо легче проводят тепло, чем поры, заполненные воздухом. Величина пор материала также влияет на теплопроводность. Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с открытыми порами. Это объясняется тем, что в крупных сообщающихся порах возникает движение воздуха, сопровождающееся переносом тепла и повышением суммарного коэффициента теплопроводности. Теплоемкость. Теплоемкостью называется свойство материалов поглощать определенное количество тепла при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью С (17) С Q m t2 t1 , ккал кг о С (17) где С – коэффициент теплоемкости, Q – количество теплоты m – масса материала t1 – температура, которую имел материал, t2 - температура, до которой нагревают материал. Огнестойкость. 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. По сгораемости материалы подразделяются на 3 группы. Несгораемые материалы (бетон, кирпич, сталь и др.) под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Некоторые материалы могут при пожаре могут растрескиваться или сильно деформироваться. Трудносгораемые материалы (асфальтобетон, фибролит, пенопласты, пропитанная антипиренами древесина и др.) под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление затухает. Сгораемые материалы (древесина) воспламеняются или тлеют под воздействием огня или высокой температуры и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня. 8 Огнеупорность. Огнеупорностью называют свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не расплавляясь. Существуют три группы материалов по огнеупорности: - огнеупорные, выдерживающие действие температур выше 1580 оС. - тугоплавкие, выдерживающие температуры от 1350о до 1580оС. - легкоплавкие, с огнеупорностью ниже 1350оС. Специальные свойства Химическая или коррозионная стойкость. Химической или коррозионной стойкостью называется способность материала противостоять агрессивному воздействию кислот, щелочей, солей или газов. Ориентировочно ее можно оценить модулем основности материала Мо, представляющем собой отношение основных оксидов к кислотным (18) Мо %CaO % MgO % Na 2 O ... % SiO2 % Al 2 O3 ... (18) Если в материале содержатся в большем количестве основные оксиды, то материал стоек к щелочам, но не стоек к кислотам. Если в химическом составе материала преобладают кислотные оксиды, то материал стоек к кислотам, но не стоек к щелочам. Биостойкость – способность материалов сохранять свою прочность при контакте с живыми организмами, т.е. не являться для них питательной средой. Долговечность. Под долговечностью материалов понимают их способность длительно выдерживать воздействие всей суммы атмосферных факторов (температуры, влажности, воздействия агрессивных веществ и др.) Она оценивается сроком службы материала без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в определенном режиме эксплуатации. Например, для железобетона нормами предусмотрены 3 степени долговечности: I – со сроком службы не менее 100 лет, II – не менее 50 лет, III – не менее 20 лет. РАЗДЕЛ 2. ТЕМА 1. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. Природными каменными материалами называются материалы и изделия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалыванием, распиливанием и т.п.) горных пород. Природный камень наряду с древесиной был первым строительным материалом, используемым человеком. Из глубины веков пришли памятники архитектуры, возведенные из природного камня: одно из древнейших сооружений Стоунхендж в Англии, пирамиды в Египте, храмы Древней Греции. Средневековые замки и храмы, построенные из природного камня, можно найти в каждой стране. 9 Природный камень, применяемый непосредственно как строительный материал, привлекает своей декоративностью и долговечностью. В виде облицовки его применяли зодчие 18-19 веков, все царские палаты были облицованы родонитом, малахитом, привезенным с Урала. Высокая стойкость природных каменных материалов делает их незаменимыми для гидротехнических сооружений, дорожного и мостового строительства и во многих других случаях. Когда необходимо обеспечить высокую долговечность сооружения. Пористые камни, такие, как ракушечник или вулканический туф, очень эффективны как местный материал для возведения стен, вместо кирпича и других искусственных стеновых материалов, так как энергозатраты на их добычу несравнимо меньше, чем обжиг кирпича или изготовление бетонных панелей и блоков (с учѐтом производства цемента и арматуры). Также природные каменные материалы играют роль сырья: его применяют в керамики, при изготовлении стекла, при производстве портландцемента и других вяжущих. Огромное количество песка, гравия и щебня используется для приготовления бетонов и растворов как заполнителя. Общая доля затрат в строительстве на эти материалы, называемые «нерудными материалами», превышает 20%. Знакомство с природными каменными материалами целесообразно начинать с изучения свойств основных горных пород и минералов. Горная порода – это природный минеральный агрегат, состоящий из одного минерала (мономинеральная порода) или из нескольких минералов ( полиминеральная порода) Минерал (от лат. minera – руда) - это физически и химически однородное вещество, образовавшееся вследствие сложных физико-механических процессов на поверхности и в глубинах земли. В природе найдено более 3 тыс. минералов, но лишь немногие из них образуют крупные скопления; такие минералы называют породообразующими. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ. Для того, чтобы легче разобраться в многообразии горных пород и выявить причины в различии их свойств, целесообразно воспользоваться классификацией горных пород, в основу которой положено их происхождение (генезис). Принципы такой классификации были предложены еще М.В. Ломоносовым, а в современном виде она была доработана российскими учѐными Ф.Р. ЛевинсономЛессингом, А.П. Карпинским и др. Генетическая классификация горных пород учитывает условия их образования, которые предопределяют строение и, следовательно, свойства пород. Природные каменные материалы по происхождению подразделяются на три группы. 10 Магматические Осадочные Массивные Обломочные Химие осадк и Метаморфические Органог Мех-ие енные осадки отложен ия Продукт Продукт перекриста перекриста ллизации ллизации магмат. осадочных пород пород Глуб Изл Вулканичес Гипс, Мел, Рыхлые Гнейсы Мрамор инн ивш кие пеплы, извес ракушеч Песок, ( из ые иеся пемзы, извести) ть. ник, гравий, Гран Пор туфы. диатом глина Сцемен ит, фир, иты, сиен база трепел тирован ные ит, льт. ы, габб опоки. Песчан ро ик, конгло мерат, брекчия Магматические, образовавшиеся при кристаллизации природного силикатного расплава – магмы.( первичные породы, образующиеся при остывании магмы) Осадочные, образовавшиеся в поверхностных условиях, из продуктов разрушения других пород( вторичные породы, образовавшиеся в результате выветривания магматических пород) Метаморфические, образовавшиеся из магматических или осадочных пород при изменение условий (давления, температуры в земной коре) Глубинные породы характеризуются крупнокристаллической структурой, отсутствием пор, высокой прочностью, твѐрдостью и морозостойкостью. В полированном виде глубинные породы очень декоративны. К ним относятся: граниты, сиениты, габбро и диориты. ВИДЫ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ. Области применения природного камня очень широки и виды каменных материалов можно разделить на две группы: 1. Материалы, не требующие обработки. 2. Материалы, требующие обработки. Первая группа: Песок – это рыхлая смесь зѐрен, с размерами частиц 0,14 – 5 мм. Используется, как мелкий заполнитель для бетонов и растворов. Гравий - это рыхлая сыпучая смесь зерѐн, с размерами частиц от 5 до 70мм. используется как крупный заполнитель для бетонов, асфальтобетонов, а также как 11 фильтрующий материал для очистки воды при строительстве очистных станций. Бутовый камень – природные куски камня неправильной формы, получаемые взрывным методом (рваный бут), или плиты неправильной формы (постелистый бут или плитняк), получаемые выламыванием из слоистых пород. Используется для бутовой и бутобетонной кладки подвальных стен и стен не отапливаемых зданий. Булыжный камень – используется для устройства верхний покрытий дорог IV-V категорий, оснований под дороги, откосов земляных сооружений, для мощения ж/д откосов и для берегоукрепительных работ. Сейчас применяют редко, так как это требует больших затрат ручного труда. Вторая группа. Облицовочные плиты, которые имеют различную фактуру: Фактуру «скалы» с крупными буграми и впадинами; Рельефную Пилѐную; Шлифованную; Полированную. Щебень – представляет собой кусковой материал неправильной формы, с размерами частиц от 5 до 70 мм, получаемый дроблением горных пород. Используется как заполнитель в тяжелых бетонах и асфальтобетоннах. Механические свойства щебня оценивают по его дробимости, которая обозначается буквой ДР. Черепица из кровельного сланца ( месторождения в Эстонии близ Коклоярва) Бортовые камни (бордюрные) – служащие для отделения проезжей части от тротуара, изготовляют главным образом из сиенита и гранита. Представляют собой прямоугольные парраллелипипеды длиной 1000…2000 мм, высотой 300400 мм и шириной 100…200 мм. Брусчатка – колотые или тесаные камни из изверженных или плотных осадочных пород, имеющую форму, близкую к кубу. Брусчатка – очень долговечное и декоративное покрытие улиц и площадей; в частности, брусчаткой вымощена Красная площадь в Москве. 12 РАЗДЕЛ 2. Тема 2. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Керамическими называют каменные изделия, получаемые из минерального сырья путем формования и обжига его при высокой температуре. Классификация керамических изделий По основным технологическим видам различают следующие разновидности керамики: - терракота – неглазурованная однотонная естественно окрашенная керамика от кремового до красно – коричневого цвета с пористым черепком (стеновые материалы, архитектурные детали, облицовочные плитки и т.д.) - майолика – керамика из цветной обожженной глины с крупнопористым черепком, покрытая глазурью (изразцы, скульптура и др.) - фаянс – твердый керамический материал обычно белого цвета с мелкопористым черепком, покрытым глазурью (санитарно-техническая керамика, посуда, облицовочные плитки и др.) - фарфор – плотный керамический водонепроницаемый материал белого цвета (санитарно-техническая керамика, посуда, плитки и др.) В зависимости от их структуры керамические изделия подразделяются на пористые и плотные. 1.Пористые поглощают более 5% воды по массе, 2.плотные – менее 5% воды по массе. По назначению керамические изделия подразделяются на: стеновые, кровельные, облицовочные, заполнители для легких бетонов, теплоизоляционные изделия, санитарно-технические изделия, плитка для пола, дорожный кирпич, изделия для подземных коммуникаций, кислотоупорная и огнеупорная керамика. Сырьевые материалы для производства керамики 1.Глинистые материалы. Важнейшими сырьевыми материалами для производства керамики являются глины. Под ними понимают природные водные алюмосиликаты общей формулой Аl2O3 ∙SiO2 ∙n H2O с разными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камнеподобное состояние. Глины состоят из нескольких алюмосиликатов. К ним относятся: - каолинит – Аl2O3·2SiO2·2H2O - монтмориллонит - Аl2O3·4SiO2·nH2O 13 - галлуазит - Аl2O3·2SiO2·4H2O. Кристаллическая решетка глинистых минералов имеет пластинчатое строение, и это обусловливает свободное перемещение отдельных частиц глины при затворении водой. Этим объясняется их пластичность. Свойства этих минералов связаны со строением их кристаллической решетки. У каолинита она более плотная, у монтмориллонита – самая неплотная, очень подвижная. Если глина содержит в основном каолинит – ее называют каолином (в переводе с китайского языка – белая гора). Это малопластичная беложгущаяся глина. Если глина содержит в основном монтмориллонит, она называется бентонитом. Бентониты – это высокопластичные глины. Пластичность глин, кроме минерального состава, определяется величиной и количеством тонких частиц (менее 0,005 мм). В высокопластичных глинах таких частиц содержится ~80-90%. В качестве примесей в глины входят различные вещества – кварц, слюда, полевые шпаты, песок, оксиды и гидроксиды железа и других металлов и т.п. Примеси оказывают влияние на свойства глин, а также определяют цвет керамики. В зависимости от примесей глины могут иметь различный цвет от белого (чистые каолиновые глины) до черного цвета из-за примесей органических соединений. Часто встречающаяся примесь оксидов железа придает глинам коричнево-красный цвет, а гидроксидов железа – бурый цвет 2.Отощающие добавки. Они вводятся в состав керамической массы для понижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. В качестве отощающих добавок в зависимости от вида керамики используют следующие вещества: для высококачественной керамики: - шамот – зернистый керамический материал, получаемый обжигом измельченной глины при температуре обжига керамики – 900 –1000о, - дегидратированную глину, обжигаемую при температуре 700 – 750о. - для рядовой керамики в качестве отощителя используют песок и гранулированные шлаки. 3.Пластифицирующие добавки. Пластифицирущие добавки вводятся для повышения пластичности глин. К ним относятся высокопластичные глины (бентониты), а также поверхностно-активные вещества – сульфитнодрожжевая бражка СДБ (отход производства целлюлозы). 4.Порообразующие добавки. Они вводятся для повышения пористости керамического черепка и улучшения спекаемости глин. К ним относятся выгорающие добавки и газовыделяющие вещества. Выгорающие добавки (опилки, бурые угли, золы и др.) сгорают при обжиге керамики, оставляя после себя пустоты (поры). Газовыделяющие добавки при обжиге диссоциируют с выделением газа, например, карбонатные породы (мел, доломит, известняк) разлагаются с выделением углекислого газа СО2, пузырьки которого образуют поры в керамическом изделии. 5.Декорирующие составы. Для отделки поверхности керамических изделий используют глазури, ангобы и торкретирующие составы. 14 Глазури представляют собой минеральные стекла, используемые для поверхностного покрытия керамических изделий. Главными сырьевыми компонентами глазурей являются полевой шпат, кварцевый песок, каолин, соли щелочных и щелочноземельных металлов, бура и др. Глазури наносятся на керамику после формования, закрепляются на поверхности керамических изделий в процессе обжига, образуя зеркальную поверхность. Ангобы представляют собой красочные составы из белой или цветной глины. Они наносятся тонким слоем на поверхность еще не обожженной керамики. При обжиге ангоб не плавится, поэтому цветная поверхность получается матовой. Торкретирующие составы наносят на поверхность керамического изделия с помощью пескоструйных аппаратов. Они состоят из окрашенного песка, минеральной крошки из стекла, мрамора, фарфора и др. Окрашенная поверхность керамического изделия приобретает зернистую фактуру. СВОЙСТВА ГЛИН. 1.Пластичность – это способность глин в увлажненном состоянии принимать под влиянием внешних воздействий требуемую форму и размеры и сохранять еѐ без разрывов и трещин при сушке и обжиге. Пластичность зависит от минерального состава и тонкости частиц глины. Пластичность можно повысить: - введением пластифицирующих добавок - отмучиванием – отчистка глины от примесей песка - вылѐживанием в водонасыщенном состоянии в течение нескольких месяцев. Пластичность можно уменьшить введением отощающих добавок. 2.Усадка глины – это уменьшение линейных размеров глиняного сырца при сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка). Усадку выражают в % от первоначального размера изделия. Воздушная усадка имеет значение равное от 2 до 12% от первоначального размера изделия Огневая усадка – 2-8% Полная усадка складывается как сумма воздушной и огневой усадок. 3.Спекаемость глин или поведение глин при воздействии высоких температур. При температуре свыше 1000С из керамики удаляется физически связанная вода, затем выгорают выгорающие и порообразующие добавки, в интервале температур 450-7500С удаляется химически связанная вода – этот процесс сопровождается необратимой потерей пластичности. 15 В интервале температур 900-10000С из остатков алюмосиликатов образуется новая фаза муллит 3Al2O3 2SiO2 , которая и придаѐт керамики камнеподобное состояние. Общая схема производства керамических изделий Производство керамических изделий включает следующие этапы: - карьерные работы, - механическую обработку глиняной массы, - формование изделий, - их сушку, - обжиг и декорирование поверхности. Карьерные работы. Они включают добычу глины в открытых карьерах, транспортирование ее на заводы по производству керамических изделий и хранение промежуточного запаса глины. При хранении происходит т.н. вылеживание глины – технологическая операция, в результате которой, под действием переменной температуры и влажности, глиняные частицы распадаются на более мелкие агрегаты. Механическая обработка глиняной массы. Она осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет целью выделение или измельчение каменистых включений, гомогенизацию керамической массы и введение необходимых добавок. Выделение каменистых включений из глины осуществляют, пропуская ее через винтовые камневыделительные вальцы или применяя другие специализированные машины. Практически полного выделения камней из глины можно добиться гидравлическим обогащением. Глину распускают в глиноболтушках, а затем пропускают через сито и обезвоживают. Измельчение глины производят после выделения каменистых включений. После измельчения глину с необходимым количеством воды и добавками проминают в специальных глиномялках, представляющих собой цилиндрическую конструкцию, в центре которой вращается вал с лопастями. В результате получают однородную (гомогенную) керамическую массу. Формование керамических изделий. Задачей формования является придание глиняной массе геометрической формы и размеров будущего изделия. В результате образуется заготовка керамического изделия – сырец. Формование производят тремя способами: - пластическое формование. Изделия стеновой керамики формуют из пластичных (с влажностью 18 – 28%) глиняных масс на ленточных шнековых прессах, которые могут быть вакуумными и безвакуумными при давлениях до 7 МПа; - полусухое прессование. Оно производится в пресс-формах на одно или несколько керамических изделий. Керамические изделия формуются на гидравлических или механических прессах способом полусухого прессования под давлением 15 – 40 МПа из керамических пресс – порошков с влажностью 8 – 12%. 16 - способ литья (или шликерный). Этим способом изготавливаются в основном тонкие глазурованные плитки на конвейерных автоматизированных линиях, а также изделия сложной конфигурации (например, санитарнотехническая керамика). При производстве плитки сырьевая масса с влажностью 40 – 60% разливается на керамические пористые поддоны и покрывается глазурным слоем. Двигаясь по конвейеру, керамическая масса быстро подсыхает на пористом поддоне и поступает сначала на зачистное, а затем на режущее устройство, разрезающее подсохшую массу на плитки заданного размера. При производстве сложных керамических изделий используют гипсовые формы. Сушка сырца. Формовочная влажность изделий, изготовленных различными методами формования, различна. Перед обжигом изделие надо высушить до содержания влаги не более 5% во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге. Сушку проводят в туннельных сушилках, в которых по принципу противотока сырец движется навстречу потоку горячего воздуха или дымовых газов. Сушка протекает при tо = 120-150оС в течении 16-36 часов. На современных автоматических заводах используют туннельные щелевые сушилки, в которых время сушки сокращается до 5-7 часов. Обжиг изделий. Обжиг является важнейшим и завершающим этапом производства изделий строительной керамики. Для обжига используют кольцевые и туннельные печи. В кольцевых печах обжиг продолжается в течение 1,5 –3 суток, в туннельных печах от 18 до 24 часов, проходя зоны подогрева, обжига и охлаждения. Максимальная температура обжига составляет: - для кирпича и камней керамических – 950 - 1100 оС; - для облицовочной керамики - 1000 - 1200 оС; - для санитарно-технической керамики - 1150 - 1300 оС; - для кислотоупорной керамики - 1200 - 1300 оС; - для огнеупорной керамики - 1350 - 2000 оС; Декорирование изделий. Оно происходит либо в процессе формования (нанесение рельефной структуры на лицевую поверхность, торкретирование, ангобирование), либо после сушки или после обжига изделий (глазурование, окрашивание специальными красками). Поверхностное окрашивание осуществляется подглазурными и надглазурными красками. Подглазурные краски наносятся на неглазурованные изделия, которые покрываются глазурью и обжигаются. Надглазурные краски наносятся на глазурованные обожженные изделия и закрепляются последующим обжигом. Краски наносят различными способами: распылением с применением трафарета или без него, с помощью переводных рисунков, сериографией (продавливанием через сетку-трафарет цветных мастик с последующим их глазурованием и обжигом). 17 КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ. 250 1. Стеновые изделия. Кирпич керамический полнотелый ГОСТ530-95. Кирпич представляет собой прямоугольник 5 120 4 65 3мм 1 с размерами 2 3 Рис.1 Кирпич керамический полнотелый: 1- постель; 2- ложок; 3- тычок Что нужно знать о кирпиче? Кирпич должен быть нормально обожен, без пережога и недожога, не должен содержать сквозных трещин более 1шт, должен иметь правильные рѐбра и грани. Это касается внешнего вида кирпича (на кирпичных заводах на внешний осмотр количество кирпича берѐтся от объѐма партии производства, например если завод выпускает партию объѐмом в 41 тыс. штук, то на внешний осмотр будет подвергаться кирпичи в количестве 24 штук) Свойства кирпича: средняя плотность 0=1600-1900 кг/м3; пористость 28…30% водопоглощение по массе Вm 6% коэффициент теплопроводности =0,7-0,8 Вт/м 0С Основная характеристика качества кирпича – марка по прочности, марка кирпича по прочности обозначается буквой М и представляет собой цифровое значение предела прочности при сжатии, с учѐтом предела прочности при изгибе. Установлено 8 марок: М75, 100, 125, 150, 175, 200, 250 и 300 По морозостойкости для кирпича установлены четыре марки: F15, F25, F35 и F50 Применение: 1. для несущих и внутренних стен зданий; 2. для печей и тепловых агрегатов; Не применяется или применяется с дополнительной гидроизоляцией для кладки стен подвалов и цокольных этажей. Хранится кирпич в штабелях высотой до 1,6м, уложенным на ребро (ложковую грань). Кирпич керамический пустотелый Размер 250 120 88 (полуторный) с технологическими пустотами сквозными и несквозными в количестве от 2 до 60 штук. Вид этих пустот разнообразный. Пустоты могут быть круглые, овальные, квадратные, прямоугольные, щелевые и другие. Они могут располагаться вертикально и 18 горизонтально расположение. к основании кирпича. Наиболее часто - вертикальное Рис. 2 Кирпич керамический пустотелый. Марки по прочности М75, 100, 125. 150, 200, 250 Марки по морозостойкости F15, F20, F25, F30, F35, F40, F45, F50 Пустотность Vп=15-33% Камни керамические пустотелые Керамическими камнями называют штучные стеновые изделия размером от 250х120х138 мм (сдвоенный по высоте кирпич) и до укрупненных камней 519х260х219 мм для кладки стен в "один камень". Эти изделия более крупноразмерные, чем кирпич, тем самым позволяют ускорить кладочные работы. Марки по прочности от 75 до 200, по морозостойкости не ниже F35, объѐм пустот Vп=25-35% Пустотелый кирпич и камни нельзя использовать для кладки фундаментов, подвалов, цоколей и других частей зданий, где они могут контактировать с водой. Замерзание воды, попавшей в пустоты кирпича или камней, сразу приводит к их разрушению. Кирпич строительный легкий Это кирпич, который выпускают из смеси глины диатомитов и трепел, а также выгорающих добавок – это высокопористый, лѐгкий кирпич с плотностью 3 0=700 – 1400 кг/м Марки по прочности М50, М75, М100 Марка по морозостойкости F10 Этот кирпич нужен для малоэтажного строительства, в частном строительстве в селе. Достаточно дешѐвый и запас прочности хватает для малоэтажного строительства. Кирпич дорожный Это кирпич, который выпускают менее пористым из тугоплавких глин размером 220х110х65 мм. Это плотный керамический материал с водопоглащением по массе Вm=2-4%. Марки по прочности М400, М600, М1000. Марки по морозостойкости F50 – F100. Это один из самых долговечных дорожных материалов. 19 ОТДЕЛОЧНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИЛЫ. Облицовка керамикой не только придаѐт декоративность, но и защищает конструкцию от внешних воздействий. Различают отделочную керамику для наружной и внутренней облицовки, а также для покрытия полов. Материалы для наружной облицовки зданий и сооружений включают в себя лицевой кирпич, крупноразмерные облицовочные плиты и архитектурные детали (терракоту) и плитки различных размеров. Материалы для наружной облицовки должны обладать: - морозостойкостью - водонепроницаемостью - иметь красивый внешний вид - правильную геометрическую форму - цвет, устойчиво сохраняющий длительное время. Лицевой кирпич отличается от обычного тем, что у него ложок и тычок (или 2 тычка) имеет повышенное качество поверхности: Гладкая без дефектов поверхность Рельефная обработка бороздчатая (обработка влажных сырцовых заготовок гребѐнками) или наиболее часто волновая (обработка влажных сырцовых заготовок рельефными валками) Офактуренная (глазурованная, ангобированная и торкретированная) Торкретированная поверхность получается при нанесении на отформованную боковую поверхность под давлением окрашенного песка, мраморной, стеклянной или фарфоровой крошки (даѐт блеск слюды и шероховатость). Керамические плиты для фасадной выпускают в широком ассортименте размеров, цветов и фактуры поверхности. Крупноразмерные керамические плитки выпускают с плотным черепком (водопоглащение менее 1%) квадратными размером от 500х500 мм и до 1000х1000мм и толщиной 6…10мм или прямоугольные "кабанчики" 250х140мм. Применяют для облицовки наружных стен кирпичных зданий, наружных поверхностей железобетонных стеновых панелей, подземных переходов и других элементов зданий и сооружений (чаще цоколи, карнизы или другие выразительные архитектурные детали здания). Коврово-мозаичная плитка размерами 21х21 мм облегчает отделку стен путѐм втапливания ковра в раствор (или бетон) и последующего смывания бумаги после затвердения раствора. Материалы для внутренней облицовки. Требования: водонепроницаемыми, иметь правильную геометрическую форму и устойчиво сохранять цвет. Чаще всего используют плитку размерами 150х150 мм и прямоугольной формы 150х100 мм. Кроме того, изготавливают к ней разнообразные элементы – уголки, плинтусы, карнизы и углы. Такую плитку называют "кафельной". Эти плитки обладают высокой гигиенической способностью, водонепроницаемы 20 поэтому широко используются для облицовки стен санитарно-технических узлов, кухонь, лечебных учреждений, бань и прачечных, химических лабораторий. Плитки для полов изготавливают из тугоплавких глин и имеют плотный черепок с водопоглащением Вm<4 и истираемостью И=0,1 – 0,2 г/см2. Достоинства: легко моются и не дают пыли Недостаток: холодные. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ. Черепица – является одним из самых долговечных кровельных материалов, но вследствие большой трудоѐмкости и большого веса кровли применяется ограниченно. Выпускают коньковые, ленточную, желобчатую "татарскую" и волновую "голландскую". Трубы керамические выпускают дренажные для отвода воды с Вm<15% и канализационные с Вm<9% покрытые изнутри и снаружи кислотостойкими глазурями. По коррозионной стойкости они являются самими долговечными, но обладают повышенной хрупкостью. Санитарно-технические изделия выпускают в большом ассортименте и изготовляют из фаянса и фарфора – разновидности керамики, получаемых из беложгущихся глин и имеющих достаточно плотный черепок с Вm<9%. Для повышения водонепроницаемости и гигиенической способности их покрывают белыми или цветными глазурями. Кислотоупорная керамика выпускается в виде кирпичей, плиток, труб и фасонных частей к ним. Еѐ изготавливают из глин, не содержащих примесей карбонатов, гипса и других кислотонестойких веществ. Важное свойство кислотостойкость, определяют по кипячению в серной кислоте с кислотостойкостью не менее 92-96% (т.е. по потери массы судят о растворимости) Их применяют для защитных облицовок (футировок) строительных конструкций и аппаратов химической промышленности для перекачки кислот и газов (трубы), а также для устройства химически стойких полов. Огнеупорная керамика – кирпич, тигли (чашечки, фитильки), трубы и трубки. Используются в печах и тепловых агрегатах и обладают высокой огнеупорностью (температурой 1580-20000С). Раздел 2. Тема 3. Материалы из древесины Древесиной называется освобожденная от коры ткань древесных волокон, находящаяся в стволе дерева. Древесина преимущественно состоит из органических веществ, в состав которых входит углерод (до 50%), водород (до 6%),кислород (до 44%) и незначительное количество азота. Макростроение древесины. Ствол изучают в трех разрезах: торцевом, радиальном и тангенциальном. 21 На торцевом разрезе различают главные части: кора, камбий, заболонь, ядро, сердцевина и сердцевинные лучи. Кора – наружный слой дерева, предохраняющий его от повреждений и температурных воздействий. Камбий представляет собой клетки между корой и древесиной, способные к делению и росту. Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается осенью. Поэтому древесина ствола состоит из ряда концентрических годовых колец. Заболонь состоит из клеток более молодой древесины, окружающих ядро (или спелую древесину). Ядро (или спелая древесина) – внутренняя часть дерева. Древесина ядровой части ствола обладает большой прочностью и стойкостью к загниванию. Сердцевинная трубка представляет собой рыхлую первичную ткань, которая состоит из тонкостенных клеток, имеет малую прочность и легко загнивает. Поэтому сердцевина нежелательна в тонких брусках и столярных изделиях, т.к. она постепенно выкрашивается. Сердцевинные лучи выглядят как темные штрихи. Они служат для перемещения питательных веществ и сохранения их запаса на зиму. Свойства древесины. К ним относятся: - влажность. Влажность свежесрубленного дерева может составлять более 100%. С возрастом дерева влажность уменьшается. Свойства древесины зависят от ее влажности. Поэтому все определения проводят при стандартной влажности, принятой равной 12%. - Усушка. Величина усушки зависит от направления по отношению к волокнам, а также от плотности. Чем плотнее древесина, тем выше усушка. Усушка вдоль волокон составляет до 0,1%, радиальная усушка до 6%, а тангентальная усушка до 12%, что вызывает коробление изделий. - Водопоглощение. Оно обратно пропорционально плотности и прямо пропорционально пористости. Водопоглощение происходит в основном через торцевую поверхность. 22 - Плотность. Истинная плотность древесины равна 1,54 г/см3(1540кг/м3). Средняя плотность зависит от породы древесины. По средней плотности древесина подразделяется на: особо легкую (ρо<0,45 г/см3) – кедр, пихта; легкую (ρо= 0,45…0,60 г/см3) – ель, сосна, осина, липа, тополь, каштан, вяз, ольха; среднюю (ρо= 0,61…0,75 г/см3) – береза, лиственница, бук, дуб, ясень, груша, клен, платан; тяжелую (ρо= 0,76…0,90 г/см3) – граб, можжевельник; очень тяжелую(ρо > г/см3) – кизил, самшит, хурма, железное дерево. - Теплопроводность. Теплопроводность древесины незначительная. Она зависит от направления волокон, плотности, влажности и температуры. Теплопроводность древесины вдоль волокон больше, чем поперек волокон. - Прочность. Прочность древесины также зависит от направления волокон. Так, предел прочности при сжатии вдоль волокон выше (30…80 МПа), чем поперек волокон (4…16 МПа). Предел прочности древесины при изгибе и растяжении выше предела прочности при сжатии вдоль волокон в 2…3 раза. - Твердость. Твердость древесины определяется по методу Бринелля по диаметру отпечатка на поверхности. Она пропорциональна плотности и обратно пропорциональна влажности. По твердости древесина бывает: очень твердая – граб, самшит, груша, кизил, железное дерево, эбеновое дерево; твердая – лиственница, береза, бук, вяз, дуб, ясень, орех, клен; мягкая – ель, липа, сосна, осина, пихта, кедр, можжевельник, тополь, ольха. - Биологическая стойкость. Она отражает стойкость древесины к загниванию. Наиболее стойкой по отношению к биологической агрессии считают древесину тиса, каштана, дуба, лиственницы. К среднестойкой относят древесину сосны и кедра, к малостойкой – березы, бука, осины, липы, клена. Способы защиты древесины от гниения и возгорания: - Защита древесины от гниения. Гниение представляет собой разложение древесины под действием дереворазрушающих грибов и микроорганизмов. Способы предотвращения гниения имеют своей целью создание условий, неблагоприятных для развития дереворазрушающих грибов. Для предотвращения гниения древесины ее обрабатывают антисептиками, которые должны быть безвредными для людей и животных. Они не должны понижать прочность древесины и вызывать коррозию металлических креплений. Существуют водорастворимые антисептики, маслянистые антисептики и антисептические пасты. К водорастворимым антисептикам относятся следующие вещества. Фтористый натрий- NaF – представляет собой водный 2…3% раствор. Обладает высокой токсичностью по отношению к дереворазрушающим грибам, микроорганизмам, и насекомым. Кремнефтористый натрий- NaSiF6 – применяется в виде водного 2% раствора, иногда вместе с фтористым натрием. Также входит в состав антисептических паст. 23 Хлористый цинк – ZnCl2 – применяют в виде водного 5% раствора, т.к. при более высоких концентрациях вызывает коррозию металла. Медный купорос- CuSO4∙5H2O – используют в виде водного 10% раствора. Может входить в состав комбинированных препаратов. К маслянистым антисептикам относятся следующие материалы. Антраценовое масло – продукт перегонки каменноугольного дегтя, обладающий высокой токсичностью и резким запахом. Креозотовое масло – получают дистилляцией каменноугольного дегтя, применяют в подогретом до 50…60оС виде. Не оказывает вредного действия на древесину и металл, является самым лучшим антисептиком для шпал, деревянных столбов, опор, мостов и др. Антисептические пасты используют как обмазки для защиты от гниения деревянных конструкций при повышенной влажности воздуха, а также находящихся в грунтах. К антисептическим пастам относятся следующие составы. Битумная паста – ее готовят из расплавленного битума, зеленого масла, фтористого натрия и торфа. В отличие от водорастворимых антисептиков, обладает водостойкостью. Силикатная паста - состоит из кремнефтористого натрия, жидкого стекла, воды и каменноугольного масла. Водостойкость ее ниже, чем у битумных паст. - Защита древесины от возгорания. Древесина относится к сгораемым материалам (древесина возгорается при температуре 2500С). Для защиты древесины от сгорания используют вещества, называемые антипиренами, или огнезащитные красочные составы. Защитное свойство антипиренов связано с тем, что некоторые из них при пожаре плавятся и древесина покрывается пленкой, затрудняющей доступ кислорода. Другие антипирены при нагревании выделяют негорючие газы, снижающие концентрацию кислорода возле конструкции. К ним относятся фосфорнокислые и сернокислые соли аммония, а также бура – борнонатриевая соль. Растворы антипиренов применяют для поверхностной обработки и пропитки древесины. Огнезащитные красочные составы состоят из связующего (жидкого стекла), наполнителя (кварцевого песка) и щелочестойкого пигмента – охры и др. При пожаре краска пузырится, и образующийся пористый слой замедляет нагревание древесины. Строительные изделия из древесины. К ним относятся: - круглые лесоматериалы. Они представляют собой отрезки стволов деревьев с обрубленными сучьями с корой или без нее. В зависимости от диаметра ствола различают: бревна, имеющие диаметр более 12 см и длину 3…6,5 м; подтоварник, имеющий диаметр 8…11 см; жерди, имеющие диаметр 3…7 см. - Пиломатериалы. Их получают путем продольной распиловки пиловочных бревен. К ним относятся: 24 доски, имеющие толщину 100 мм и менее, причем их ширина должна в 3 и более раза превышать толщину; бруски – имеют толщину менее 100 мм, но в отличие от досок ширина их меньше трехкратной толщины; брусья – имеют ширину и толщину выше 100 мм. шпалы – имеют длину 2,5…2,7 м для широкой колеи и 1,35…1,8 м для узкой колеи. - Полуфабрикаты и изделия из древесины. Они представляют собой следующие изделия: строганные и шпунтовые доски и бруски, имеющие на одной кромке шпунт, а на другой – гребень для плотного соединения элементов; фрезерованные изделия в виде плинтусов, поручней, наличников и других изделий; паркет планочный и щитовой, а также паркетная доска. Паркетные планки изготавливаются из твердых пород – дуба, бука, ясеня и др. Щитовой паркет имеет основание из досок или брусьев, на которое наклеены паркетные планки. Паркетные доски состоят из реечного основания, на которое наклеены паркетные планки, а на кромках имеются пазы и гребни для плотного соединения при настилке пола; столярные изделия в виде оконных и дверных коробок с вмонтированными в них оконными переплетами и дверными полотнами. - Фанера. Ее получают из слоев древесного шпона, склеенных под большим давлением синтетическими клеями. Фанера бывает декоративной - односторонней или двухсторонней, покрытой текстурной бумагой или шпоном из ценных пород дерева. Бакелизированную фанеру получают пропиткой различными смолами – формальдегидными, карбамидными и др. - Клееные конструкции. Они обладают высокой прочностью и не имеют многих пороков обычной древесины. Клееные деревянные конструкции применяются при изготовлении большеразмерных изделий и конструкций (балки, блоки, арки, фермы и др.). РАЗДЕЛ 3. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА Минеральными вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, способные при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое под влиянием физико-химических процессов, постепенно затвердевая, приобретает камневидное состояние. Тема 1. Классификация минеральных вяжущих веществ Минеральные вяжущие вещества в зависимости от условий твердения подразделяются на три группы: 1. воздушные, 2. гидравлические и 25 3. вяжущие автоклавного твердения. 1. Воздушные вяжущие вещества способны затвердевать и длительное время сохранять прочность только на воздухе. Они обладают невысокой водостойкостью и могут эксплуатироваться только в сухих условиях. По химическому составу воздушные вяжущие вещества делятся на четыре группы: 1) известковые вяжущие вещества, состоящие преимущественно из оксида кальция СаО; 2) гипсовые вяжущие вещества, состоящие в основном из сульфатов кальция CaSO4; 3) магнезиальные вяжущие вещества, содержащие оксид магния МgО; 4) вяжущие на основе жидкого стекла, состоящие из силикатов натрия или калия Na(K)2O∙mSiO2. 2. Гидравлические вяжущие вещества твердеют и длительное время сохраняют прочность не только на воздухе, но и в воде. Они обладают высокой водостойкостью, позволяющей эксплуатировать их в любых условиях. По химическому составу гидравлические вяжущие представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех оксидов: СаО – SiO2 – Al2O3 – Fe2O3. Эти соединения образуют две основные группы гидравлических вяжущих веществ: 1) силикатные цементы, состоящие в основном из силикатов кальция. К ним относится портландцемент и его разновидности; 2) алюминатные цементы, содержащие алюминаты кальция. К ним относится глиноземистый цемент и его разновидности. 3. Вяжущие автоклавного твердения – это вещества, способные при автоклавном синтезе, происходящем в среде насыщенного водяного пара при давлении 0,8 – 1,3 МПа и температуре 175 - 200о, затвердевать с образованием прочного камня. В эту группу входят известково-кремнеземистые, известковошлаковые, известково-зольные и др. вяжущие вещества. Тема 1. ВОЗДУШНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА ВОЗДУШНАЯ ИЗВЕСТЬ Известковыми вяжущими называют воздушные вяжущие вещества, получаемые умеренным недоспекания обжигом карбонатных пород и в основном содержащие оксид кальция. CаСО3 СаО СО2 Известково-вяжущее получают дроблением с последующим обжигом известняка (температура обжига 900-1200 С). Обжиг происходит в шахтных печах. Получающийся СаО представляет пористые куски так называемой комовой извести, которую для употребления необходимо измельчить: 26 1. Путем помола (получают не гашеную известь СаО «кипелка») 2. Гашением в воде (получают гашеную известь Са(ОН)2 – «пушонка») 1. Не гашеная известь – в основном используется для растворов и искусственных каменных материалов при реакции с водой не гашеная известь выделяет много тепла, которая ускоряет твердение и повышает прочность. 2. Гашеную известь получают обрабатывая комовую известь водой. СаО+Н2О=Са(ОН)2+Q Выделяющееся тепло превращает часть воды в пар, помогающей крупные куски извести размельчат до мелкого состояния. Гашение извести производится на заводах в специальных гидраторах или в гасильных ямах. ТВЕРДЕНИЕ ИЗВЕСТИ. Твердение извести протекает в два этапа. 1-ый этап гидротационное твердение. Гидротационное твердение связано с образованием и с последующим срастанием между собой кристаллов Са(ОН)2 (образуется определенная кристаллическая структура). 2-ой этап карбонизационное твердение, заключается в том, что под влиянием углекислого газа происходит образование карбоната кальция. Са(ОН)2+СО2=СаСО3+Н2О (образовавшийся карбонат кальция дополнительно упрочняет твердеющую систему) СВОЙСТВА ИЗВЕСТИ 1.Химический состав. По химическому составу кроме СаО в известь входит окись МqО и по содержанию этой примеси известь бывает: 1. маломагнезиальной с содержанием окиси магния МqО<5% 2. магнезиальной, с содержанием МqО от 5до 20% 3. доломитовой МqО от 20-40% 2.Скорость гашения. По скорости гашения известь бывает: быстрогасящаяся со временем гашения менее 8 мин. Среднегасящаяся – 8-25’ Медленногасящаяся – более 25’ Средняя плотность 400-600 кг/м3 Rcж = 5 МПа (негашеная известь), Rcж = 2 МПа (гашеная) Применение. В кладочных и штукатурных растворах, в известковых красках (побелках) и для изготовления искусственных каменных материалов (силикатного кирпича и силикатного бетона). 27 В дорожном строительстве для укрепления грунтов, а также в качестве активатора при приготовлении асфальтобетонных смесей. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА Получают термической обработкой с последующим помолом гипсового камня или ангидрита. Сырьем для производства гипсовых вяжущих являются гипсовый камень, ангидрит, а также отходы промышленности (фосфогипс). В зависимости от температуры тепловой обработки гипсовые вяжущие подразделяются на низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые вяжущие получают из гипсового камня термической обработкой при температуре 110-180 С. Процесс следующий, гипсовый камень представляет собой сульфат кальция с кристаллами воды, которые при температуре 110-180 С частично теряет воду и образуется полуводный гипс. CaSO4 2H 2O CaSO4 0,5H 2O 1,5H 2O Эти вяжущие быстро схватываются и быстро твердеют, но обладают не высокой прочностью и водостойкостью. К ним относятся: - строительный гипс, - высокопрочный - формовочный Строительный гипс. Получают в открытых варочных котлах или печах, при этом образуется - модификации CaSO4 0,5H20 с мелкими плохо сформированными кристаллами. Свойства. 1. По тонкости помола строительный гипс выпускают трех сортов, определяя еѐ при просеивании через сито №02 ( ячеек 0,2 мм) и по остатку на сите выделяют: 1-ый сорт 23% (грубый помол) 2-ой 15% (средний) 3-ий сорт 2% (тонкий) По прочности выпускают 3 марки Г-3, Г-4, Г-5 Сроки схватывания (учитываются два момента начало и конец) Для гипса нормируются сроки схватывания начало и конец. 28 Начало время от замешивания гипса с водой до первых признаков потери пластичности – не ранее 4 минут, конец схватывания - время от затворения до полной потери пластичности (не ранее 6 и не позднее 30 мин.) Высокопрочный гипс – получают тепловой обработкой гипсового камня в герметически закрытых автоклавах при этом получается - модификации CaSO4 0,5H20 с более крупными и правильными кристаллами. Марки по прочности Г-15 до Г-25. Гипс формовочный – получают также как и строительный, но из сырья с меньшим содержанием примесей и более тонким помолом. Используют для форм и в производстве керамики. Высокообжиговые гипсовые вяжущие. Получают при высоком температурном (600-1000 С) обжиге гипсового камня. Это медленносхватывающие и медленнотвердеющие, но обладающие более высокопрочностью и водостойкостью. К ним относятся ангидритовый цемент и эстрих-гипс. Ангидритовый цемент получают из гипсового камня при температуре 600700 С полностью теряет кристаллы воды и образует без воды CaSO4 CaSO4 2 H 2O CaSO4 2 H 2O СаSО4 твердеет очень медленно и в качестве ускорителя твердения вводят от 3 до 5% известь СаО. Сроки схватывания начало – не ранее 30 минут(2 часа) Конец – не позднее 24часов(36 часов) Марки по прочности Г-5 – Г-20. ЭСТРИХ-ГИПС получают при более высокой температуре 900-1000 С В эстрих-гипсе ускоритель твердения СаО получают в процессе обжига , свойства те же, что и у ангидритового цемента. ТВЕРДЕНИЕ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ Твердение гипсовых вяжущих происходит при затворении водой вследствие реакции гидратации с образованием CaSO 4 2 H 2 О по следующей формуле CaSO 4 0,5H 2 O 1,5 H 2 O Растворимость 8 г/л СаSO 4 2 H 2 O Растворимость 2 г/л Твердение связано с тем, что более растворимый CaSO4 0,5H20 быстро образует пересыщенный раствор из которого начинает выкристаллизовываться кристаллы CaSO4 2H20, сначала они образуют слабосвязанные коллоидные структуры (начало схватывания), которые стечением 29 времени и ростом кристаллов CaSO4 2H20 становятся кристаллическим (конец схватывания). Твердение г.в. можно ускорить или замедлить Ускорители твердения – либо образуют дополнительные центры кристаллизаций (молотый гипсовый камень), либо повышают растворимость исходного полугидрата Замедлители твердения – это вещества, образующие на поверхности гипса плохо проницаемые для воды пленки (чаще растворы столярного клея). Применение в виде плиток для внутренней отделки, для штукатурных растворов, конструкционное - в виде перегородок, для искусственного мрамора ВЯЖУЩИЕ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО СТЕКЛА. Жидкое стекло – это водный раствор силикатов натрия или калия. R2O mSiO2, где R=Na, K, а m - модуль жидкости стекла. Различают натриевое жидкое стекло Na2O mSiO2, где m= 2,5 3 и калиевое жидкое стекло K2O mSiO2 m=3 4 Получение. Жидкое стекло получают из кварцевого песка и соды в стеклоплавильных печах при температуре 1300 – 14000С. При этом получаются куски силикат глыбы, которые растворяют в автоклавах при повышенной температуре и давлении. Под влиянием СО2 воздуха происходит выделение аморфного кремнезѐма, Na2O mSiO2 + CO2 = NaCO3 + mSiO2 который затвердевает с образованием сначала коллоидной, а затем кристаллической структуры. На этой стадии процесс протекает медленно, и для его ускорения добавляют ускоритель твердения кремнефтористый натрий Na2SiF6 от 10 15%. Свойства. Жидкое стекло обладает высококислотостойкостью, особенно в концентрированных кислотах, но в разбавленных кислотах его кислотостойкость уменьшается и совсем не стойко в воде и щелочах. Кроме того, жидкое стекло обладает повышенной жаростойкостью ( выдерживает t=9000С). Применение. Применяется для кислотостойких и жаростойких бетонов, растворов и обмазок. 30 МАГНЕЗИАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ Магнезиальные вяжущие вещества, получаемые умеренным обжигом магнезита или доломита и в основном содержащие оксид магния. Получают аналогично как известковые из магниевых карбонатов при температуре 750-8500С. MgCO3 MgO + CO2 Твердение заключается в присоединении воды и образование гидрата окиси магния. MgO + H2O = Mg(OH)2 Этот процесс протекает очень медленно и для того, чтобы его ускорить затворяют магнезиальное вяжущее не водой, а водными растворами магнезиальных солей (чаще используют хлорид магния MgCl2) где происходит образование гидрохлорида магния 3MgO MgCl2 6H2O Свойства. Магнезиальные вяжущие обладают очень высокой прочностью на сжатие, марки по прочности М600 – М1000. Кроме того, магнезиальное вяжущее очень хорошо сцепляется с деревом, поэтому его используют в виде ксилолита и фибролита. Фибролит ("фибро" -волокно, "лит" -камень) – материал из древесных стружек и магнезиального вяжущего. Используют для теплоизоляции и перегородок. Ксилолит – материал из древесных опилок и магнезиального вяжущего. Используют в виде плиток для стен и полов и для устройства бесшовных наливных полов. ТЕМА 2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА Портландцемент, открыт был в 1824 г. англ. каменщиком Дж. Аспдином близ города Портланд. Параллельно в 1823 г. в России – Егором Челиевым. Портландцементом называется гидравлическое вяжущее, представляющее собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера, получаемого до спекания сырьевой смеси и в основном содержащего силиката Са. Его получают обжигом, с последующим помолом сырьевой смеси из известняка и глины с обязательной добавкой от 3-5 % гипса для регулирования сроков схватывания. Клинкер – это продукт обжига сырьевой смеси в виде зеленовато серых гранул размером от 10 до 40мм. 31 Клинкер определяет все свойства цемента, а качество клинкера определяется его химическим и минеральным составами. Химический состав – отражает процентное содержание основных окислов. CaO 60-63% основные 4 окисла, которые входят в химический SiO2 21-24% состав клинкера и в сумме составляют 95-97% Al2O3 4-8% Fe2O3 2-4% Кроме того, в состав клинкера входят MqO<5%, Na(K)2O<1%, P2O5, TiO2, SO3 –серный ангидрид – всѐ это комбинируется в различных минералах. В процессе обжига, доводимого до спекания, главные окислы образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде минералов кристаллической структуры. МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА. № Название Формула п/п 1. Сокращѐнная формула Трех кальциевый силикат Сод-ие в % 3CaO SiO2 C3S 45-60 2CaO SiO2 C2S 20-30 3CaO Al2O3 C3A 4-12 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 10-20 (алит) 2. Двух кальциевый силикат (белит) 3. Трѐх кальциевый алюминат (целит) 4. Четырѐх кальциевый алюмоферрит Характеристики клинкерных минералов. Основной минералов C3S (алит) – химически очень активен, твердеет быстро, с образованием гидратных продуктов высокой прочности. 2-ой минерал C2S (белит) – химически неактивен, твердеет медленно, но в поздние сроки твердения, образует, продуты высокой прочности. 3-ий минерал C3A – сложная роль, химически чрезвычайно активен, твердеет очень быстро, с образованием рыхлых непрочных продуктов. Может вызывать «ложное» схватывание цемента. 4-ый минерал C4AF – по скорости твердения и прочности образующихся продуктов, занимает промежуточное положение между алитом и белитом. 32 ПРОИЗВОДСТВО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА. Производство включает в себя 3-и основные стадии: 1. Подготовка сырьевой смеси. 2. Обжиг. 3. Помол. 1-ая стадия. В качестве сырья используют: известняк 75-78% и глину 2225%. Также используют либо мергели или искусственные смеси из известняков и глин, кроме того, добавляют гипс, для регулирования сроков схватывания при помоле и различные корректирующие добавки. По способу подготовки сырья различают сухой и мокрый способы производства портландцемента. Выбор способа определяется качеством сырья. Если сырьѐ влажное и неоднородное по химическому составу применяют мокрый способ. При сухом и однородным сырье – сухой. Сухой способ. Известняк и глина совместно размалываются и подсушиваются в шаровых мельницах до остаточной влажности 1-2%, получаемую сырьевую муку складируют в силосах, где в случае необходимости корректируют еѐ состав. (Этот способ наименее энергоѐмок, затраты электроэнергии в 1,5 – 2 раза меньше, чем при мокром способе). Мокрый способ. Глину разводят в воде, затем прибавляют к нему молотый известняк и совместно дополнительно промалывают, получая сырьевой шлам с влажностью 35-45%, его складируют в шлам бассейнах, где в случае необходимости корректируют состав. 2 стадия. Обжиг. Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь, которая представляет собой стальную трубу диаметром до 7 метров и длиной до 185 метров. Изнутри труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3-4 ) углом к горизонту и вращается (1-2 об/мин), благодаря чему сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига 1450 С. Вращающаяся печь условно разделена на шесть зон: I – зона называется зоной спекания, в ней испаряется физически связная вода и температура составляет менее 200 С II – зона подогрева, температура 200-700 С, здесь происходит удаление химически связной воды из глин. III – зона декорбанизации, температура 700-1000 С. Происходит разложение карбонатов CaCO3 = СаО +СО2 33 IV – зона экзотермических реакций, температура 1100-1250 С, где образуются С2S, С3А, C3AF. V – зона спекания, температура 1250-1450 С при которой образуется самый энергоемкий алит С3S. VI – зона охлаждения, температура ниже 1450 С. На этой стадии получают клинкер в виде зеленовато серых гранул размером от 10до 40 мм. Рисунок 1 – Схема вращающейся печи Помол. Клинкер совместно с добавкой 3…5% гипса для регулирования сроков схватывания цемента размалывают в тонкий порошок – портландцемент в многосекционных шаровых мельницах под воздействием меряющих тел – стальных шаров или цилиндров. Готовый портландцемент охлаждают в течение нескольких дней, затем поставляют потребителю в автоцементовозах, железнодорожных вагонах или в мешках по 50 и менее кг. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА. Истинная плотность = 3-3,2 г/см3 Насыпная плотность н = 900-1100 кг/м3 Тонкость помола определяется при просеивании через сито №008 (размер отверстий 0,08мм) должно проходить не менее 85%. Тонкость помола характеризуется удельной поверхностью – суммарной поверхностью всех зерѐн цемента, содержащихся в 1 грамме. Обычные цементы имеют удельную поверхность 2800-3000 см2/г. Водопотребность оценивает, то количество воды, которое необходимо для протекания реакции гидратации и для придания цементному тесту необходимой пластичности. Для протекания реакции гидратации нужно примерно 15% воды, но еѐ берут больше, для того чтобы цементное тесто было пластичным и однородным, обычно колеблется от 21-28%. 34 Определяется водопотребность нормальной густотой – водоцементным отношением (в/ц) в %, при котором цементное тесто обладает стандартной пластичностью, определяемой прибором Вика. Сроки схватывания портландцемента, рассчитываемые от момента за творения, должны быть: начало – не ранее 45 минут; конец – не позднее 10 ч. Твердение можно ускорить или замедлить. Ускорители: NaCL, CaCL2, Ca(NO3)2, замедлители: гипс, сульфат железа и т.д. Выделение тепла при твердении. Большое количество тепла при твердении выделяют алит С3S и С2А. Значительно меньшее тепловыделение у белита (С2S) и четырѐхкальциевого алюмоферрита (С4АF). Тепловыделение играет большую роль в массивных конструкциях, в которых желательно применять цементы, выделяющие небольшое количество тепла. Влияние температуры на твердение цемента. При снижении температуры скорость реакции твердения уменьшается, и твердение замедляется, а при температуре ниже нуля прекращается, так как вода превращается в лѐд. При последующем оттаивании твердение возобновляется, но прочность такого цемента гораздо ниже. Повышение температуры ускоряет твердение цемента, но только в случае поддержания высокой влажности среды, чтобы избежать не испарение воды. Прочность. Прочность цемента оценивается маркой. За марку цемента принимают пределы прочности при изгибе образцовбалочек 4х4х16 см и сжатии их половинок. Балочки изготавливают из цементнопесчаного раствора (состав 1:3)стандартной консистенции и испытывают через 28 суток нормального твердения (при комнатной температуре и влажности близкой к 100%). Выпускают портландцемент четырѐх марок 300,400, 500 и 600(цифра соответствует средней прочности образцов при сжатии выраженной в кгс/см2). Марка цемента определяется сразу после выпуска цемента на цементном заводе, но цемент вследствие транспортировки или длительном хранении может гидратироваться и прочность его падает. Проводя прочностные испытания аналогичные проведению марки, находят активность цемента. Активность цемента – это то, что осталось то марочной прочности на данный момент времени. Паспортизация цемента. Паспорт цемента должен содержать: 1. Название завода изготовителя. 2. Дату. 3. Массу партии цемента. 4. Его полное название. 5. Вид и количество добавки. 35 6. Нормальную густоту. 7. Марку. 8. Среднюю активность цемента при пропаривании. РАЗНОВИДНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Особые свойства портландцементу можно придать: 1. регулированием минерального состава. 2. введением минеральных или органических добавок 3. регулированием тонкости помола. 1. Быстротвердеющие портландцементы. 1.1 Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ), характеризуется повышенной прочностью в 3-х суточном возрасте Rcж = 25 –28 МПа Это достигается во первых регулированием минерального состава C3S + C3A = 60-65%, т.е. увеличением содержания быстротвердеющих минералов алита и трехкальциевого алюмината и во вторых, увеличением тонкости помола. Удельная поверхность БТЦ равна 3500-4000 см2/г. Выпускают БТЦ двух марок: М400 и М500. 1.2 Особо быстротвердеющий цемент (ОБТЦ), имеет прочность через одни сутки твердения порядка 20 МПа (Rcж = 20 – 25 МПа). Это достигается еще большим содержанием быстротвердеющих минералов: C3S – 65% C3A – 8% и ещѐ более тонким помолом от 4000 до 6000 см2/г. Выпускают ОБТЦ марки 600. 1.3 Сверх быстротвердеющий цемент (СБТЦ), имеет высокую прочность на сжатие через 6 часов Rcж = 10 –15 МПа По химическому составу и тонкости помола такой же как ОБТЦ, но дополнительно содержит ускорители твердения хлориды CaCl2 и фториды CaF2 Применение. Эти цементы применяют для бетонов сборных конструкций с повышенной отпускной прочностью, в основном в зимних работах и для ремонта. Коррозионная стойкость у этих цементов пониженная. 2. Сульфатостойкий портландцемент. Этот цемент способный противостоять сульфоалюминатной коррозии ( коррозии 3-его вида). Он характеризуется пониженным содержанием 3-х кальциевого алюмината С3А 5%. Кроме того, характеризуется пониженным тепловыделением и более замедленным твердением, но более высокой морозостойкостью. Выпускают марок 300,400 и 500. 3. ПОРТЛАДЦЕМЕНТЫ С ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ (ПАВ). ПАВ – это вещества понижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз и состоящие в основном из длительных углеводородных молекул и 36 полярных круг. ( Рассмотрим на примере олеиновой кислоты С 17Н33СООН. Если нарисуем схематично эту молекулу, то она будет представлена в следующем виде смачивается водой, гидрофильное состояние не смачивается водой, гидрофобное состояния соон С17Н33 В зависимости от того, гидрофобными или гидрофильными концами ориентируется ПАВ на цементе, он придаѐт ему либо гидрофильное, либо гидрофобное состояние. Це мент цеме нт Гидрофобное свойство Гидрофильное свойство 3.1 Пластифицированный портландцемент. Его получают совместным помолом ПЦ клинкера с гипсом и пластифицирующей добавкой. В качестве пластифицирующей добавки применяют ЛСТ – лигносульфанат технический. Эта добавка адсорбируется на цементных зѐрнах гидрофильными концами наружу и притягивает к себе молекулы Н2О образуя вокруг твѐрдых частиц адсорбционно водные прослойки, которые снижают силы трения между частицами, повышая пластичность цементного теста. Введение от 0,15 до 0,25% этой добавки позволяют уменьшить расход воды на 10-15% при сохранении заданной подвижности, повысить прочность и морозостойкость бетонов и растворов. Применение. Применяется в основном в дорожном строительстве и аэродромном. 3.2 Гидрофобный портландцемент. Он представляет собой продукт совместного помола портландцементного клинкера с гипсом и гидрофобной добавкой. В качестве гидрофобной добавки применяют олеиновую кислоту, мылонафт и асидол (продукт переработки нефти). Они ориентируются на цементе гидрофобными концами наружу и отталкивают воду, замедляя протекание реакции гидратации. Эти добавки необходимы при длительной транспортировки и хранении цемента. 37 При перемешивании гидрофобного цемента с водой и заполнителями ПАВ сдирается с цементных зерѐн и переходит в состав бетона или раствора. Поэтому бетонные и растворные смеси на гидрофобном цементе отличаются повышенной пластичностью, а после затвердевания – повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью. 3. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ С УМЕРЕННОЙ ЭКЗОТЕРМИЕЙ. Его изготавливают регулированием минерального состава таким образом, чтобы минералов, выделяющих большое количество тепла было меньше алита C3S <50% и целита C3A < 8% Этот портландцемент используют для массивных гидротехнических сооружений. Кроме того, он обладает несколько повышенной сульфатостойкостью за счѐт ограничения C3A. 4. ТАМПОНАЖНЫЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЫ. Их применяют для тампонирования (цементирования) нефтяных и газовых скважин для изоляции их от грунтовых вод, поскольку тампонажные растворы содержат много воды (40 – 60%), то тампонажные портландцементы для ускорения твердения содержат в большом количестве C3S. 5. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ ДОРОЖНЫЙ. Получают совместным помолом ПЦ клинкера, в котором повышенное содержание С3S, но ограниченное С3А – до 8%, а также гипса – до 3,5% по SО3. Пластифицирующих добавок при помоле добавляют не более 0,3%. Присутствие гранулированного доменного шлака допускается до 15% массы цемента. Выпускается этот цемент двух марок: 400 и 500. Начало схватывания не ранее 2 ч после затворения водой. Это позволяет перевозить пластичную бетонную смесь к месту еѐ укладки. Дорожный ПЦ предназначен для устройства бетонных покрытий автомагистралей, придавая им повышенную морозостойкость, деформативность, прочность при изгибе и ударной нагрузке, а также низкие показатели истираемости и усадки. 6. БЕЛЫЙ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ. Его изготавливают из белых известняков и белых глин обжигом на беззольном топливе. Выпускают белый цемент трѐх сортов: БЦ-1, БЦ-2, БЦ-3. Сорт назначают в зависимости от коэффициента яркости Кярк по BaSO4, который имеет осадок белого цвета и его белизна составляет 100%. Соответственно для БЦ-1 белизна 80%, БЦ-2 – 76%, БЦ-3 – 72%. 7. ЦВЕТНЫЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЫ. 38 Их получают совместным помолом белого клинкера с 10-15% цвета из щелочестойких пигментов. При применении природного пигмента охры получают жѐлтый цвет, Сурика – коричнево-красный Ультрамарина – синий Оксид хрома – зелѐный Сажы – чѐрный. Белый и цветные цементы используют для внутренней и наружной отделки зданий. 8. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЫ С АКТИВНЫМИ МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ (АМД) АМД – это природные или искусственные вещества, способные при смешивании с известью и последующим затворением водой образовывать пластичное тесто, твердеющее как на воздухе, так и в воде. АМД содержать в своѐм составе аморфный кремнезѐм SiO2. Аморфное состояние является химически активным состоянием, поэтому АМД реагируя с Ca(OH)2 образует так называемые низкоосновные минералы кальция. nCa(OH)2 + SiO2(аморф.)+ mH2O = (0,8 –1,5)CaO SiO2 pH2O В портландцементах АМД реагирует с Са(ОН)2 переводя его в нерастворимые низкоосновные гидросиликаты кальция, при этом возрастают химическая стойкость и плотность цементного камня. АМД подразделяются на природные и искусственные. Природные АМД бывают: Осадочного происхождения (органические спонгалиты, трепелы, опоки) Вулканического происхождения (вулканические пеплы, пемзы, туфы) Искусственные АМД: отходы промышленного производства (доменные гранулированные шлаки и золы) ВИДЫ ЦЕМЕНТОВ С АМД. 1-ый вид по ГОСТу МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКОЙ. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ С АКТИВНОЙ Он содержит в своѐм составе 10-20% АМД и обладает практически теми же свойствами, что и обычный портландцемент. Основная цель удешевить цемент. 2-ой вид ПУЦЦОЛАНОВЫЙ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ. Получают путѐм совместного помола портландцементного клинкера (79..60%), с гипсом и активной минеральной добавкой природного происхождения. Добавок осадочного происхождения должно содержаться от 20-30%. Вулканического происхождения – 25-40%. Свойства пуццоланового портландцемента. 39 Этот цемент обладает повышенной коррозионной стойкостью против коррозии первого и второго видов, но к недостаткам его можно отнести: 1. Большую усадку на воздухе. 2. Обладает низкой морозостойкостью. 3. Замедленным твердением. Выпускается марок 300 и 400. Применяется для гидротехнического строительства, а также для подземных и подводных сооружений. 3-ий вид ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТЫ получают совместным помолом портландцементного клинкера с гипсом и АМД искусственного происхождения доменным гранулированным шлаком количеством от 21-80%. Доменный шлак – отход производства чугуна (на 1т чугуна приходится около 0,6т шлака), поэтому шлакопортландцемент экономически выгоднее, чем портландцемент. Кроме того, шлаки представляют собой сложные системы, состоящие из окислов CaO, SiO2, Al2O3, но эти окислы находятся в кристаллической форме, поэтому обычные шлаки инертные, а чтобы сделать их химически активными их подвергают грануляции (быстрому охлаждению из расплавов). При этом они приобретают химически более активную аморфную структуру. Доменные гранулированные шлаки реагируют с Са(ОН)2 цемента с образованием низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов Са. Свойства шлакопортландцемента. Он обладает повышенной коррозионной стойкостью против коррозии первого и второго видов. Обладает пониженным тепловыделением, примерно в 2 раза меньше, чем у обычного портландцемента, поэтому его используют в основном для массивных гидротехнических конструкций. В отличие от пуццоланового портландцемента он имеет гораздо меньшую усадку на воздухе и более высокую морозостойкость. Недостаток шлакопортландцемента – замедленное твердение и пониженная морозостойкость. Выпускают шлакопортландцемент трѐх марок 300, 400 и 500. КОРРОЗИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Под влиянием различных агрессивных веществ, конструкция, содержащая портландцемент может разрушаться. По классификации Москвина, все виды коррозионных разрушений цемента можно разделить на три группы. 1. Вымывание Са(ОН)2, разрушение гидросиликатов и как следствие разрушения цементного камня под действием воды (коррозия 1-ого вида) 2. Разрушение цементного камня из-за реакций обмена между Са(ОН)2 цементного камня и агрессивными веществами с образованием лѐгко растворимых солей.(коррозия 2-ого вида) 40 3. Разрушение цементного камня из-за кристаллизации в его порах продуктов большого объѐма, чем исходные вещества (коррозия 3-его вида) 1. Коррозия 1-ого вида. Она связана с вымыванием Са(ОН)2-цементного камня, под действием мягких вод (дождевые, конденсат, воды оборотного теплоснабжения, болотные). Вымывание Са(ОН)2 ведѐт к резкому понижению прочности и послойному растворению цементного камня. Внешне этот вид коррозии проявляется в виде белых потѐков на поверхности конструкции. Меры борьбы с коррозией 1-ого вида. 1.Ограничение содержания С3S<50% 2.Введение в цемент активных минеральных добавок (АМД) связывающих Са(ОН)2 в нерастворимые соединения. 3.Создание на поверхности конструкций плѐнок из нерастворимых продуктов, например при карбонизации. Са(ОН)2+СО2=СаСО3 + Н2О 2. Коррозия 2-ого вида. а) кислотная коррозия. Кислоты попадают в конструкции либо с грунтовыми водами, насыщенными стоками химических предприятий, либо с кислотными дождями из атмосферы зачастую насыщенными такими газами, как SO2-сернистый газ, НClхлористый водород, Сl2-газообразный хлор. Са(ОН)2 + 2НСl = CaCl2 + 2H2O – образуется быстрорастворимое вещество. Са(ОН)2 + Н2SO4 = CaSO4 2H2O Сложнее воздействует на цементный камень угольная кислота. Коррозионный процесс протекает в два этапа: Са(ОН)2 + Н2СО3 = СаСО3 + 2Н2О На этом этапе образуется нерастворимый СаСО3, который закупоривает поры, и процесс коррозии замедляется, т.е. затухает. Но при больших концентрациях Н2СО3, процесс возобновляется с образованием лѐгко растворимого бикорбаната кальция. СаСО3 + Н2СО3 = Са(НСО3)2 б) магнезиальная коррозия. Она может наблюдаться при воздействии грунтовых вод насыщенных магнезиальными солями и, особенно в морской воде. Разрушение цементного камня вследствие реакции обмена протекает по следующим формулам: Са(ОН)2 + МgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2 Ca(OH)2 + MgSO4 + 2H2O = CaSO4 2H2O + Mg(OH)2 41 В результате этих химических реакций образуется растворимая соль (хлористый кальций и двуводный сульфат кальция), причѐм в первой реакции гидрат окиси кальция цементного камня вступает в химическую реакцию с хлористым магнием с образованием хлористого кальция и выпадением в осадок гидрата окиси магния - рыхлой смеси, которая легко смывается водой. Меры борьбы с коррозией 2-ого вида. 1.Ограничение содержания С3S не более 50% 2.Введение активных минеральных добавок, связывающих Са(ОН)2 в нерастворимые соединения. 3.Устройство барьерной защиты, препятствующей прониканию агрессивных веществ, например, из рулонных материалов (полимерных, битумов). Для защиты от действия кислот устраивают футировки (толстые защитные слои из кислотостойкого кирпича или плиток на кислостойком растворе, либо пропитывают конструкции кислотостойкими материалами). 3.Коррозия 3-его вида. Это сульфоалюминатная коррозия. Она имеет место при взаимодействии на конструкции грунтовых или морских вод с содержанием сульфат ионов (SO42-) более 250мг/л. С сульфатами в цементом камне реагирует 3-х кальциевый гидроалюминат 3CaO Al2O3 6H2O + 3CaSO4 + 25H2O = = 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O – это соединение называется гидросульфоалюминат кальция или эттрингит. Кристаллизуясь в порах это соединение имеет объѐм в 2 раза больше, чем исходные продукты и, оказывая давление на стенки пор разрушает цементный камень изнутри. Меры борьбы с коррозией 3-его вида. 1.Ограничение в составе цемента содержание С3А 8% 2.Применение специального сульфатостойкого портландцемента. АЛЮМИНАТНЫЕ ЦЕМЕНТЫ Глинозѐмистый цемент – получают тонким измельчением клинкера, получаемого при спекании или плавлении сырьевой смеси из известняков и бокситов. Получение. Сырьѐ: известняки и бокситы. Сырьевую смесь размалывают и обжигают при температуре 1300 – 14000С, получая клинкер, а затем размалывают в шаровых мельницах до тонкости цемента. 42 Стадия помола очень энергоѐмкая, т.к. клинкер чрезвычайно твердый. Учитывая также высокую стоимость бокситов, стоимость глинозѐмистого цемента в 3-4 раза выше обычного цемента. Твердение. Глинозѐмистый цемент в основном состоит из одного кальция алюминия СаО Аl2O3 и особенностью твердения глинозѐмистого цемента является его твердение только при умеренных температурах не выше 250С При твердение глинозѐмистого цемента протекают следующие реакции: 2(СаО Al2O3) + 11H2O = 2CaO Al2O3 8H2O + 2Al(OH)3 образующийся гидроалюминат кальция и придаѐт прочность глинозѐмистому цементу. Свойства. Марка глинозѐмистого цемента определяется так же как и обычного портландцемента, но не в 28-ми суточном, а в 3-х суточном возрасте, т.к. глинозѐмистый цемент твердеет очень быстро. Марки М400, М500 и М600. Сроки схватывания такие же, как и у обычного портландцемента. Тепловыделение в 1,5 раза выше, чем у обычного портландцемента. Особенностью глинозѐмистого цемента является его повышенная жаростойкость до 15000С. Глинозѐмистый цемент хорошо противостоит коррозийной стойкости 1-ого вида и магнезиальной коррозии, но плохо противостоит действию кислот и щѐлочей. Применение. Глинозѐмистый цемент применяется для быстротвердеющих и жаростойких бетонов и растворов. На основе глинозѐмистого цемента изготавливают расширяющие и безусадочные цементы, которые используют при ремонтных работах. РАЗДЕЛ 4. ТЕМА 1. БЕТОНЫ Бетоном называется искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя – песка, крупного заполнителя – щебня или гравия, а в необходимых случаях – специальных добавок. Вяжущее вещество и вода являются активными составляющими бетона, в результате реакции между которыми и образуется цементный камень. Зерна песка и щебня составляют как бы каменный каркас бетона. Цементное тесто, образующееся после затворения, обволакивает зерна песка и крупного заполнителя, заполняет промежутки между ними и играет роль смазки, обеспечивающей подвижность бетонной смеси. Затвердевая, тесто связывает зерна заполнителей, в результате чего и образуется искусственный камень – бетон. 43 Классификация бетонов Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего, виду заполнителя и назначению. - По средней плотности бетоны бывают: а) особотяжелые – со средней плотностью о более 2500 кг/м3 б) тяжелые – со средней плотностью о= 2200-2500 кг/м3 в) облегченные – со средней плотностью о=1800-2200 кг/м3 г) легкие – со средней плотностью о=500-1800 кг/м3 д) особолегкие- со средней плотностью о 500 кг/м3 - По виду вяжущего бетоны бывают: а) цементные б) силикатные ( на известково-кремнеземистом вяжущем) в) гипсовые, г) на смешанных вяжущих, например, цементно - известковых д) на специальных вяжущих, применяемых при наличии особых требований (например, по кислотостойкости, жаростойкости и т.д.). - По виду заполнителя бетоны бывают: а) на плотных заполнителях б) на пористых заполнителях в) на специальных заполнителях, удовлетворяющих специальным требованиям (например, по защите от радиации, жаростойкости и т.д.) - По назначению бетоны подразделяются на: а) бетон для несущих конструкций б) бетон для ограждающих конструкций в) гидротехнический бетон г) бетон для санитарно-технических сооружений (труб, колодцев, резервуаров и др.) д) дорожный бетон е) бетон специального назначения – кислотостойкий, жаростойкий, для защиты от радиации и др. Требования к материалам для обычного (тяжелого) бетона Вяжущие. Для тяжелых бетонов в качестве вяжущих веществ применяют портландцемент и его разновидности, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10178, 22226, ТУ 21-26-13-90 и др. Цемент выбирают с учетом требований, предъявляемых к бетону (по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и др.). При выборе марки (или активности) цемента необходимо, чтобы она в 1,5…2 раза была выше требуемой прочности бетона. В табл. 5 приведены рекомендуемые марки цементов в зависимости от класса бетона В. Таблица 1 - Выбор марки цемента в зависимости от класса бетона Класс бетона по прочности при сжатии 44 Марка цемента Рекомендуемая Допускаемая В 10 М 300 М 300 В 20 М 300 М 400 В 30 М 400 М 500 В 35 М 500 М 550, М 600 В 40 М 600 М 500, М 550 В 50 М 600 М 550 Заполнители. Заполнители для тяжелого бетона подразделяются на две группы: мелкие и крупные. а) Мелкий заполнитель – песок для строительных работ – должен удовлетворять требованиям ГОСТ 10268, 8736. Песком называют рыхлую смесь зерен с крупностью от 0,16 до 5 мм, образовавшуюся в результате естественного разрушения горных пород (естественные пески) или при их дроблении (искусственные пески). По минеральному составу пески бывают кварцевые, полевошпатные, известняковые, доломитовые и др. На качество бетона влияет: 1. Наличие в песке примесей (глинистых, илистых, пылевидных, остатков растительных и животных организмов); 2. Зерновой состав песка. Для получения высококачественных бетонов песок должен содержать зерна всех фракций от 0,16 до 5мм, чтобы объем пустот в нем был минимальным. Чем меньше будет объем пустот, тем меньше потребуется цемента для получения плотного бетона. б) Крупный заполнитель (гравий и щебень) – должен удовлетворять требованиям ГОСТ 10268, 8267, 9268, 10260. Гравием называют рыхлый материал с размером частиц от 5 до 70 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения горных пород. Для гравия характерна гладкая поверхность и достаточно окатанная форма зерен, что не слишком благоприятно сказывается на прочности сцепления его с цементным камнем. На качество бетона влияет: 1. наличие в гравии примесей, особенно глины (не более 1 % для высококачественных бетонов и не более 3% для рядовых); 2. зерновой состав заполнителей. В гравии должны содержаться зерна всех фракций, чтобы объем пустот был минимальным, и бетон получался более плотным и с меньшим расходом цемента; - предельная крупность зерен гравия. Она не должна превышать ¼ части минимального сечения конструкции, а если конструкция армированная, то быть не более наименьшего расстояния между стержнями арматуры. Щебень. Щебнем называют материал, образующийся при дроблении горных пород и имеющий размеры от 5 до 70 мм. Щебень имеет малоокатанную остроугольную форму и шероховатую поверхность, поэтому прочность сцепления его с цементным камнем выше, чем у гравия. В остальном требования к щебню предъявляются те же, что и к гравию. Вода. Для затворения бетона пригодна питьевая вода, а также любая другая, не содержащая вредных примесей (хлоридов, сульфатов, кислот, масел, фенолов и др.). 45 Пригодность воды для бетона устанавливают химическим анализом и сравнительными испытаниями прочности бетонных образцов, изготовленных на испытуемой воде и на контрольной питьевой воде. Образцы испытывают через 28 суток нормального твердения. Вода считается пригодной, если приготовленные на ней образцы имеют прочность не меньше, чем контрольные на питьевой воде. Добавки. Добавки для бетонов должны удовлетворять требованиям ГОСТ 24211-2003 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия»). По виду и назначению добавки можно разделить на следующие группы (табл. 6). Таблица 2 - Добавки, рекомендуемые для бетонов Класс добавки Представ ители 1 Суперпласти фикаторы 2 С-3 ДФ СМФ Сильнопласти ЛСТМ-2 фицирующие МТС-1 Среднепласти фицирующие ЛСТ УПБ ПДК Слабопласти фицирующие ЩСПК НЧК ГКЖ-10 ГКЖ-11 Название 3 Разжижитель С-3 Дофен Разжижитель СМФ Дозиров Эффект от ка, % от применения массы цемента 4 5 Снижение 0,4 - 0,8 водопотребно сти бетонной смеси более 20% Снижение 0,15 – водопотребно 0,3 сти бетонной смеси до 20% Лигносульфонат технический модифицированный Модифицированный лигносульфонат Лигносульфонат Снижение технический 0,1 – 0,2 водопотребно Мелассная упаренная сти бетонной последрожжевая барда смеси до 10% Плав дикарбоновых кислот Щелочной сток Снижение производства 0,05 –0,1 водопотребно капролактама сти бетонной Нейтрализованный смеси до 5%, черный контакт обеспечение Этилсиликонат натрия воздухововле Метилсиликонат чения 3-5%, натрия повышение морозостойко сти бетона на 50-100 циклов 46 Газовыделяю щие 136-41, 136-157 М ПАК Воздухововле кающие СНВ КТП ОТП ГКЖ-10 ГКЖ-11 Противомороз К2СО ные НН ХК ННК ННХК Ингибиторы коррозии Регуляторы сроков схватывания: Замедлители Ускорители НН ТБН БХН БХК Полигидросилоксаны (бывшая ГКЖ-94) Повышение морозостойко сти бетона на Пудра алюминиевая До 0,25 200…300 циклов. Производство ячеистых бетонов Смола Обеспечение нейтрализованная воздухововле воздухововлекающая 0,005 - чения на 3Клей таловый пековый 0,03 5%, Омыленный таловый повышение пек морозостойко Этилсиликонат натрия сти бетона на Метилсиликонат 100…200 натрия циклов Поташ Твердение Нитрит натрия бетона при Хлорид кальция До 10 отрицательно Нитрит-нитрат кальция й температуре Нитрит-нитрат-хлорид кальция Нитрит натрия Замедляют Тетраборат натрия коррозию Бихромат натрия 2 арматуры в Бихромат кальция железобетоне Сахарис тые вещества НК ХК ННК ННХК СН ТНФ До 0,1; 0, 0,1…2 Нитрат кальция Хлорид кальция Нитрит-нитрат кальция Нитрит-нитрат-хлорид кальция Сульфат натрия Тринатрийфосфат Замедление схватывания до нескольких часов Ускорение схватывания и твердения в ранние сроки 47 Cтруктура и свойства бетонной смеси Бетонная смесью называется смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. БС по своей структуре занимает промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми телами. От жидкостей она отличается наличием структурной прочности, от твердых тел отсутствием упругих деформаций. При наложении механических воздействий связи между твердыми частицами ослабевают и она становится более текучей. Это свойство позволяет получить более плотный и качественный бетон. Способность БС разжижаться под действием внешних сил и вновь загустевать при снятии этих действий называется тексотропией. Удобоукладывать – это способность БС растекаясь заполнить все профили формы при данном способе уплотнения. Она зависит от подвижности, жесткости и связности БС. Подвижность – это способность БС растекаться под собственным весом. Определяют подвижности по осадке конуса ОК. По величине ОК бетонная смесь подразделяется на 3 группы: 1. Жесткие смеси ОК=0; 2. Подвижные смеси ОК<12 см.; 3. Литые смеси ОК>12 см. Рисунок 1 - Конус для определения подвижности бетонной смеси Для жестких смесей определяют жесткость в сек. (время, за которое БС из жесткой превращается в пластичную, при наложении механических воздействий). Жесткость определяется на специальных приборах – вискозиметрах. 48 Рисунок 2 – Вискозиметр для определения жесткости бетонной смеси: а) бетонная смесь до начала вибрирования б) бетонная смесь после вибрирования Связность – это способность БС не расслаиваться и сохранять однородными свою структуру и свойства при транспортировании и хранении. Для улучшения связности необходимо правильно рассчитать состав песка и вводит пластифицирующие добавки. Таблица 3 - Марка бетонной смеси по консистенции Марка Норма Марка Ж, с ОК, см Ж, с Ж4 ≥ 31 П1 1…4 Ж3 21…30 П2 Ж2 11…20 П3 Ж1 5…10 П4 П5 Норма - ОК, см ≤4 5…9 10…15 16…20 ≥ 21 Свойства тяжелого бетона Средняя плотность. Для тяжелого бетона она равна 2200…2500кг/м3. Водонепроницаемость. Она определяется наибольшим давлением воды, в МПа, при котором она еще не просачивается через бетонные образцы-цилиндры 180-суточного возраста. По водонепроницаемости тяжелый бетон подразделяется на марки W 0,2 – 1,2 . Прочность бетона. Бетон хорошо сопротивляется сжатию, и гораздо хуже растяжению и изгибу. Поэтому основной прочностной характеристикой бетона является прочность при сжатии. 49 Бетон – материал неоднородный, его прочность колеблется от замеса к замесу. Поэтому средняя прочность бетонных образцов-кубов и определяемая на ее основе марка бетона не дает гарантии получения именно этой прочности бетона (прочность может оказаться как больше, так и меньше). Поэтому было введено понятие класс бетона по прочности В – прочность бетона с обеспеченностью 0,95. Это значит, что установленная классом прочность обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100. Соотношение между марками и классами тяжелого бетона приводится в табл. 11. Соотношение между маркой и классом бетона выражается формулой 27. (27) Rб 1,285 В где Rб – марочная прочность бетона, МПа; В – класс бетона. Таблица 11 - Соотношение между марками и классами тяжелого бетона Класс бетона В 3,5 В5 В 7,5 В 10 В 12,5 В 15 В 20 В 25 Средняя прочность данного класса, кгс/см 46 65 98 131 164 196 262 327 Ближайшая марка бетона Класс бетона М 50 М 75 М 100 М 150 М 150 М 200 М 250 М 350 В 30 В 35 В 40 В 45 В 50 В 55 В 60 Средняя прочность данного класса, кгс/см 393 458 524 589 655 720 786 Ближайшая марка бетона М 400 М 450 М550 М 600 М 600 М 700 М 800 Классом бетона по прочности на сжатие В называют предел прочности на сжатие в МПа эталонных 28-суточных образцов с ребром 15 см, с обеспеченностью 0,95. СНиПом для тяжелого бетона предусмотрены следующие классы В 3,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60. На прочность тяжелого бетона влияют: 1) Марка или активность цемента (прямопропорционально) и водоцементное отношение (обратнопропорционально). Эта зависимость выражается формулой (28), Rб Где А Rц Ц В 0,5 (28) Rб – прочность бетона; Rц – марка или активность цемента; 50 А - коэффициент, зависящий от качества применяемых материалов; Ц/В – цементно-водное отношение (величина, обратная В/Ц). Знак (-) используют для бетонов с В/Ц 0,4. Знак (+) используют для бетонов с В/Ц 0,4 2) Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем, которая определяется формой зерен и характером поверхности заполнителей, а также активностью цемента. 3) Характеристики окружающей среды, в которой твердеет бетон. Для твердения бетона необходимы положительные температуры и влажность, близкая к 100%. При отрицательных температурах твердение бетона прекращается, при недостатке влаги ее может не хватить для протекания реакций гидратации и в результате прочность бетона будет заниженной. 4) Время твердения. В зависимости от времени прочность возрастает по следующему закону (29): Rn R28 ln n ln 28 (29) где Rn – прочность бетона в возрасте n суток; R28 – прочность бетона в возрасте 28 суток. Эта формула справедлива при времени твердения n 3 суток. Морозостойкость бетона. За марку бетона по морозостойкости F принимают число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают водонасыщенные бетонные образцы-кубы с ребром 15 см без снижения прочности на сжатие более 15% и потери массы более 5%. Стандартом установлены следующие марки тяжелого бетона по морозостойкости: F 50 - 150. Отношение к действию высоких температур. Бетон является огнестойким материалом, он не горит во время пожара. Но длительное воздействие высоких температур ухудшает качество бетона, снижает его прочность. Это связано, вопервых, с дегидратацией в цементном камне гидроксида кальция, протекающей с изменением объема, и, как следствие, с растрескиванием бетона. Во-вторых, некоторые заполнители при воздействии высоких температур также способны растрескиваться или изменяться в объеме (например, кварц при tо 600о, карбонаты при tо 900о). Технология производства тяжелого бетона Она включает следующие этапы: 1. Приготовление бетонной смеси. 2. Укладку и уплотнение бетона. 3. Твердение бетона. 4. Контроль его качества. 1-ый этап Приготовление бетонной смеси. Приготовление бетонной смеси включает в себя точное дозирование материалов по массе или объему и перемешивание. Перемешивание компонентов 51 бетонной смеси осуществляются в бетоносмесителях. По принципу перемешивания различают бетоносмесители 2 типов: 1. с принудительным перемешиванием; 1.1 роторная 1.2 противоточная 2. с перемешиванием при свободном падении материала. В роторной бетономешалке (рис.1) материалы перемешиваются в неподвижном смесительном барабане при помощи вращающихся лопастей, насаженных на вал. В противоточной бетономешалке (Рис.2) барабан вращается в одном направлении, а лопасти в противоположном. Противоточная бетономешалка предназначена в основном для жестких смесей. Рис. 1 Роторная бетономешалка. Рис.2 Противоточная бетономешалка. В бетономешалках с перемешиванием при свободном падении материала (или их еще называют гравитационные) перемешивание происходит с помощью барабана, на внутренней поверхности которого имеются лопасти Рис.3 Рис.3 Гравитационная бетомешалка 52 При вращении барабана лопасти захватывают бетонную смесь, поднимают ее на некоторую высоту и сбрасывают, чем обеспечивается интенсивное перемешивание. Время перемешивания от 1 до 5 минут в зависимости от объема бетоносмесителя (от 100 л до 9000 л) и подвижности бетонной смеси. Транспортирование бетонной смеси осуществляется вагонетками, транспортерами, бетононасосами, автотранспортом. 2-ой этап Укладка и уплотнение бетонной смеси. Укладка бетонной смеси в формы осуществляется специальными бетоноукладчиками, движущимися по рельсовому пути, или коробами, транспортируемыми мостовыми кранами. Для формования бетонных изделий их, как правило, необходимо уплотнять (кроме высокопористых ячеистых бетонов). Способы уплотнения: а) вибрирование. При вибрировании бетонной смеси передаются колебания, создаваемые вибромеханизмом, в результате чего она становится подвижной, текучей и заполняет все профили формы. Используют: 1.1 поверхностные вибраторы с плоской плитой (Рис.4) 1.2 глубинные вибраторы (Рис.4) 1.3 стационарные виброплощадки. Рис.4 Поверхностный вибратор и глубинный б) Вибропрессование и виброштампование. Вибрирование сочетается с прессующими воздействиями плоской (вибропрессование) или профилированной (виброштампование) плиты. Методом виброштампования формуют ребристые плиты, лестничные марши и др. в) Центрифугирование. При формовании изделий на центрифугах форма с бетонной смесью вращается с определенной скоростью вокруг своей продольной оси, в результате чего центробежные силы распределяют бетонную смесь по стенкам формы. Изделия получаются полые, с внутренней полостью 53 круглого сечения и любым внешним очертанием, в зависимости от формы. Этим методом формуют трубы, круглые сваи и другие полые изделия. 3-ий этап Твердение бетона. При нормальных условиях (комнатной температуре и влажности, близкой к 100%) твердение бетона протекает 28 суток. В условиях промышленного производства твердение бетона ускоряют. Методы ускорения твердения: а) термовлажностная обработка (ТВО). Она осуществляется в пропарочных камерах ямного типа (глубиной ≈ 2 метра) (Рис.5) в атмосфере насыщенного водяного пара при температуре 90-100о в течение 12-15 часов. Режимы ТВО: • Выдержка 2-3 часа • Подъѐм t-ры со скоростью 25-300С в час • Изотермический прогрев (t=80-900С) в течении 6-8 часов • Охлаждение со скоростью 30-400С в час • Общее время ТВО 12-15 часов Рис. 5 Пропарочная камера ямного типа После пропаривания, в зависимости от применения различных цементов, продолжительности пропаривания и температуры, изделия приобретают от 70% до 100% 28-суточной прочности бетона. б) Электропрогрев. Он производится переменным электрическим током Рис.6. В бетоне электрическая энергия преобразуется в тепловую и разогревает бетон, ускоряя его твердение. Существуют несколько таких способов: внутренний 54 прогрев за счет теплоты, выделяющейся при прохождении электрического тока через бетон; обогрев изделия инфракрасными излучателями, прогрев в электромагнитном поле, применение контактных электронагревателей. Изделия для предотвращения испарения воды необходимо закрывать. Рис.6 Электропрогрев бетона г) Контактный обогрев. Он осуществляется путем контакта изделия с обогреваемой опалубкой или формой. При этом изделия плотно укрывают, чтобы предотвратить потерю воды. д) Введение добавок-ускорителей твердения. Особенностью использования добавок–ускорителей твердения является то, что эффективность их действия на твердение бетона и набор прочности проявляется в основном в течение первых 3-4 суток. В дальнейшем эффект ускорения твердения и возрастания прочности ослабевает, и в 28-суточном возрасте прочности бетонов с добавками и без добавок становятся одинаковыми (рис.4). Рис. 7 - Влияние добавок-ускорителей твердения на набор прочности цементных бетонов во времени 55 Следует отметить, что ускорители твердения на основе хлоридов могут вызвать коррозию стальной арматуры в армированных бетонах, поэтому их не рекомендуется вводить в количестве более 2% от массы цемента. 4ый этап Контроль качества бетона Различают разрушающие и неразрушающие методы контроля качества бетона: а) разрушающий метод контроля. Бетонные изделия в количестве 1% от партии (но не менее 2 штук) нагружают на испытательных стендах до разрушения, определяя их прочность. б) неразрушающие метода контроля. - Кубиковый контроль. Контроль прочности бетона по прочности образцов-кубов. Из каждой партии бетона изготавливаются, наряду с конструкциями, бетонные образцы-кубы числом не менее 3 штук, которые проходят все технологические операции вместе с конструкциями. После пропаривания образцы испытываются на гидравлических прессах на сжатие, и по их прочности судят о прочности бетона в конструкциях. - Метод пластической деформации. О прочности бетона судят по площади отпечатка при вдавливании в него стальных шаров, конусов или штампов. Разновидностью этого метода является определение прочности бетона с помощью молотка Кашкарова (Рис.8). Принцип действия заключается в том, что каждый удар молотка производится одновременно по бетону и по эталонному стальному стержню, вставленному между шариком и пружинным бойком, который ударяет 56 по шарику. После удара измеряются диаметры лунок, оставшихся на бетоне и на стержне. Отношение этих диаметров служит показателем прочности бетона независимо от изменений в силе удара. Рис. 8 Молоток Кашкарова - Метод ультразвуковой дефектоскопии. Он основан на способности ультразвука проходить через плотные тела, не теряя своей интенсивности, и сильно ослабевать при прохождении через воздух. Этим методом пользуются для обнаружения скрытых дефектов – крупных воздушных пор, раковин и неплотностей. - Ударно-импульсным методом специальными приборами типа «Оникс» 57 Виды тяжелого бетона 1.Гидротехнический бетон – предназначен для конструкций, находящихся в воде или соприкасающихся с ней. В зависимости от условий эксплуатации бывает: 1. Подводный 2. Находящийся в зоне переменного уровня воды 3. Надводный К нему предъявляются требования по прочности, повышенная плотность, водостойкость, водонепроницаемость, морозостойкость, небольшое тепловыделение. Свойства. Все свойства гидротехнического бетона определяют на образцах 180 суточного возраста твердения. Прочность – классы по прочности В7,5-40 Морозостойкость – F50-500 Водонепроницаемость – W2-8 Материалы: Вяжущее: Шлакопортландцемент, пуццолановый, гидрофобный или сульфатостойкий цементы. Добавки: гидрофибизирующие, пластифицирующие, микронаполнители (тонкие порошки – золы, которые используют для уменьшения расхода цемента и снижения тепловыделения) Заполнители: кварцевый песок, гравий или щебень из плотных магматических и осадочных пород. 2. Бетон для защиты от радиоактивных воздействий. Они используются в защитных конструкциях атомной энергетики, в производстве радиоактивных изотопов, в военной промышленности и т.д. Эти бетоны используют для защиты потому, что: 58 1. Они поглощают рентгеновские и гамма лучи, причем тем интенсивней, чем выше средняя плотность бетона (средняя плотность этих бетонов 2500 6000кг / м3 2. Химически связанная вода, содержащаяся в гидроалюминатах, гидросиликатах и гидроферритах Са в цементе задерживается. Материалы: Вяжущее: портландцемент Заполнители: чугунный скраб, мелкий заполнитель – лимонитовый или баритовый песок. 3. Жаростойкий Используют для конструкций, длительно эксплуатирующихся температурах. Бетон на обычном цементе плохо выдерживает высоких температур из-за дегидратации Са(ОН)2, поэтому для бетонов используют различные вяжущие, в зависимости от эксплуатации. Вяжущее: при высоких воздействие жаростойких температуры  Шлакопортландцемент можно использовать до температуры 700 С  Жидкое стекло – до 1000 С  Глиноземистый цемент – до 1500 С  И его разновидности – до 1700 С Наиболее жаростойкими являются бетоны на фосфатных связующих,  выдерживающих температуры до 2000 С Заполнители:  Кирпичный бой – до 700-900 С При более высоких температурах используют бой огнеупорных изделий или хромитовые руды. 4. Кислотостойкий бетон – используют для кислостойких конструкций химических производств. Вяжущее – жидкое стекло; ускорители твердения – кремнефтористый натрий; мелкий заполнитель – кварцевый песок; крупный заполнитель – щебень из гранита, андезита или кварцита. Свойства. Хорошо выдерживает воздействие кислот, особенно концентрированных, гораздо хуже воздействие воды и ещѐ хуже щелочи. Более водостойкими являются кислотостойкие бетоны автоклавного твердения. 5. Бетонополимеры - обычные цементные бетоны сушат и пропитывают мономером, которые полимеризируются в порах бетона, переходя в твердое 59 состояния. Такая обработка позволяет резко улучшить многие свойства бетона Rсж =120-300 МПа, морозостойкость достигает F500 циклов, резко понижается истираемость и повышается химическая стойкость. 6. Полимербетоны - это бесцементные бетоны на органическом вяжущем полимерной смоле и обычных для бетона заполнителей песок, гравий. Материалы: в качестве вяжущего используют эпоксидные, полиэфирные и фурановые смолы. Свойства. Прочность Rсж = 100 МПа. Высокое сопротивление истиранию и высокая химическая стойкость. Применение. Эти бетоны достаточно дороги и применяются в обычных конструкциях испытывающих истирающее и химическое воздействие (гидросливы, трубопроводы, аэродромные дороги) 7. Фибробетон – это обычный цементный бетон, совмещенный с органическими и неорганическими волокнами. Неорганические волокна – это стальные, щелочестойкие стеклянные и минеральные волокна. Органические – это капрон, полипропилен. Эти волокна в бетоне играют роль дисперсной распределенной арматуры, воспринимающей растягивающие и изгибающие усилия. Поэтому прочность на растяжение в 2-3 раза выше, чем у обычного бетона, а на изгиб – в 4-5 раз. Лучше когда волокна ориентированы параллельно растягивающим усилиям. Это конструкции оболочки для туннелей, трубопроводов и в дорожном строительстве. 8.Декоративные бетоны. – для повышения эстетической выразительности зданий и сооружений. Применяются для отделки внутренних и внешних частей здания, лестничных маршей, декоративных дорожных покрытий, в деталях малых архитектурных форм, для изделий специального назначения. Цвет бетону может придаваться 2-я способами: 1. Использованием цветных цементов или введением пигментов в обычный цемен. 2. Использованием цветных заполнителей мрамора, красных кварцитов, туфов и др. окрашенных пород. ТЕМА 2. ЛЁГКИЕ БЕТОНЫ Лѐгкими бетонами называются искусственные каменные материалы, получаемые из вяжущего, воды, пористого крупного заполнителя, песка пористого или плотного, а в необходимых случаях добавок. Классификация: 1. по средней плотности - облегчѐнные 0=1800 – 2200 кг/м3 - лѐгкие 0=500 – 1800 кг/м3 60 - особо лѐгкие 0 500 кг/м3 2. по водонепроницаемости - пониженной плотности, с маркой по водонепроницаемости W2 - нормальной плотности W4 - повышенной плотности W6 3. по прочности В2,5 – В40 4. по морозостойкости F15 – F300 5. по назначению - теплоизоляционные 0,15 Вт/м С - конструктивно-теплоизоляционные 0,5 Вт/м С - конструктивные лѐгкие бетоны 0,5 Вт/м С 6. по виду вяжущего - на цементных вяжущих - на силикатных вяжущих - на смешанных - на специальных вяжущих 7. по виду пористого заполнителя пористые заполнители различаются на природные и искусственные природные на 2 группы: - осадочного происхождения (трепелы, спонгалиты, диатомиты) - вулканического происхождения (пемзы, вулканические пеплы и туфы) заполнители искусственного происхождения: часть из них получают термической обработкой со вспучиванием горных пород: из глины – керамзит из перлита – вспученный перлит гидрослюды или вермикулит – вспученный вермикулит Кроме того, в качестве очень лѐгких пористых заполнителей используют вспененные пластмассы, например, пенополистирол. Теплопроводность легкого бетона составляет λ=0,15-0,6 Вт/м0С СВОЙСТВА Прочность лѐгких бетонов определяется по формуле, аналогичной тяжѐлого бетона R л.б .. А2 Rц ( ц в в2 ) где А2 и в2 – безразмерные параметры. Чем ниже прочность пористого заполнителя, тем меньше величины А2 и в2. Пористая поверхность заполнителей определяет ряд особенностей лѐгкого бетона: 1.Бетонная смесь на пористом заполнителе обладает худшей удобоукладываемостью по сравнению с тяжѐлыми бетонами из-за впитывания цементного теста порами заполнителя, поэтому бетонную смесь готовят на больших в/ц, что приводит к перерасходу цемента. 2.Прочность лѐгких бетонов лимитируется прочностью крупного заполнителя, что приводит к недостаточно полному использованию прочности цемента. Для повышения качества лѐгкого бетона необходимо: 61 1.Использование пористых заполнителей повышенного качества. 2.Правильное определение зерного состава заполнителя. 3.Для уменьшения в/ц использовать интенсивные методы уплотнения. 4.Использовать цементы высокой активности. Применение: для ограждающих конструкций(стен панелей, лѐгких покрытий ит.д.) и теплоизоляции. ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН Ячеистые бетоны это высокопористые бетоны, содержащие от 60-85% пор воздушных ячеек диаметром от 1-1,5 мм. Повышенную пористость ячеистым бетонам придают 2-мя способами: 1.перемешиваем компонентов бетона с устойчивой пеной – механический способ. 2.введением добавок газообразователей – химический способ. ПОЛУЧЕНИЕ ЛЕГКОГО БЕТОНА Пенобетоны. В качестве вяжущих используют для пенобетонов – портландцемент марок выше 400; для автоклавных пеносиликатов – известково-кремнезѐмистое вяжущее (известь+молотый песок) Заполнители. Пенобетоны могут изготавливаться вообще без заполнителя (роль заполнителя играют пузырьки воздуха), с обычным песком или тонкомолотым песком. В качестве пенообразователей используют смолосапониновый, клееканифольный и др. пенообразователи в виде водных растворов с концентрацией 5-20%. Цементт есто Пена В виде пенобет она Рис. 1. Поочередное перемешивание компонентов ячеистого бетона. Приготовление осуществляется в трѐх бетоносмесителях рис.1. Твердеют пенобетоны либо в пропарочных камерах(пенобетоны), либо в автоклавах (пеносиликаты). 62 ГАЗОБЕТОНЫ Материалы аналогичны пенобетонам, кроме добавок. В газобетонах используют газообразователи – алюминиевую пудру 0,2-0,6 2 кг/м . Газообразование осуществляется за счѐт реакций с гидратом окиси кальция с цементом 3Са(ОН)2 + 2Al + 6H2O = 3CaO Al2O3 6H2O + 3H2 также используют перекись водорода Н2О2 здесь выделяется кислород 2Н2О2 = 2Н2О + О2 Перемешивают компоненты газобетона виброгазобетономешалках, затем еѐ разливают в формы, заполняя еѐ наполовину или на 2/3. При последующем газовыделении форма заполняется полностью, часто с образованием «горбушки», которую потом срезают. Твердение. Газобетоны в пропарочных камерах. Газосиликаты в автоклавах. Свойства газобетона. Классы по прочности на сжатие В 0,35-20 Марки по морозостойкости F15-100 СВОЙСТВА ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ (пено- и газобетона). 3 0 = 300 – 1200 кг/м Пористость П = 60-85% Прочность ячеистых бетонов определяется прочностью камня оболочки, которая зависит от активности вяжущего и условий твердения. Класс по прочности ячеистых бетонов определяется прочностью на сжатие образцов с ребром 15 см через 28 суток нормального твердения или через 12 часов после термовлажностной обработки. Классы по прочности В0,35 – В20. Морозостойкость F15 – F100 Коэффициент теплопроводности = 0,1-0,3 Вт/м С Применение – более тяжелые для ограждающих конструкций, более лѐгкие – для теплоизоляционных. ТЕМА 3. ЖЕЛЕЗОБЕТОН Железобетон – это бетон, совмещенный со стальной арматурой, монолитно соединѐнные и совместно работающие в конструкции. В железобетоне бетон воспринимает сжимающие нагрузки, а стальная арматура растягивающие и изгибающие. Классификация: 1.по принципу армирования - с обычным армированием (сталь металлические стержни, сетки, каркас) - с предварительно напряжѐнным армированием. Стальную арматуру предварительно растягивают, а после затвердевания бетона отпускают, она стремится сжаться и дополнительно сжать прижимающие 63 к ней слои бетона, что приводит в конечном итоге к повышению предельной растяжимости конструкции. 2.по средней плотности, применяемых бетонов: - на особо тяжѐлых бетонах со средней плотностью 0 2500 кг/м3 - на тяжѐлых бетонах 0 = 2200 – 2500 кг/м3 - на облегчѐнных бетонах 0 = 1800 – 2200 кг/м3 - на лѐгких бетонах 0 = 500 – 1800 кг/м3 - на особо лѐгких бетонах 0 500 кг/м3 3.по виду вяжущего ж/бетоны подразделяются: - на цементных бетонах; - на силикатных бетонах; - на гипсовых бетонах; - на бетоны на смешанном вяжущим; - на бетоны на специальных вяжущих. 4.по структуре ж/б конструкции бывают: - плотными - пустотелыми (по технологии «MaxRot») - кроме того, они могут быть однослойными из бетонов нескольких видов (например, трѐхслойные – из ячеистого бетона, с двух сторон покрытого плотным мелкозернистым бетоном) или с применением других материалов (как теплоизоляционные) 5.по назначению: - для жилых и общественных зданий - для промышленных предприятий; - для инженерных сооружений; - изделия общего назначения. ПРОИЗВОДСТВО Ж/БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ Оно осуществляется по трѐм схемам: 1-ая схема – производство изделий в неперемещаемых стационарных формах. Существует 2 варианта: - стендовая технология – изделие формируется и твердеет на одном технологическом посту (на стенде), где осуществляются все операции по производству ж/бетонного изделия; - кассетная технология- изготовление изделий осуществляется в вертикальной форме – кассете (имеющая от 2 до 14 отсеков), при этом экономятся производственные площади. 64 2-ая схема – производство ж/бетонных изделий в перемещаемых формах. Эта схема включает: конвейерное и поточно-агрегатное производство. Конвейерное производство. По этой технологии технологический цикл максимально расчленѐн на отдельные операции, изделия, двигаясь в формах-вагонетках по рельсовому пути, проходят примерно 15 технологических постов: - выемка готового изделия; - подготовка форм (зачистка, смазка); - укладка арматурного каркаса; - укладка и уплотнение бетонной смеси; - подача в камеру ТВО или в пропарочную камеру; - выемка из камеры ТВО Достоинства технологии – высокая механизация и автоматизация процесса. Недостаток – конвейерные линии предназначены для выпуска однотипных деталей и трудно переналаживаются на выпуск других. Поточно-агрегатное производство Производство осуществляется на 3-4 технологических постах - подготовительном - формовочном - твердение в пропарочных камерах Изделие транспортируется от поста к посту мостовым краном. Недостаток – относительно невысокая производительность труда. Достоинство лѐгкий переход с одного вида изделия на другой. 3 схема – производство ж/б конструкций на сложных технологических линиях и установках, например, формование объѐмных блоков сантех-кабин на установках типа «колпак» Тема 3. Строительные растворы Строительные растворы это искусственные каменные материалы, получаемые твердением растворных смесей, состоящих из вяжущего, воды, песка, а в необходимых случаях добавок. Крупный заполнитель не используется, так как растворы используются в виде тонких слоев. Классификация: 1. По средней плотности: - тяжелые, со средней плотностью более 1500 кг/м3 - легкие, со 0 1500 кг/м3 2. По виду вяжущего: - цементные; - известковые; - гипсовые; - смешанные 65 3. По назначению: - кладочные (для кирпичной и бутовой кладки); - штукатурные (для оштукатуривания внутренних стен и фасадов); - монтажные (для заполнения швов между крупными элементами); - специальные (декоративные, гидроизоляционные и др.). Материалы для растворов 1. Вяжущие. Для влажностных условий эксплуатации используют портландцемент и шлакопортландцемент Марка цемента в 3-4 раза должна превышать марку раствора. Для сухих условий эксплуатации используют известь гашенную и негашеную, строительный гипс или смешанные растворы (цементно-известковые и т.д.) 2. Песок. Требования к песку по содержанию примесей более мягкие, чем у бетона (например, до 20% может содержать пылевидных примесей), но есть ограничения по предельной крупности песка Для кладочных растворов не более 2 мм Для штукатурных растворов для нижних слоев не более 2,5мм для верхних – не более 1,2 мм 3. Добавки В основном используют пластифицирующие добавки: неорганические и органические Неорганические – в основном известь, золы, молотый шлак, вулканические пеплы. Органические – ЛСТ, СДБ, мылонафт Кроме, того для растворов, используемых в зимнее время применяют противоморозные и воздухововлекающие добавки. Свойства растворных смесей и растворов. Удобоукладываемость. Это способность растворной смеси легко укладываться плотным и тонким слоем на пористое основание и не расслаиваться при хранении и транспортировке. Она зависит от подвижности и водоудерживающей способности смеси. Подвижность растворных смесей характеризуется глубиной погружения металлического конуса стандартного прибора и измеряется в сантиметрах. Подвижность назначают в зависимости от вида раствора и пористости основания. Для кирпичной кладки подвижность составляет 9-13см, для бутовой кладки – 13см. Водоудерживающая способность. Это свойство растворной смеси сохранять воду при укладке на пористое основание. Водоудерживающую способность увеличивают путем введения в растворную смесь неорганических дисперсных добавок (извести, золы и др.). 66 Прочность. Прочность затвердевших строительных растворов зависит от активности вяжущего, а также от пористости основания, на которое укладывается раствор. При укладке на плотное основание прочность обратно пропорциональна водоцементному отношению, а при укладке на пористое основание прямо пропорционально зависит только от расхода вяжущего, так как значительная часть воды забирается пористым основанием. Строительные растворы по прочности подразделяются на марки М4-200 (Rсж.=0,4…20 МПа). Марку строительного раствора определяют пределом прочности при сжатии образцов-кубов с ребром 7,07см, испытанных в возрасте, установленном стандартом на данный вид раствора. Морозостойкость. Она характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают растворные образцы-кубы с ребром 7,07см, без снижения прочности на сжатие более 15% и потери массы более 5%. Установлены следующие марки строительных растворов по морозостойкости F10-300. Виды строительных растворов Кладочные растворы. Составы растворов для каменной кладки зависят от пористости каменного основания и от условий эксплуатации конструкций. Для воздушно-сухих эксплуатационных условий используют известковые растворы из гашеной или негашеной извести. Известковые растворы очень пластичны, хорошо связываются с кирпичом. Недостатком их является медленное твердение и выделение при твердении воды, что создает неудобства и замедляет сдачу объектов в эксплуатацию. В состав известковых растворов вводятся тяжелые или легкие (поризованные) пески предельной крупностью не более 2 мм. Для влажных условий эксплуатации используют цементные или известковоцементные растворы. В качестве вяжущего используют портландцемент или шлакопортландцемент с расходом 75…125 кг/м3.. Цементные растворы имеют наибольшую прочность и морозостойкость, поэтому их употребляют для кладки ниже гидроизоляционного слоя. Смешанные цементно-известковые растворы обладают достаточно высокой прочностью и морозостойкостью, хорошей удобоукладываемостью; их используют при возведении подземных и надземных частей зданий. Отделочные растворы. Различают две группы отделочных растворов – для обычных штукатурок и декоративно-отделочных, каждая из которых может предназначаться для наружных и внутренних работ. Для наружной отделки кирпичных и бетонных стен применяют цементно-известковые штукатурные растворы, для конструкций, подвергающихся увлажнению – цементные растворы. Штукатурные растворы наносятся тремя слоями: набрызг, грунт и накрывка. Для внутренней отделки используют известковые, известково-гипсовые, цементно-известковые и гипсовые растворы. Максимальный размер частиц 67 вяжущего – не более 1,2мм; песка – для нижних слоев штукатурки не более 2,5мм, для верхних слоев не более 1,2мм. Для декоративной отделки железобетонных панелей используют отделочные растворы на белом или цветном портландцементе, для цветных декоративных отделок внутри здания – известковые и гипсовые растворы с добавкой пигментов. Различают несколько видов художественно-декоративных штукатурок: искусственный мрамор, сграффито, террацо, терразит и др. Искусственный мрамор (или стукко) изготавливают из высокообжигового гипса с кварцами и клеем, иногда с добавкой мраморной пудры. После затвердевания поверхность шлифуют и полируют до зеркального блеска. Искусственный мрамор широко применялся в архитектуре советского периода (гостиница «Москва»), а также при реставрации, в том числе Останкинского и Павловского дворцов. Сграффито – разновидность штукатурки с рельефным многоцветным орнаментом или рисунком, получаемым путем последовательного нанесения на поверхность основания двух и более тонких слоев цветной растворной смеси и вырезания рисунка специальными инструментами на еще не затвердевших слоях до обнажения необходимого цвета. Для этой цели применяют известковые или цементно-известковые окрашенные штукатурные смеси. Террацо – это отделка на основе обычного или цветного портландцемента с применением в качестве заполнителя крошки декоративных горных пород (чаще всего мрамора). Затвердевший раствор шлифуют и полируют. Террацо используют для отделки полов и ступеней, а также бетонных стеновых панелей, цоколей и др. Терразит – это растворная смесь, имитирующая природный камень, которая изготавливается из известково-цементного вяжущего с тонкомолотым мрамором, минеральными красителями и слюдой (или битым стеклом). Используют для внутренней отделки стен. Специальные растворы. Инъекционные растворы – это растворы, которые используют для заполнения каналов предварительно напряженных конструкций. Эти растворы имеют марку М300 и более и в качестве вяжущего используют только высокомарочные цементы. Тампонажные растворы – эти растворы для гидроизоляции нефтяных и газовых скважин, шахт и т.д. В качестве вяжущего используется тампонажные цементы, а в агрессивных средах сульфатостойкий портландцемент. Рентгенозащитный раствор – используют в рентгенкабинетах и др. объектах с повышенным радиационным фоном. В качестве вяжущего портландцемент и шлакопортландцеменет, песок – баритовый и для улучшения защитных свойств, вводят добавки содержащие легкие элементы лития и бор. 68 ТЕМА 4. ИСКУССТВЕННЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ АВТОКЛАВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Автоклавными называются материалы, состоящие в основном из гидросиликата Са и получаемые при автоклавном синтезе, при температуре 1752000С и давлении 0,8-1,3 МПа. Автоклавные материалы получают из извести гашѐной или негашеной, кварцевого песка (он может заменяться золой или молотым шлаком) и воды. Известь в виде CaO SiO2 nH 2 O CaO SiO2 nH 2 O с образованием низкоосновных гидросиликатов Са. Автоклав – это реактор, представляющий собой горизонтально расположенный цилиндр диаметром 2м и более, длиной 20м, с торцов герметично закрывающийся крышками. Внутри по рельсовым путям движутся вагонетки с изделиями, впускается пар и давление, установка температуры во многом зависит от размера и состава изделия. Теория автоклавной обработки. Протекание химической реакции между СаО или Са(ОН)2 извести и песком становиться возможна из-за того, что вода остаѐтся жидкой при температуре 175200 С и давлении 0,8-1,3 МПа. Процесс автоклавной обработки делят на 3-и этапа: 1-ый этап – с момента пуска пара и до выравнивания температур и изделия 2-ой этап – изотермический прогрев при температуре 175-200 С 3-ий этап – выпуск пара и охлаждение изделий. 1 этап При впуске пара в автоклав он конденсируется на более холодном изделии, превращаясь в воду. В этой дополнительной среде вначале растворяется Са(ОН)2 извести, придавая ей насыщенность или щелочную среду и в этой щелочной воде начинает растворяться песок SiO2. 2 этап На этом этапе Са(ОН)2 вступает в реакцию с растворѐнным SiO2 взаимодействуя многостадийно с образованием различных гидросиликатов, которые в конечном итоге переходят в низкоосновные гидросиликаты Са CaO SiO2 nH 2 O CaO SiO2 nH 2 O 3 этап При выпуске пара из автоклава изделие становится более горячим, чем окружающая среда, поэтому из него испаряется лишняя влага и изделие сохнет. 69 ВИДЫ СИЛИКАТНЫХ (АВТОКЛАВНЫХ) МАТЕРИАЛОВ 1. СИЛИКАТНЫЙ БЕТОН. Силикатные бетоны выпускают тяжѐлыми на плотных заполнителях, лѐгкими на пористых заполнителях и ячеистыми (газосиликат и пеносиликат). В качестве вяжущего используют известково-кремнезѐмистое вяжущее, состоящее из извести, кварцевого песка, который может заменяться золой или молотым шлаком. На качество этого вяжущего влияют: - активность извести - соотношение Са/SiO2 - тонкость помола песка - параметры автоклавной обработки Производство силикатных бетонов включает следующие стадии: 1. Приготовление известково-кремнезѐмистого вяжущего (разламывание в мельнице). 2. Приготовление силиката бетонной смеси (смешивание) 3. Формование изделия (с использованием различных методов вибрирования). 4. Автоклавная обработка. Свойства: средняя плотность 1800 2500кг / м3 прочность на сжатие R 15 80МПа Используют для бетонных и ж/бетонных несущих конструкций. 2. СИЛИКАТНЫЙ КИРПИЧ. Получают из смеси извести, тонкомолотого песка и воды, путѐм за прессования в формы под давлением 15-20 МПа и последующей автоклавной обработкой. По внешнему виду это параллелепипед серого цвета, но который может быть окрашен в другие цвета введением пигментов. Выпускают 2 варианта сплошной со стандартными размерами 250х120х65мм и пустотелый 250х120х88 мм Свойства: средняя плотность 1900 кг / м3 Марки по прочности М100, 125,150,200,250 Марки по морозостойкости F15, 25, 35, 50 Водопоглощение меньше, чем у керамического Вm < 16% Из-за меньших энергозатрат при производстве, силикатный кирпич на 30-40% дешевле керамического. У силикатного кирпича два недостатка: 70 1. Низкая водостойкость 2. Низкая жаростойкость, из-за присутствия в составе Са(ОН)2 Применение. Для кладки наружных и внутренних стен и запрещен к применению везде, где есть повышенная влажность (цоколи, стены подвалов, бани, прачечные) кроме того, нельзя использовать при строительстве печей и труб. РАЗДЕЛ 5. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСВА И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ. ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ТЕМА 1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ. Материалы на основе битумов и дегтей Органическими вяжущими веществами называются смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, способные в зависимости от температуры изменять свои физико-механические свойства. Органические вяжущие подразделяются на битумные и дѐгтевые. Битумные вяжущие подразделяются на: 1. Природные битумы – вязкие жидкости или твердые вещества, которые образовались в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. 2. Асфальтовые породы – пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники и др.), пропитанные битумом. 3. Нефтяные битумы получают переработкой нефтяного сырья. 4. Гудрон – остаток после отгонки из мазута масляных фракций. Дегти представляют собой густую вязкую массу черно-коричневого цвета, образующуюся при нагревании без доступа воздуха твердых органических материалов (каменного и бурого угля, торфа, древесины и др.). В отличие от битумов дегти быстрее стареют и имеют повышенную токсичность, что ограничивает их применение в производстве строительных материалов. Свойства битумов Физические свойства. К ним относятся плотность, теплопроводность, водостойкость и др. Плотность. Для битумов она составляет 0,8…1,3 г/см3. Теплопроводность. Теплопроводность битумов составляет 0,5…0.6 Вт/моС. Водостойкость. Она характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Чем меньше водорастворимых веществ, тем более водостоек битум. Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов к воздействию агрессивных веществ. Битумы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей 71 оксиды азота а также при действии концентрированных растворов кислот. Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости битумные материалы широко применяют для защиты от коррозии железобетона, стали труб и др. Физико-механические свойства. При высоких температурах битумы приближаются по свойствам к жидкостям, а при низких температурах приобретают свойства твердых тел. К важнейшим свойствам битумов можно отнести следующие. Вязкость – важнейшая реологическая характеристика, изменяется в широких пределах в зависимости от группового состава и температуры. Наиболее значимое влияние на вязкость битумов оказывает соотношение асфальтенов и масел. С увеличением содержания асфальтенов вязкость повышается. Для характеристики вязкости приняты следующие показатели: - глубина проникновения иглы (пенетрация), определяемая пенетрометром - температура размягчения битума, определяемая на приборе “кольцо и шар”. Глубина пенетрации. Показатели глубины погружения иглы определяют по ГОСТ 11501. Они зависят от температуры битума а также от давления на иглу и времени ее погружения. Испытания проводятся при 25 оС и при 0оС. За единицу пенетрации принята глубина проникания иглы равная 0,1 мм. В России приняты стандартные условия: - нагрузка на иглу – 100 г при 25оС и 200 г с при 0оС - продолжительность погружения – 5 с при 25оС и 60 с при 0оС Достаточно часто для оценки пенетрации используют индекс пенетрации ИП, который рассчитывается по формуле 30: ИП где А 30 10 1 50 A (30) 2,9 lg П 25 ; Т разм 25 П25 –глубина проникания иглы (в 0,1 мм) при 25оС Тразм – температура размягчения. Температура размягчения. Она определяется по ГОСТ 11506 на приборе «Кольцо и шар». Для испытаний готовят образцы битума в латунных кольцах, которые помещают в прибор над отверстиями в подвеске. Прибор заполняют водой, водой с глицерином или глицерином (в зависимости от температуры размягчения). На поверхность битумных образцов помещают стальные шарики, а прибор нагревают до температуры, при которой они продавливают битум и касаются основания прибора. Эта температура называется температурой размягчения. Большое значение имеет соотношение между глубиной погружения иглы и температурой размягчения. Более ценными являются битумы, у которых при данной температуре размягчения более высокий показатель глубины погружения иглы. Это будет означать относительно меньшую восприимчивость битумов к изменению температуры. 72 Температура хрупкости. Это характеристика вязкости дорожностроительных битумов при отрицательных температурах. Она определяется на приборе Фрааса. Определение производится в тонком слое битума, нанесенном на металлическую пластинку. Пластинка подвергается изгибанию при равномерно снижающейся температуре. Температура, замеренная в момент появления излома в испытуемом слое битума, принимается за температуру хрупкости. Температура хрупкости – эта та температура, при которой битум становится хрупким, т.е. теряет свои вязко-пластичные свойства. Растяжимость. Это свойство битумов принято оценивать по их способности растягиваться в нить определенной длины под действием нагрузки. Определение растяжимости (дуктильности) производится по ГОСТ 11505 с помощью дуктилометра, в котором битумный образец в виде восьмерки растягивается с постоянной скоростью. Длина нити в момент разрыва, выраженная в см, является показателем растяжимости. Чем больше вязкость битумов, тем меньше его растяжимость, т.е. чем меньше глубина проникания иглы, тем меньше его растяжимость. Носителем эластичности битумов являются смолы, чем больше смол, тем больше растяжимость. Растяжимость определяется при температуре, равной 25оС и скорости растягивания 5см/мин. Коэффициент стандартных свойств. Расчет коэффициента стандартных свойств проводится для определения структурного типа битума. Его определяют по формуле 31: К стд Т разм Д 25 Т хр (31) где Тразм – температура размягчения Тхр – температура хрупкости Д25 – растяжимость (дуктильность) при 25оС. Если Кстд составляет ≥ 1,15, то битум имеет структуру геля (I структурный тип), при Кстд ≤ 0,65 – структуру золя (II структурный тип), при Кстд = 0,65…1,15 для битума характерен III структурный тип (золь-гель). Старение битумов. Под старением битумов подразумевают совокупность всех химических и физических процессов, приводящих со временем к изменению их свойств. Обычно на битумы действуют тепло, солнечный свет, кислород воздуха, озон, вода, бактерии, а на битумы в дорожных покрытиях – динамические нагрузки от автомобильного транспорта. Эти факторы вызывают в молекулах битумов разрыв химических связей и образование свободных радикалов. Устойчивость битумов к действию тепла и кислорода зависит от их строения и, прежде всего, от наличия легкоокисляющихся групп и связей в макромолекулах, количество которых устанавливается методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В результате старения возрастает содержание твердых хрупких составляющих (асфальтенов) за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел. Оценка интенсивности старения битумов основана на изучении степени изменения свойств в результате нагрева. По ГОСТ 22245-90 изменение их свойств 73 определяют после нагревания битума до 160оС в течение 5 часов. Изменение температуры размягчения после прогрева и служит показателем его устойчивости к старению. Битумы, обнаруживающие большие изменения этого показателя, оказываются более склонными к атмосферному старению. Повышение сопротивления старению битумов обеспечивают добавками ингибиторов, способствующих подавлению окислительных процессов, например, продуктов алкилирования n-крезола изобутиленом. Замедлению старения битума способствует введение в состав асфальтобетона сажи или технического углерода. Добавки алифатических аминов стабилизируют асфальтены битума, предотвращая их агрегирование, что также замедляет старение. Марка битума. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью. Буквенные обозначения отражают назначение битума. Например, БН – битум нефтяной, БНК – битум нефтяной кровельный, БНД – битум нефтяной дорожный и т.д. Для битумов кровельных цифровые показатели выражаются дробью, в которой числитель – среднее значение показателя температуры размягчения в оС, а знаменатель – среднее значение показателя глубины проникания иглы при 25 оС в 10-1мм. Например, битум БНК 45/190 – это битум нефтяной кровельный с температурой размягчения 45 оС и глубиной проникания иглы 190 10-1мм. Для вязких дорожных битумов цифры в обозначении марки по ГОСТ 2224590 указывают на допустимые для марки пределы показателей глубины проникания иглы при 25оС. Вязкие нефтяные дорожные битумы выпускаются 5 марок: БНД 40/60; БНД 60/90; БНД 90/130; БНД 130/200, БНД 200/300. Вязкие нефтяные дорожные битумы изготовляют окислением продуктов прямой перегонки нефти и селективного разделения нефтепродуктов, а также компаундированием окисленных и неокисленных продуктов или в виде остатка прямой перегонки нефти. Асфальтобетоны Асфальтобетоны изготавливаются из асфальтового вяжущего, представляющего собой смесь битума с тонкомолотым минеральным порошком, крупного заполнителя – гравия или щебня и мелкого заполнителя – песка. Асфальтобетоны по назначению подразделяются на гидротехнические, дорожные и аэродромные. Основные свойства асфальтового бетона зависят от примененного асфальтового вяжущего, состава бетона и его пористости. Пористость асфальтового бетона составляет 1-18%. Плотные бетоны (с пористостью не более 5%) обычно водонепроницаемы. Пористость ухудшает долговечность асфальтового бетона в связи с возрастанием водопоглощения, снижением морозостойкости и снижением стойкости к химической коррозии. В отличие от цементного бетона, на показатели прочности асфальтобетона сильно влияет температура. Например, если предел прочности при сжатии асфальтобетона при 20оС составляет ~ 2-2,5 МПа, то при 50оС ~1 МПа. Асфальтобетоны укладывают в горячем или холодном состоянии. Наиболее распространены горячие асфальтобетонные смеси, имеющие при 74 укладке температуру от 120 до 170 оС. Для их приготовления предварительно высушенные и подогретые до 180-200 оС минеральные составляющие бетона (тонкомолотый минеральный порошок, песок, щебень) загружают в смеситель, в котором их перемешивают с расплавленным битумом. Готовые асфальтобетонные смеси укладывают и уплотняют катками. Через 1-2 часа асфальтобетон отвердевает, приобретая прочность камня. Асфальтобетоны, укладываемые в холодном состоянии, приготовляют на жидких битумах и битумных эмульсиях. Жидкий битум подогревают до 110-120 о С и смешивают с высушенными и подогретыми до той же температуры заполнителями. Асфальтобетонную смесь с температурой 60 оС развозят на места и укладывают при температуре окружающей среды не ниже +5 оС. Качество асфальтобетона зависит от его состава, технологии приготовления смеси, укладки и уплотнения. Изучение физико-химических процессов на границе минеральный материал - битумное вяжущее дает возможность обоснованно выбрать состав асфальтобетонной смеси, который при определенном режиме приготовления обеспечивает требуемые физико-механические свойства асфальтобетона. Природа, прочность, пористость, гранулометрический состав минеральной части оказывает влияние на особенности взаимодействия с различными вяжущими материалами. Минеральные материалы для асфальтобетона Щебень (ГОСТ 8267-93) – дробленый и разделенный на фракции материал из монолитных горных пород, или получаемый дроблением гравия. Для дробления используют в основном граниты и известняки и применяют различные по конструкции и мощности камнедробильные машины, от которых зависит качество получаемой продукции. Лучшей формой зерен щебня считается кубовидная или тетраэдрическая. Производство щебня включает следующие этапы: добычу камня, дробление, сортировку (грохочение). Добыча камня производится в карьерах в основном буровзрывным способом, затем сырье доставляется на дробильносортировочный завод. Содержание зерен щебня лещадной (ширина их в 3 раза превышает толщину) и игловатой (длина в 3 и более раза превышает толщину и ширину) формы не должно быть больше допустимых стандартов, приведенных в табл. 15. Таблица 15 - Нормируемый показатель содержания в щебне зерен пластинчатой и игловатой формы Группа щебня 1 1 2 3 4 Содержание зерен в щебне, % по массе 2 До 15 включительно 15-25 25-35 35-50 75 Для дорожного строительства щебень применяют в основном четырех фракций: с размером зерна 5-10; 10-20; 20-40; 40-70(80) мм. Гравий (ГОСТ 8267-93) получают делением (разгрохоткой) на фракции песчано-гравийных смесей. Природный гравий представляет собой рыхлую смесь окатанных обломков горных пород размером от 5(3) до 70(80) мм. По происхождению он может быть горным, речным, морским и ледниковым. Горный гравий имеет более угловатую форму зерен, что благоприятно сказывается на сцеплении с вяжущим, но более загрязнен пылевато-глинистыми примесями. Речной и морской гравий имеет гладкую поверхность, что ухудшает сцепление с вяжущим. Лучшей разновидностью гравия считается ледниковый, который менее окатан и имеет более равномерный зерновой состав. Из-за недостаточного сцепления с цементным камнем в бетоне гравий, как правило, не применяется в бетонах с пределом прочности выше 30 МПа. Обработка гравия заключается в его сортировке по фракциям и промывке. При содержании в гравии природного песка от 25 до 40% материал называют гравийно-песчаной смесью. Гравий для асфальтобетонов должен соответствовать требованиям ГОСТ8267-93. Для асфальтобетонов применяют гравий фракций 5-10, 10-20(15), 20(15)- 40, а также смеси указанных фракций. Качество щебня и гравия характеризуется показателями: - прочности (маркой по раздавливанию в цилиндре, по сопротивлению износу в полочном барабане, по морозостойкости) - крупностью и формой зерен (фракции 5…40 мм. форма зерен- кубовидная, количество лещадных зерен для смеси А до 15%, для смеси Б 25% и В -35% по массе) - степенью загрязненности пылевато-глинистыми частицами (не более 1,5% по массе) - петрографическим составом, который влияет на шероховатость покрытия. Чем выше шероховатость, тем лучше сцепление колес автотранспорта с дорогой. Шероховатость для гранита сохраняется до 5 лет эксплуатации дороги, а для известняка – один сезон, хотя адгезия битума к поверхности известняка больше, чем к граниту. Песок (ГОСТ 8736). Песком называют рыхлую смесь зерен материала природного или искусственного происхождения размером от 0,16 до 5 мм. По минерало-петрографическому составу различают кварцевые, полевошпатные, карбонатные и другие пески. Как правило, лучшие по качеству пески – кварцевые, и они чаще других используются. Однако при производстве бетонов и асфальтобетонов их можно заменять на другие пески. По происхождению пески подразделяются на горные (овражные), речные, морские, барханные, дюнные и др. Каждый из них имеет положительные и отрицательные свойства: горные пески содержат повышенное содержание глины, но обладают неокатанной формой зерен, более благоприятно влияющей на прочность сцепления с цементным камнем в бетоне. Морские могут содержать обломки раковин, снижающих прочность бетонов и асфальтобетонов. Кроме того, 76 речные и морские пески имеют гладкую поверхность зерен, не обеспечивающую достаточного сцепления с вяжущим веществом, но они более чистые. Дюнные и барханные пески сложены очень мелкими частицами, не отвечающими требованиям стандартов. Показателями, характеризующими пески, являются: - зерновой состав и модуль крупности - содержание пылеватых и глинистых частиц - минерало-петрографический состав В асфальтобетонах могут применяться различные пески. Крупные пески оцениваются модулем крупности Мкр > 2,5 и содержанием в них зерен крупнее 0,63 более 50%. Пески средние оцениваются модулем крупности М кр = 2 – 2,5 и содержанием в них зерен крупнее 0,315 в пределах 35- 50%. Применяемый для асфальтобетонов песок природный и из отсевов дробления горных пород должен соответствовать требованиям ГОСТ 8736, согласно которому cодержание глинистых частиц не должно превышать 0,5% для асфальтобетона марок I и II, и не более 1% для марки III. Прочность песков оценивается по прочности горных пород, при естественном разрушении которых они образуются (природные пески), или из которых получаются при дроблении (дробленые пески). Минеральный порошок (ГОСТ 52129-2003). Он представляет собой полидисперсный материал и является важнейшим структурообразующим компонентом асфальтобетона. На его долю приходится до 95% суммарной поверхности минеральных зерен асфальтобетона. Основное назначение минерального порошка – переводить объемный битум в пленочное состояние. При этом повышается вязкость и прочность битума. Вместе с битумом минеральный порошок образует структурированную дисперсную систему, которая выполняет роль вяжущего материала в асфальтобетоне. Кроме того, минеральный порошок заполняет поры между частицами песка что способствует повышению плотности асфальтобетона и снижению расхода битума. РАЗДЕЛ 5. ТЕМА 1. Полимеры и материалы из пластмасс Полимерными называются материалы, в состав которых в качестве основного компонента входят высокомолекулярные органические вещества – полимеры. Благодаря своей способности формоваться полимерные материалы называются также пластическими массами. Пластмассы, применяемые в строительстве, представляют собой обычно сложные композиции, состоящие из полимерного связующего, наполнителей, отвердителей, пластификаторов, стабилизаторов и других добавок. Компоненты пластмасс Полимеры. Полимеры – это высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся структурных звеньев. Они бывают природными (натуральный каучук, целлюлоза и др.) и искусственными, 77 получаемыми из различного сырья методами полимеризации или поликонденсации. Полимеризация – процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) без выделения побочных продуктов. Ускоряют процесс полимеризации повышением температуры, воздействием света и введением специальных добавок – катализаторов. Поликонденсация – процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) с выделением низкомолекулярных продуктов. Полимеры подразделяются на термопластичные, способные многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении, и термореактивные, не способные к повторному размягчению. В строительстве чаще всего используют следующие полимеры. - Поливинилхлорид [-CH-CHCl-]n , высокопрочный полимер, труднорастворимый в органических растворителях, имеющий большую ударную вязкость. Применяется для изготовления пленок, труб, блоков, электротехнических материалов, натяжных потолков, виниловых обоев, оконных и дверных рам и др. - Полиуретан – продукт взаимодействия диизоцианатов и многоатомных спиртов. Используется для изготовления волокон, лакокрасочных материалов, гидроизоляционных пленок, клеев, полимербетонов и др. - Полистирол [-CH2-CHС6Н5]n – твердый, хрупкий и водостойкий полимер. Прменяется для изготовления пенопласта, плиток и панелей. - Полиэтилен [-CH2-CH2-]n – морозостойкий полимер с малой водо- и газопроницаемостью. Используется для изготовления труб, пенопластов и др. - Фенолформальдегидные смолы – получают из фенола и формальдегида, обладают высокой химической стойкостью. Применяют при изготовлении древесно-стружечных (ДСП) и древесно-волокнистых (ДВП) плит. -Алкидные смолы - применяются для изготовления плиток, линолеума, красок и др. - Эпоксидные смолы – обладают высокой химической стойкостью. Применяются при изготовлении линолеумов, лаков, красок, бетонополимеров и полимербетонов и др. - Полиэфирные смолы – продукт поликонденсации многоосновных кислот и спиртов. Используют для производства лаков и красок, полимербетонов и др. - Кремнийорганический смолы – высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода, а углерод входит в состав групп, обрамляющих главную цепь. Их используют для производства гидрофобных жидкостей (ГКЖ), применяемых для гидрофобизации строительных конструкций, а также красок. Наполнители. Они снижают расход полимера, удешевляют пластмассы и улучшают их физико-механические свойства. Наполнители подразделяются на органические и неорганические; порошкообразные (мел, тальк, опилки и др.), волокнистые (древесные, стеклянные, асбестовые и др. волокна), слоистые (ткани, бумага, картон, древесный шпон и др.). 78 Пластификаторы. Их применяют для улучшения формовочных свойств пластмасс и уменьшения их хрупкости. В основном это высококипящие органические жидкости. Стабилизаторы. Это добавки, способствующие сохранению структуры и свойств пластмасс во времени. Как правило, это оксиды металлов. Отвердители. Их вводят для сокращения времени отверждения пластмасс. Свойства пластмасс. Для пластмасс характерна низкая плотность при относительно высоких прочностных показателях, что дает возможность создавать конструкции из пластмасс. Пластмассы – плохие проводники тепла и электричества, поэтому они являются хорошими теплоизоляционными материалами и диэлектриками. В большинстве случаев полимерные материалы устойчивы к кислотам, щелочам и другим химическим веществам. Они не требуют дополнительной защиты поверхности и могут быть окрашены в различные цвета. Многие пластмассы непроницаемы для воды, что обусловило их применение для гидроизоляции. Ряд пластмасс, не содержащих наполнителей и пигментов, обладают высокой прозрачностью и используются для остекления оранжерей, теплиц, лечебных учреждений и др. При применении полимерных материалов необходимо учитывать их недостатки, к которым относятся низкая теплостойкость, способность воспламеняться и гореть или разлагаться с выделением ядовитых веществ под действием высокой температуры. Некоторые пластмассы обладают способностью выделять в окружающую среду вредные вещества под действием различных факторов: солнечного света, повышенной температуры, кислорода воздуха и др. Номенклатура современных полимерных строительных материалов Конструкционные полимерные материалы Бетоны, совмещенные с полимерами. Существуют несколько разновидностей бетонов, совмещенных с полимерами. К ним относятся бетонополимеры и полимербетоны. Бетонополимеры. Они представляют собой композиционные материалы, в которых силикатная (цементная) матрица совмещена с органическим полимером. Изготовление бетонополимеров включает следующие операции. Бетонные изделия высушивают и под вакуумом пропитывают раствором мономера, который потом полимеризуется в порах бетона. Для ускорения этого процесса используют радиационный или термокаталитический способы. При радиационном способе изделия облучают γ-лучами. При термокаталитическом способе в мономер вводят катализатор полимеризации, а изделия подвергают термической обработке. Изделия могут пропитываться полностью, или только с поверхности на небольшую глубину. Свойства бетонополимера значительно отличаются от свойств исходного бетона. На основе бетонов В 30 – 50 получают пропитанные бетоны с прочностью при сжатии 120-300 МПа. В 3-4 раза возрастает сопротивление истиранию, в 79 несколько раз снижается водопроницаемость, а морозостойкость возрастает до нескольких тысяч циклов. Из бетонополимеров изготавливают трубы, а также железобетонные конструкции, подвергающиеся интенсивной коррозии. Полимербетоны. Они представляют собой композиционные материалы, в которых вяжущим веществом является полимерная смола, а заполнителями – традиционные для бетонов песок, гравий или щебень. В качестве полимерного связующего используют эпоксидные, фурановые полиэфирные и др. смолы. В состав полимербетонов входят добавки, улучшающие качество полимерного связующего: - отвердители, ускоряющие отверждение полимера; - пластификаторы, улучшающие формовочные свойства; - стабилизаторы, замедляющие6 старение полимерного связующего. По механическим свойствам полимербетоны несколько уступают бетонополимерам. Так, прочность при сжатии их может составлять до 100 МПа. Они обладают высоким сопротивлением истиранию и износу, а также высокой коррозионной стойкостью. Полимербетоны используют для устройства бесшовных наливных полов, гидросливов, труб и др. изделий. Фибробетон с полимерными волокнами. Фибробетоном (дисперсноармированным бетоном) называют композиционный материал, упрочненный волокнами. Армирование бетона волокнами существенно улучшает прочностные и деформативные характеристики материала, повышает сопротивление трещинообразованию. Используемые волокна должны быть стойкими в щелочной среде бетона. Для изготовления фибробетона на полимерных волокнах используют волокна из полипропилена, капрона и др. Из фибробетона изготавливают трубы, плиты-оболочки, конструкции туннелей, покрытия автомобильных дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов и др. Древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты. Древесностружечные плиты (ДСП) и древесно-волокнистые плиты (ДВП) изготавливают из древесных стружек и волокон, используя в качестве связующего полимерные смолы (карбамидные или фенолформальдегидные), а также специальные добавки. Используют для настилки полов, изготовления встроенной мебели и др. Стеклопластики. Они представляют собой материалы, в которых наполнителем является стекловолокно. В качестве связующих используют полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические или фенолформальдегидные полимеры. Выпускают стеклопластики в виде листов (плоских или волнистых), труб и других изделий. Материалы для отделки фасадов Декоративные штукатурные растворы. В состав декоративных штукатурных растворов входят пигменты, минеральные заполнители, как правило, окрашенные, и, в качестве связующего, водорастворимые полимерные 80 смолы, в основном акриловые. Примером таких декоративных штукатурок могут быть турецкие штукатурные составы фирмы «Байрамикс». Для фасадов используются составы с крупным и средним минеральным заполнителем. Виниловый сайдинг. Он представляет собой виниловые панели шириной 20 – 26см, которые крепятся между собой определенным образом и выдерживают температуру от –50о до 50о, не тускнеют и не деформируются. Выпускается сайдинг в любой цветовой гамме и служит не менее 30 лет. Декоративные полимерные панели. Примером применения декоративных панелей для наружной отделки могут служить панели «Полиалпан», представляющие собой двухслойные конструкции из алюминия и полиуретана. Алюминиевый лист может иметь гладкую естественную или окрашенную поверхность, или отформованную под декоративную штукатурку, дерево или др. Слой полиуретана служит для теплоизоляции здания. Полимерные материалы для потолков Плитки потолочные. Они изготавливаются в основном из полистирола квадратными (30х30см, 50х50 см и др.) или прямоугольными с различной отделкой внешней поверхности (под камень, дерево, с различным рельефом и окраской). Панели потолочные. Панели изготавливаются из полистирола, шириной от 22 до 52 см, длиной от 220 до 547 см. Они имеют отделку под дерево или камень. Полимерные натяжные потолки. Они изготовляются на основе сверхпрочной виниловой пленки. Потолки легко монтируются, пожаробезопасны, гигиеничны, охватывают широкий диапазон конструктивных и цветовых решений. Поверхность потолков может быть матовой, лаковой, замшевой, под мрамор и др. С ними прекрасно сочетаются осветительные приборы и вентиляционные решетки. Полимерная лепнина. Для отделки потолков используются розетки, карнизы, потолочные плинтуса из полистирола и полиуретана с различной фактурой поверхности. Наиболее декоративными являются имитации под гипсовую лепнину с различными рельефными рисунками. Изделия из полиуретана имеют более высокие прочностные и декоративные свойства. Материалы для отделки стен Они могут быть листовые, плиточные, рулонные и др. К листовым полимерным материалам для стен относятся: Полимерные стеновые панели. Они представляют собой листы жесткого ПВХ, отделанные декоративной поливинилхлоридной пленкой или с рельефной поверхностью (типа «Полидекор»), а также ламинатные панели, представляющие собой листы из ДВП, покрытые поливинилхлоридными пленками, имитирующими различные природные материалы. К рулонным стеновым материалам относятся: Моющиеся обои. Они, в зависимости от основы, на которую наносится полимер, могут быть на бумажной основе (с рисунком, с тиснением, с покрытием из ниток и волокон и др.), на стеклоткани, на флизелине (природном полимере – 81 целлюлозе). В качестве полимера используют водные дисперсии поливинилхлорида, поливинилацетата и др. Популярными сейчас являются виниловые обои, представляющие собой бумажную основу с нанесенным на нее слоем поливинилхлорида, на котором создается рельефный рисунок методом тиснения. Благодаря значительной толщине, виниловые обои не требуют тщательной подготовки поверхности стен. Но влагостойкий виниловый слой препятствует пропусканию влаги с поверхности стен. Производятся моющиеся обои на основе природного полимера – целлюлозы. Это двухслойный материал, основу которого составляет нетканое целлюлозное полотно, на которое наносят отделочный слой вспененной целлюлозы. Эти обои обладают декоративным внешним видом, напоминающим гипсовую лепнину и являются экологически чистым материалом. Поливинилхлоридные пленки. Пленки изготавливают из поливинилхлорида одноцветными или с многоцветным печатным рисунком, часто имитирующим дерево или камень, гладкими или тиснеными. Различают пленки безосновные, а также на бумажной и тканевой основе. На тыльную сторону пленки может быть нанесен невысыхающий клеевой слой, защищенный легко удаляемой перед применением бумагой. Их применяют для отделки стен, встроенной мебели, дверных полотен и др. К плиточным материалам для стен относятся: Полистирольные плитки. Они представляют собой облицовочные материалы, изготавливаемые из полистирола, размерами от 10х10см до 50х50см. Поверхность их может быть гладкой, рельефной с имитацией дерева или камня. Эти плитки плохо переносят воздействие высоких температур. В последнее время на рынке современных стройматериалов появляются «сухие смеси», использующиеся в том числе и для отделки стен. К ним относятся: Жидкие обои. Они выпускаются в виде сухих смесей, требующих перед применением разведения водой. Жидкие обои позволяют создавать гладкие или рельефные покрытия без швов. В их состав могут входить хлопковые, целлюлозные, шелковые и другие волокна, а также водорастворимые смолы типа акриловых. Они обладают хорошими тепло и звукоизоляционными свойствами. Эти обои можно многократно смывать, перекрашивать и наносить вновь. Декоративные штукатурки типа “Байрамикс”. Для внутренней отделки стен используют штукатурные составы со средним и мелким минеральным заполнителем из мраморной крошки и акрилового связующего. Сухие смеси «Байрамикс» выпускаются в широкой цветовой гамме (72 оттенка) и применяются при оформлении больших помещений (банков, офисов, торговых залов и др.). Материалы для полов Они подразделяются на рулонные, плиточные, листовые и мастичные. К рулонным материалам для полов относятся: Линолеумы. Это наиболее распространенные материалы, применяемые для покрытия полов в жилищно-гражданском строительстве. Их изготавливают из полимера (в основном поливинилхлорида), пластификаторов, наполнителей, 82 красителей, иногда добавляют дробленую резину. Линолеумы бывают безосновными (одно- и многослойными), на тканевой, войлочной или пористой полимерной основе. Они выпускаются в виде рулонов длиной не менее 12 м, шириной 1,4 –1,6 м, толщиной от 1,5 мм (для безосновного) до 4…6 мм (на теплоизолирующей основе). Как правило, на верхний слой линолеума методом многоцветной печати наносится рисунок. Наиболее современным видом линолеума является линолеум-топлинг. Он представляет собой вспененное виниловое напольное покрытие, толщиной от 2,2 до 3,3мм, шириной 2, 3 и 4 метра. Выпускается с имитацией паркета, мрамора, керамической плитки, дерева и др. Синтетические ковровые покрытия. Они представляют собой двухслойные покрытия из основы (полиуретана или ПВХ) и ворса из синтетических волокон. Волокна могут быть из нейлона, полипропилена, лавсана и других полимерных материалов. Ковровые покрытия могут иметь разрезной ворс (велюровые) или неразрезной ворс (петельные). Иногда используют эффектные комбинации из разрезного и неразрезного ворса, создающие рельефную фактуру поверхности ковра. Лучшие образцы синтетических ковровых покрытий нейтральны к окружающей среде, не выделяют вредных веществ и не создают благоприятных условий для жизни и размножения в нем микроорганизмов. К плиточным материалам для полов относятся: Плитки из ПВХ. Они выпускаются различной цветовой гаммы, с имитацией камня, дерева или керамики. Плитки характеризуются высокой твердостью и износоустойчивостью, размеры 30х30см. Плитки из ковролина. Они представляют собой плитки из синтетических ковровых покрытий размерами 30х30см, 50х50см и др. Преимуществом таких материалов перед рулонными ковровыми покрытиями является простота укладки и ремонта, а также возможность создания интересных дизайнерских решений покрытий полов. К листовым материалам для полов относятся: Листы и панели типа “ламинат”. Они представляют собой панели из ДВП, покрытые полимерной пленкой под дерево или камень. Длина 1,4 м , ширина 20 см и толщина 1см. Такие полы не выцветают, хорошо противостоят воздействию многих химических веществ и повышенной температуры. К мастичным материалам для полов относятся составы из поливинилацетата, полиуретана, эпоксидных или полиэфирных смол. Кроме связующего, такие составы содержат наполнители, пигменты, различные добавки. Жидкие составы применяют для наливных покрытий полов, которые наносят разливом или многослойным напылением. Монолитные полы благодаря безшовности характеризуются гигиеничностью, удобством эксплуатации, высокой стойкостью к истиранию и различным агрессивным средам. 83 Гидроизоляционные материалы Рулонные битумные материалы В настоящее время выпускаются основные и безосновные рулонные битумные материалы, которые используются для устройства кровель, гидроизоляции и других целей. Основой являются кровельный картон, асбестовое полотно, стеклоткань и стекловойлок и т.п. Безосновные получают в виде полотнищ определенной толщины, применяя прокатку смесей из битума, наполнителя (минерального порошка или дробленой резины) и добавок. С целью улучшения механических свойств и предотвращения слеживаемости поверхность таких материалов покрывают минеральными посыпками из песка, шлака, слюды и других материалов. Посыпки бывают пылевидные, мелкозернистые, среднезернистые, крупнозернистые и чешуйчатые. Основные рулонные материалы. Основные рулонные материалы представлены в широком ассортименте. К ним относятся следующие материалы. Пергамин. Его изготавливают из кровельного картона пропиткой нефтяным битумом марки БНК 45/180. Применяют как подкладочный материал при устройстве мягких кровель, а также для пароизоляции. Рубероид. Его изготавливают из кровельного картона пропиткой нефтяным битумом марки БНК 45/180 с последующим покрытием тугоплавкими покровными битумами БНК 90/40 и БНК 90/30. Для уменьшения слеживаемости и повышения термостойкости осуществляют посыпку поверхности. Выпускают рубероид следующих марок: - РКК – рубероид кровельный с крупнозернистой посыпкой; - РКМ - рубероид кровельный с мелкозернистой посыпкой; - РПМ - рубероид подкладочный с мелкозернистой посыпкой; - РКЧ - рубероид кровельный с чешуйчатой посыпкой; - РЭМ - рубероид кровельный с эластичным покровным слоем; - РК – наплавляемый рубероид кровельный; - РМ - наплавляемый рубероид подкладочный. Гидроизол. Он представляет собой беспокровный гидроизоляционный материал, получаемый путем пропитки асбестового картона нефтяными битумами. Применяют для создания гидроизоляционного слоя в подземных сооружениях и для противокоррозионной защиты. Стеклорубероид и стекловойлок. Их получают путем двухстороннего нанесения битумного вяжущего на стеклянный холст или стекловойлок и покрытия с одной или двух сторон слоем посыпки. Применяют для оклеечной изоляции и изготовления кровельного ковра. Фольгоизол. Его изготавливают из алюминиевой фольги, покрытой битумно-резиновым составом. Применяют для пароизоляции, герметизации стыков и изготовления кровельного ковра. Толь. Толь получают пропиткой кровельного картона дегтем, с последующим покрытием дегтем и посыпкой песком или крошкой. Используют для гидроизоляции и устройства мягких кровель. 84 Бикрост. Он представляет собой покрытие окисленным битумом стеклохолста. Используют как кровельный и гидроизоляционный материал. Бикроэласт. Он представляет собой покрытие окисленным битумом полиэфирного нетканого полотна. Применяют для изготовления кровельного ковра, гидроизоляции и защиты трубопроводов. Безосновные рулонные материалы. Их получают прокаткой смесей из битума, наполнителя (минерального порошка или дробленой резины) и добавок. К ним относятся следующие материалы. Изол. Изол получают прокаткой на каландрах резинобитумной композиции на основе девулканизированной резины, минерального наполнителя, антисептика и пластификатора. Он более долговечен, чем рубероид, обладает эластичностью и биостойкостью. Используют для гидроизоляции бассейнов, резервуаров, стен подвалов, а также для защиты трубопроводов и труб. Бризол. Его получают прокаткой на каландрах массы из нефтяного битума, дробленой резины, асбестового волокна и пластификатора. К недостаткам бризола можно отнести развитие усадочных деформаций из-за старения резины. Применяется для гидроизоляции, а также для защиты трубопроводов от коррозии. РАЗДЕЛ 6. МЕТАЛЛЫ Атомно-кристаллическое строение металлов Металлы – кристаллические вещества, характеризующие высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решѐтке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться. Строение металлов представлено в виде мнимой пространственной решетки из пересекающихся стержней, в местах пересечения, которых располагаются атомы, потерявшие свои валентные электроны. Эти электроны становятся общими для всей совокупности атомов. Электроны образуют электронное облако, или электронный газ и хаотически движутся в пространстве между атомами. Атомы в узлах решетки совершают колебательное движение с частотой 1013 колебаний в сек. Скорость хаотического движения электронов, и амплитуда колебаний атомов зависит от температуры (с повышением температуры скорость движения электронов и колебаний атомов увеличивается). Строение всех металлов характеризуется закономерным и периодически повторяющимся расположением атомов в кристаллической решѐтке. Любая решѐтка характеризуется размером, этот размер носит название период или параметр кристаллической решѐтки – это расстояние между ближайшими параллельными кристаллическими плоскостями (а). Если аодинаков во всех направлениях, то решетка кубическая. 85 Минимальный объѐм носит название элементарная кристаллическая ячейка – это минимальный объѐм кристаллической решѐтки, перемещая которую, можно построить всю решѐтку. Различают простую элементарную кристаллическую ячейку (1), когда атомы располагаются только в узлах сечения. Сложная элементарная кристаллическая ячейка, когда атомы располагаются не только в узлах ячейки, но и в между узлиях (2), (3), (4). 86 Чаще всего это кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная решетки В объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетке восемь атомов располагаются в вершинах куба и один в центре. ОЦК решетку имеют железо при комнатной температуре, ванадий, вольфрам, молибден, хром и др. металлы (рис. 3 а). В гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах шести граней. ГЦК решетку имеют алюминий, медь, никель, свинец, серебро и др. металлы (рис. 3 б). Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка представляет собой шестигранную призму, в основании которой расположены правильные шестиугольники. Атомы расположены в вершинах и центрах этих шестиугольников. ГПУ решетку имеют магний, цинк, титан, цирконий и др. металлы (рис. 3 в). а) б) в) Рисунок 3 - Типы кристаллических решеток металлов: а) объемноцентрированная кубическая б) гранецентрированная кубическая в) гексагональная плотноупакованная Некоторые металлы, в зависимости от температуры, могут иметь различный тип кристаллической решѐтки, т.е. могут существовать в различных кристаллических модификаций. 87 Полиморфизм (аллотропия) – когда металл имеет разную кристаллическую решѐтку в зависимости от условия образования. Переход одной решѐтки в другую называется полиморфное или аллотропическое состояние. Полиморфные превращения в металлах происходят при изменении температуры. Так, при температуре свыше 723°С железо переходит из α – модификации в γ – модификацию, при этом изменяются физико-механические свойства металла. Чтобы отличить одну кристаллическую решѐтку железа Fe от другой ставят значок α или γ До 910°С железо Fe существует в модификации α – Feα (ОЦК) При температуре с 910°С до 1400°С – Feγ (ГЦК) При температуре 1400°С – 1539°С – Feδ (ОЦК) В монокристаллах свойства металла по различным направлениям различны – это явление носит название анизотропией. В реальных поликристаллических металлах свойства по любому направлению одинаково – это явление называется изотропией. Металлы обладают целым рядом общих свойств: 1. Высокая электо- и теплопроводимость 2. Характерный металлический блеск 3. Положительный коэффициент электросопротивления 4. Способность к значительной пластической деформации 5. Все металлы непрозрачны. Дефекты кристаллического строения металлов Каждый металл имеет свой вид кристаллической решетки. В реальных условиях не всегда кристаллическая решетка имеет правильное строение. На деле это выражается в том, что теоретическая прочность металлов всегда выше реальной, т. к. наличие дефектов в кристаллической решетке снижает прочность. Дефекты подразделяются на следующие типы: Точечные или вакансии, представляющие собой свободные места в узлах кристаллической решетки, а также дислоцированные и примеси других атомов (рис. 4); а) б) в) Рисунок 4 - Точечные дефекты строения кристаллической решетки металлов: а) вакансия (атом отсутствует); б) примесный атом; в) дислоцированный атом – линейный атом 88 - линейные или дислокации, представляющие собой нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального состояния и выражающиеся в смещении отдельных участков кристалла (рис. 5). Дислокации возникают в процессе кристаллизации, пластической деформации и т.д. - поверхностные дефекты. Они чаще всего проявляются на границах зерен, где кристаллическая решетка бывает недостроенной. - объемные – микротрещины, поры, различные включения. Они образуются в процессе кристаллизации, фазовых превращений, пластической деформации. Наименее значимыми являются точечные деформации (в виду малости объѐмов искаженной решѐтки, точечные дефеты очень мало влияют на прочность металлов), наиболее значительными – объемные. Рисунок 5 – Линейный дефект строения кристаллической решетки металла 89 СПЛАВЫ Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. min – 2 компонента max – сколько угодно, хоть вся таблица Менделеева Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. В строительстве применяют сплавы железа с углеродом (сталь, чугун), меди и олова (бронза) и меди и цинка (латунь) и др. на практике термин «металлы» распространяются и на сплавы, поэтому далее он относится и к металлическим сплавам. Применяемые в строительстве металлы делятся на две группы: чѐрные и цветные. К чѐрным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь). Железная руда → чугун → сталь Сталь – ковкий сплав железа с углеродом (до 2,14 %). От хрупкого чугуна она отличается пластичностью и упругостью. По химическому составу стали делят на: - углеродистые - легированные. По назначению стали делят на: 90 - конструкционные (машиностроительные), - инструментальные - специальные (нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные и др.). Чугун – сплав железа с углеродом (более 2,14% до 6,67%), содержащий примеси кремния, марганца, фосфора, серы и др. Он является как конструкционным материалом, так и промежуточным продуктом при производстве стали. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий. К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. СВОЙСТВА СТАЛЕЙ 1.Средняя плотность ρ=7850 кг/м3 2. Прочность при растяжении, сжатии, изгибе и кручении. Предел прочности на растяжение Rраст. (основная), характеризуется пределом текучести. Предел текучести – это напряжение, при котором растяжение образца происходит без увеличения растягивающей нагрузки. На диаграмме растяжения (рис. 6) можно выделить два характерных участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации, участок АВ – криволинейный, соответствующий пластической деформации. В точке С происходит окончательное разрушение образца. При переходе от упругой деформации к пластической для некоторых металлов имеется небольшой горизонтальный участок, называемый площадкой текучести(А-А'). В точке В нагрузка достигает максимального значения и в этот момент у пластичных материалов образуется местное сужение поперечного сечения (шейка), где в дальнейшем и происходит разрушение. Рисунок 6 – Диаграмма растяжения металлического образца 91 3. Твердость – определяют по методу Бринелля (НВ), Роквелла (НR), Виккерса (НV) по величине вдавливания индентора (в качестве индентора применяют стальной закаленный шарик или алмазный конус) в испытуемую сталь. 4. Вязкость – статическая и динамическая. Статическая характеризуется относительным удлинением образца в % Динамическая – характеризуется количеством работы, необходимой для разрушения образца (при ударе) 5.Усталось – или выносливость. Этот свойство учитывают для конструкций, которые работают при попеременной нагрузки. 6.Ползучесть – это свойство определяют для металлов и сплавов, которые работают под постоянным (статическим ) напряжением. Ползучесть – способность деформироваваться под постоянной нагрузкой. 7. Теплотехнические свойства сталей. Теплопроводность очень высокая λ=70 Вт/м∙°С. Температура плавления зависит от еѐ состава, для углеродистых сталей в пределах 1300-1500°С. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ Делятся на: 1. Конструкционные (содержание углерода С=0,02-0,35%) 2. Инструментальные (С=0,65-1,4%) В зависимости от качества все углеродистые стали делятся на 2-е категории: 1. Углеродистые стали обыкновенного качества 2. Качественные углеродистые конструкционные стали. 1.Углеродистые стали обыкновенного качества 3 группы: Группа А, Группа Б, Группа В. Стали группы А поставляются только по механическим свойствам. Маркируются двумя буквами “Ст” и числом из одной цифры: Ст0, Ст1,…Ст7. Цифра – порядковый номер, содержащая углерод, с увеличением – увеличивается. Из стали Ст1 и Ст2 (характеризуются высокой пластичностью) изготавливают заклѐпки, трубы, резервуары. 1. Ст3 и Ст5 – горячекатаный и фасонный прокат металлоконструкции и арматуру для ж/бетона. Эти стали хорошо свариваются и обрабатываются. стали группы Б поставляются по химическому составу. Они маркируются следующим образом: БСт 1, БСт 2, БСт 3 …БСт 7. Используют эти стали для неответственных деталей, изготовляемых методами горячей обработки давлением. Обладают хорошей деформируемостью и обрабатываемостью резанием. 92 стали группы В поставляют на заводы с указанием и механических свойств и химического состава. 4 марки. Они маркируются следующим образом: ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5. Сталь марки ВСт3 наиболее распространена для сварки. Они идут на изготовление мало- и средненагруженных деталей, изготавливаемых сваркой, обработкой давлением, резанием. Обладают хорошей деформируемостью, свариваемостью, обрабатываемостью резанием. Во всех марках может появиться группа сп – спокойная пс – полуспокойная кп – кипящая 2.Качественные углеродистые конструкционные стали Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для ответственных деталей машиностроения. Маркируется словом “сталь” и двухзначным числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента: сталь 08, сталь 10, сталь 45, сталь 65. В этих марках содержание углерода соответственно: 0,08%, 0,1%, 0,45%, 0,65%. С увеличением содержания углерода в таких сталях прочность и твердость возрастают, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Углеродистые инструментальные стали по качеству могут быть качественными и высококачественными. Качественные маркируются буквой У и числом, указывающими содержание углерода в десятых долях процента. Например, У7, У8, У10, У11, У12, У13. (содержание углерода от 0,7 до1,3%). Стали с большим содержанием очень твердые и хрупкие и их применение нецелесообразно. Углеродистые инструментальные стали высококачественные в конце марки имеют букву А : У7А, У8А, У13А. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ Легированные стали – это сплавы железа с углеродом и легирующими добавками, которые повышают качество стали и придают ей особые свойства. Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали. Хром повышает твердость, никель – прочность и пластичность, вольфрам – твердость, ванадий - прочность, сопротивление истиранию. По содержанию легирующих добавок: Низколегированные (<2,5%) Среднелегированные (2,5-10%) Высоколегированные (>10%) Конструкционно низколегированные не более 6% Легирующие добавки – условное обозначение: А – азот Б – ниобий В – вольфрам Г – марганец 93 Д – медь К – кобальт М – молибден Н – никель Р – бор С – кремний Т – титан Ф – ванадий Х – хром Ц – цирконий Ю – алюминий Маркировка Первые 2 цифры показывают содержание углерода в сотых долях проценты Буквы – условное обозначение легирующих элементов. Если количество легирующего элемента 2% и более, то после буквы ставят цифру, которая и указывает это количество, если цифра после буквы не указана, то количество данного элемента составляет 1%, буква А, которая стоит в конце маркировки показывает низкое содержание серы и фосфора и является высококачественная или Ш – особовысококачественная. Например, 25ХГ2С – означает: Углерода 0,25% Хрома 1% Марганца 2% Кремний 1% _______________________ Пример, 10Х18Н8ТА Углерода 0,1% Хрома 18% Никеля 8% Титана 1% А – чистая, без вредных примесей серы и фосфора – высококачественная. СТАЛЬНАЯ АРМАТУРА Большое количество используется в качестве арматуры (так для получения 3 1м ж/бетона требуется ≈50-100кг стали) Классификация 1. По виду изделия 1.1 стальные стержни 1.2 проволока, а так же в виде сеток и каркасов 2. В зависимости от условий применения 2.1 ненапрягаемая – для обычного армирования 2.2 напрягаемая – для предварительного напряжения ж/бетона 1.Стержневая арматурная сталь – горячекатаные стержни диам.6-80 мм В зависимости от марки стали и свойств делятся на 6 классов: 94 А- I -гладкие A-II A-III все они периодического профиля ( Фото1) A-IV A-V A-VI С повышением класса увеличивается предел прочности и снижается относительное удлинение при разрыве арматурной стали Фото 1. Стержневая арматура периодического профиля 2.Стальная арматура проволока (Фото 2)– делится на 2 класса: В-I – из низколегированной стали (предел прочности 550-580 МПа) B-II – из высоколегированной или легированной стали (R=1300-1900МПа) В-I – для армирования бетона без предварительного напряжения В-II –для предварительно-напряженного армирования. Если на проволоке делают рифления для улучшения сцепления с бетоном, то в обозначении добавляют букву р, например Вр-I, Вр-II. Из стальной проволоки делают: сетки, каркасы, нераскручивающиеся пряди, стальные канаты. Канаты и пряди используют для напряженной арматуры. 95 Фото 2. – проволочная арматура Фото 3. – сетки из проволочной арматуры Фото 4. а),б)- горячекатаные стержни периодического профиля; в) – холоднотянутая профилированная проволока; г) – арматурная сетка д) – арматурный каркас 96 Закладные детали Для соединения ж/бетонных элементов между собой изготавливают из стали Ст3 в виде пластин с приваренными анкерами или из стержневой стали Ст5 периодического профиля Пластины располагаются на поверхности ж/бетона, а анкеры в его теле. Фото закладных деталей 97 Монтажные петли Из арматурной стали класса А-I, диаметр определяют расчетом петли на разрыв под действием силы тяжести бетонного элемента. Фото перемычки ж/бетонные СТАЛЬНОЙ ПРОКАТ И СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ Цветные металлы и сплавы В чистом виде цветные металлы в строительстве применяются редко, чаще в виде сплавов. Большое распространение получили медные и алюминиевые сплавы. Медные сплавы. К медным сплавам относятся латуни и бронзы. Латунь – это сплав меди с цинком, маркируется буквой Л и числом, указывающим содержание меди, а цинк – остальное. Например, Л 96, Л 68. Латуни обладают хорошей теплопроводностью, электропроводностью, коррозионной стойкостью. С целью улучшения физико-механических свойств их легируют другими элементами – оловом, марганцем, никелем, алюминием. После буквы Л добавляются буквы, указывающие названия легирующих элементов: С – свинец, О – олово, Ж – железо, А – алюминий, К – кремний, Мц - марганец, Нникель. Цифры, стоящие после букв, показывают содержание легирующих 98 элементов. Из латуней изготавливаются трубы и другие санитарно-технические изделия, проволока и др. Бронзы – сплавы меди с оловом, марганцем, алюминием и другими элементами. Бронза маркируется буквами Бр, а далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов. Содержание меди определяется по разности между 100% и общим процентным содержанием остальных элементов. Например, бронза марки БрОЦС 8-4-3 содержит 8% олова, 4% цинка, 3% свинца и 85 % меди. Различают бронзы оловянистую (устойчива против действия атмосферы, морской воды, растворов солей и кислот), алюминиевую (очень прочна, химически стойкая, обладает антифрикционными свойствами., кремнистую (хорошо работает в условиях трения и высокой температуры) и бериллиевую (искробезопасная). В строительстве бронзы чаще всего используют для изготовления оконной и дверной фурнитуры, декоративных деталей и др. Алюминиевые сплавы. Достаточно широко в строительстве применяется алюминий и сплавы на его основе. Применение алюминия и его сплавов наиболее эффективно при возведении легких конструкций зданий и сооружений, конструкций, подверженных действию агрессивной внешней среды, а также конструкций, к внешнему виду которых предъявляются повышенные требования – элементы выставочных павильонов, рамы и переплеты окон. Предел прочности чистого алюминия ~`10МПа, а некоторых сплавов до 60 МПа, причем алюминий легче стали почти в три раза. На воздухе поверхность алюминия быстро теряет металлический блеск, покрываясь тонкой и прочной защитной пленкой, состоящей из оксида алюминия, которая предохраняет его от дальнейшего окисления и обладает хорошей коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. К основным сплавам на основе алюминия относят силумины (сплавы алюминия с кремнием) и сплавы алюминия с небольшим количеством меди (до 4%) и магния (до 1%), называемые дюралюминами или дюралями. Силумины маркируются АЛ1, АЛ2, АЛ3. А – алюминиевый сплав, Л – литейный, число указывает порядковый номер в ГОСТе. Они используются для изготовления цилиндров, ступиц колес и др. деталей. Дюрали маркируются буквой Д и числом, обозначающим порядковый номер в ГОСТе. Например, Д16, Д20 , из которых изготовляют легкие конструкции, элементы обшивки кузовов машин и механизмов и т.д. Алюминиевые сплавы при низких температурах сохраняют свои основные механические свойства. ЧУГУНЫ Белые чугуны имеют ограниченное применение, так как они очень твердые и плохо поддаются обработке. Серые чугуны обладают пластинчатой формой графита, что дает неплохую прочность при сжатии, но очень низкую пластичность. Для улучшения механических свойств их модифицируют 99 различными добавками (ферросилиций, силикокальций и др.). Высокопрочные чугуны характеризуются шаровидным строением графитовых включений и обладают повышенной прочностью. Ковкие чугуны обладают хлопьевидным строением графита и занимают промежуточное значение между серыми и высокопрочными чугунами по свойствам. Белые чугуны маркировки не имеют, а остальные чугуны маркируются следующим образом. Первые буквы означают тип чугуна: СЧ – серый чугун, ВЧ – высокопрочные чугун, КЧ – ковкий чугун. За буквами следуют одна или две цифры, характеризующие механические свойства чугуна (первая - значение сопротивления при растяжении в кгс/мм2, вторая – минимальное относительное удлинение в %). Основы термической обработки металлов. Термической обработкой стали называют процессы нагрева и охлаждения, проведенные по определенному режиму, для повышения качества стали в связи с изменением ее структуры. Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг стали производится в том случае, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, улучшить обрабатываемость при резании. Полный отжиг стали производится путем нагрева ее до температуры выше верхних критических точек на 30-50о, выдержки при такой температуре до полного прогрева слитка с последующим очень медленным охлаждением. Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нормализации производят нагрев стали до температуры на 30-50о выше верхних критических точек с выдержкой и затем охлаждение на воздухе. Закалка – процесс нагрева металла выше верхних критических точек на 30 о 50 с выдерживанием при этой температуре до полного прогрева слитка и последующим очень быстрым охлаждением. Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры ниже критических точек. Различают три вида отпуск: низкий, средний и высокий. В результате отпуска неустойчивая структура стали превращается в более устойчивую. Термической обработкой можно улучшить качество сталей и чугунов. Наиболее часто для повышения твердости, прочности и сопротивления износу производят закалку стали при 800-820оС, а затем отпуск при 400оС. Химико-термическая обработка заключается в изменении химического состава стали на поверхности изделия и последующем проведении термообработки. При этом производится насыщение поверхности различными элементами (С, N, Al, Si, Cr и др.). Проникая в основную решетку металла, атом элемента образует твердый раствор внедрения или замещения либо химическое соединение. Процесс химико-термической обработки включает: 100 - образование во внешней среде активных атомов диффундирующего вещества; - поглощение поверхностью основного металла атомов активного вещества (адсорбция); - перемещение активных атомов с поверхности внутрь основного металла (диффузия). Цементация – поверхностное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной. В результате диффузии углерод внедряется в поверхность на глубину 1-2 мм. Содержание углерода в поверхностном слое можно довести до 2%. Азотирование – это процесс поверхностного насыщения стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до 600-650оС в атмосфере аммиака. Происходит следующая реакция 2NH3 → 2N + 3H2 Процесс длится 60-80 часов для получения глубины слоя до 1 мм. Преимущества азотированных сталей по сравнению с цементированными заключаются в более высокой твердости, повышенной сопротивляемости коррозии. Цианирование (газовое) – одновременное насыщение металла азотом и углеродом производится для повышения износоустойчивости и усталостной прочности. Алитирование, хромирование, силицирование являются разновидностями диффузионной металлизации и выполняются аналогично цементации в соответствующих средах (Al, Cr, Si). Такой вид обработки стали может придать ей ряд ценных свойств: жаростойкость, износостойкость, коррозионную устойчивость. Основы технологии обработки металлов давлением Обработка металлов давлением – технологический процесс получения детали путем пластического деформирования заготовки внешними силами. Большинство металлов и сплавов обрабатываются давлением – около 90% стали и 55% цветных металлов. При обработке давлением наряду с изменением формы изменяется строение исходного металла и его физико-механические свойства. Обработка металлов давлением – процесс, позволяющий получить изделия с весьма точными размерами, хорошей чистотой поверхности, высокими механическими свойствами. Этот процесс проводится в холодном или горячем состоянии. Холодную деформацию применяют для небольших заготовок. При холодной обработке одновременно с изменением формы меняются свойства металла: прочность, упругость, твердость увеличиваются, а вязкость и пластичность снижаются. Изменение свойств вызвано изменением структуры металла. Такое состояние называется наклеп. Наклеп – упрочнение металла в результате холодной пластической деформации. 101 Горячую деформацию проводят при нагреве металла. Заготовки перед обработкой нагревают для повышения пластичности металла. При повышении температуры пластичность металла повышается, а прочность уменьшается (в 1020 раз). Прокаткой называется процесс обработки металла давлением, производимый путем пропуска металла в зазор между вращающимися цилиндрами (валками), меньший, чем толщина обрабатываемой заготовки. Сдавливая металл, валки вследствие трения, возникающего между их поверхностями и металлом, осуществляют движение подачи. Таким образом, деформации будут подвергаться последовательно все участки заготовки, пока вся заготовка не пройдет в зазор между валками. При этом толщина заготовки уменьшается, а длина увеличивается. Изделие, получаемое прокаткой, называют прокатом. Отношение последующей длины ℓ к первоначальной ℓо называется вытяжкой μ (формула 4), μ=  0 F0 F (4) где Fo – площадь поперечного сечения исходной заготовки; F – площадь заготовки после пропуска через валки. Сортамент прокатываемых изделий очень разнообразен. К основным группам стального проката можно отнести: сортовой, листовой, трубы, специальные виды. Профили сортового проката разделяются на 2 группы: первая – профили геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник-полоса) рис.6; вторая – фасонные профили (рис.7). Рисунок 6 - Профили геометрической формы 102 Рисунок 7 - Фасонные профили Листовой прокат имеет два основных вида: листовая сталь толстая (толщина 4 – 60 мм, а в особых случаях, например, судовая броня - до 450 мм) и листовая сталь тонкая (от 0,2 до 4 мм). Трубы стальные подразделяются на бесшовные с наружным диаметром от 5 до 426 мм при толщине стенок 0,5 - 40 мм и трубы сварные с наружным диаметром 720 мм при толщине стенок до 14 мм. К специальным вилам проката относятся колеса, в том числе зубчатые. Процесс прокатки осуществляется путем пропуска металла в зазор между вращающимися цилиндрами (валками). В зависимости от профиля прокатываемого изделия валки могут быть гладкие, применяемые для прокатки листов, лент и т.д., ступенчатые, например, для прокатки полосового железа, и ручьевые для изготовления сложных профилей. Ручьем называется профиль очертания выреза на боковой поверхности валка, а совокупность двух ручьев пары валков образует калибр. Формы калибров весьма разнообразны и зависят от вида профиля металла, который необходимо получить. Изготовление проката осуществляется на сложных установках, называемых прокатным станом. По назначению прокатные станы подразделяются на обжимные, заготовочные, рельсо-балочные, сортовые, проволочные, листовые, трубопрокатные, колесопрокатные и станы специального назначения. Волочение – процесс обработки металлов давлением с протаскиванием заготовки через отверстие матрицы, сечение которого меньше исходного сечения заготовки. Поэтому при волочении поперечное сечение заготовки уменьшается, а ее длина увеличивается. Отношение последующей длины ℓ к первоначальной ℓо называется вытяжкой μ, также, как и при прокатке. Форма и площадь поперечного сечения обработанного волочением материала по всей длине одинакова. Требуемая вытяжка в зависимости от ее величины может быть осуществлена либо за один проход либо в несколько проходов путем протягивания через ряд постепенно уменьшающихся по величине отверстий. Волочение может осуществляться с нагревом и без нагрева металла. Его применяют в следующих случаях: - для изготовления тонкой проволоки, которую нельзя получить прокаткой (например, для стальной проволоки диаметром меньше 6 мм), как круглой, так и других профилей, в том числе фасонных. 103 - для получения тонкостенных труб - для калибровки – придания точных размеров и высокого качества поверхности горячекатаному металлу - для получения фасонных профилей. Оборудование, применяемое при волочении, называют волочильными станами. Они оборудованы волочильными глазками или волоками, обычно изготовленными из твердых сплавов, и тянущими устройствами, сообщающими заготовке движение через глазок и преодолевающее сопротивление деформации. В зависимости от характера работы тянущего устройства различают: 1) волочильные станы с прямолинейным движением, 2) с наматыванием обрабатываемого металла (барабанные). Волочильные станы с прямолинейным движением тянущего устройства применяются для волочения прутков и труб, которые не могут наматываться в бунты. Станы второго типа служат для волочения проволоки, труб небольшого диаметра, наматываемых в бунты. Прессование. Прессование – вид обработки металлов давлением, осуществляемым путем продавливания металла через отверстие меньшей площади, чем площадь сечения исходного материала. Заготовку заключают в полость цилиндра, называемого контейнером. С другого конца контейнера вставляют пресс-шайбу, на которую давит пуансон. Металл, не имея другого выхода, кроме отверстия в матрице, вытекает из последнего. Профиль прессованного металла соответствует конфигурации отверстия в матрице, оставаясь постоянным по всей длине. Прессование осуществляется на гидравлических прессах. Прессование применяют для получения прутков, труб и разнообразных сложных профилей из цветных металлов и сплавов. К преимуществам прессования относятся: - точность получаемых изделий; - нет необходимости в отделочных операциях; - высокая производительность процесса. К недостаткам процесса относится значительный износ оборудования и инструмента, большие отходы металла, особенно при производстве труб. Ковка заключается в получении детали из нагретой заготовки путем деформирования ее ударными нагрузками, передаваемыми молотом или статическими нагрузками путем нажатия пресса. Заготовки, получаемые ковкой, называют поковками. Перед ковкой металл нагревают до температуры 1100-1200о, а заканчивают ковку при температуре 800-900о. Ковка бывает ручная и машинная. Ручную ковку производят на наковальне, являющейся опорным инструментом, ударами кувалды. Кузнец оперирует поковкой, держа ее в клещах и указывая молотобойцу место, куда нужно ударить небольшим молотом – ручником. При ручной ковке применяют разнообразный инструмент: бородки для пробивания отверстий, зубила для разрубки материала, различные подбойки, гладилки и обжимки для отделки отдельных участков и свей поверхности поковки. Машинную ковку осуществляют с помощью ковочных молотов и ковочных гидравлических прессов. Молоты - машины динамического ударного действия. Прессы - машины статического действия. Молоты имеют падающие части, 104 движущиеся вниз либо под действием собственного веса, либо под действием веса и дополнительного усилия (молоты двойного действия). Гидравлические прессы работают от гидравлического насоса высокого давления и могут развивать нагрузку до 15000 т и выше. К основным технологическим операциям ковки относятся: осадка, вытяжка, прошивка, рубка, гибка, закручивание и кузнечная сварка. Осадкой называют кузнечную операцию, при которой уменьшают высоту исходной заготовки за счет увеличения площади ее поперечного сечения. Вытяжкой называют кузнечную операцию, при которой увеличивают длину исходной заготовки. Прошивкой называют кузнечную операцию, при которой в заготовке получают отверстие. Рубкой называют кузнечную операцию, при которой заготовку разделяют на части, или от заготовки отделяют часть материала. Гибкой называют кузнечную операцию, при которой заготовке придают изогнутую форму по заданному контуру. Закручиванием называют кузнечную операцию, при которой одну часть заготовки поворачивают относительно другой под определенным углом вокруг общей оси. Кузнечная сварка – операция, посредством которой соединяют в одно целое отдельные части или концы заготовок. Она применима только для мягкой стали с содержанием углерода 0,15 - 0,25%. Штамповкой называют процесс деформации металла в штампах. Нагретую заготовку деформируют в замкнутых штампах. Заготовки называют штамповками или поковками. Различают холодную и горячую штамповку. Этим методом изготовляют закладные детали для сборного железобетона, корпуса оборудования и машин. По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ: - более высокая производительность труда - однородность и точность получаемых поковок - более высокое качество поверхности поковок - возможность получения деталей очень сложной формы. К недостаткам этого способа обработки металлов давлением можно отнести: - ограничение штампованных изделий по весу (до 50 - 70 кг) - высокая стоимость инструмента – штампа, который является узко специализированным, т.е. пригодным для изготовления только одного вида поковки. Штамповку осуществляют на разнообразных штамповочных инструментах. К ним относятся штамповочные молоты, штамповочные прессы, горизонтальноковочные машины, гидравлические прессы, горизонтально-гибочные машины, вертикально-ковочные машины и т.д. После штамповки изделия подвергают различным отделочным операциям. Сюда относятся обрезка и зачистка заусенцев, правка и очистка поверхности, калибровка (чеканка) и др. Одним из видов штамповки является листовая штамповка. В качестве исходного материала в листовой штамповке используются листы, полосы и ленты. Листовой штамповкой получают сложные по конфигурации изделия, 105 например, облицовку автомобилей, полые изделия и др. Для нее используют малоуглеродистые стали, медь, латунь, алюминий, дюралюминий и др. В зависимости от толщины заготовки листовую штамповку делят на толстолистовую и тонколистовую (толщиной менее 4 мм). Штамповку металла толщиной более 10 мм обычно осуществляют с нагревом, а тонколистовой металл штампуют без нагрева. Основные сведения по технологии сварочных работ. Типы сварочных швов и соединений. Виды сварки Сваркой называют процесс получения неразъемных соединений металлических изделий с применением местного нагрева. Металлические части в местах соединения плавятся и соединяются в одно целое. Cварку применяют для соединения однородных и разнородных металлов и сплавов, металлов с неметаллическими материалами (керамикой, стеклом, графитом), а также пластмасс. Физическая сущность процесса сварки заключается в установлении прочных межатомных связей поверхностных слоев соединяемых заготовок. Для образования соединения необходимо выполнение следующих условий: очистка свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов, инородных атомов, активизация поверхностных и приповерхностных атомов, сближение соединяемых поверхностей на расстояние межатомного взаимодействия Свариваемость металлов неодинакова и зависит от их физических свойств, методов и режимов, применяемых при сварке. В зависимости от состояния материалов в момент образования сварного соединения все многообразие способов сварки можно разделить на две группы: сварку в жидком и сварку в твердом состоянии, т.е. на сварку плавлением и сварку давлением. Сварка плавлением. Образование сварного соединения плавлением протекает в 2 стадии: - расплавление соединяемых поверхностей и образование общей ванны жидкого металла; -затвердевание этого общего объема металла, образование сварного шва. Сварка давлением. Для сварки давлением характерны 2 стадии: -сближение соединяемых поверхностей до образования физического контакта; - появление участков межатомного взаимодействия с установлением металлической связи под действием пластической деформации. В результате всех видов сварки образуется сварное соединение. Существуют 4 типа сварных соединений (рис. 8): стыковое соединение 1 - 7 (соединение торцов свариваемых деталей), соединение внахлестку 8 – 9 (соединение боковых поверхностей свариваемых деталей), тавровое соединение 10 – 12 (соединение торца одной детали с боковой поверхностью другой детали), угловое соединение 13 – 15 углов свариваемых деталей. Способы сварки плавлением. Наиболее распространена электродуговая сварка плавлением с применением металлического электрода. 106 Электродуговая сварка основана на использовании теплоты от электрической дуги, возникающей между двумя проводниками (электродами) при пропускании электрического тока. При электродуговой сварке одним полюсом является свариваемая деталь, другим – угольный или металлический электрод. В случае применения угольного электрода необходим присадочный металл, для чего расплавляют специальный пруток, а при металлическом электроде расплавляется сам электрод. При сварке металлическим электродом его конец и свариваемое изделие расплавляются, капли металла электрода заполняют сварной шов и удерживаются на нем силами поверхностного натяжения. При применении переменного тока расход энергии меньше, чем при применении постоянного тока, а оборудование проще и дешевле. Применение постоянного тока обеспечивает более стабильное горение дуги, чем при переменном токе. Рисунок 8 - Типы сварных соединений. Электроды. Электроды, применяемые при сварке изделий должны обеспечивать высокие механические свойства сварного соединения и высокую производительность процесса сварки. Они могут быть плавящимися (стальными, чугунными, алюминиевыми) и неплавящимися (угольными, вольфрамовыми). Качество электрода зависит от марки применяемого металла и вида обмазки. Стальные электроды изготавливают из проволоки диаметрами от 2 до 12 мм. Электродами диаметром 2 мм сваривают металл толщиной до 2 мм, диаметром 3 мм – металл толщиной 2 мм и выше. Для сварки металла толщиной 5-10 мм применяют электроды диаметром 4-5 мм, а для толщин свыше 10 мм – электроды диаметром 5-8 мм. 107 Угольные электроды состоят из аморфного угля или графита. Он сгорает достаточно медленно. Угольный электрод не прилипает к металлу, а длина дуги может достигать 30-50 мм. На электроды наносят различного вида обмазки для повышения устойчивости горения дуги путем ионизации воздушного промежутка, создания вокруг металла и дуги защитного слоя из газов и шлака, необходимого для защиты металла от окисления. В зависимости от толщины покрытия электроды подразделяются на тонкопокрытые с толщиной обмазки 0,1 - 0,3 мм и толстопокрытые с толщиной обмазки 0,25 - 0,35 d, где d – диаметр электрода в мм. Тонкие предназначаются для увеличения устойчивости дуги, поэтому называются ионизирующими покрытиями. Наиболее распространенным является меловое покрытие, состоящее из 80 - 85% мелко просеянного мела и 15 - 20% жидкого стекла. К более сложным тонким покрытиям относится покрытие МВТУ, состоящее из 62 % титанового концентрата, 31 % полевого шпата и 7 % калия хромовокислого, которое позволяет с высоким качеством сваривать тонкий металл. Для получения сварных швов с высокими показателями прочности и пластичности используют электроды с толстым покрытием. В состав толстого покрытия входят газообразующие, шлакообразующие и легирующие вещества и раскислители в виде ферросплавов (ферротитана, ферромарганца, ферросилиция и др.). Газообразующие добавки (мука, крахмал, целлюлоза и др.) предназначаются для создания в процессе плавления электрода газовой защитной среды, состоящей в основном из водорода и оксида углерода. Шлакообразующие вещества (полевой шпат, марганцевая или титановая руда, мел, каолин и др.) образуют при плавлении электрода шлаки, защищающие расплавленный металл от воздействия воздуха и улучшающие условия формирования металла шва. Легирующие элементы из покрытия, выгорая, переходят в шов, что повышает его механические свойства. Раскислители вводят для раскисления металла шва. Сварочные машины и аппараты для дуговой сварки. Для получения равномерного процесса сварки необходимо, чтобы характеристика источника питания обеспечивала постоянство рабочего тока. Питание дуги постоянным током осуществляется сварочной машиной – генератором. Питание переменным током производится от сварочного трансформатора. Осцилляторы применяют для повышения устойчивости горения дуги при сварке переменным током и представляют собой искровый генератор токов высокой частоты. Дуговую сварку используют для сваривания малоуглеродистых, конструкционных и легированных сталей. Газовая сварка основана на получении необходимой теплоты для расплавления свариваемых деталей за счет химической реакции горения газа (ацетилена, водорода, бутана и др.). Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. Чаще всего в качестве горючего газа используют ацетилен, так как он обеспечивает получение пламени с более высокой температурой горения - 3200о С. Совокупность ацетиленового и кислородного баллонов с горелкой или резаком составляют оборудование 108 газосварочного поста. При газовой сварке для создания сварочного шва вводят присадочные прутки, имеющие химический состав, близкий к составу свариваемого металла. Наибольшее значение этот вид сварки получил при изготовлении различных тонкостенных конструкций и деталей из жаропрочных и нержавеющих сплавов и сплавов из алюминия. Плазменная сварка – процесс сваривания плавлением, при котором соединение деталей осуществляется при нагреве плазменной струей. Плазменная струя – это поток ионизированных частиц газа, имеющий температуру 10000 30000о. Плазму получают, пропуская поток газа через столб электрической дуги. Дугу можно создавать как между электродом и деталью (горелка прямого действия), так и между электродом и водоохлаждаемой горелкой (горелка косвенного действия). В качестве плазмообразующего газа используют аргон, водород и азот. Способы сварки давлением. Контактная сварка – это процесс сварки давлением, заключающийся в совместном термическом и деформационном воздействии на соединяемые детали. Она основана на нагревании места сварки электрическим током высокой плотности с одновременным сдавливанием деталей для облегчения взаимного проникновения атомов свариваемых металлов. Детали, зажатые в электродах сварочной машины, сжимают для обеспечения физического контакта свариваемых поверхностей. Затем включают ток, металл разогревается до пластического состояния, далее его деформируют до образования неразъемного соединения. Существуют следующие виды контактной сварки: стыковая сварка сопротивлением, стыковая сварка оплавлением, точечная сварка, шовная сварка, сварка запасенной энергией, сварка по методу Игнатьева. Стыковая сварка сопротивлением является видом контактной сварки, при которой детали соединяются по всей поверхности соприкосновения. Детали, зажатые в электродах сварочной машины, сжимают для обеспечения физического контакта свариваемых поверхностей. Затем включают ток, металл разогревается до пластического состояния, далее его деформируют до образования неразъемного соединения. Стыковая сварка оплавлением заключается в сближении деталей одновременно с включением тока. В момент сближения торцов начинается процесс расплавления сначала отдельных контактов, затем число их непрерывно растет и заканчивается, когда обе торцовые поверхности будут покрыты тонким и равномерным слоем жидкого металла. Процесс протекает очень быстро и для оплавления всей торцевой поверхности детали в зависимости от сечения необходимо затратить от 0,5 до 3 с. Точечная сварка – самый распространенный вид контактной сварки. Она применяется при соединении деталей в отдельных местах в виде небольших площадок (точек). Необходимая для разогревания теплота создается электрическим током, подводимым медными электродами, между которыми помещается и зажимается свариваемая деталь. Точечная сварка используется при 109 сваривании пересечений арматуры для железобетонных конструкций, прокатных и штампованных профилей и др. Шовная сварка – это модернизированный вид точечной сварки. Процесс такой же, только электроды выполняются в виде роликов. Ролику сообщают вращательное движение с одновременным пропусканием тока и получают перекрывающие друг друга сварные точки, образующие сплошной герметичный сварной шов. Сварка запасенной энергией – это вид контактной сварки, при которой используется энергия, запасенная в соответствующем аккумулирующем устройстве. Наиболее широкое применение получила конденсаторная сварка, при которой энергия от питающей электрической сети накапливается в батарее конденсаторов, а затем расходуется на сварку металлов. Сварка по методу Игнатьева- это вид контактной сварки, при которой электрический ток протекает параллельно плоскости соединения. Ток подводят к одной из деталей, от которой нагревается другая деталь. Когда достигается необходимая для сварки температура, детали сжимают. При этом образуется неразъемное соединение. Диффузионная сварка – это процесс сварки давлением, при котором соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов поверхностных слоев соединяемых деталей, находящихся в твердом состоянии. Свариваемые детали с тщательно зачищенными поверхностями загружают в специальную камеру, где для активизации процесса диффузии создают постоянную нагрузку на детали, разряжение атмосферы (вакуум) и нагрев. Ультразвуковая сварка – это процесс сварки давлением, при котором соединение образуется в результате ультразвуковых колебаний одной детали относительно другой. В ультразвуковой сварке используют давления, нагрев и трение, возникающие при перемещение свариваемых поверхностей. Источником ультразвука является преобразователь, вызывающий возвратно-поступательные движения высокой частоты одной детали относительно другой. В результате сдвиговых деформаций контактные поверхности взаимно очищаются, нагреваются, с усилием сближаются и, пластически деформируясь, образуют сварное соединение. Холодная сварка - это процесс сварки давлением, при котором соединение деталей проводится при значительной пластической деформации без применения внешнего нагрева. Металл деталей деформируется с помощью пуансонов. В процессе деформации пленка окислов выдавливается в периферийную область, а между соединяемыми поверхностями устанавливаются межатомные связи, т.е. происходит сварка деталей. 110 СПЕЦИФИКАЦИЯ ТЕСТА по дисциплине «Строительные материалы» для подготовки бакалавров по направлению 08.03.01 Строительство (для проведения промежуточной аттестации) Номер дидактическо й единицы дисциплины 1 Наименование дидактической единицы дисциплины Номер темы задания Наименование темы задания Количе ство заданий в теме Введение. Роль строительного материала на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации сооружений. Классификация, основные свойства и оценка качества строительных материалов 1 Физические и гидрофизические свойства материалов. 28 2 Механические, теплофизические, специальные свойства материалов. 22 Основные породообразующие минералы; классификация горных пород. Виды и свойства природных каменных материалов 20 1 2 3 4 Природные каменные материалы. Керамические материалы. Материалы из древесины 2 Керамические материалы 32 3 Материалы из древесины 13 1 Классификация минеральных вяжущих веществ Воздушные вяжущие вещества 20 2 Гидравлические вяжущие вещества. Портландцемент. Химический и минеральный состав портландцементного клинкера. Свойства, технические характеристики и разновидности портландцемента 22 1 Классификация бетона. Материалы для тяжелого бетона Свойства и виды тяжелого бетона 20 2 Легкий бетон. Ячеистый пенои газобетоны 13 3 Классификация железобетона Классификация растворов Свойства растворов 26 Минеральные вяжущие вещества Бетон, железобетон, строительные растворы, искусственные каменные материалы на основе минеральных вяжущих 4 5 Органические вяжущие вещества и материалы на их основе Полимерные материалы 1 1 6 Металлы Искусственные каменные материалы Органические вяжущие Полимеры и материалы из пластмасс Гидроизоляционные материалы Атомно-кристаллическое строение металлов Сталь, чугун, цветные металлы Арматурные стали, их свойства и маркировка 20 19 21 111 Перечень вопросов для экзамена по дисциплине «Строительные материалы » 1. Физические свойства строительных материалов (истинная, средняя и насыпная средняя плотности, пористость) 2. Гидрофизические свойства (водопоглощение, водостойкость, влажность, водонепроницаемость, морозостойкость) 3. Механические свойства (прочность, твердость, истираемость, упругость, пластичность) 4. Теплофизические свойства (теплопроводность, теплоемкость, огнеупорность, огнестойкость) 5. Сырьевые материалы для производства керамических изделий 6. Свойства глин как сырья для керамики. 7. Общая технологическая схема производства керамики 8. Стеновые керамические изделия. 9. Облицовочные керамические изделия. 10. Специальные керамические изделия (черепица, трубы, санитарно-технические изделия). 11. Классификация минеральных вяжущих веществ 12. Воздушная известь (гашеная и негашеная, получение, свойства, применение). 13. Низкообжиговые гипсовые вяжущие (получение, свойства, применение). 14. Высокообжиговые гипсовые вяжущие (получение, свойства, применение) 15. Магнезиальные вяжущие (получение, свойства и применение). 16. Вяжущие на основе жидкого стекла (получение, свойства и применение). 17. Портландцемент. Химический и минеральный составы портландцемента. 18. Технология производства портландцемента 19. Основные свойства и технические характеристики портландцемента. 20. Быстротвердеющие и декоративные цементы 21. Цементы с поверхностно-активными добавками (пластифицированные, гидрофобные) 22. Активные минеральные добавки. 23. Цементы с активными минеральными добавками (пуццолановый, шлакопортландцемент) 24. Классификация бетонов. 25. Требования к вяжущим веществам и добавкам к тяжелым бетонам 26. Требования к песку для тяжелых бетонов 27. Требования к крупному заполнителю для тяжелых бетонов 28. Требования к воде затворения для тяжелых бетонов 29. Приготовление бетонной смеси. 30. Укладка и уплотнение бетонной смеси. 31. Твердение бетона, методы ускорения твердения. 32. Контроль качества бетона. 33. Свойства тяжелого бетона. 34. Кислотостойкий, и жаростойкий бетон. 35. Бетон для защиты от радиационных воздействий, декоративный бетон 112 36. Полимербетоны, бетонополимеры 37.Легкие бетоны (определение, классификация, свойства) 38. Ячеистые пенобетоны. 39. Ячеистые газобетоны. 40. Понятие о железобетоне. Классификация. 41. Классификация и свойства строительных растворов 42. Виды строительных растворов 43. Особенности автоклавной обработки 44. Силикатные бетоны 45. Силикатный кирпич 46. Структура и свойства теплоизоляционных материалов 47. Виды теплоизоляционных материалов 48. Свойства древесины 49. Изделия из древесины 50.Черные металлы и сплавы. Свойства, область применения в строительстве 51. Цветные металлы и сплавы. Свойства, область применения в строительстве 52.Виды, свойства и маркировка арматурных сталей 53. Классификация и свойства органических вяжущих (битумов и дегтей) 54. Кровельные и гидроизоляционные материалы на основе органических вяжущих веществ 55. Асфальтобетоны 56. Состав и свойства полимерных материалов 57. Конструкционные полимерные строительные материалы 58. Отделочные полимерные строительные материалы 113