Материаловедение в строительстве. Основные физические свойства строительных материалов — необходимая информация перед покупкой

Широкий размах строительства в Советском Союзе сопровождается расширением производства местных материалов и внедрением в практику строительства новых видов материалов, а также увеличением строительных деталей и полуфабрикатов заводского изготовления. К основным строительным материалам относят: лесные материалы, природные каменные, керамические, минеральные вяжущие вещества, бетоны и изделия из них, искусственные каменные материалы, битуминозные и теплоизоляционные материалы, металлические изделия и др.

Лесные материалы - сосна, ель пихта, кедр и лиственница имеют широкое применение в строительстве. Эти материалы подразделяются на круглый лес (бревна, подтоварник и жерди) и пиломатериалы (пластины, четвертины, доски, горбыли, брусья и бруски). В строительстве используют древесину с влажностью не выше 20%. Чтобы предохранить деревянные конструкции зданий от увлажнения и гниения, их обмазывают или опрыскивают антисептиками (деготь, креозот и др.)

Природные каменные материалы применяют в строительстве как без обработки, так и после предварительной обработки (расколки, обтесывания и распиливания). Объемный вес природных камней колеблется от 1100 до 2300 кг/м3, а коэффициент теплопроводности их бывает в пределах от 0,5 до 2. Поэтому бутовый и булыжный камни используют главным образом для кладки фундаментов, мощения дорог и для переработки на щебень. Горные породы идут также для изготовления извести, гипса, цемента и кирпича. Такие материалы, как песок, гравий и щебень, применяют в качестве заполнителей для приготовления бетонов.

Керамические материалы и изделия - это искусственные каменные изделия, которые получают путем формования и последующего обжига глиняной массы. К ним относятся пористые керамические изделия (кирпич глиняный обыкновенный, кирпич пористый, кирпич пустотелый, облицовочные плитки, кровельная черепица и др.) и плотные керамические изделия (клинкер и плитки для полов). В последнее время в строительстве широко применяют новый материал - керамзит. Это легкий материал в виде гравия и щебня при ускоренном обжиге легкоплавких глин. При обжиге глина вспучивается и получается пористый материал с объемным весом 300-900 кг/м3. Керамзит идет на изготовление бетона и железобетона.

Минеральные вяжущие вещества - это порошкообразные материалы при смешении с водой образуют тестообразную массу, которая постепенно затвердевает и переходит в камневидное состояние. Различают воздушные вяжущие вещества, способные затвердевать только на воздухе (строительный гипс, воздушная известь и др.), и гидравлические, затвердевающие не только на воздухе, но и в воде (гидравлическая известь и цементы).

Бетоны и изделия из них - искусственные камни, получаемые в результате твердения смеси вяжущего вещества, воды и заполнителей (мелкого песка и крупного гравия или щебня). Бетоны бывают тяжелые (объемный вес выше 1800 кг/м3), легкие (объемный вес от 600 до 1800 кг/м3) и теплоизоляционные, или ячеистые (объемный вес менее 600 кг/м3). К ячеистым бетонам относятся пенобетон и газобетон.

Пенобетон получают путем смешивания цементного теста или раствора со специальной, устойчивой пеной. Для получения газобетона в цементное тесто, содержащее песок, шлак и другие заполнители, вводят, газообразующие вещества. Бетонные конструкции и детали, в которые вводят стальной каркас - арматуру, состоящую из стальных стержней, соединенных между собой сваркой или связанных проволокой, называют железобетонными.

Искусственные каменные безобжиговые материалы - это гипсовые и гипсоподобные изделия (плиты и панели для перегородок и листы сухой штукатурки, магнезит), используемые для устройства полов и изготовления фибролита, силикатные изделия (силикатный кирпич и др.) и асбоцементные изделия, гладкие кровельные плиты и волнистые листы (шифер).

Битуминозные материалы в своем составе содержат природные битумы или дегтевые масла, пеки, сырые дегти. Смесь битума и песка называется асфальтовым раствором, применяемым как основание при укладке плиточных полов, устройстве асфальтовых полов и для гидроизоляции. К битумным материалам относят руберойд, пергамин, гидроизол, борулин, толь. Эти материалы используют для кровли, гидроизоляции и пароизоляции.

Теплоизоляционные материалы применяют для защиты помещений или отдельных конструкций от потерь тепла или от нагревания. Эти материалы имеют большую пористость, малый объемный вес и низкий коэффициент теплопроводности в пределах до 0,25. Различают теплоизоляционные материалы органического и минерального происхождения. К органическим относят: древесно-волокнистые плиты (оргалит) из измельченного древесного волокна; соломит и камышит - плиты, спрессованные из соломы или камыша и прошитые проволокой; фибролит - плиты, спрессованные из древесных стружек, связанных магнезиальным вяжущим раствором. Из минеральных теплоизоляционных материалов получили широкое распространение пенобетон и газобетон, минеральная вата, пеносиликат и др. В последнее время в практику строительства стали внедрять изделия на основе пластических масс. Это большая группа материалов, основу которой составляют природные искусственные высокомолекулярные соединения. Для обшивки внутренних поверхностей помещения можно использовать листы из алюминия, отражающие тепловую радиацию от животных и нагревателей.

Современное производство предлагает большой выбор для строительства. Рынки пестрят огромным количеством продукции как зарубежных, так и отечественных производителей.

По своим свойствам строительные материалы значительно различаются

Чтобы сделать правильный выбор в этой области, нужно иметь представление не только о том, какие именно материалы используются, скажем, при строительстве бани, но и о том, что входит в состав выбранных материалов, а также о свойствах, которыми они обладают.

Применяя любой из существующих материалов в частном строительстве необходимо учитывать все физические и механические свойства. Это позволит выбрать максимально подходящий строительный материал, качество которого будет соответствовать необходимым требованиям. Основные свойства материалов строительного типа можно классифицировать на несколько основных типов.

Первым типом свойств являются физические свойства, к которым можно отнести: полный объёмный вес, фактический удельный вес, плотность и его возможная пористость. Именно от этих свойств зависит соотношение того или иного строительного материала и его принадлежность к отдельным типам строительства.

Ко второму типу свойств относятся те свойства, которые определяют воздействие влаги на сам материал и возможные последствия при замерзании данной влаги. К таким свойствам относятся: поглощение влаги, изначальная влажность, а также отдача этой влажности в окружающую среду, стойкость к поглощению влаги и сопротивление промерзанию.

Третьим типом свойств считаются механические свойства, такие, как износ, прочность и плотность. К четвёртому типу свойств можно отнести все те свойства строительного материала, которые связанны с тепловым воздействием.

Поризованный кирпич

Более детально их можно охарактеризовать, как общая проводимость тепла, изначальная тепловая ёмкость и огнестойкость, а также огнеупорность. Кроме того, существуют некоторые тепловые свойства, которые присущи только определённому типу.

Некоторые строительные материалы имеют довольно редкую способность сопротивляться разрушению, которое может причинить воздействие различных кислот, газов, солей и щелочей. Такие свойства относятся к коррозийным или, как их принято называть, химическим свойствам.

К отдельному типу свойств относятся свойства технологического типа. К таким свойствам относится способность, которая способствует обработке механического типа отдельного строительного материала.

К примеру, пиломатериалы можно легко поддавать механической обработке ручным или автоматическим инструментом. Все перечисленные свойства необходимо принимать во внимание перед тем, как выбирать тот или иной строительный материал для частного строительства любого типа.

Основные характеристики физических и химических свойств материалов для строительства

Удельный вес – это общий вес отдельного строительного материала, который обозначается в объёмной единице. При этом состояние самого материала должно быть максимально плотным, исключая любые поры. Соответственно объёмный вес – это общий вес материала в данном его состоянии, учитывая любой уровень зернистости и пор.

Объёмный вес имеет ещё один довольно распространённый тип – насыпной вес. Таким весом считается общий вес наполнителей (песка или щебня), при котором не вычитывается вес пустот, которые образовываются между крупными частицами сыпучего строительного материала.

Плотность – это общая степень заполняемости объёма отдельного материала теми твёрдыми частицами, из которых сам материал состоит. Пористость – это соотношение общего объёма пористых частей материала с его общим объёмом.

Благодаря различной величине пор воздушного его можно разделить на крупнопористые и мелкопористые. Такие поры исчисляются в сотых и десятых миллиметра. Если в строительных материалах есть поры более крупного размера, по большей части это относится сыпучим вариантам, то такие поры принято называть пустотами.

Как правило, пористость обозначают в процентном соотношении. К примеру, металл имеет 0 процентов пористости, тогда как плита из минеральной ваты обладает 90 процентами пористости. Как правило, строительные материалы с максимальной пористостью играют роль хорошего теплоизолирующего материала, который используется как в наружном, так и во внутреннем строительстве.

Палитра строительных материалов

Водопоглощение – это максимальная степень заполняемости свободного объёма влагой. Разница в надёжности и прочности отдельного строительного материала в своём сухом состоянии и напитанном влагой можно назвать коэффициентом смягчения материала.

Знание этого коэффициента необходимо для того, чтобы рассчитать прочность в условиях повышенной влажности. В противном случае надёжность сооружённой конструкции будет сомнительна. Данный коэффициент может варьировать от 0 до 1 у разных строительных материалов. Как правило, использование камня в условиях повышенной влажности недопустимо в том случае, если его размягчение равно 0.8.

Все строительные материалы, которые имеют коэффициент размягчения выше, чем 0.8, могут использоваться в условиях повышенной влажности. Такие называются влагостойкими.

Отдача влаги строительным материалом – это редкая способность материала, при которой в условиях изменения климата в окружающую среду отдаётся определённый процент влаги, которая содержалась в самом строительном материале.

Определить такую способность можно по тому, как быстро сохнет материал при повышенной температуре воздуха, а также веса отдаваемой влаги, которую можно узнать от общего веса строительного материала. Влажностью строительного материала называется количество жидкости, которая содержится в строительном материале в стандартной его форме.

Проницаемостью влаги называют отдельную способность, при которой под воздействием искусственного давления жидкость проходит сквозь строительный материал.

Морозостойкость – это отдельная способность материала в намокшем состоянии выдерживать резкие перепады температуры. При этом структура не должна разрушаться. Те строительные материалы, которые не отличаются высокой насыщаемостью влагой можно смело считать морозостойкими.

Для того, чтобы строительный материал обладал хорошей морозостойкостью его коэффициент размягчения не должен быть ниже 0.9. Довольно важным свойством строительного материала, который используется для строительства несущих стен является газопроницаемость. Данное свойство строительного материала отвечает за способность пропускания газа или воздуха через свою структуру.

Для того, чтобы снизить газопроницаемую способность, изделия из такого материала необходимо облицевать красками масляного типа, битумной или простой цементной штукатуркой.

Проводимость тепла – это способность материала пропускать через свою структуру тепловую энергию. Такое случается в тех случаях, когда температура воздуха с обеих сторон конструкции, которая построена из данного строительного материала, имеет разные показатели.

Знать такие свойства строительных материалов просто необходимо для того, чтобы обеспечить качественную поверхность несущих стен, междуэтажных перекрытий или изолирующих конструкций. В противном случае дом, который построен из строительных материалов с высокой проводимостью тепла в зимнее время будет довольно сложно обогреть.

А в летнее время года в помещении дома будет довольно жарко, что негативно отразится на микроклимате жилого пространства. Для максимально качественного строительства необходимо знать коэффициент проводимости тепла строительным материалом, который равен общему количеству тепловой энергии, обозначенной в килокалориях, которая проходит через конструкцию, толщина которой составляет 1 метр и общей площадью в 1 метр квадратный за период времени в 1 час. При этом температура воздуха с обеих сторон конструкции должна различаться всего в 1 градус по Цельсию.

Строительство сруба

Определить степень тепловой проводимости можно при учёте уровня пористости материала, его типа и веса, а также минимальной температуры нагревания, при которой происходит отдача или проводимость тепловой энергии. Максимальную проводимость тепловой энергии имеют те строительные материалы, которые имеют минимальное количество воздушных пор.

Дело в том, что сам воздух имеет довольно низкую тепловую проводимость. По этой причине, строительные материалы, которые имеют повышенную пористость, обладают минимальным процентом тепловой проводимости. Довольно большое значение имеет и сам тип пор в строительном материале.

К примеру, мелкопористый материал имеет меньший процент проводимости тепловой энергии, чем крупнопористый. Кроме того, материал, у которого поры изолированы друг от друга, тоже не считаются высоко проводимыми строительными материалами, в отличие от тех материалов, поры которого пересекаются. Объяснить это можно тем, что в порах большого размера происходит транспортировка воздуха, при которой осуществляется незначительная проводимость тепловой энергии.

Тепловая ёмкость – это способность отдельного материала поглощать некоторое количество тепловой энергии при воздействии на материал источника нагревания. Для того, чтобы определить коэффициент тепловой ёмкости строительного материала необходимо рассчитать общее количество тепла, определённого в килокалориях, которое потребуется для того, чтобы нагреть отдельный строительный материал до 1 градуса.

Такой коэффициент варьирует от 0 до 1. Каменные строительные материалы обладают коэффициентом тепловой ёмкости равным 0.20. пиломатериалы имеют в 3 раза большее значение данного коэффициента. Металлические строительные материалы не могут похвастаться высоким значением этого коэффициента. К примеру, у стали такой коэффициент равен 0.11.

Довольно важной особенностью считается тепловая устойчивость. Это способность сохранять приданную ему температуру максимально долгое время. Особенно важно это при строительстве несущих стен, перегородок или междуэтажных перекрытий. Чем дольше эти строительные элементы будут сохранять тепло на своей поверхности, тем проще будет отопить жилое пространство в зимнее время года.

Огнеупорность – это способность строительного материала максимально долгое время сопротивляться воздействию повышенной температуры, которая оказывает непосредственное воздействие на сам строительный материал.

Такие свойства довольно полезны при строительстве конструкций, которые долгое время находятся в условиях повышенной температуры. К таким конструкциям можно отнести печи, тепловые трубы или камины. Для всех этих строительных конструкций требуется строительный материал с повышенной огнеупорностью.

Коррозийная или химическая стойкость считается одним из самых редких качеств строительных материалов. Одним из типов, который успешно сопротивляется химическому воздействию считается керамика. Такой строительный материал может сопротивляться подобному воздействию достаточно долгое время, чего не могут сделать большинство. Таким образом, становится понятным, что знание различных особенностей строительного материала довольно важно при строительстве жилого дома или хозяйственных построек.

Например, основные физические свойства, на какие необходимо обратить свое внимание, — огнестойкость, теплоемкость, воздухопроницаемость, водопоглощение, пористость, устойчивость к радиации, звукопоглощение и другие.

Подробнее о некоторых из них.

Огнестойкость

Это способность сохранять свои основные характеристики (твердость, прочность и т.д.) даже при воздействии на него высоких температур. В зависимости от степени огнестойкости материалы делятся на:

• Сгораемые;
• Трудносгораемые;
• Несгораемые.

Например, сталь, бетон и кирпич относятся к несгораемым стройматериалам, так как они не тлеют и не воспламеняются при воздействии на них открытого огня. Все, что может произойти с данными материалами в таких случаях, — это их деформация.

Асфальтовый бетон и фибролит имеют отношение к трудносгораемым. При непосредственном воздействии на них пламени они тлеют и обугливаются, однако их тление прекращается после удаления источника высокой температуры. Самыми неустойчивыми к воздействию огня являются пластмассы, дерево и рубероид. Эти продолжают гореть и после того, как источник возгорания удалён.

Теплопроводность

Устройство насыпки

Данная особенность подразумевает собой передачу тепла снаружи или внутри здания при разности температур. Структура, пористость и влажность – это основные свойства стройматериалов, от которых зависит теплопроводность.

Чем больше плотность, тем лучше он будет передавать тепло. Наличие в строительном материале влаги также позволяет увеличить его теплопроводность.

Воздухостойкость

Благодаря этому свойству строительный материал может выдержать неоднократное увлажнение и высыхание без потери формы и снижения прочности в течение долгого времени. Для того чтобы повысить воздухостойкость, в стройматериалы вводят водоотталкивающие добавки.

При строительстве дома следует обращать внимание не только на физические, но и на экологические особенности, который вы решили выбрать для работы. Для внутренней отделки лучше выбрать материал, который не только обладает устойчивостью к всевозможным неблагоприятным воздействиям, но и является экологически чистым. В доме будут жить люди, поэтому стоит задуматься, какое влияние на здоровье он будет оказывать.

Вариант для внутренней отделки

Многие люди не уделяют должного внимания материалу, предназначенному для отделочных работ внутри дома. Дело в том, что стены занимают большую часть площади жилого помещения, поэтому взгляд при входе в квартиру или дом сразу останавливается на них. Независимо от характера и положения в обществе люди хотят одного: чтобы стены в их доме были красивыми и надежными.

Стекломагнезит — материал, который не боится огня

В отделке жилых помещений лучше всего выбирать штукатурку, древесину или текстильные материалы. Сейчас их называют “дышащими”. В помещениях небольшого размера очень выразительно будет смотреться отделка стен керамикой, камнем и древесиной. Такая отделка придаст не только эффект натуральности, но и сделает стены в помещении яркими и броскими. Если вам не по душе такая перспектива, то лучше использовать такие материалы в отделке дополнительных помещений (например, балкона или лоджии).

При для отделки стен нельзя исключать и тот факт, что отделка натуральными материалами может надоесть вам. Жаль будет менять декорации, в установку которых вложены не только немалые деньги, но и собственный труд. Поэтому окрашенные поверхности и обои обладают преимуществом перед натуральными “продуктами”.

Внутренняя отделка играет немалую роль в оформлении жилья. Но какой материал выбрать при строительстве? Практика показывает, что зачастую много вопросов возникает во время возведения стен. Ведь каждый знает, что стены должны быть прочными, обеспечивать защиту от различных атмосферных воздействий, а также обладать хорошей теплоизоляцией. Материалов, которые используются именно с этой целью, представлено много. Конечно, при выборе пригодятся знание о том, какие же есть основные свойства строительных материалов?

Кирпич: преимущества и недостатки

В первую очередь, такой материал обладает прочностью и устойчивостью к воздействию высоких температур. Хорошему по качеству кирпичу не страшны ни гниль, ни вода, ни огонь. Недостатком является его высокая теплопроводность, поэтому все кирпичные дома – холодные. Благодаря современным технологиям появляются варианты пористого кирпича, но даже он не сравнится с древесиной. Существует два типа: силикатный и керамический кирпич.

Силикатный кирпич изготавливают из воды, извести и песка, поэтому он имеет серовато-белый цвет. Он тяжелее и плотнее, чем глиняный кирпич, но легко впитывает воду, из-за его нельзя применять при строительстве фундамента.

Разнообразие камня для отделки

В производстве керамического кирпича используются обожженные глиносодержащие смеси. Такой делится на строительный и облицовочный кирпич. При строительстве внутренних и внешних стен используется строительный кирпич, поскольку он обладает высокой устойчивостью к морозам, а также хорошо держит нагрузку. Для отделки фасадов берут облицовочный, который не только выполняет декоративную функцию, но и улучшает теплоизоляцию стен.

При выборе для строительства нужно обратить внимание на его цвет, прочностные качества, морозостойкость. Например, бледно-розовый цвет кирпича говорит о его недожоге. Соответственно, при возведении стен из такого материала ваш дом впитает всю воду, как губка. Не стоит приобретать и кирпич темно-бурого цвета, так как он абсолютно водонепроницаем, а значит, при строительстве не будет скрепляться раствором. Такой хорошо использовать для строительства дорожек – ходить по ним будет приятно и сухо.

Использование бетона при возведении домов

Бетон представляет собой каменный материал, который отличается огнестойкостью, долговечностью, низкой гигроскопичностью и высокой прочностью. В современном строительстве лидером является ячеистый бетон, обладающий хорошей теплоизоляцией. Благодаря этому качеству такой материал позволяет строить коттеджи и дома с достаточно тонкими стенами, вес которых получается небольшим. К разновидностям ячеистого бетона относятся пенобетон, газобетон и газосиликат, которые отличаются между собой способом образования ячеек и составом.

Основным минусом является его высокая гигроскопичность, поэтому при создании цоколя во время строительства нужна хорошая гидроизоляция. По поводу остальных характеристик, ячеистый бетон является экологичным материалом, обладающим низкой теплопроводностью, огнеупорностью, а также устойчивостью к морозам. Кроме этого он имеет сравнительно небольшой вес, что и делает его таким популярным.

Древесина в строительстве

Если кирпич или бетон используют, в основном, при возведении промышленных зданий и многоэтажных домов, то для строительства собственного дома нет ничего качественнее и лучше, чем древесина. Она удобна в обработке и является одним из самых прочных, но при этом легких материалов, сохраняющих тепло и приятный запах в течение длительного периода времени. Древесина не уступает в пластичности пластилину и глине, так как в сыром виде принимает необходимую форму. Цвет, текстура, запах и блеск – основные свойства строительных материалов из древесины.

Древесина в строительстве

Цвет древесины зависит от состава почвы, возраста дерева и климата. В древесине находятся различные дубильные вещества, которые и придают ей определенную окраску. Под текстурой подразумевается естественный рисунок, который имеют древесные волокна. Очень красивую текстуру имеют деревья, относящиеся к декоративным породам: дуб, красное дерево, орех. Среди всех разновидностей наибольший блеск имеет плотная и светлая древесина.

Наиболее часто в строительстве используется сосна. Благодаря высокому содержанию смолы она устойчива к гниению и различным атмосферным воздействиям. Сосна обладает мягкой структурой, что позволяет ей легко впитывать различные лаковые покрытия и красители. При усушке такой материал почти не коробится.

Ель во многом уступает сосне. Она хуже поддается обработке, содержание смолы в ее древесине небольшое, поэтому устойчивость к воздействию на атмосферных явлений низкая.

Материалы, используемые в дорожном строительстве

Такие мподвергаются различным воздействиям окружающей среды гораздо чаще, чем материалы, которые используются при отделке помещений. К механическим воздействиям относятся различные нагрузки со стороны транспортных средств, а также воздействие ветра и воды. Атмосферные осадки и колебания температуры относятся к физико-химическим факторам. С течением времени дорожные конструкции постепенно разрушаются, поэтому пригодность для каких-либо условий определяется по их свойствам.

Физические свойства определяют отношение к процессам, происходящим в окружающей среде. Удельный вес, объемная масса, влажность, усадка, свето- и огнестойкость – все это основные физические свойства дорожно строительных материалов.

Для дорожного строительства используются, в основном, природные каменные материалы. Их свойства зависят от состава горной породы, а также от ее состояния. Самой высокой прочностью обладают скальные породы, находящиеся в земной коре в виде массивов. Валунный камень, песок и гравий относятся к обломочным горным породам. Такие можно использовать в строительстве без специальной обработки. К примеру, песок применяется для приготовления различных растворов, а также в устройстве подстилающих слоев.

Свойства, характеризующие работу материала в различных элементах дорожной конструкции, называются эксплуатационными. Они определяют долговечность дорожной конструкции, т.е. ее работоспособность. Без знания этих свойств невозможно строить и эксплуатировать дороги. В некоторых случаях приходится обращать внимание на биохимические, теплоизоляционные и декоративные свойства.

Правильный выбор материалов для строительства и отделки позволит получить только положительный результат от работы.

Физические свойства строительных материалов изучают с целью решения практического вопроса, где и как их применить, чтобы получить наибольший технико-экономический эффект.
К физическим свойствам относятся весовые характеристики материала, его плотность, проницаемость для жидкостей, газов, тепла, радиоактивных излучений, а также способность материала сопротивляться агрессивному действию внешней эксплуатационной среды. Последнее характеризует стойкость материала, обусловливающую в конечном итоге сохранность строительных конструкций.

Под истинной плотностью (кг/м³) понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала: ρ= m1/V1 , где m1-масса материала, кг; V1-объем материала в плотном состоянии, м³ .

Значения истинной плотности некоторых строительных материалов приведены в таблицу-1.

Таблица-1. Истинная плотность некоторых строительных материалов

Под средней плотностью (среднюю плотность также во многих источниках называют просто плотностью) ρ0=m1/V1 ,где m1-масса материала,кг; V1-объем материала,м³. Средняя плотность одного и того же вида материала может быть разной в зависимости от пористости и пустотности.

Сыпучие материалы (песок, щебень, цемент и другие) характеризуются насыпной плотностью -отношением массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами.От плотности материала в значительной мере зависят его технические свойства, например прочность, теплопроводность. Этими данными пользуются при определении толщины ограждающих конструкций отапливаемых зданий, размера строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного оборудования и др.

Значения средней плотности строительных материалов находятся в широких пределах(смотри таблицу-2).

Таблица-2. Средняя плотность некоторых строительных материалов

Плотность зависит от пористости и влажности материала. С увеличением влажности плотность материала увеличивается. Показатель плотности является характерным и для оценки экономичности.

Пористостью (%) материала называют степень заполнения его объема порами: П=(1-ρ0/ρ)100,

где ρ0-объемная плотность материала, кг/м³; ρ-плотность абсолютно плотного материала, кг/м³. Поры -это мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой. Поры бывают открытые или закрытые, крупные или мелкие.Мелкие поры заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. По величине пористости можно приближенно судить о других важных свойствах материала: плотности, прочности,водопоглощении, долговечности и др.

Для конструкций от которых требуется высокая прочность или водонепроницаемость применяют плотные материалы а для стен зданий -материалы со значительной пористостью, обладающие хорошими теплоизоляционными свойствами. Открытая пористость равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к общему объему материала: П0=[(m2-m1)/V]·1/ρ H2O

где m1, m2-масса образца в сухом и насыщенном водой состоянии. Открытые поры сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, они заполняются водой при погружении в ванну с водой.В материале имеются обычно открытые и закрытые поры. В звукопоглощающих материалах специально создаются открытая пористость и перфорация для большего поглощения звуковой энергии.

Закрытая пористость по размерам и распределению пор характеризуется:а) интегральной кривой распределения объема пор по их радиусам в единице объема(смотри рисунок-1) и б) дифференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам (смотри рисунок-2,а).Пористость, полученная с помощью ртутного порометра, позволяет определить размер и объем пор каждой величины и оценить их форму.Ртуть не смачивает поры большинства строительных материалов и проникает в них при повышенном давлении, что следует из уравнения: Pd=-4σcosθ, где Р-прилагаемое давление,d-диаметр пор; σ-поверхностное натяжение ртути; θ-краевой угол смачивания ртути и испытуемого материала.

Рисунок-1. Интегральные кривые распределения пор по радиусам (пунктиром показана кривая гистерезиса)

Из уравнения видно, что при нулевом давлении несмачивающая жидкость не будет проникать в поры. На рисунке-2, б приведено соотношение между давлением и диаметром пор. На рисунке -1 показаны интегральные кривые распределения пор по их размерам для четырех различных материалов.По оси х отложены радиусы пор, а по оси y-объем пор данного размера (он равен объему ртути проникшей в образец).

Кривая- 1 характерна для материалов с большим объемом крупных пустот (более 10 мкм). Пунктиром показана кривая гистерезиса. Кривая- 2 получена для порошка с большим объемом пустот(4…6 мкм) между зернами. Кривая -3 характерна для материала с мелкой пористостью, а кривая 4-для материала с однородной структурой и порами 0,02…0,04 мкм. Дифференциальная кривая распределения объема пор V по их размерам (смотри рисунок-2,а)

Рисунок-2. а) Дифференциальная кривая распределения пор по радиусам. б) График зависимости между давлением ртути (в поромере) и размером пор.

dV/dr=fV(r), где dV/dr-тангенс угла наклона касательной к интегральной кривой. Площадь под дифференциальной кривой (заштрихована на рисунке-2,а) равна суммарному объему пор в единице объема материала.Удельную поверхность порового пространства определяют используя средний условный радиус пор или адсорбционными методами (по адсорбции водяного пара, азота или другого инертного газа).

Удельная поверхность (см²/г) пропорциональна массе адсорбированного водяного пара (газа), необходимой для покрытия мономолекулярным слоем всей внутренней поверхности пор (в 1 г на 1 г сухого материала):

а= а1· Na ·m1/m2, где а1-поверхность, покрываемая одной адсорбированной молекулой, для молекулы воды а1=10,6·10 -16 см²;Na-число Авогадро, Na= 6,06·10 23 ;m1-масса и m2-молекулярная масса адсорбированного водяного пара (газа). Свойства строительного материала определяются его составом, структурой и прежде всего значением и характером пористости.

Пустотность -количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпанного материала(песка. щебня и так далее) или имеющихся в некоторых изделиях, например в пустотелом кирпиче, панелях из железобетона. Пустотность песка и щебня составляет 35…45 %, пустотелого кирпича 15…50 %.

Гидрофизические свойства строительных материалов

Гигроскопичностью называют свойство капилярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха.Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

Рисунок-3. Изотерма адсорбции (при p>pa, круто поднимается вверх вследствие капилярной конденсации)

С повышением давления водяного пара (т. е. с увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность данного материала (рис. 3). Согласно эмпирическому уравнению Фрейндлиха количество адсорбированного газа a=ℜp 1/n ,где р-давление газа при достижении равновесия; ℜ и n-эмпирические параметры, постоянные для данных адсорбента и газа при определенной температуре.В логарифмических координатах это уравнение выражается отрезком прямой lga= lgℜ+ (1/n) lgp.
Кривая, выражающая зависимость количества адсорбируемого газа от давления, после насыщения внутренней поверхности пор стремится к прямой, параллельной оси абсцисс (точка а на рис. 3).
Дальнейшее увеличение гигроскопической влажности материала происходит вследствие капиллярной конденсации. В узких капиллярах материала, который хорошо смачивается водой (древесина, кирпич, бетон и т. п.), мениск всегда будет вогнутым и давление насыщенного пара под ним будет ниже, чем над плоской поверхностью. В результате пар, не достигший давления насыщения по отношению к плоской поверхности, может быть пересыщенным по отношению к жидкой фазе в тонких капиллярах и будет конденсироваться в них.

Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденсации водяного пара из атмосферы влажность пористых строительных материалов даже после их длительной выдержки в воздухе достаточно велика. Так, равновесная влажность воздушно-сухой древесины составляет 12 - 18%, стеновых материалов 5 - 7% но массе. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции, поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой.

Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от ее надземной части.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюрена: h=2σ cosθ/(rρg) , где σ-поверхностное натяжение; θ-краевой угол смачивания; r-радиус капиляра; ρ-плотность жидкости; g-ускорение свободного падения.Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения явления; высоту всасывания воды определяют, применяя метод «меченых атомов», либо по изменению электропроводности материала.

Объем воды, поглощенный материалом путем капиллярного всасывания за время t, в начальной стадии подчиняется параболическому закону: V²=Kt,где К-константа всасывания.Уменьшение интенсивности всасывания (то есть значения К) отражает улучшение структуры материала (например бетона) и повышение его морозостойкости.

Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.) определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде. Температура используемой воды должна быть 20 ± 2°С. Водопоглощение, определяемое погружением образцов материала в воду, характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проникает в закрытые поры. К тому же при извлечении образцов из ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение обычно меньше пористости. Например, пористость легкого бетона может быть 50 - 60%, а его водопоглощение составляет 20 - 30% объема. Водопоглощение определяют по объему и массе.

Водопоглощение по объему W0 (%) - степень заполнения объема материала водой:

W0=((mb-mc)/Ve)100 ,

где mb-масса образца материала насыщенного водой, г; mc-масса образца в сухом состоянии, г; Ve- объем материала в естественном состоянии, м³.
Водопоглощение по массе Wm(%)определяют по отношению к массе сухого материала: Wm=((mb-mc)/mc)100;

Разделив по членно на W0/Wm, получим(%) W0=Wm ϒ, причем объемная масса сухого материала ϒ выражается по отношению к плотности воды (безразмерная величина). Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах: гранита - 0,02 - 0,7%, тяжелого плотного бетона - 2 - 4%, кирпича - 8 - 15%, пористых теплоизоляционных материалов - 100% и больше. Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может превышать пористость.

Водопоглощение используют для оценки структуры материала, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой ℜн, равный отношению водопоглощения по объему к пористости: ℜн=W0/П . Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда W0=П.

Уменьшение ℜн (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.
Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: увеличивается объемная масса, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.

Коэффициент размягчения ℜp - отношение прочности материала, насыщенного водой Rb, к прочности сухого материала Rc.

ℜp=Rb/Rc.

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость - это свойство материала пропускать воду под давлением.Коэффициент фильтрации ℜф (м/ч) характеризует водопроницаемость материала: ℜф-Vb·a/ , где ℜф=Vb -количество воды, м³, проходящей через стенку площадью S=1м², толщиной а=1м за время t=1ч при разности гидростатического давления на границах стенки р1-р2=1 м вод.ст. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости.

Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление (в кгс/см2), при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже кф, тем выше марка по водонепроницаемости.

С водопроницаемостью борются в строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, при возведении стен подвалов. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны.

Влагоотдача- способность материала отдавать влагу. Материалы, находясь на воздухе, сохраняют свою влажность только при условии определенной, так называемой равновесной относительной влажности воздуха. Если же последняя оказывается ниже этой равновесной влажности, то материал начинает отдавать влагу в окружающую среду(высушиваться).Скорость влагоотдачи зависит, во первых от разности между влажностью материала и относительной влажностью воздуха -чем она больше, тем интенсивнее происходит высушивание.

Во вторых, на влагоотдачу влияют свойства самого материала, характер его пористости, природа вещества.Материалы с крупными порами и гидрофобные отдают легче влагу, чем гидрофильные и мелкопористые.В естественных условиях влагоотдача строительных материалов характеризуется интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60% и температуре 20°С.

В воздухе в естественных условиях всегда содержится влага.Поэтому влажный материал высушивается при этих условиях не полностью, а только до влажности, называемой равновесной. Состояние материала при этом является воздушно-сухим. Древесина в комнатных условиях, где относительная влажность не превышает 60 %, имеет влажность 8…10 %, наружные стены зданий -4…6%. С изменением относительной влажности воздуха изменяется и влажность материалов (если последние гидрофильные).

Воздухостойкость

Воздухостойкость -способность материала длительное время выдерживать многократное систематическое увлажнение и высушивание без значительных деформаций и потери механической прочности. Материалы ведут себя по разному по отношению к действию переменной влажности: разбухают при увлажнении, дают усадку при последующем высыхании, иногда возникает и коробление материала.

Систематическое увлажнение и высушивание вызывают знакопеременные напряжения в материале строительных конструкций и со временем приводят к потере ими несущей способности (разрушению). Бетон в таких условиях склонен к разрушению, так как при высыхании цементный камень сжимается, а заполнитель практически не реагирует.

В результате в цементном камне возникают растягивающие напряжения, он сжимается и отрывается от заполнителя. Древесина при изменении влажности подвергается знакопеременным деформациям. Повысить воздухостойкость материалов можно путем введения гидрофобных добавок, придающие материалу водоотталкивающие свойства.

Газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхностей ограждения разности давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазейля и Кнудсена.

Использовании закона Дарси-Пуазейля при небольших перепадах давлений, когда можно пренебречь изменением плотности газа, приводит к упрощенной формуле для определения массы газа Vρ (плотностью ρ), прошедшего через стенку площадью S и толщиной а за время t, при разности давлений на гранях стенки Δp:

Vp=ℜгStΔp/a . Отсюда можно определить коэффициент газопроницаемости [г/(м·ч·Па)].ℜг= аVp/StΔp.

При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводят к нормальным условиям.

Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью. Тогда стена будет «дышать», т. е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха. Поэтому стены жилых зданий, больниц и т. п. не отделывают материалами, задерживающими водяной пар.

Наоборот, стены и покрытия влажных производственных помещений необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения водяного пара. В зимнее время внутри теплых помещений (текстильных фабрик, коммунальных предприятий, коровников, свинарников и т. п.) в 1 м³ воздуха содержится водяного пара значительно больше, чем снаружи, поэтому пар стремится пройти через стену или покрытие.

Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Создаются условия, способствующие быстрому разрушению материала (легкого бетона, кирпича) наружной ограждающей конструкции при действии мороза. Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.

В ряде случаев необходима практически полная газонепроницаемость; это относится к емкостям для хранения газов, а также к специальным сооружениям, внутреннее пространство которых должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха (например, газоубежища). Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от структуры материала (объемной массы и пористости) (табл. 3).

Таблица- 3. Относительные значения паро- и газопроницаемости (за 1 принята проницаемость кирпича)

Влажностные деформации.

Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают появление трещин, ускоряющих разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорожных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооружений.

Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой:

Таблица-4. Значения усадки некоторых строительных материалов

Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных изменений.

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Систематические наблюдения показали, что многие материалы в условиях попеременного насыщения водой и замораживания разрушаются постепенно.

Разрушение происходит прежде всего в связи с тем, что вода попадающая в поры материала увеличивается в объеме примерно до 9% при замерзании. Наибольшее расширение воды при переходе в лед наблюдается при температуре -4°С. Дальнейшее понижение температуры не вызывает увеличения объема льда. При заполнении пор водой и ее замерзании стенки пор начинают испытывать значительные напряжения и могут разрушаться.

Определение степени морозостойкости материала производят путем замораживания насыщенных водой образцов при температуре от -15 до -17°С и последующего их оттаивания. Такую низкую температуру опыта принимают по той причине, что вода в тонких капиллярах замерзает только при -10 °С. Морозостойкость материала зависит от плотности и степени насыщения водой их пор. Плотные материалы морозостойки.Из пористых материалов обладают морозостойкостью только такие, у которых имеются в основном закрытые поры или вода занимает менее 90% объема пор.

Материал считается морозостойким, если после установленного числа циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии прочность его снизилась не более чем на 15 % , а потери в массе в результате выкрашивания не превышали 5%. Если образцы после замораживания не имеют следов разрушения, то степень морозостойкости устанавливают по коэффициенту морозостойкости: ℜf=Rf/Rb, где Rf-предел прочности при сжатии материала после испытания на морозостойкость, Па;Rb-предел прочности при сжатии водонасыщенного материала, Па; Для морозостойких материалов ℜf не должен быть менее 0,75.

Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений - трещин, выкрашивания (потери массы - не более 5%). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений. Марки по морозостойкости определяются по числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания конкретного материала (сепень морозостойкости), например марки -F 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более.

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку Мрз 50, Мрз 100 и Мрз 200, а гидротехнический бетон - до Мрз 500.

Рассмотрим причины разрушения пористого материала под влиянием совместного действия на него воды и мороза. Для примера возьмем материал, находящийся в ограждающей конструкции. Осенью наружная часть стены промерзает. В это время происходит миграция (перемещение) пара «от тепла к холоду», т. е. пар стремится наружу, поскольку его давление при отрицательной температуре ниже, чем при положительной.

Рисунок-4. Распределение температуры в наружной стене здания(а) и заполнение поры водой(б), выделенной вблизи фасадной грани

1-адсорбированная вода; 2-устье поры; 3- дождевая вода; 4- конденсат

Например, давление пара при +20°С составляет 2,33 кПа, а при - 10°С оно равно только 0,27 кПа. Стремясь выйти наружу, водяной пар попадает в зону низких температур и конденсируется в порах возле наружной грани стены. Таким образом, поры наружной промерзающей части стены оводняются (рис. 4), причем вода прибывает сюда как снаружи (дождь с ветром), так и изнутри (миграция водяного пара).

При наступлении даже небольших морозов (от - 5 до - 8°С) вода в крупных порах замерзает и при переходе в лед увеличивается в объеме на 9% (плотность льда 0,918). Если коэффициент насыщения водой хотя бы части пор приблизится к 1, то в стенках пор возникнут большие растягивающие напряжения. Разрушение начинается обычно в виде «шелушения» поверхности бетона, затем оно распространяется вглубь.

Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию повторной растягивающей нагрузки, вызывающей усталость материала.

Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кирпич и т. п.). Перед испытанием образцы насыщают водой. После этого водонасыщенные образцы замораживают в холодильной камере при температуре от - 15 до - 20°С, чтобы замерзла вода в тонких порах. Извлеченные из холодильной камеры образцы оттаивают в воде с температурой 15 - 20°С, что обеспечивает водонасыщенное состояние образцов.

Существует также ускоренный метод испытания, по которому образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия и затем высушивают при температуре 100…110°С. Образующиеся при этом в порах камня кристаллы десятиводного сульфата (со значительным увеличением объема) давят на стенки пор еще сильнее, чем вода при замерзании. Такое испытание является особо жестким. Один цикл испытания в растворе сернокислого натрия приравнивается к 5…10 и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием.

Рисунок-5.Кривая изменения прочности бетона при попеременном замораживании и оттаивании

Для оценки морозостойкости все шире применяют физические методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуковой метод.С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля упругости бетона в процессе циклического замораживания (рис. 5) и определить марку бетона по морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания, число которых соответствует допустимому снижению прочности (ΔR) или модуля упругости (ΔЕ).

Теплотехнические свойства строительных материалов

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является главным как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов, применяемых для устройства наружных стен и покрытий зданий.

Рисунок-6. Зависимость теплопроводности неорганических материалов от объемной массы

1-сухие материалы; 2 и 3 -воздушно-сухие материалы с разной влажностью; 4-материалы, насыщенные водой.

Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздушные ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха [λ = 0,023 Вт/ (м·°С)] меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит «каркас» строительного материала. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые поры, чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвекцией и излучением.

На практике удобно судить о теплопроводности по объемной массе материала (рис. 6). Известна формула В. П. Некрасова, связывающая теплопроводность λ[Вт/(м·°С)] с объемной массой каменного материала λ об, выраженной по отношению к воде: λ=1,16√(0,0196 + 0,22ϒ²об-0,16). Точное значение λ определяют для данного материала экспериментально.

Влага, попадающая в поры материала, увеличивает его теплопроводность, так как теплопроводность воды (0,58 Вт/ (м·°С) в 25 раз больше, чем теплопроводность воздуха.
Замерзание воды в порах с образованием льда еще более увеличивает λ , так как коэффициент теплопроводности инея равен 0,1, а льда - 2,3 Вт/(м·°С), т. е. в 4 раза больше, чем воды. При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и лишь у немногих (металлов, магнезитовых огнеупоров) она уменьшается.

Теплоемкость

Теплоемкость характеризуется удельной теплоемкостью, с [Дж/(кг·°С)], которое определяется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С.

с=Q/, где Q-количество тепла, затраченное на нагревание материала от t1 до t2,Дж; m-масса материала, кг.

Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных материалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДж/(кг·°С). Теплоемкость сухих органических материалов (например, древесины) - около 0,7 кДж/(кг·°С), вода имеет наибольшую теплоемкость - 1 кДж/(кг·°С), поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. Показатели теплоемкости разных материалов нужны для теплотехнических расчетов. Теплоемкость материала имеет важное значение в тех случаях когда необходимо учитывать аккумуляцию тепла, например при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, с целью сохранения температуры в помещении без резких колебаний при изменении теплового режима, при расчете подогрева материала для зимних бетонных работ, при расчете печей и других сооружений.

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350°С.

Огнестойкость - свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т. е. от его способности воспламеняться и гореть.

Несгораемые материалы - это бетон, кирпич, сталь и др. Однако необходимо учитывать, что некоторые несгораемые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы) при температуре, начиная с 600°С. Поэтому конструкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина, фибролит, некоторые пенопласта).

Сгораемые органические материалы, которые горят открытым пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко используют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества - антипирены.

Коэффициент линейного температурного расширения бетона и стали 10·10 -6 °С -1 , гранита - 10·10 -6 °С -1 , дерева - 20·10 -6 °С -1 . При сезонном изменении температуры окружающей среды и материала на 50°С относительная температурная деформация достигает 0,5- 10 -3 или 1 ·10 -3 , т. е. 0,5 - 1 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают деформационными швами.

Огнестойкость - способность материала выдерживать действие высокой температуры без потери несущей способности (большого снижения прочности и значительных деформаций).
Это свойство важно при пожарах, а так как в процессе тушения пожаров применяют воду, то при оценке степени огнестойкости материала действие высокой температуры сочетают с действием воды.
Строительные материалы по огнестойкости делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы под воздействием высокой температуры или огня не тлеют и не обугливаются (природные и искусственные неорганические материалы, металлы). Однако одни из этих материалов под воздействием высокой температуры не растрескиваются и не деформируются, например керамический кирпич, а другие, в частности сталь, подвержены значительным деформациям. Поэтому стальные конструкции не могут быть отнесены к огнестойким. Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высоких температур обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются, но продолжают гореть или тлеть только при наличии огня (древесина, пропитанная огнезащитными составами). Сгораемые материалы горят и тлеют под воздействием огня или высоких температур и продолжают гореть после устранения огня (все органические материалы, не подвергнутые пропитке огнезащитными составами).

Термическая стойкость материала характеризуется его способностью выдерживать определенное количество циклов резких тепловых изменений без разрушения. Термическая стойкость зависит от степени однородности материала, температурного коэффициента расширения составляющих его частей. Чем меньше коэффициент температурного расширения, тем выше термическая стойкость материала. К термически нестойким материалам можно отнести стекло, гранит.
Радиационная стойкость - свойство материала сохранять свою структуру и физико-механическиехарактеристики после воздействия ионизирующих излучений.Развитие атомной энер гетики и широкое использование источников ионизирующих из лучений в различных отраслях народного хозяйства вызывают необходимость оценки радиационной стойкости и защитных свойств материалов.

Уровни радиации вокруг современных ис точников ионизирующих излучений настолько велики, что может произойти глубокое изменение структуры материала. Поток радиоактивного излучения при встрече с конструкциями из данного материала может поглощаться в разной степени в зависимости от толщины ограждения, вида излучения и природы вещества защиты.

Для защиты от нейтронного потока применяют материалы, содержащие в большом количестве связанную воду; от у-излучений- материалы с большой плотностью (свинец, особо тяжелый бетон). Связанную воду содержат гидратированные бетоны, лимонитовая руда (водный оксид железа) и др. Уменьшить интенсивность проникания нейтронного излучения через бетон можно путем введения в него специальных добавок (бора, кадмия, лития).

Химическая стойкость - способность материала сопротив ляться воздействию кислот, щелочей, растворов солей и газов.
Наиболее часто подвергаются действию агрессивных жидкостей и газов санитарно-техническиесооружения, канализационные трубы, животноводческие помещения, гидротехнические соору жения (находящиеся в морской воде, имеющей большое коли чество растворенных солей).

Не способны сопротивляться дей ствию даже слабых кислот карбонатные природные каменные материалы - известняк, мрамор и доломит; не стоек к действию концентрированных растворов щелочей битум. Наиболее стойки ми материалами по отношению к действию кислот и щелочей являются керамические материалы и изделия, а также многие изделия на основе пластмасс.

Долговечность - способностьматериаласопротивлятьсяком плексному действию атмосферных и других факторов в усло виях эксплуатации. Такими факторами могут быть: изменение температуры и влажности, действие различных газов, находя щихся в воздухе, или растворов солей, находящихся в воде, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей.

При этом потеря материалом механических свойств может происходить в результате нарушения сплошности структуры (образования тре щин), обменных реакций с веществами внешней среды, а также
в результате изменения состояний вещества (изменения кристал лической решетки, перекристаллизации, перехода из аморфного
в кристаллическое состояние). Процесс постепенного измене ния (ухудшения) свойств материалов в эксплуатационных ус ловиях иногда называют старением.
Долговечность и химическая стойкость материалов непосредственно связаны с величиной затрат на эксплуатацию зданий и сооружений. Повышение долговечности и химической стойкости строительных материалов является наиболее актуальной задачей в техническом и экономическом отношениях.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ: ФИЗИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ

Физические свойства

Эти свойства характеризуют его строение или отношение к физическим процессам окружающей среды. К ним относят массу, истинную и среднюю плотность, пористость, водопоглощение и водоотдачу, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, морозостойкость, воздухо-, газо- и паропроницаемость, теплопроводность и теплоемкость, огнестойкость и огнеупорность.

Масса - это совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле. Масса обладает определенным объемом, т.е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в пространстве. Тела одинакового объема, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу. Для характеристики различий в массе веществ, имеющих одинаковый объем, введено понятие плотности. Последняя подразделяется на истинную и среднюю.

Истинная плотность - отношение массы к объему материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без пор и пустот. Чтобы определить истинную плотность r (кг/м3, г/см3), необходимо массу материала (образца) m (кг, г) разделить на абсолютный объем V (м 3, см3), занимаемый самим материалом (без пор):

Зачастую истинную плотность материала относят к истинной плотности воды при 4о С, которая равна 1г/см3, тогда определяемая истинная плотность становится как бы безразмерной величиной.

Однако большинство материалов имеют поры, поэтому у них средняя плотность всегда ниже истинной плотности:

МатериалПлотность, кг/м3истиннаясредняяСталь7850-79007800-7850Гранит2700-28002600-2700Известняк (плотный)2400-26001800-2400Песок2500-26001450-1700Цемент3000-3100900-1300Керамический кирпич2600-27001600-1900Бетон тяжелый2600-29001800-2500Сосна1500-1550450-600Пенопласты1000-120020-100

Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума и некоторых других) истинная и средняя плотности равны, т.к. объем внутренних пор у них весьма мал.

Средняя плотность - это физическая величина, определяемая отношением массы образца материала ко всему, занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. Среднюю плотность r (кг/м3, г/см3) вычисляют по формуле:

r = m / V,

где m - масса материала в естественном состоянии; V - объем материала в естественном состоянии.

Средняя плотность не является величиной постоянной - она изменяется в зависимости от пористости материала. Например, искусственные материалы можно получит с различной пористостью (тяжелый бетон имеет плотность до 2900 кг/м3, а легкий - до 1800 кг/м3). На плотность оказывает влияние влажность материала.

Для сыпучих материалов важной характеристикой является насыпная плотность - сюда включается не только пористость самого материала, но и пустоты между зернами или кусками материала.

Пористость материала - это степень заполнения его порами. Пористость дополняет плотность до 1 или до 100%. Пористость различных материалов:

·стекло, металл 0%;

·тяжелый бетон 5 - 10%;

·кирпич 25 - 35%;

·газобетон 55 - 85%;

·пенопласт 95%,

т.е. она колеблется в значительных пределах.

На свойства материала оказывают влияние также величина пор и их характер (мелкие или крупные, замкнутые или сообщающиеся).

Плотность и пористость прямо влияют на такие характеристики материалов как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.

Водопоглощение - способность материала впитывать воду и удерживать ее. Величина водопоглощения определяется разностью массы образца в насыщенном водой и в абсолютно сухом состоянии. Различают объемное водопоглощение, когда разность относят к объему образца и массовое водопоглощение - при отнесении разности к массе сухого образца. Массовое водопоглощение для некоторых материалов:

·гранит 0,5 - 0,8%

·тяжелый бетон 2 - 3%

·керамический кирпич 8 - 20%

·пористые теплоизоляционные материалы, например, торфоплиты >100%.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основные свойства: увеличивает плотность и теплопроводность, снижает прочность.

Влажность - содержание влаги, отнесенное к массе материала в сухом состоянии. Влажность материала зависит как от свойств впитывать влагу самого материала, так и от среды, в которой находится материал.

Влагоотдача - свойство материала отдавать влагу окружающей атмосфере. Определяется по количеству воды (в процентах по массе или объему стандартного образца), теряемой материалом в сутки при влажности окружающего воздуха 60% и температуре 200 С. Вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала и влажностью окружающего воздуха.

Гигроскопичность - свойство материалов поглощать определенное количество воды при повышении влажности окружающего воздуха. Это свойство характерно, например, для древесины - чтобы избежать этого, применяют защитные покрытия.

Водопроницаемость - свойство материала пропускать воду под давлением. Характеризуется количеством воды, прошедшей в 1 час через 1 см2 площади испытуемого материала при постоянном давлении. Водонепроницаемыми являются особо плотные материалы (сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (например, бетон специально подобранного состава).

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Вода, замерзая, увеличивается в объеме на 9%, при этом, если она заполнила полностью поры - лед разрушит стенки пор, но обычно поры заполняются не полностью, поэтому разрушение может произойти при многократном замораживании и размораживании.

Плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, водопоглощение которых не превышает 0,5%, обладают высокой морозостойкостью. Морозостойкость имеет большое значение для стеновых, фундаментных и кровельных материалов, систематически подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию.

Материалы на морозостойкость испытывают в морозильных камерах. Насыщенные водой образцы охлаждают до температуры - 15-170С и, после чего, их оттаивают при температуре +200 С. Материал считается морозостойким если после заданного числа циклов потеря в массе образцов в результате выкрашивания и расслоения не превышает 5%, а прочность снижается не более чем на 25%. По числу выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания (степени морозостойкости) материалы подразделяют на марки Ммрз 10, 15 ,25 , 35, 50, 100, 150, 200 и более.

Если образцы в процессе испытаний не имеют следов разрушения, то степень морозостойкости устанавливается определением коэффициента морозостойкости:

Кмрз = Rмрз / Rнас,

где Rмрз - предел прочности при сжатии материала после испытания на морозостойкость, МПа; Rнас - предел прочности при сжатии насыщенного водой материала, МПа. Для морозостойких материалов Кмрз должен быть не менее 0,75.

Паро- и газопроницаемость - свойство материала пропускать через свою толщу под давлением водяной пар или газы, в том числе воздух. Все пористые материалы при наличии незамкнутых пор способны пропускать пар или газ.

Паро- и газопроницаемость характеризуется коэффициентом, который определяется количеством пара или газа в литрах, проходящего через слой материала толщиной 1м и площадью в 1 м2 в течение одного часа при разности парциальных давлений на противоположных стенках 133,3 Па.

Теплопроводность - свойство материала передавать через толщу теплоту при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. теплопроводность материала оценивается количеством теплоты, проходящей через стену из испытываемого материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 час при разности температур противоположных поверхностей стены 10С. Теплопроводность измеряется в Вт/(м·К).

Теплопроводность материала зависит от многих факторов: природы материала, его строения, пористости, влажности, от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен, чем материал аморфного строения. Если материал имеет слоистое или волокнистое строение, то теплопроводность его зависти от направления потока теплоты по отношению к волокнам, например, теплопроводность древесины вдоль волокон в два раза больше, чем поперек волокон.

Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые, даже если их пористость одинакова. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами.

Теплопроводность однородного материала зависит от величины его средней плотности. Так, с уменьшением плотности материала теплопроводность уменьшается и наоборот.

На теплопроводность материала значительное влияние оказывает его влажность: влажные материалы более теплопроводны, чем сухие, так как теплопроводность воды в 25 раз больше теплопроводности воздуха.

При повышении температуры теплопроводность увеличивается.

Теплоемкость - свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (Дж), необходимому для нагревания 1 кг материала на 10С.

Удельная теплоемкость, КДж/(кг·0С):

·искусственные каменные материалы 0,75 - 0,92;

·древесина 2,4 - 2,7;

·сталь 0,48;

·вода 4,187.

Теплоемкость учитывается при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при расчете печей.

Огнестойкость - способность материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости материалы делят на: несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (сталь, бетон, кирпич).

Трудно сгораемые материалы под действием огня с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются (древесно-цементный материал фибролит, асфальтовый бетон, некоторые виды полимерных материалов).

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня (дерево, войлок, толь, рубероид).

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные (длительное время выдерживают температуру свыше 15800С), тугоплавкие (1350 - 15800С) и легкоплавкие, размягчающиеся при температуре ниже 13500С (к ним относят и обыкновенный глиняный кирпич).

Механические свойства

Они характеризуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил.

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок. Прочность является основным свойством большинства материалов, используемых в горной промышленности, от ее значения зависит величина нагрузки, которую может воспринять данный элемент при заданном сечении.

Материалы, в зависимости от происхождения и структуры, по- разному противостоят различным напряжениям. Материалы минерального происхождения (природные камни, кирпич, бетон и др.) хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже срезу и еще хуже растяжению. Другие материалы (металл, древесина) хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их используют значительно чаще в конструкциях, работающих на изгиб.

Прочность материала характеризуется пределом прочности (при сжатии, изгибе и растяжении). Предел прочности - напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца материала. Предел прочности при сжатии и растяжении Rраст, МПа, вычисляют по формуле

сж(Rраст) = P/F,

где P - разрушающая нагрузка, Н; F - площадь поперечного сечения образца, мм2.

Предел прочности при изгибе Rизг:

.при одном сосредоточенном грузе и образце-балке прямоугольного сечения

Rизг = 3Pl / 2bh2;

.при двух равных грузах, расположенных симметрично оси балки

Rизг = P(l - a) / bh2,

где l - пролет между опорами, мм; а - расстояние между грузами, мм; b и h - ширина и высота поперечного сечения балки, мм.

Предел прочности материала определяют опытным путем, испытывая в лаборатории на гидравлических прессах или разрывных машинах специально изготовленные образцы. Для испытания материалов на сжатие образцы изготавливают в виде куба или цилиндра, на растяжение - в виде круглых стержней или полос, а на изгиб - в виде балок. Форма и размеры образцов должны строго соответствовать требованиям ГОСТа или технических условий на каждый вид материала.

Пределы прочности некоторых материалов, МПа

сжатиеизгибрастяжение Гранит150 - 2503 - 5Тяжелый бетон10 - 502 - 81 - 4Керамический кирпич7,5 - 301,8 - 4,4Сталь210 - 600380 - 900Древесина30 - 6570 - 12055 - 150Стеклопластик90 - 150130 - 25060 - 120

Прочность материалов, применяемых в строительной промышленности, обычно характеризуют маркой, которая соответствует по величине пределу прочности при сжатии, полученному при испытании образцов заданной формы и размеров. Например, для каменных материалов установлены следующие марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000. Материалы с пределом прочности при сжатии, например, от 20 до 29,9МПа относят к марке 200.

Упругость - свойство материала деформироваться под нагрузкой и принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал ее обладает упругостью, называется пределом упругости. Упругость является в подавляющем большинстве случаев положительным свойством материалов.

Пластичность - способность материала изменять под действием нагрузки форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. Это свойство противоположно упругости.

Хрупкость - свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил без предварительной деформации. Хрупкими являются природные камни, керамические материалы, стекло, чугун, бетон и др.

Сопротивление удару - свойство материала сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок. Этого вида нагрузки возникают, например, в бункерах. Хрупкие материалы обычно плохо сопротивляются ударным нагрузкам.

Твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого материала, более твердого. Твердость материала влияет на трудоемкость его обработки.

Существует несколько способов определения твердости материалов. Твердость древесины, бетона, стали определяют, вдавливая в образцы стальной шарик (метод определения твердости по Бринелю), алмазную пирамиду (по Виккерсу) или то и другое (по Роквеллу). О величине твердости судят по глубине вдавливания шарика, диаметру полученного отпечатка или по величине отношения нагрузки к площади поверхности полученного сферического отпечатка.

Твердость природных каменных материалов определяют по шкале твердости (метод Мооса), в которой десять специально подобранных минералов расположены в такой последовательности, когда следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину), на предыдущем, а сам им не прочерчивается:

.Тальк или мел.

.Каменная соль или гипс.

.Кальцит или ангидрид.

.Плавиковый шпат.

.Апатит.

.Ортоклаз (полевой шпат).

.Кварц.

.Топаз.

.Корунд.

.Алмаз.

Например, если испытуемый материал чертится апатитом, а сам оставляет черту (царапину) на плавиковом шпате, то его твердость составляет 4,5.

Истираемость - свойство материала изменяться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий. От истираемости зависит возможность применения материала для устройства настилов, футеровки бункеров, исполнительных органов погрузочных машин. Истираемость материалов определяют в лабораториях на специальных машинах - кругах истирания.

Износом называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Подобное воздействие на материал происходит при эксплуатации бункеров. На износ материалы испытывают в специальных вращающихся барабанах.

Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность материала к химическим превращениям под воздействием веществ, с которыми он находится в соприкосновении. Химические свойства материалов весьма разнообразны, основные из них - химическая и коррозионная стойкость.

Химическая стойкость - способность материалов противостоять разрушающему влиянию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов.

Коррозионная стойкость - свойство материалов сопротивляться коррозионному воздействию среды.

Многие материалы, применяемые в строительной промышленности, не обладают этими свойствами. Так, почти все цементы плохо сопротивляются действию кислот, древесина не стойка к воздействию как кислот, так и щелочей, практически все изделия из металлов подвержены в той или иной степени воздействию коррозии. Лучше сопротивляются воздействию кислот и щелочей материалы из пластмасс или стекловолокна.

МЕТАЛЛЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Металлы и их классификация

Металлы широко применяют во всех отраслях народного хозяйства. Этому способствует ряд ценных технических свойств металлов, которые выгодно отличают их от других материалов: высокие прочность и пластичность обработки давлением (прокатка, штамповка и др.). Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги сильно корродируют, а при высоких температурах значительно деформируются.

Металлы разделяют на две основные группы: черные и цветные.

Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). С целью придать черным металлам специфические свойства в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.

Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2-4,3%. В зависимости от назначения различают чугуны литейные, передельные и специальные. Литейные чугуны применяют для отливки различных изделий, в том числе строительных деталей. Передельные чугуны используются для производства стали, а специальные чугуны - в качестве добавок при производстве стали и чугунного литья специального назначения. Наличие в чугуне марганца, кремния, фосфора, а также легирующих добавок - никеля, хрома, магния и др. - придает ему высокие механические свойства и обеспечивает высокие жаростойкость и коррозионную стойкость. Чугуны с добавками никеля, хрома, магния и других элементов называют легированными. Высокопрочные чугуны получают модифицированием жидкого чугуна присадками Si, Са и др.

Сталь - ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2 %. Стали, в зависимости от способа получения, разделяют на: мартеновские, конвертерные и электростали. По химическому составу, в зависимости от входящих в сплав химических элементов, стали бывают углеродистые и легированные. К углеродистым сталям относят сплавы железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Углеродистую сталь, полученную различными способами, по характеру застывания принято разделять на: спокойную, полуспокойную и кипящую. Легированными называются стали, в состав которых входят легирующие добавки (никель, хром, вольфрам, молибден, медь, алюминий и др.). В зависимости от введенной легирующей добавки сталь называют хромомарганцевой, марганцевоникелемедистой и т.д. Кроме того, по суммарному содержанию добавок стали разделяют на: низколегированные (с содержанием легирующих добавок до 2,5%), среднелегированные (с содержанием легирующих добавок от 2,5% до 10%) и высоколегированные (с содержанием легирующих добавок более 10%).

По назначению сталь может быть: конструкционная, применяемая для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин, специальная, характеризующаяся высокой жаро- и износостойкостью, а также коррозионной стойкостью, и инструментальная.

По качеству сталь подразделяют на: обыкновенную (рядовую), качественную, высококачественную и особо высококачественную.

Цветные металлы в чистом виде используют весьма редко. Значительно чаще находят применение сплавы цветных металлов, которые по истинной плотности разделяют на легкие и тяжелые.

Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими являются алюминиево-марганцевые, алюминиево-кремнеземистые, алюминиево-магниевые и сплавы дюралюминия. Их используют для несущих (фермы и др.) и ограждающих (оконные переплеты и др.) конструкций зданий и сооружений.

Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых сплавов применяют бронзу (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунь (сплав меди с цинком).

Основы производства чугуна и стали

Производство черных металлов из железной руды - сложный технологический процесс, который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй - его перерабатывают в сталь.

Чугун выплавляют в доменных печах (рис.1). Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Железные руды - горные породы содержащие железо в виде химических соединений с кислородом и другими элементами. В состав железных руд, кроме того, входят и другие соединения в виде кремнезема, глинозема, известняка и т. п. (объединяемые общим понятием - "пустая порода"). Обычно для производства чугуна используют магнитный железняк (Fe3O4) с содержанием железа до 70%, красный железняк (Fe2О3), содержащий до 65 % железа, и бурый железняк (2Fe2О3 2H2О), содержащий до 60 % железа. Топливом в доменном процессе служит кокс, получаемый при сухой перегонке (сжигание без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) - известняки, доломиты, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак.

Доменная печь представляет собой шахту, снаружи покрытую металлическим кожухом и изнутри футерованную огнеупорным кирпичом. Печь через верхнюю часть, называемую колошником непрерывно загружают шихтой, чередуя слои руды, флюса и топлива. Для поддержания горения топлива в нижнюю часть печи - горн через фурмы подают под давлением нагретый воздух.

Рис.1. Схема доменной печи

Шахта; 2 - колошник; 3 - загрузочное устройство; 4 - металлический кожух; 5 - футеровка;6 - цилиндрическая часть печи; 7 - заплечики; 8 - горн; 9 - шлаковая летка; 10 - чугун;11 - летка для выпуска чугуна; 12 - воздухоподающая труба

Горение топлива - кокса происходит в верхней части горна за счет кислорода воздуха по реакции С + О2 = СО2. Образующийся при этом углекислый газ поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода СО2 + С = 2СО. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа, а сам переходит в углекислый газ. Восстановление железа происходит по схеме: Fe 2O3 Fe 3O4 FeO Fe.

Процесс этот может быть представлен следующими химическими уравнениями:

3 Fe 2O3 + CO = 2Fe 3O4+ CO2

2Fe 3O4+ 2CO = 6FeO + 2CO2

6FeO + 6CO = 6Fe + 6CO

Восстановление железа из его оксидов происходит во время движения шихты под действием собственной массы от верхней части печи к нижней. В нижней части печи при 900-1100°С часть восстановленного железа соединяется с углеродом, в результате чего получается карбид железа Fe3C. Этот процесс называют: науглероживанием. При температуре около 1150°С начинается плавление науглероженного железа, и образовавшийся жидкий чугун стекает в горн печи. Сюда же стекает расплавленный шлак, который как более легкий материал всплывает над чугуном. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия - чугунную и шлаковую летки, причем сначала выпускают шлак, а затем - чугун.

Чугун в расплавленном состоянии подают к разливочным машинам для отливки в "чушки" или в специальных ковшах доставляют в сталеплавильные цехи, где его перерабатывают в сталь. Жидкий шлак из доменной печи используют для производства шлаковой пемзы, гранулированного шлака, каменного литья или сливают в отвал. Побочным продуктом доменного производства является колошниковый газ, который применяют для нужд металлургической промышленности.

Процесс производства стали состоит в уменьшении содержания имеющихся в передельном чугуне примесей (углерода, кремния, марганца, серы, фосфора). Указанные примеси при выплавке стали выгорают либо переходят в шлак. Исходными материалами для выплавки стали являются: передельный чугун, стальной лом, ферросплавы, железная руда и флюсы.

Современными способами производства стали являются конвертерный, мартеновский и электроплавильный (в электропечах).

По конвертерному способу сталь получают в печах - конвертерах. Конвертер - стальной футерованный сосуд грушевидной формы, поворачивающийся вокруг горизонтальной оси на двух цапфах. В нижней части конвертера имеются фурменные отверстия для подачи воздуха под давлением 0,2-0,25 МПа (изб.). Жидкий передельный чугун заливают из ковша в конвертер, после чего через фурменные отверстия пропускают воздух, обогащенный кислородом. Под воздействием воздуха в расплавленном чугуне образуется закись железа FeO, которая реагирует с примесями (кремнием, марганцем, фосфором), образуя оксиды, которые переходят в шлак или выгорают, а закись железа при этом восстанавливается до чистого железа. Этот процесс продолжается всего 15-30 мин, что является большим преимуществом данного способа. Емкость современных конвертеров достигает 600 т. Этот способ отливки стали высокопроизводителен и наиболее экономичен.

Конвертерную сталь используют для изготовления строительных профилей, сортовой и листовой стали, проволоки и т.д.

Рис.2. Схема конвертера

Вращающийся грушевидный сосуд; 2 - футеровка; 3 - фурменные отверстия для подачи воздуха;4 - поворотный механизм

Мартеновский способ получения стали в настоящее время наиболее распространен. Мартеновская печь представляет собой агрегат, рабочее пространство которого имеет форму вытянутой в горизонтальном направлении камеры. Нижнюю часть камеры, имеющей вид ванны, называют подом. Его делают набивным из огнеупорных материалов, а стенки и свод печи выкладывают из огнеупорного кирпича. В верхней части имеются каналы, соединяющие рабочую камеру с газовыми и воздушными регенераторами. Емкость современных мартеновских печей до 1000 т.

Твердый или расплавленный чугун с добавкой скрапа (металлолома) или руды плавится в мартене за счет сжигания топлива - смеси колошникового газа или генераторного газа с воздухом. Для повышения теплового эффекта газ и воздух предварительно нагревают в регенераторах, применяют кислородное дутье. Примеси - кремний, марганец и фосфор окисляются закисью железа FeO, образовавшейся в расплаве, переходят в оксиды и удаляются в виде шлака, а закись железа переходит в чистое железо. Серу из расплава удаляют при помощи известняка, вводимого в качестве флюса. Углерод при высоких температурах выгорает. Образующийся в процессе выплавки стали шлак скапливается на поверхности жидкого металла и его периодически удаляют.

Рис.3. Схема мартеновской печи 1 - под; 2 - свод; 3 - регенераторы

Во время выплавки стали, продолжающейся 4 - 8 ч, в ее состав вводят различные добавки - ферросплавы, например феррохром, феррованадий, получая тем самым легированную сталь. Химический состав расплава контролируют путем систематического отбора проб для анализа. После получения стали заданного химического состава ее выпускают в ковш, а из него разливают по изложницам - чугунным или стальным формам.

Мартеновская сталь отличается от конвертерной более высоким качеством. Ее широко применяют для изготовления строительных конструкций (ферм, подкрановых балок, мостов, рельсов и др.), а также для высокопрочной арматуры.

Электроплавка - наиболее совершенный способ производства специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до 200 т.

В качестве сырьевой шихты для электроплавки стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера. Кроме того, в состав шихты вводят флюсы и легирующие добавки. Источником тепла является электродуга, образующаяся между вертикально установленными угольными электродами и расплавленным металлом. По существу протекающих процессов электроплавка не отличается от мартеновского способа производства стали. Однако существенным недостатком электроплавки является низкая производительность и высокая себестоимость стали.

В последние годы начинают применять комбинированные способы производства стали с использованием последовательной выплавки стали в кислородных конвертерах, а затем в основных мартеновских печах, где происходит получение стали заданного химического состава. Для сокращения расхода электроэнергии при производстве стали вначале используют для нагрева и расплавления мартеновскую печь, а затем для окончательной доводки стали до заданных свойств - электропечь.

Перспективна технология получения губчатого железа непосредственно из руд путем продувки их под давлением водородом или смесью водорода с оксидом углерода с последующим выделением железа.

Чугунное литье

Свойства и марки чугуна. В зависимости от содержания примесей и скорости охлаждения получают два основных вида чугуна: белый и серый. Эти наименования соответствуют цвету чугуна. Белый чугун имеет высокую твердость, но он весьма хрупок; его применяют для получения ковкого чугуна и стали. Серый чугун в расплавленном состоянии обладает хорошей текучестью и легко заполняет формы, дает малую усадку при затвердевании, а также легко поддается механической обработке. Серый чугун используют для литья разнообразных строительных изделий. Разновидность серого чугуна - модифицированный черный чугун. Его получают за счет введения в жидкий чугун добавок (модификаторов). Этот чугун обладает повышенными механическими свойствами.

Серый, а также модифицированный чугун, маркируют буквами СЧ, например, СЧ12-28, СЧ18-36, СЧ28-48 и СЧ32-52. Первая цифра марки чугуна показывает допустимый предел прочности при растяжении, а вторая - при изгибе (в кгс/мм°). Серый чугун, используемый для отливки изделий, работающих главным способом на сжатие (колонны, опорные подушки, канализационные трубы, тюбинги и др.) характеризуется пределом прочности при растяжении 120 - 210 и при изгибе 280 - 400 МПа. Значительно реже в строительстве используют высокопрочные и легированные чугуны.

Чугунные изделия. Чугунные литые изделия изготовляют различными способами, среди которых наиболее простым является литье в формы. Прогрессивные формы литья чугуна - под давлением и центробежный. Путем отливки из серого чугуна получают элементы строительных конструкций, работающих на сжатие (колонны, опорные подушки, арки, своды, тюбинги метрополитена, плиты для полов промышленных зданий и т. п.). Серый чугун используют для литья печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники, решетки), а также архитектурно-художественных изделий.

Виды и свойства сталей

Стали для строительных конструкций разделяют на виды и маркируют условными обозначениями, в которых отражается состав и назначение стали, механические и химические свойства, способы изготовления и раскисления.

Маркировка сталей. По стандарту марку углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента (0,8; 25 и т.д.). В обозначение марок кипящей стали добавляют <кп>, полуспокойной - <пс>, спокойной - <сп>, например Ст3сп, Ст5пс, Ст2кп.

В отличие от маркировки углеродистых сталей буквы в марке низколегированных сталей показывают наличие в стали легирующих примесей, а цифры - их среднее содержание в процентах. Предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Для маркировки стали каждому легирующему элементу присвоена определенная буква:

С - кремний, В - вольфрам, Г - марганец, Ю - алюминий, Х - хром, Д - медь, Н - никель, К - кобальт, М - молибден.

Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей. Буквой указан легирующий элемент и последующими цифрами - его среднее содержание, например, сталь 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Сr, марки 2Х17Н2 - 0,2 % С, 17 % Сг и 2 % Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5 % цифры за соответствующей буквой не ставятся: 1Г2С, 12ХН3А. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш - особо высококачественной. Например, легированная конструкционная сталь марки 1Г2С содержит 0,1 % углерода, 2 % марганца и 1 % кремния.

Углеродистые стали. Сталь углеродистая обыкновенного качества - сплав железа с углеродом. В ее составе также присутствуют в небольшом количестве примеси: кремний, марганец, фосфор и сера, каждая из которых оказывает определенное влияние на механические свойства сталей. В сталях обыкновенного качества, применяемых в строительстве, углерода содержится 0,06-0,62 %. Стали с низким содержанием углерода характеризуются высокой пластичностью и ударной вязкостью. Повышенное содержание углерода придает стали хрупкость и твердость.

Для повышения качества строительных сталей в сплавы добавляют примеси - марганец и кремний. Содержание марганца обычно 0,25 - 0,9%; он повышает прочность стали без значительного снижения ее пластичности. Кремний, содержание которого в обыкновенных сталях не превышает 0,35%, не оказывает существенного влияния на свойства стали. Фосфор и сера являются вредными примесями. Фосфор делает сталь хрупкой (хладноломкой), в связи с этим содержание его в строительных сталях не должно превышать 0,05%. Присутствие серы в количестве более 0,07 % вызывает красноломкость стали, а также снижает ее прочность и коррозионную стойкость. Основные характеристики качества углеродистой стали - пределы текучести и прочности при растяжении, а также величина относительного удлинения. Все эти показатели (кроме относительного удлинения) с возрастанием марки стали увеличиваются.

Наиболее широко в строительстве используют сталь марки СтЗ, которая идет на изготовление металлических конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений, опор линий электропередач, резервуаров и трубопроводов, а также арматуры железобетона. Качественные конструкционные углеродистые стали применяют, как правило, в машиностроении, а инструментальные углеродистые стали для изготовления различных режущих инструментов.

Легированные стали. Низколегированные стали наиболее часто применяют в строительстве. Содержание углерода в них не должно превышать 0,2 %, так как с его возрастанием понижаются пластичность и коррозионная стойкость, а также ухудшается свариваемость стали. Легирующие добавки влияют на свойства стали следующим образом:

·марганец увеличивает прочность, твердость и сопротивление стали износу;

·кремний и хром повышают прочность и жаростойкость;

·медь повышает стойкость стали к атмосферной коррозии;

·никель способствует улучшению вязкости без снижения прочности.

Низколегированные стали имеют более высокие механические свойства, чем малоуглеродистые. Стали, содержащие никель, хром и медь, высокопластичны, хорошо свариваются, их с успехом используют для сварных и клепаных конструкций промышленных и гражданских зданий, пролетных строений мостов, нефтерезервуаров, труб и др.

Наибольшее применение в строительстве для изготовления металлических конструкций получили низколегированные стали марок 10ХСНД, 15ХСНД, 10Г2СД и др.

Средне- и высоколегированные стали используют в строительстве только тогда, когда нужно обеспечить конструкциям высокую коррозионную стойкость. Для этого конструкции изготовляют из специальной нержавеющей стали, например, хромоникелевой и хромоникелемарганцевой.

Свойства сталей. Среди физических свойств сталей наибольшее значение имеют истинная плотность, температура плавления, теплоемкость, теплопроводность, коэффициент температурного расширения (некоторые из перечисленных свойств уже рассматривались).

Температура плавления - температура, при которой сталь из твердого состояния переходит в жидкое. Температура плавления железа 1535°С, но при введении в его состав углерода и других элементов она изменяется. Например, чугун с содержанием 4,3 % углерода плавится около 1130°С.

Коэффициент температурного расширения - показатель относительного удлинения стального образца при повышении температуры на 1° равен (11 - 11,9) 10-6°С. Механические свойства сталей характеризуются пределом прочности при растяжении, пределом текучести, относительным удлинением, твердостью и ударной вязкостью.

Испытание стали на растяжение, с одновременной оценкой ее упругости, производят на образцах в форме стержня круглого или прямоугольного сечения. Для этого используют разрывные машины, снабженные приспособлением для записи диаграммы растяжения образца (рис.4). По вертикальной оси диаграммы откладывают растягивающую нагрузку, а по горизонтальной - соответствующее приращение длины образца. На диаграмме растяжения прямой участок (от начала координат до точки 1) показывает, что удлинение l испытуемого образца прямо пропорционально приложенной нагрузке Р1. Максимальное напряжение, при котором сохраняется прямая пропорциональность между удлинением образца и приложенной нагрузкой, называется пределом пропорциональности пр. Деформации образца, в котором напряжения не превышают предел пропорциональности, являются упругими, и при снятии нагрузки восстанавливается первоначальная длина образца. При незначительном повышении нагрузки до Р2 (точка 2) образец начинает вытягиваться (сталь <течет>), хотя нагрузка остается постоянной, что соответствует горизонтальной площадке на диаграмме. Напряжение, при котором появляется текучесть стали, называется пределом текучести т. Образец приобретает остаточные деформации, т. е. деформации, остающиеся в образце после снятия нагрузки.

Рис.4. Диаграмма растяжения стали

При дальнейшем увеличении нагрузки до Р наступает разрыв образца (точка 3). Максимально достигнутое при этом напряжение в образце называется пределом прочности стали р, МПа, который вычисляют по формуле

р = P/Fo,

где Р - наибольшая нагрузка, Н; Fo - первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм2.

Относительное удлинение образца при испытании на разрыв характеризует пластичность стали, т. е. способность приобретать значительные остаточные деформации без разрывов и трещин. Относительное удлинение б,.%, определяют по формуле

б = (l1 - l0)/l0,

где l0 - расчетная (начальная) длина образца, мм; l1 - длина образца после разрыва, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей, применяемых в строительстве.

Твердость - способность стали сопротивляться вдавливанию в нее других, более твердых тел, например алмазного конуса или стального шарика.

Ударная вязкость - свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее величина определяется количеством работы, необходимой для разрушения стального образца на маятниковом копре.

Среди химических свойств стали наиболее важным является коррозионная стойкость, которая характеризует способность сталей сопротивляться разрушающему действию окружающей среды.

Технологические свойства показывают способность сталей к обработке давлением, резанием, литьем, сваркой и др.

Основное технологическое испытание стали - испытание ее образцов на загиб в холодном состоянии под воздействием равномерно возрастающей нагрузки. Различают следующие виды испытаний: загиб до определенного угла, загиб вокруг оправки до параллельности сторон, загиб до полного соприкосновения сторон (вплотную). Признаком того, что образец выдержал испытание, служит отсутствие в нем после загиба трещин, расслоений или излома.

Термическая обработка улучшает физико-механические свойства стали. Различают следующие виды термической обработки: закалку, отпуск, отжиг, нормализацию.

Закалка заключается в нагреве стали до 800-900°С и небыстром охлаждении ее в воде или масле. Закалка увеличивает прочность и твердость стали, но снижает ударную вязкость. Отпуск закаленной стали - медленный ее нагрев до 200 - 350°С, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением на воздухе. При отпуске стали снижается твердость, но повышается вязкость. Отжиг - нагрев стали до определенной температуры, выдержка и медленное охлаждение в печи. Отжигают сталь для снижения твердости и повышения ее вязкости. Нормализация стали - разновидность отжига, состоящая из нагрева ее до температуры ниже температуры закалки, выдержки при этой температуре и охлаждения на воздухе. Нормализация повышает твердость, прочность и ударную вязкость стали. Для увеличения прочности и твердости поверхностных слоев стальных изделий производят поверхностную закалку токами высокой частоты, а также цементацию стали, т. е. насыщение углеродом ее поверхностного слоя при нагреве в углеродистой среде.

Изделия из стали

Изготовление стальных изделий. При изготовлении стальных изделий расплавленную сталь разливают по изложницам. Вынутые из них стальные слитки подвергают обработке давлением. Обработка давлением основана на высоких пластических свойствах стали. При этом изменяется не только форма стального слитка, но и его свойства. Существуют следующие способы обработки стальных слитков давлением: прокатка, волочение, ковка, штамповка, прессование.

Прокатка - наиболее распространенный способ изготовления профилированных стальных изделий. При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и в зависимости от профиля прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в холодном состоянии. Сортамент стали горячего проката - сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь периодического профиля и др.

При волочении заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения.

Ковка - обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т.д.).

Штамповка - разновидность ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование - процесс выдавливания находящейся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матрицы. Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получить профили различного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование - процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания - упрочненную холодносплющенную арматуру.

Виды стальных изделий. Металлообрабатывающая промышленность выпускает обширную номенклатуру различных стальных изделий.

Прокатную угловую сталь выпускают в виде равнобоких и неравнобоких уголков с шириной полок 20- 250 мм; швеллеры - высотой 50-400 мм при ширине полки 32 - 115 мм; двутавры - как обыкновенные, так и широкополочные. Высота обыкновенных двутавров 100- 700 мм, широкополочных - до 1000 мм. Отношение ширины полок к высоте колеблется от 1:2 (при малой высоте) до 1:3 (при большой высоте).

Профильную сталь применяют для изготовления при помощи сварки или клепки разнообразных стальных строительных конструкций (каркасы и фермы промышленных и гражданских зданий, пролетные строения мостов, балки перекрытий, опоры линий электропередач, фонари освещения зданий и т, д.). Кроме того, из прокатной и штампованной стали специальных профилей выполняют оконные переплеты промышленных и общественных зданий.

Прокатную сталь квадратного сечения, а также полосовую сталь используют для различных целей. Круглую сталь в основном употребляют в качестве арматуры для железобетона.

Прокатная листовая сталь имеет ряд разновидностей: прокатная толстолистовая шириной 600 - 3800 и толщиной 4 - 160 мм; прокатная тонколистовая шириной 600 - 1400 и толщиной 0,5 - 4 мм; листовая кровельная, в том числе оцинкованная; шириной 510 - 1500 и толщиной 0,5 - 2 мм, а также листовая волнистая и рифленая.

Прокатную сталь для шпунтованных свай выпускают разнообразных профилей; ее применяют для гидротехнического строительства.

Рис. 5. Сортамент прокатных сталей

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

Стальные трубы цельнотянутые и сварные диаметром 50 - 1620 мм используют для магистральных газо- и нефтепроводов, водоснабжения, отопления и других целей.

Мелкие стальные изделия в виде болтов, гаек, шайб, заклепок широко применяют при изготовлении из прокатных стальных профилей разнообразных конструкций.

Стальная арматура является важнейшей составной частью железобетона и призвана надежно работать вместе с бетоном в течение всего срока службы изделия или конструкции. Арматуру располагают главным образом в тех местах изделия или конструкции, которые подвергаются растягивающим усилиям, и она должна воспринимать эти усилия.

Арматурную сталь классифицируют по способу изготовления, профилю стержней и области применения. По способу изготовления арматурную сталь разделяют на горячекатаную стержневую и холоднотянутую проволочную. В зависимости от профиля стержней (характера их поверхности) стержневая и проволочная арматура бывает гладкой и периодического профиля. В зависимости от условий применения арматурную сталь подразделяют на ненапрягаемую и напрягаемую, т. е. применяемую соответственно для обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Рис. 6. Виды арматурной стали

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

Стержневую арматуру выпускают горячекатаной обычной, упрочненной вытяжкой в холодном состоянии и термически упрочненной.

В зависимости от механических свойств стержневую арматуру разделяют на классы с условным обозначением А. Условные обозначения классов горячекатаной арматурной стали: А-I, А-II, А-III, А-IV и др. При обозначении класса термически упрочненной арматурной стали к индексу А добавляют индекс "т", например Aт-III. Сталь, упрочненную вытяжкой, обозначают по классу исходной горячекатаной стали, но при этом добавляют еще индекс "в", например Ав-III.

Арматурную сталь класса А-I изготовляют из углеродистой стали марок Ст3, Ст3пс и Ст3кп, класса А-II диаметром 10 - 40 мм - из углеродистой стали марки Ст5, диаметром 40 - 90 мм - из низколегированной стали марки 18Г2С; класса А-III диаметром 6 - 40 мм - из низколегированной стали марки 25Г2С, диаметром 6 - 8 мм - из низколегированной стали марки 18Г2С; класca A-IV - из низколегированной стали марки 20ХГ2Ц (для конструкций с напрягаемой арматурой). Стержни арматурной стали класса А-1 поставляют круглыми, стержни класса А-II, А-III, А-IV - периодического профиля.

Проволочную арматуру разделяют на арматурную проволоку и арматурные проволочные изделия. Арматурная проволока может быть холоднотянутой класса В-I (низкоуглеродистой) для ненапрягаемой арматуры и класса B-II (углеродистой) для напрягаемой арматуры. Ее выпускают гладкой и периодического профиля диаметром 3 - 8 мм.

Арматурные проволочные изделия можно применять в строительстве и производстве железобетонных изделий в виде нераскручивающихся стальных арматурных прядей, стальных арматурных канатов, сварных арматурных сеток, а также тканых и сварных проволочных сеток, предназначенных для армоцементных конструкций.

Арматурную сталь диаметром менее 10 мм выпускают в мотках (бухтах), диаметром 10 мм и более - в прутках длиной 6 - 12 м.

Цветные металлы и их сплавы

В современном строительстве цветные металлы в чистом виде применяют довольно редко. В основном используют сплавы некоторых цветных металлов, например алюминия, меди, цинка, свинца, олова, марганца, характеризующиеся малой плотностью, высокими пластичностью и коррозионной стойкостью, а также хорошими декоративными качествами.

Алюминий и его сплавы. Алюминий представляет собой легкий металл серебристо-белого цвета, плотностью 2,7 г/см3. Он пластичен, хорошо прокатывается и отливается, температура плавления 657°C. Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость на воздухе за счет образования на поверхности защитной оксидной пленки. Алюминий в чистом виде применяют для отливки деталей, изготовления фольги, в виде тончайшего порошка, используемого в алюминиевой краске, а также в качестве газообразователя ячеистых бетонов.

Алюминиевые сплавы получают добавлением к алюминию меди, марганца, магния, кремния, Эти сплавы обладают повышенной по сравнению с алюминием прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Среди алюминиевых сплавов чаще всего употребляют алюминиево-марганцевые, алюминиево-магниевые, дюралюминиевые [сплав алюминия с медью (до 5,5%), магнием (до 0,8%), кремнием (0,8%) и марганцем (до 0,8%)] и альвиль, который имеет те же компоненты, что и дюралюминиевые сплавы, но в несколько иных соотношениях.

Из алюминиевых сплавов изготовляют различные виды проката: уголки, швеллеры, двутавры, плоские и волнистые листы, трубы и т. д. В настоящее время область применения алюминиевых сплавов значительно расширена. Сплавы рекомендуется использовать при возведении конструкций большепролетных сооружений, конструкций химических предприятий с агрессивными средами, в сборно-разборных легких конструкциях, для витрин и оконных переплетов, а также для ограждающих конструкций, например, трехслойных навесных панелей с обшивками из алюминиевых сплавов и средним слоем из теплоизоляционного материала, кровельных панелей, подвесных потолков, ограждений балконов и т. д.

Элементы конструкций из алюминиевых сплавов соединяют заклепками, болтами, а также при помощи сварки или склеивания.

Медь и ее сплавы. Медь - мягкий, пластичный металл красноватого цвета, имеющий плотность 8,9 г/см3, температуру плавления 1083°C и предел прочности при растяжении 200 МПа. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью. В чистом виде ее практически не применяют, однако в различных сплавах она является основным компонентом.

Сплав меди с цинком (до 40 %) называют латунью. Этот сплав обладает высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью, хорошо поддается горячей и холодной обработке. Латунь используют в виде листов, прутьев, проволоки, труб, а также изделий для архитектурной отделки интерьеров зданий.

Сплав меди с оловом, алюминием, марганцем или никелем называют бронзой. Она обладает высокими механическими, антифрикционными, литейными, декоративными свойствами, а также коррозионной стойкостью. Бронзу употребляют в виде разнообразных изделий для внутреннего оборудования зданий (санитарно-техническая арматура, фурнитура и др.).

Цинк - металл синевато-белого цвета. Он обладает высокой коррозионной стойкостью, поэтому служит для оцинковки стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, болтов и др.).

Свинец - тяжелый металл серовато-синего цвета. Он хорошо льется и прокатывается, устойчив к воздействию серной и соляной кислот, обладает высокими защитными свойствами от воздействия рентгеновских лучей. В строительстве из свинца изготовляют специальные трубы, коррозионностойкие покрытия, особые виды гидроизоляции (свинцом чеканят швы между тюбингами в стволах) и т. д.

В последние годы некоторые цветные металлы и их сплавы с успехом заменяют пластмассами, стеклом, химически обработанной древесиной и другими дешевыми и менее дефицитными материалами.

Защита металлов от коррозии и огня

Коррозией называют разрушение металла под воздействием окружающей среды. В результате коррозии безвозвратно теряется около 10 - 12% ежегодного производства черных металлов.

Виды коррозии. В зависимости от механизма процесса разрушения металла коррозия может быть химической и электрохимической.

Химическая коррозия возникает при действии на металл сухих газов или жидкостей органического происхождения, которые не являются электролитами. Примером химической коррозии служит окисление металла при высоких температурах, в результате чего на его поверхности возникает продукт окисления - окалина. Данный вид коррозии встречается редко.

Электрохимическая коррозия образуется в результате воздействия на металл электролитов (растворов кислот, щелочей и солей). Ионы металла переходят в раствор, при этом металл постепенно разрушается. Этот вид коррозии может также возникать при контакте двух разнородных металлов в присутствии электролита, когда между этими металлами проходит гальванический ток. В гальванической паре любых двух металлов будет разрушаться тот металл, который стоит ниже в ряду электрохимических напряжений. Например, железо в ряду напряжений расположено выше цинка, но ниже меди, следовательно, при контакте железа с цинком будет разрушаться цинк, а при контакте железа с медью - железо. В металлах из-за наличия неоднородных структурных составляющих может возникнуть микрокоррозия. Распространяясь по границам зерен металла, она вызывает межкристаллическую коррозию.

В зависимости от характера окружающей среды электрохимическая коррозия может быть атмосферной подводной и почвенной, а также вызванной блуждающими токами. Стальные конструкции часто подвергаются атмосферной коррозии. Находящиеся в атмосфере углекислый и сернистый газы образуют с влагой воздуха электролит, воздействующий на сталь. При этом степень разрушения стали зависит от вида и концентрации электролита. Подводная коррозия возможна в металле, погруженном в воду. Почвенная коррозия протекает при взаимодействии металла конструкций с почвой. Довольно распространена коррозия металла труб, металлического каркаса подземных сооружений от воздействия блуждающих токов, возникающих при близком расположении подземных кабелей, и рельсов трамвайных или железнодорожных путей.

Защита металла от коррозии. Существуют различные методы защиты металлов от коррозии, среди которых защита основного металла лакокрасочными, неметаллическими и металлическими пленками, а также введение в состав металла легирующих элементов.

Лакокрасочное покрытие - наиболее распространенный вид антикоррозионной защиты металла. В качестве пленкообразующих материалов используют нитроэмали, нефтяные, каменноугольные и синтетические лаки, краски на основе растительных масел и др. Образующаяся при покрытии на поверхностях конструкций плотная пленка изолирует металл от воздействия окружающей его влажной среды.

Неметаллические покрытия довольно разнообразны. К ним относят эмалирование, покрытие стеклом, цементно-казеиновым составом, листовым пластиком и плитками, напыление пластмасс и др. Эти покрытия довольно стойки к внешним агрессивным средам и надежно защищают металл от коррозии.

Металлические покрытия наносят на металлы гальваническим, химическим, горячим, металлизацией и другими способами. При гальваническом способе защиты на поверхности металла путем электролитического осаждения из раствора солей металлов создается тонкий защитный слой какого-либо металла. Покрываемое изделие при этом служит катодом, а осаждаемый металл - анодом. В качестве примера можно привести оцинковку закладных деталей для железобетонных конструкций. Химическая обработка металлических изделий обеспечивает создание на поверхности металла защитной пленки. При горячем способе покрытия изделия погружают в ванну с расплавленным защитным металлом (цинк, олово, свинец) .

Металлизация - распространенный способ защиты металлов. Он состоит в нанесении сжатым воздухом тончайшего слоя распыленного расплавленного металла на поверхность защищаемого от коррозии металлического изделия. Для этой цели применяют аппараты - металлизаторы.

При защите легированием в металл вводят легирующие элементы, повышающие сопротивление сплава коррозии. Например, введение меди значительно повышает коррозионную стойкость стали. Большой стойкостью к коррозии отличаются высоколегированные нержавеющие стали.

Защита от огня. Для защиты металлоконструкций наиболее перспективны так называемые вспучивающиеся покрытия или краски на основе полимерных связующих, которые при воздействии огня образуют закоксовавшийся вспененный расплав, препятствующий нагреву металла.

Для повышения предела огнестойкости (600°C) металлических, в том числе алюминиевых конструкций применяют также асбестоцементные, асбестоперлитовые, асбестовермикулитовые покрытия, наносимые пневмонапылением. Новый вид огнезащиты - фосфатное покрытие толщиной 20 - 30 мм, представляющее собой стойкую при 1000°С монолитную легкую массу. Традиционные способы увеличения предела огнестойкости - использование облицовок и штукатурок из несгораемых огнезащитных материалов (кирпича, пустотелой керамики, гипсовых плит, растворов и др.).

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Основные сведения о минеральных вяжущих и их классификация

Минеральными вяжущими веществами называют искусственно получаемые порошкообразные тонкодисперсные материалы, которые при затворении водой (водными растворами) образуют пластичное тесто, способное в результате физико-химических процессов затвердевать, т. е. переходить в камневидное состояние. Это свойство минеральных вяжущих веществ позволяет широко использовать их для приготовления строительных растворов и бетонов, а также для производства различных безобжиговых искусственных каменных материалов, изделий и деталей, клеящих и красочных составов. Это самая большая по номенклатуре, наиболее распространенная и значимая по применению группа строительных материалов.

Минеральные вяжущие вещества разделяют на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие - вещества, которые способны твердеть, длительное время сохранять и повышать свою прочность только на воздухе. K воздушным вяжущим относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, жидкое стекло и др.

Гидравлическими вяжущими называют вещества, которые способны твердеть, длительное время сохранять и повышать свою прочность не только на воздухе, но и в воде. K гидравлическим вяжущим относятся гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент, водонепроницаемые расширяющиеся и безусадочные цементы и др.

Строительная воздушная известь

Строительная воздушная известь представляет собой вяжущее вещество, получаемое умеренным обжигом (не до спекания) известняков, содержащих не более 6 % глинистых примесей. В результате обжига образуется продукт в виде кусков белого цвета, называемый негашеной комовой известью (кипелкой). В зависимости от характера последующей обработки различают следующие виды воздушной извести: негашеная молотая, гашеная гидратная (пушонка), известковое тесто, известковое молоко.

Производство воздушной извести. В качестве сырья для производства воздушной извести используют известняки, мел, доломитизированные известняки и др., состоящие в основном из углекислого кальция CaCO3, а также небольшого количества примесей - доломита, гипса, кварца и глины.

Технологический процесс производства воздушной извести состоит из добычи в карьере карбонатной породы (известняка или мела), дробления и сортировки ее и последующего обжига в шахтных или вращающихся печах, где за счет горения топлива температура повышается до 1000 - 1200оC и происходит разложение (диссоциация) известняка: СаСО3 = СаО+СО2. Присутствующий в известняках углекислый магний МgСО3 в процессе обжига также разлагается: MgCO3 = МgO+CO2.

При дальнейшем опускании в зону охлаждения обожженная известь охлаждается воздухом, а затем выгружается в нижней печи специальным механизмом.

Применяя вращающиеся печи, можно получать известь из любых карбонатных пород, в том числе мелкой известковой щебенки и рыхлого влажного мела, которые не могут быть обожжены в шахтных печах.

Комовую известь высокого качества можно получить при равномерном обжиге известняка до полного удаления из него СО2. Оставшиеся после обжига оксиды кальция и магния (CaO+MgO) являются активными составляющими извести; их количество определяет качество полученного материала как вяжущего вещества. Кроме того, в комовой извести обычно содержится некоторое количество недожога и пережога. Недожог - неразложившийся углекислый кальций получается при загрузке в печь слишком больших кусков известняка или недостаточно высокой температуры обжига. Недожог почти не обладает вяжущими свойствами и поэтому является балластом. Пережог получается в результате сплавления оксида кальция с примесями - кремнеземом, глиноземом и оксидом железа - под действием слишком высокой температуры. Зерна пережога гасятся очень медленно. Наличие в извести пережога опасно, так как непогасившиеся частицы могут начать гаситься в затвердевшем известковом растворе и вызвать трещины в штукатурке, силикатных изделиях и т. д.

Негашеная комовая известь состоит из пористых кусков плотностью 900 - 1100 кг/м3 и является полупродуктом, который затем измельчают или гасят для превращения в товарную продукцию.

При помоле в шаровых мельницах предварительно дробленых кусков комовой извести-кипелки получат негашеную молотую известь , которая в отличие от гашеной извести обладает способностью быстро схватываться и твердеть. В процессе помола комовой извести-кипелки можно вводить различные добавки: шлаки, золы, песок, пемзу, известняк, которые улучшают ее свойства и снижают стоимость. Таким способом, например, получают карбонатную известь, состоящую из 30 - 40% негашеной извести и 70 - 60% необожженного известняка. Эту известь используют для приготовления саморазогревающихся строительных растворов, применяемых в зимних условиях.

Гашение извести. При обработке негашеной комовой извести водой оксид кальция превращается в гидрат по следующей формуле: CaO+H2O = Ca(ОН)2. Этот процесс носит название "гашение извести" и сопровождается выделением большого количества теплоты и интенсивным парообразованием (именно в связи с этим негашеную комовую известь обычно называют кипелкой).

В зависимости от количества воды, взятой при гашении, получают гидратную известь (пушонку), известковое тесто или известковое молоко.

Гидратную известь (пушонку) получают в том случае, когда для гашения извести-кипелки берут 6О - 70 % воды. При этом 32% воды участвует в химической реакции, а остальная вода испаряется в процессе гашения. В результате гашения объем полученной извести увеличивается в 2 - 3 раза по сравнению с исходным. Получившаяся гидратная известь представляет собой белый порошок, состоящий из мельчайщих частиц гидроксида кальция.

Известковое тесто представляет собой пластическую массу белого цвета плотностью до 1400 кг/м3. При гашении извести - кипелки в известковое тесто расход воды увеличивают до 2 - 3 частей по массе на 1 часть извести. Используя большее количество воды получают известковое молоко . Объем получившегося известкового теста в 2 - 3,5 раза превышает объем исходной извести- кипелки.

В зависимости от скорости гашения комовую известь разделяют на быстрогасящуюся со сроком гашения до 20 мин и медленногасящуюся - свыше 20 мин. Чем выше активность извести, тем быстрее происходит ее гашение и тем больше выход известкового теста.

Твердение извести. Известь, как правило, применяют в строительстве в виде раствора, т. е. в смеси с песком. Известковый раствор на воздухе постепенно затвердевает, превращаясь в искусственный камень. При твердении известкового раствора, приготовленного на гашеной извести, одновременно протекает несколько процессов. В результате испарения из известкового раствора избытка влаги мельчайшие частицы Са(ОН)2 сближаются между собой, кристаллизуются, а затем образуют прочные кристаллические сростки, которые связывают зерна песка в монолитное тело. Наряду с этим вследствие взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом воздуха происходит процесс карбонизации с выделением воды:

Са(ОН)2 + CO2+ nH2O = CaCO3 + (n+1)Н2О.

В результате этой реакции образуется углекислый кальций, обладающий высокой прочностью. Однако процесс карбонизации происходит очень медленно, так как на поверхности слоя известкового раствора образуется плотная корка из углекислого кальция, затрудняющая проникание углекислого газа внутрь. Этим объясняется исключительно медленное нарастание прочности известковых растворов.

Области применения, транспортирование и хранение. Воздушную известь используют для приготовления известково-песчаных и смешанных строительных растворов, применяемых для каменной кладки и штукатурки, в производстве силикатных изделий, а также в качестве связующего вещества для малярных красочных составов. Кроме того, воздушную известь молотую и пушонку употребляют при производстве известково-пуццолановых и известково-шлаковых цементов, которые обладают гидравлическими свойствами.

Растворы и изделия, изготовленные на воздушной извести, не следует применять во влажных помещениях и кладке фундаментов, так как они неводостойки. Штукатурные растворы на молотой негашеной извести рекомендуется использовать как при положительной, так и при отрицательной температуре наружного воздуха. В данном случае благодаря тому, что во время приготовления и нанесения раствора выделяется большое количество теплоты, излишки влаги испаряются, а сам раствор быстро набирает прочность.

Негашеную комовую известь перевозят навалом в железнодорожных вагонах или автосамосвалах, закрывая кузова брезентом для защиты извести от увлажнения. Тарой для перевозки извести пушонки и молотой извести служат плотно закрывающиеся металлические контейнеры и бумажные битуминизированные мешки. Известковое тесто перевозят в автосамосвалах со специально приспособленными кузовами, а известковое молоко - в автоцистернах.

Из извести-кипелки, поступающей на строительную площадку, следует приготовлять известковое тесто, которое при малых объемах работ длительное время может находиться в творильных ямах. Известь пушонку можно хранить непродолжительное время в мешках в сухих складских помещениях. Молотую известь не следует хранить более месяца, так как она постепенно гасится влагой воздуха и теряет активность.

При транспортировании, хранении и применении воздушной извести необходимо соблюдать меры предосторожности, так как известковая пыль раздражающе действует на органы дыхания и влажную кожу.

Гипсовые вяжущие вещества

Гипсовыми вяжущими веществами называют материалы, состоящие из полуводного гипса или ангидрита и получаемые путем тепловой обработки тонко измельченного исходного сырья.

Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служат: природный двуводный гипс CaSO4 Н2О, называемый, гипсовым камнем, природный ангидрит CаSO4 и некоторые отходы промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций (фосфогипс, борогипс и др.).

Гипсовые вяжущие вещества в зависимости oт температуры обработки сырья разделяют на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой двуводного гипса при 110 - 180оС. Они состоят главным образом из тонкоизмельченного полуводного гипса CaSO40,5Н2О и характеризуются быстрым твердением. Высокообжиговые гипсовые вяжущие обжигают при 600 - 1000оС. В них преимущественно входит безводный гипс - ангидрит CaSО4, они отличаются медленным твердением. К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам относят: формовочный, строительный и высокопрочный гипс, а также гипсовые вяжущие из материалов содержащих гипс. К высокообжиговым вяжущим веществам относят: ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) и высокообжиговый гипс (экстрих-гипс),

Производство строительного гипса. При обжиге кускового гипсового камня в сушильном барабане (вращающейся печи) происходит непосредственное соприкосновение раскаленных дымовых газов с медленно движущимся дробленым гипсовым камнем. После обжига гипс измельчают в шаровой мельнице.

Совместный обжиг гипсового камня и его помол производят в шаровых мельницах. В них гипсовый камень измельчается, мелкие частицы его подхватываются потоком поступающих в мельницу горячих дымовых газов. Находясь во взвешенном состоянии, частицы гипсового камня обезвоживаются до превращения в полуводный гипс и выносятся дымовыми газами из мельницы в пылеосадочные устройства.

Твердение строительного гипса. При затворении полуводного гипса водой образуется пластичное тесто, которое быстро загустевает и переходит в камневидное состояние. Процесс твердения полуводного гипса происходит в результате гидратации полуводного гипса, т.е. присоединения к нему воды и перехода его в двуводный гипс: CaSO4 0,5H2O + 1,5Н2О = CaSO4 2H2O.

Дальнейшее высыхание твердеющей массы приводит к значительному повышению прочности гипса. Для ускорения твердения применяют искусственную сушку гипсовых изделий при температуре не выше 60-65оС. При более высокой температуре может начаться процесс разложения двуводного гипса, сопровождаемый резким снижением прочности. При твердении гипс увеличивается в объеме до 1%, хорошо заполняя формы при отливке гипсовых изделий.

Свойства строительного гипса. Строительный гипс представляет собой порошок белого цвета. Плотность его в рыхлом состоянии колеблется в пределах 800 - 1100 кг/м3, а в уплотненном - 1250- 1450 кг/м3, истинная плотность - 2,6 - 2,75 г/cм3. Он является быстросхватывающимся и быстротвердеющим вяжущим веществом, к основным свойствам которого относят водопотребность, сроки схватывания, тонкость помола и предел прочности при сжатии и изгибе.

Нормальная густота гипсового теста характеризуется количеством воды (в %), при котором получается тесто заданной подвижности. Строительный гипс обладает большой водопотребностью. Для получения теста нормальной густоты необходимо 50 -70% воды по массе гипса.

Сроки схватывания гипсового теста (т.е. такой густоты теста, при которой механическое перемешивание его затруднено или невозможно) определяются на приборе Вика по глубине погружения иглы в гипсовое тесто. По срокам схватывания гипсовое тесто делят на три группы: А - быстросхватывающееся (начало схватывания 2 мин и конец схватывания 15 мин); Б - нормально схватывающееся (соответственно 6 мин и 30 мин); В - медленносхватывающееся (начало схватывания не ранее 20 мин с момента затворения гипсового теста).

Быстрое схватывание гипса затрудняет работу, поэтому в случае необходимости к гипсовому тесту добавляют замедлители схватывания (животный клей, сульфитно-дрожжевую бражку - СДБ) в количестве 0,1 - 0,3% по массе гипса. При производстве гипсобетонных изделий может возникнуть необходимость в ускорении схватывания гипса, тогда к нему добавляют в небольшом количестве двуводный гипс и поваренную соль.

Прочность гипса характеризуется пределом прочности при сжатии образцов-балочек размером 40х40х160 мм из гипсового теста нормальной густоты, испытанных через 1,5 ч после изготовления.

По пределу прочности при сжатии установлено 12 марок гипса: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25, при этом минимальный предел прочности при изгибе для каждой марки должен соответствовать значению соответственно от 1,2 до 8 МПа.

Вследствие сравнительно высокой растворимости двуводного гипса прочность гипсовых изделий при увлажнении резко снижается (на 40 - 70 %) и обнаруживаются пластические деформации. Водостойкость гипса повышают добавлением молотого гранулированного доменного шлака. Кроме того, водостойкость гипсовых изделий увеличивают, покрывая их поверхности различными составами, образующими водонепроницаемые пленки.

Применение строительного гипса. Строительный гипс применяют для изделий и деталей, используемых в конструкциях зданий и сооружений при относительной влажности воздуха не более 60 %. Из строительного гипса изготовляют гипсовые и известково-гипсовые штукатурные растворы, декоративные, теплоизоляционные и отделочные материалы, а также различные архитектурные детали методом отливки.

Высокопрочным гипсом называют вяжущее, состоящее в основном из полуводного сульфата кальция, получаемое термической обработкой двуводного гипса в автоклаве под давлением пара или кипячением в водных растворах некоторых солей с последующими сушкой и измельчением в тонкий порошок. Он обладает меньшей водопотребностью (около 45 %), что позволяет получать гипсовые изделия с большой плотностью и прочностью.

Предел прочности при сжатии высокопрочного гипса не менее 25 - 30 МПа. Сроки схватывания высокопрочного гипса примерно такие же, как и у строительного.

Высокопрочный гипс применяют для изготовления архитектурных деталей и строительных изделий с повышенными требованиями по прочности.

Магнезиальные вяжущие вещества

Магнезиальные вяжущие вещества представляют собой тонкомолотые порошки, содержащие оксид магния и твердеющие при затворении водными растворами хлористого или сернокислого магния. Магнезиальные вяжущие вещества в зависимости от применяемого сырья разделяют на два вида: каустический магнезит и каустический доломит.

Каустический магнезит - порошок, состоящий в основном из оксида магния. Его получают обжигом горной породы магнезита MgCO3 - в шахтных или вращающихся печах при 700 - 800оС с последующим измельчением продукта обжига в тонкий порошок. При обжиге магнезит разлагается по реакции

О3 = MgO+СО2.

Готовое вяжущее упаковывают в стальные барабаны или бумажные мешки и направляют к месту применения. Из-за высокой гигроскопичности каустический магнезит не подлежит длительному хранению.

Каустический магнезит затворяют не водой, а водными растворами хлористого или сернокислого магния. Каустический магнезит твердеет сравнительно быстро. Схватывание его должно наступать не ранее 20 мин, а конец - не позднее 6 ч с момента затворения. Марки каустического магнезита - 400, 500 и 600.

Каустический доломит - порошок, состоящий из оксида магния и углекислого кальция, получаемый обжигом природного доломита СаMg(CО3)2 с последующим измельчением в порошок. В связи с содержанием инертного CaCO3 каустический доломит по качеству уступает каустическому магнезиту. Марки каустического доломита - 100, 150, 200 и 300.

Магнезиальные вяжущие вещества обладают способностью прочно сцепляться с древесными опилками, стружками и другими органическими заполнителями, которые в изделиях не подвергаются разложению и загниванию. Эти вяжущие применяют для изготовления теплоизоляционных материалов (фибролита и др.), устройства теплых и износостойких ксилолитовых полов, ступеней, плиток.

Жидкое стекло и кислотоупорный цемент

К воздушным вяжущим веществам относятся жидкое стекло и затворяемый им кислотоупорный цемент.

Жидкое стекло представляет собой натриевый Na2nSiO2 или калиевый силикат К2ОnSiO2 желтого цвета, который получают сплавлением в стекловаренных печах при температуре 1300 - 1400оC измельченного чистого кварцевого песка с содой Na2CO3 или поташем К2СО3. Образовавшиеся после быстрого охлаждения расплава прозрачные куски и глыбы синеватого, зеленоватого и желтоватого цвета под действием пара (в автоклаве) под давлением 0,4 - 0,6 МПа растворяются, превращаясь в вязкий раствор, обычно называемый жидким стеклом. На строительства жидкое стекло (преимущественно натриевое, как более дешевое) поступает с истинной плотностью 1,32 - 1,50 г/см3. Оно твердеет только на воздухе. Процесс твердения жидкого стекла значительно ускоряется за счет введения катализатора - кремнефтористого натрия Na2SiF6.

Жидкое стекло применяют для получения силикатных огнезащитных красок, предохранения естественных каменных материалов от выветривания, уплотнения (силикатизации) грунтов, а также для получения кислотоупорного цемента и жаростойкого бетона.

Кислотоупорный цемент - тонко измельченная смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворенная жидким стеклом. Схватывание и твердение кислотоупорного цемента происходит при температуре не ниже 10оС, при этом начало схватывания должно наступать не ранее 30 мин, а конец - не позднее 6 ч с момента затворения. Кислотоупорный цемент неводостоек и сравнительно быстро разрушается от действия воды и слабых растворов кислот.

Растворы и бетоны, приготовленные на кислотоупорном цементе, обладают высокой стойкостью против действия ряда минеральных и органических кислот, но разрушаются в щелочах, а также в фосфорной, фтористоводородной и кремнефтористоводородной кислотах. Их применяют для футеровки химической аппаратуры, возведения резервуаров и других сооружений химической промышленности.

Гидравлическая известь

Гидравлическая известь - продукт умеренного обжига мергелистых известняков, содержащих 6 - 20% глинистых и тонкодисперсных песчаных примесей. Обжигают эти известняки в шахтных печах при 900 - 1100оС. При этой температуре углекислый кальций разлагается и часть оксида кальция соединяется с оксидами кремния и алюминия, которые содержатся в глине. В результате образуются силикаты и алюминаты кальция, придающие гидравлической извести способность твердеть в воде.

Гидравлическая известь, немного смоченная водой, полностью или частично гасится и рассыпается в порошок, а залитая достаточным количеством воды образует тесто, которое начав твердеть на воздухе, продолжает твердеть в воде, при этом физико-химические процессы воздушного твердения сочетаются с гидравлическими.

Негашенная гидравлическая известь представляет собой порошок. Прочность при сжатии гидравлической извести через 28 сут от 1,7 до 10 МПа.

Гидравлическую известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, эксплуатируемых как в сухих, так и во влажных средах, а также для бетонов низких марок. Растворы и бетоны на гидравлической извести в первые сутки твердения необходимо защищать от воздействия воды, так как они легко размываются.

Гидравлическую известь следует хранить в сухих закрытых помещениях, а при перевозке предохранять от увлажнения.

Портландцемент

Портландцемент и его разновидности являются основными вяжущими веществами в современном строительстве. В Украине его производство составляет свыше 65% выпуска всех цементов.

Портландцементом называют гидравлическое вяжуее вещество, получаемое тонким помолом портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.

Портландцементный клинкер - продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины и некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.). При обжиге обеспечивается преимущественное содержание в клинкере высокоосновных силикатов кальция.

Для регулирования сроков схватывания портландцемента в клинкер при помоле вводят двуводный гипс в количестве 1,5 - 3,5% (по массе цемента в пересчете на SO3).

По составу различают портландцемент без добавок, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент и др.

Исходным сырьем для производства портландцемента служат горные породы - мергели, известняковые (известняки, мел, ракушечник, известковый туф и др.) и глинистые горные породы. С известняком в состав цемента. вносится основной оксид CaO; с глиной - оксиды кремния, алюминия, железа; с мергелем - все необходимые оксиды.

В природе редко встречаются горные породы, химический состав которых обеспечивал бы получение после обжига портландцементного клинкера необходимого качества, поэтому сырьевую смесь составляют из двух или нескольких компонентов. Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге портландцементный клинкер имел следующий химический состав; 63 - 68% СаО; 4 - 8 % Al2О3; 19 - 24 %SiO2, 2 - 6% Fe2О3. Обычно сырьевая смесь состоит из 75 - 78% известняка и 25 - 22% глины.

Производство портландцемента состоит из следующих основных процессов: добычи сырья и подготовки сырьевой смеси, обжига смеси до спекания с получением клинкера, помола клинкера в тонкий порошок совместно с добавками.

В зависимости от свойства сырья и типа обжигательных печей сырье к производству готовят мокрым или сухим способом. При мокром способе компоненты измельчают и смешивают в присутствии воды, и смесь в виде жидкой массы (шлама) обжигают; при сухом способе сырьевые компоненты измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде.

Производство портландцемента мокрым способом . Мягкие горные породы (глину и мел), применяемые в качестве сырьевых компонентов, предварительно дробят в валковых дробилках и измельчают в специальных бассейнах-болтушках в присутствии 36 - 42 % воды по массе. Суспензии глины и мела в заданных соотношениях поступают в шаровые мельницы для тонкого измельчения. Если в качестве известкового компонента применяют твердый известняк, то его подвергают двухстадийному дроблению на щековой и молотковой дробилках, а затем измельчают в шаровых мельницах совместно с глиняной суспензией, получаемой в болтушках.

Рис.1. Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом

Приемный бункер для известняка; 1- дробилка для известняка;3 - вагонетка с глиной; 4 - дозатор для воды; 5 - бассейн-болтушка;6 - сырьевая мельница; 7 - шламбассейны; 8 - вращающаяся печь;9 - форсунка подачи топлива; 10 - склад клинкера; 11 - складгипсового камня; 12 - дробилка для гипсового камня; 13 - шароваямельница; 14 - силосы для цемента; 15 - вагоны с цементом)

Шаровая многокамерная мельница - стальной цилиндр длиной 8 - 15 и диаметром 1,8 - 3,5 м, внутренняя поверхность которого облицована стальными плитами. Мельница вращается на полых цапфах, через которые, с одной стороны, ее загружают, а с другой - разгружают. Смесь известняка, глины и воды проходит через все камеры мельницы и, измельчаясь под ударами стальных шаров и цилиндров, выходит из нее в виде сметанообразной массы - шлама.

Шлам перекачивают насосами в цилиндрические щламбассейны для корректировки его состава. При корректировке устанавливают химический состав шлама (в основном определяют содержание углекислого кальция) и в соответствии с полученными данными добавляют к нему строго определенное количество шлама другого состава (обогащенного или обедненного известняком). Скорректированный таким образом шлам перекачивают в шламбассейны для хранения. В этих бассейнах шлам постоянно перемешивают. По мере необходимости шлам насосами подают на обжиг.

Сырьевую смесь обжигают во вращающихся печах (рис.2), представляющих собой сварной цилиндр диаметром 4 - 5 и длиной 150 - 185 м, футерованный изнутри огнеупорным материалом. Печь расположена под небольшим уклоном к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Питатели-дозаторы подают шлам в верхний конец печи. Вследствие вращения печи и наклона ее к горизонту обжигаемый материал перемещается к нижнему концу печи. Навстречу ему движутся горячие топочные газы, образовавшиеся при сгорании топлива (пылевидный уголь, мазут, газ), подаваемого через форсунку в нижней части печи.

Рис.2. Вращающаяся печь для обжига цементного клинкера

Дымосос; 2 - питатель для подачи шлама; 3 - барабан; 4 - привод;5 - форсунка подачи топлива; 6 - холодильник)

Шлам омывается горячими газами и подсушивается, образуя комья. По мере продвижения материала при 500 - 750оС выгорают органические вещества и начинается дегидратация - выделение химически связанной воды из глинистой составляющей, сопровождаемая потерей пластичности и связующих свойств. Комья материала распадаются в подвижный порошок. При 750 - 800оС и выше в материале начинаются реакции в твердом состоянии между его составляющими. Их интенсивность возрастает с повышением температуры. Происходит сцепление отдельных частичек порошка и образование гранул разного размера. При прохождении зоны с температурой 900 - 1000оС происходит диссоциация карбонатов кальция с выделением оксида кальция и углекислого газа, который уносится с продуктами горения. Оксид кальция СаО вступает в химическое взаимодействие с глиноземом, оксидом железа и кремнеземом. Реакции химического связывания СаО протекают в твердом состоянии достаточно интенсивно при 1200 - 1250оС, при этом образуются следующие химические соединения: 2CaОSiO2 (двухкальциевый силикат), 3CaOAl2О3 (трехкальциевый алюминат) и 4СаОAl2О3Fе2О3 (четырехкальциевый алюмоферрит) . При температуре свыше 1300оС 3CaOАl2О3 и 4СаОAl2О3Fе2О3 переходят в расплав, в котором частично растворяются СаО и 2CaO SiO2 до насыщения раствора; в растворенном состоянии они реагируют между собой, образуя трехкальциевый силикат ЗСаО SiO2 - основной минерал портландцемента. Процесс образования трехкальциевого силиката, выделяющегося из жидкой фазы в виде кристаллов, способных расти, обычно происходит около 1450оC. При понижении температуры до 1300оС жидкая фаза застывает, процесс спекания заканчивается.

Клинкер - гранулы серовато-зеленого цвета размером 15 - 25 мм для охлаждения до 80 - 100оC направляют в холодильник, откуда он поступает на склад, где его выдерживают в течение 1 - 2 недель. В результате вылеживания содержащийся в клинкере в небольшом количестве свободный оксид кальция гасится влагой воздуха, а также уменьшается твердость зерен клинкера, что, в свою очередь, облегчает его помол и обеспечивает равномерность изменения объема цемента при твердении.

Клинкер измельчают в многокамерных шаровых мельницах. В процессе помола к нему добавляют 2 - 5 % гипсового камня для регулирования сроков схватывания портландцемента и различные, предусмотренные технологическим процессом, добавки. Из шаровых мельниц портландцемент пневмотранспортом подают в силосы - железобетонные башни цилиндрической формы емкостью до 6000 т каждая, где цемент перед отправкой потребителю выдерживается в течение 10 - 14 сут. За это время нагретый при помоле цемент охлаждается и оставшаяся в нем свободная известь гасится, что улучшает свойства цемента. Из силосов цемент поступает в упаковочные машины для расфасовки в многослойные бумажные мешки по 50 кг или направляется в специально оборудованные средства железнодорожного, автомобильного или водного транспорта.

Сухой способ производства портландцемента применяют в том случае, когда сырьевыми материалами являются мергели или смеси твердых известняков и глин влажностью 8 - 10 %. По этому способу сырьевые материалы после предварительного дробления и сушки совместно измельчают в шаровых мельницах. Сухую сырьевую муку с остаточной влажностью 1 - 2% гранулируют в зерна размером 20 - 40 мм или формуют, добавляя молотый на механических прессах уголь в брикеты.

Гранулы обжигают в циклонных теплообменниках, конвейерных кальцинаторах, вращающихся печах, а брикеты - в шахтных. Дальнейшие производственные операции осуществляют в той же последовательности, что и при мокром способе.

При сухом способе на обжиг клинкера расходуется значительно меньше топлива, чем при мокром.

Наряду с рассмотренными выше основными способами производства в последнее время применяют комбинированный способ, совмещающий достоинства мокрого и сухого способов. Сущность его заключается в том, что сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, после чего шлам обезвоживают на специальных установках и в виде гранул, как и при сухом способе, обжигают во вращающихся печах.

Минералогический состав клинкера. Клинкер состоит из следующих основных клинкерных минералов: трехкальциевого силиката ЗСаОSiO2 (алит), двухкальциевого силиката 2СаО. SiO2 (белит), трехкальциевого алюмината 3СаО. Аl2О3, четырехкальциевого алюмоферрита 4CaOАl2О3 Fe2O3. Часто используют их сокращенное обозначение: соответственно C3S, C2S, С3А и C4AF. Содержание этих минералов в портландцементном клинкере обычно колеблется в следующих пределах: 40 - 65% C3S; 15 - 40 % C2S; 2 - 15 % C3A и 10 - 20% С4АF. При увеличении содержания указанных выше минералов портландцемент получает специальное название. Так, при большом содержании C3S (более 56%) его называют алитовым; C2S (более 38%) - белитовым; С3А (более 12%) - алюминатным и пр. Если в клинкере содержится повышенное количество двух минералов, его соответственно называют алитоалюминатным и пр. Каждый из клинкерных минералов имеет свои специфические свойства.

Трехкальциевый силикат (алит) является химически активным минералом, он оказывает решающее влияние на прочность и скорость твердения цемента. Взаимодействие его с водой происходит с большим тепловыделением. Алит обладает способностью быстро твердеть и набирать высокую прочность, поэтому повышенное содержание трехкальциевого силиката обеспечивает получение из данного клинкера высокомарочного портландцемента.

Двухкальциевый силикат (белит), затворенный водой, в начальный период твердеет медленно, при этом выделяется очень мало теплоты. Продукт твердения в течение первого месяца обладает невысокой прочностью, но затем на протяжении нескольких лет при благоприятных условиях прочность его неуклонно возрастает.

Трехкальциевый алюминат характеризуется высокой химической активностью, в первые сутки твердения он выделяет наибольшее количество теплоты гидратаци и быстро твердеет. Однако продукт его твердения имеет низкую долговечность и малую стойкость против воздействия сернокислых соединений.

Четырехкальциевый алюмоферрит характеризуется умеренным тепловыделением, твердеет он значительно медленнее, чем алит, но быстрее, чем белит. Прочность продуктов его гидратации несколько ниже, чем у алита.

Располагая данными о минералогическом составе портландцементного клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее составить представленге об основных свойствах портландцемента и особенностях его твердения в различных условиях.

Твердение портландцемента. При затворении портландцемента водой сначала образуется пластичное клейкое цементное тесто, которое затем постепенно густеет, переходя в камневидное состояние. Твердение и есть процесс превращения цементного теста в цементный камень.

При смешивании портландцемента с водой в начальный период происходит растворение клинкерных минералов с поверхности цементных зерен, взаимодействие минералов с водой и образование насыщенного по отношению к клинкерным минералам раствора. По достижении насыщения растворение клинкерных минералов прекращается, но реакции между ними и водой продолжаются. Реакции присоединения воды к клинкерным минералам называют реакциями гидратации, а реакции разложения клинкерных минералов под действием воды на другие соединения - реакциями гидролиза.

Во втором периоде в насыщенном растворе идут реакции гидратации клинкерных минералов в твердом состоянии, т. е. происходит прямое присоединение воды к твердой фазе вяжущего без предварительного его растворения. Продуктами этих реакций являются гидратные новообразования в коллоидном виде. Период коллоидации сопровождается повышением вязкости цементного теста, обусловливающим схватывание цемента.

В третьем периоде протекают процессы перекристаллизации мельчайших коллоидных частиц новообразований, т.е. растворение мельчайших частиц и образований крупных кристаллов. Кристаллизация сопровождается твердением цементного теста и ростом прочности образовавшегося цементного камня.

Взаимодействие клинкерных минералов с водой протекает по следующим реакциям:

CaO . SiO2 + (n+1)Н2О = 2CaO . SiО2 . пН2О + Са(ОН)2;

2СаО. SiO2 + nH2O = 2CaO . SiO2 . nH2O;

CaO . Аl2О3 . Fe2O3 + nH2O = 3CaO . Аl2О3 . 6H2O + CaO . Fe2O3(n - 6)Н2О

Приведенные химические реакции показывают, что в результате взаимодействия клинкерных минералов с водой образуются новые соединения - гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Минералы C3S и C4AF, взаимодействуя с водой, подвергаются гидролизу, т.е. разложению, и минералы C2S и С3А гидратируются, т. е. присоединяют воду.

По скорости взаимодействия с водой клинкерные минералы располагаются в следующей последовательности: С3А, C4AF, C3S и C2S. Скорость гидратации клинкерных минералов в значительной мере определяет и скорость их твердения. Чем быстрее гидратирует минерал, тем быстрее происходит его схватывание и твердение.

В случае твердения цемента на воздухе рассмотренные выше процессы дополняются карбонизацией гидроксида кальция: Са(ОН)2 + СО2 = CaCO3 + H2O. Она происходит главным образом на поверхности цементного камня с образованием тонкой корки из углекислого кальция, способствующей повышению стойкости и прочности цементного камня.

В результате процессов коллоидации, кристаллизации, уплотнения гидратных новообразований и карбонизации образуется прочный цементный камень. Прочность цементного камня нарастает довольно быстро в течение первых 3 - 7 сут, затем в интервале 7 - 28 сут рост прочности замедляется. В дальнейшем повышение прочности относительно невелико, но может продолжаться в течение многих лет, особенно во влажной и теплой среде. В сухой среде или при отрицательных температурах процессы твердения цементного камня приостанавливаются и рост прочности прекращается. Замерзший цементный камень обладает способностью после оттаивания продолжать набирать прочность.

Твердение портландцемента можно ускорить за счет повышения температуры окружающей среды и введения химических веществ - ускорителей твердения (хлористого кальция, хлористого натрия и др.) в количестве 1 - 2% по массе цемента.

Твердение портландцемента сопровождается выделением теплоты. Это свойство портландцемента является положительным при бетонировании монолитных конструкций в зимних условиях и отрицательным в тех случаях, когда разогрев массивных бетонных конструкций (плотины, массивные фундаменты и т. п.) может привести к появлению в них трещин от температурного расширения.

Свойства портландцемента. К основным свойствам портландцемента относятся средняя плотность, истинная плотность, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность.

Средняя плотность портландцемента в рыхлом состоянии равна 1000 - 1100 кг/м3, а в уплотненном - 1400 - 1700 кг/м3. Истинная плотность портландцемента 3,05 - 3,15 г/см3.

Тонкость помола цемента характеризуется остатком на сите №008 (размер ячейки в свету 0,08 мм) не более 15% или удельной поверхностью - величиной поверхности зерен (в см) в 1 г цемента. Удельная поверхность портландцемента должна быть 2500 - 3000 см2/г. С увеличением тонкости помола цемента до 4000 - 4500 см2/г возрастает скорость твердения и повышается прочность цементного камня.

Водопотребность портландцемента определяется количеством воды (в %), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т. е. заданной стандартной пластичности.

Нормальной густотой цементного теста считается его консистенция, при которой игла прибора Вика, погружаясь, не доходит до дна (стекла) кольца на 5 - 7 мм. Водопотребность портландцемента обычно колеблется в пределах 22 - 26% и зависит от минералогического состава и тонкости помола.

Сроки схватывания цементного теста нормальной густоты определяют на приборе Вика по глубине проникания иглы. Начало схватывания должно наступить не ранее чем через 45 мин, а конец схватывания - не позднее 10 ч от начала затворения. У портландцемента обычно начало схватывания наступает через 1- 2 ч, а конец - через 4 - 6 ч. На сроки схватывания портландцемента влияют его минералогический состав, тонкость помола и другие факторы. Равномерность изменения объема цемента устанавливают на образцах-лепешках, изготовленных из цементного теста нормальной густоты, при кипячении их в воде и выдерживании над паром. Цемент считают доброкачественным, если на лицевой стороне лепешек, подвергнутых испытаниям, нет радиальных, доходящих до краев трещин или сетки мелких трещин, видимых в лупу или невооруженным глазом, а также каких-либо искривлений. Одной из причин неравномерного изменения объема цементного камня при твердении является наличие в цементе свободных СаО и MgО, которые гидратируются с увеличением объема в уже затвердевшем цементном камне, разрушая его.

Прочность портландцемента характеризуется его маркой. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов призм размером 40х40х х160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:3 (по массе) на стандартном вольском песке при водоцементном отношении В/Ц=0,4 и испытанных через 28 сут. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут называют активностью цемента, по ее величине устанавливают марку цемента. Например, если при испытании цемента установлена активность 43 МПа, то его относят к марке 400.

Портландцементы разделяют на марки 400, 500, 550 и б00.

Коррозия цементного камня. Возведенные с применением портландцемента бетонные сооружения могут подвергнуться разрушению (коррозии) под действием природных вод и агрессивных жидкостей. Разрушение обычно начинается с цементного камня, как наиболее подверженного коррозии.

Различают три основных вида коррозии цементного камня. Коррозия первого вида возникает при действии на цементный камень бетона проточных пресных вод (с малой временной жесткостью). Эти воды растворяют и вымывают гидроксид кальция, выделяющийся при гидролизе трехкальциевого силиката. В результате такого выщелачивающего действия воды повышается пористость цементного камня и снижается его прочность, что, в свою очередь, приводит к постепенному разрушению бетона.

Для повышения стойкости цементного камня в пресных водах рекомендуется вводить в портландцемент гидравлические добавки, которые связывают гидроксид кальция в малорастворимые соединения - гидросиликаты кальция.

Коррозия второго вида происходит при действии на цементный камень бетона минерализованных вод, содержащих химические соединения, которые вступают в обменные реакции с составляющими цементного камня. Образующиеся при этом продукты реакции либо легко растворяются и уносятся водой, либо выделяются в виде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами.

Морская вода, вода соленых озер и лиманов, а также некоторые грунтовые воды, содержащие MgCl2, MgSO4, NaCI и другие соли, разрушающе действуют на цементный камень. Так, при воздействии на цементный камень вод, содержащих хлористый магний, последний взаимодействует с гидроксидом кальция цементного камня:

Са(ОН)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2.

Образовавшийся в результате реакции хлористый кальций обладает хорошей растворимостью и быстро вымывается из бетона; остающийся гидроксид магния представляет собой аморфное вещество, не обладающее связующими свойствами.

Природные грунтовые воды обычно содержат свободную углекислоту СО2 и ее соли, главным образом Са(НСО3)2. Эти соли не опасны для цементного камня, но свободная (агрессивная) угпекислота разрушает его. Вначале растворенная углекислота взаимодействует с гидроксидом кальция, образуя труднорастворимый углекислый кальций, который уплотняет поверхность цементного камня. Однако при высоком содержании в воде свободная углекислота вступает в реакцию с углекислым кальцием: СаСО3 + СО2 + Н2О = Ca(НСО3)2. В результате образуется легкорастворимый в воде бикарбонат кальция, который вымывается из бетона.

Таким образом, основной причиной данного вида коррозии является присутствие в цементном камне свободного гидроксида кальция. Поэтому в состав цемента необходимо вводить активные минеральные добавки, которые связывают его в труднорастворимые соединения.

В качестве активных минеральных добавок к цементу чаще всего применяют трепелы, опоки, диатомиты, а также доменный гранулированный шлак, тоже способный связывать гидроксид кальция.

Коррозия третьего вида возникает при действии на цементный камень бетона сульфатных вод. Сульфаты CaSO4, МgSO4, Na2SO4 и др. входят в состав большинства природных грунтовых, а также сточных вод. В результате обменной реакции сульфатов с гидроксидом кальция в порах цементного камня образуется двуводный сернокислый кальций (гипс), который взаимодействует с гидроалюминатом кальция:

2(СаSО4 2H2О) + 3CaO Аl2О3 6H2O + 19Н2О = ЗСаО Аl2О3 3CaSО4 31Н2О.

Образующийся при этом труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, кристаллизуясь с большим количеством воды, увеличивается в объеме в 2,5 раза, что влечет за собой растрескивание бетона. Для предотвращения сульфатной коррозии бетона при его приготовлении следует применять сульфатостойкий портландцемент.

Безвредны для цементного камня соли кремниевой, кремнефтористоводородной и угольной кислот, слабые растворы щелочей, а также нефть, бензин, керосин и другие нефтепродукты, если в них нет остатков серной кислоты и значительного количества нафтеновых кислот.

Защиту цементного камня от коррозии осуществляют за счет применения цементов определенного минералогического состава, введения необходимого количества активных минеральных добавок, создания плотных бетонов, а также применения защитных покрытий и облицовок. Битумная изоляция, покрытие полимерными пленками, облицовка из стекла и керамики должны исключать воздействие агрессивной среды на бетон.

Применение портландцемента. Портландцемент используют в качестве вяжущего при изготовлении монолитного и сборного бетона и железобетона. Изделия и конструкции, изготовленные на портландцементе, можно применять в надземных, подземных и подводных условиях, а также в случае попеременного воздействия воды и отрицательных температур.

Портландцемент невысоких марок используют для приготовления кладочных и штукатурных растворов. Не следует изготовлять из портландцемента конструкции, подвергающиеся воздействию морской, минерализованной или даже пресной воды,- проточной или под сильным напором. В этих случаях рекомендуется применять цемент сиециальных видов - сульфатостойкий, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент и др.

Портландцемент - высококачественное и дефицитное вяжущее, его необходимо расходовать экономно, заменяя, где это технически возможно, другими, более дешевыми, вяжущими веществами - известью, смешанными цементами и др.

Разновидности портландцемента

В настоящее время наряду с обыкновенным портландцементом выпускают большое количество его разновидностей - быстротвердеющий, пластифицированный, гидрофобный и сульфатостойкий портландцементы. Эти цементы рекомендуются только в тех случаях, когда их специальные свойства могут быть использованы с максимальной эффективностью.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) характеризуется более интенсивным нарастанием прочности в первые 3 сут твердения. Быстрое твердение цемента достигается за счет содержания в клинкере активных минералов (C3S+C3A = 60 - 65%), а также за счет повышения тонкости помола клинкера до удельной поверхности 3500 - 4000 см2/г. При помоле БТЦ допускается введение активных минеральных добавок (не более 15%) или доменных гранулированных шлаков (до 20 % по массе цемента).

Разновидность БТЦ - особо быстротвердеющий портландцемент (ОБТЦ), изготовляемый тонким измельчением клинкера, содержащего C3S до 60 - 65 % и С3А не более 8 %, совместно с добавкой гипса до удельной поверхности 4000 - 4500 см2/г и более. Введение минеральных добавок не допускается. ОБТЦ характеризуется большой скоростью твердения и высокими марками 600 и 700.

Быстротвердеющие портландцементы марок 400 и 500 целесообразно применять при изготовлении сборных высокопрочных, обычных и предварительно напряженных железобетонных изделий и конструкций. Их применение сокращает длительность тепловлажностной обработки, ускоряет оборачиваемость металлических форм, а в отдельных случаях даже позволяет отказаться от тепло-влажностной обработки изделий. Употребляя быстротвердеющий портландцемент для возведения сооружений из монолитного бетона, можно значительно сократить сроки выдержки конструкций в опалубке. Кроме того, его следует использовать при ремонтных и восстановительных работах, где требуется быстрое нарастание прочности бетона и раствора.

Пластифицированный портландцемент (ППЦ) получают помолом портландцементного клинкера совместно с гипсом и пластифицирующими добавками СДБ в количестве 0,15 - 0,25% по массе цемента. Марки этого цемента 400 и 500. Пластифицированный портландцемент по сравнению с обыкновенным портландцементом придает растворным и бетонным смесям повышенную пластичность, морозостойкость и водонепроницаемость.

Применение пластифицированного портландцемента дает возможность вследствие увеличения подвижности бетонных смесей и понижения их водопотребности снизить расход цемента в среднем на 5 - 8%. Пластифицированный портландцемент рекомендуется для приготовления бетонов, используемых в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве.

Гидрофобный портландцемент (ГПЦ) получают введением при помоле портландцементного клинкера гидрофобизирующей добавки в количестве 0,1 - 0,3% по массе цемента. В качестве гидрофобизирующей (водоотталкивающей) добавки применяют поверхностно-активные органические вещества: мылонафт, асидол, синтетические жирные кислоты и др. Эти вещества образуют на зернах цемента тончайшие водоотталкивающие пленки, препятствующие прониканию влаги к зерну, поэтому гидрофобный портландцемент даже при длительном хранении сохраняет сыпучесть и не теряет активности. Гидрофобные пленки цементных зерен в процессе перемешивания растворных и цементных смесей легко удаляются, что обеспечивает нормальное схватывание и твердение цемента.

Гидрофобный портландцемент повышает подвижность бетонных смесей, что, в свою очередь приводит к увеличению водостойкости, водонепроницаемости и морозостойкости бетонов. Применяют гидрофобный портландцемент в гидротехническом, дорожном и аэродромном строительстве, а также при перевозке бетонных и растворных смесей на большие расстояния.

Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) изготовляют тонким помолом из клинкера следующего минерального состава: C3S - не более 50 %, С3А - не более 5%, С3А+C4AF - не более 22 %, MgO - 5%. Введение в цемент инертных и активных минеральных добавок не допускается. При таком минералогическом составе цемента уменьшается возможность образования в цементном камне (бетоне) под действием сульфатных вод гидросульфоалюмината кальция - цементной бациллы.

Сульфатостойкий портландцемент характеризуется повышенной сульфато-, морозо- и водостойкостью, пониженным тепловыделением в процессе схватывания и твердения, а также замедленной интенсивностью твердения в начальные сроки. Выпускают его марки 400. Остальные требования к этому цементу такие же, как и обыкновенному портландцементу.

Сульфатостойкий портландцемент применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических массивных сооружений, работающих в условиях многократного замораживания и оттаивания в пресной или слабоминерализованной воде.

Белый и цветные портландцементы изготовляют из сырьевых материалов, характеризующихся малым содержанием окрашивающих оксидов (железа, марганца, хрома), из чистых известняков, мраморов и белых каолиновых глин.

Белый портландцемент выпускают марок 400 и 500 и по степени белизны разделяют на три сорта: БЦ-1, БЦ-2 и БЦ-З.

Цветные портландцементы получают совместным помолом клинкера белого портландцемента со свето- и щелочестойкими пигментами (суриком, охрой, ультрамарином и др).

Белый и цветные цементы используют при архитектурно-отделочных работах, для получения фактурного слоя стеновых панелей, а также для изготовления искусственного мрамора и облицовочных плиток.

Портландцементы с активными минеральными добавками

К этой группе гидравлических вяжущих веществ относят цементы, получаемые совместным помолом портландцементного клинкера и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием указанных компонентов после раздельного измельчения каждого из них.

Активные минеральные добавки представляют собой вещества, содержащие в основном аморфный активный кремнезем, легко вступающий в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция с образованием труднорастворимых гидросиликатов кальция. Поскольку портландцемент в процессе твердения выделяет гидроксид кальция, который растворим в воде и поэтому может вымываться из цементного камня, то наличие в составе портландцемента минеральной добавки повышает его водостойкость.

Активные минеральные добавки известны с давних времен, Еще в древнем Риме для придания гидравлических свойств воздушной извести добавляли вулканический пепел - пуццолану (названный по месту залежей вблизи г. Поццуоли в Италии). Отсюда и назвали активные добавки вулканического происхождения "пуццоланическими", а цементы с этими добавками "пуццолановыми".

Активные минеральные добавки разделяют на природные (диатомит, трепел, опока, вулканический пепел, пемза, трассы, туф) и искусственные (доменные гранулированные шлаки, золы от сжигания бурых углей, торфа, горючих сланцев, слабообожженные глины, глиежи, отходы керамического производства и др.).

Среди цементов этой группы различают цемент с минеральными добавками, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками и сульфатостойкий шлакопортландцемент.

Портландцемент с минеральными добавками получают путем совместного измельчения портландцементного клинкера, минеральных добавок и гипса. В качестве добавок вводят доменные гранулированные шлаки или активные минеральные добавки осадочного происхождения, но не более 20% массы цемента. Допускается введение в цемент при его помоле пластифицирующих или гидрофобизующих поверхностноактивных добавок не более 0,3% массы цемента. Схватывание цемента протекает несколько замедленно. В ранние сроки твердения немного замедляется набор прочности. Портландцемент с минеральными добавками выпускают марок 400, 500, 550 и 600.

Этот цемент успешно применяют при приготовлении бетонов вместо портландцемента за исключением случаев, когда требуется высокая морозостойкость бетона.

Пуццолановым портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким помолом цементного клинкера, гипса и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием этих материалов, измельченных раздельно.

Пуццолановый портландцемент выпускают марок З00 и 400. Цвет цемента светлый; плотность в рыхлом состоянии 800 - 1000, в уплотненном - 1200 - 1600 кг/м3, водопотребность 30 - 38%. Сроки схватывания, тонкость помола и равномерность изменения объема пуццоланового портландцемента такие же, как и у обыкновенного портландцемента.

Пуццолановый портландцемент характеризуется замедленным нарастанием прочности в начальный период твердения по сравнению с портландцементом, изготовленным из того же клинкера. Однако после 3 - 6 мес твердения во влажной среде бетоны на пуццолановом пор-ландцементе достигают той же прочности, что и бетоны на портландцементе.

Пуццолановый портландцемент при твердении выделяет меньше теплоты, чем портландцемент. Это обстоятельство позволяет широко использовать пуццолановый портландцемент при бетонировании больших массивов, например гидротехнических сооружений, где очень опасны температурные деформации конструкций. Однако при температуре ниже 10оC твердение его резко замедляется и даже совсем прекращается. Наоборот, при повышенных температурах пуццолановый портландцемент твердеет более интенсивно, чем портландцемент. Поэтому изделия из бетона на этом цементе целесообразно подвергать тепловлажностной обработке в пропарочных камерах и автоклавах.

Бетоны на пуццолановых портландцементах имеют более высокую водостойкость и водонепроницаемость, чем на портландцементах. Однако пуццолановый портландцемент не морозостоек, поэтому не рекомендуется его применять при возведении конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию.

Пуццолановый портландцемент используют наряду с портландцементом для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций (как сборных, так и монолитных). Вследствие повышенной сульфатостойкости его употребляют для бетонных и железобетонных конструкций подводных и подземных частей сооружений, подвергающихся воздействию мягких и сульфатных вод. Следует учитывать, что в сухих условиях эксплуатации твердение бетона на этом цементе практически прекращается, поэтому в течение первых двух недель бетоны необходимо систематически увлажнять и предохранять от высыхания.

Шлакопортландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным измельчением портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака с добавлением небольшого количества гипса, вводимого для регулирования сроков схватывания и активизации твердения шлака. Шлакопортландцемент можно изготовлять и путем смешивания тех же исходных материалов, но измельченных раздельно. Содержание доменного гранулированного шлака в шлакопортландцементе должно составлять не менее 21 и не более 60% по массе цемента.

Шлакопортландцемент выпускают марок З00, 400 и 500. Он сероватого цвета с голубоватым оттенком, отличается от других видов цемента тем, что содержит большое количество металлических частиц, выявляемых магнитом. Плотность его в рыхлом состоянии 1000 - 1300, а в уплотненном - 1400 - 1800 кг/м3, нормальная густота цементного теста 26 - 30%; тонкость помола и равномерность изменения объема такие же, как и у портландцемента.

Тепловыделение шлакопортландцемента при твердении меньше, чем у портландцемента, но он обладает большей жаро-, водо- и сульфатостойкостью. Морозостойкость шлакопортландцемента несколько ниже.

У шлакопортландцемента по сравнению с портландцементом несколько замедлено нарастание прочности в начальные сроки твердения. В более отдаленные сроки твердения прочность возрастает и через 2 - 3 мес превосходит прочность портландцемента той же марки. Замедление твердения особенно ярко проявляется при пониженных температурах, однако это не является препятствием к широкому применению шлакопортландцемента, а повышение температуры при достаточной влажности окружающей среды резко ускоряет твердение. Бетоны на шлакопортландцементе, подвергаемые тепловлажностной обработке при 80 - 95оС, набирают более высокую прочность, чем бетоны на портландцементе той же марки, твердеющие в тех же условиях.

Разновидность шлакопортландцемента - быстротвердеющий шлакопортландцемент, который отличается от обычного меньшим содержанием гранулированного доменного шлака (не более 50%) и более высокой тонкостью помола. Быстротвердеющий шлакопортландцемент марки 400 характеризуется интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения, которое особенно ускоряется в условиях тепловлажностной обработки.

Шлакопортландцемент с успехом можно применять для изготовления сборных железобетонных изделий и конструкций, твердеющих в пропарочных камерах. Целесообразно использовать шлакопортландцемент в конструкциях горячих цехов и в гидротехнических сооружениях, подвергающихся сульфатной агрессии. Из него, как и из пуццоланового портландцемента приготовляют строительные кладочные и штукатурные растворы. Не рекомендуется шлакопортландцемент для конструкций, которые находятся под систематическим воздействием попеременного замораживания и оттаивания или увлажнения и высушивания.

Массовый выпуск и широкое применение пуццолановых цементов и шлакопортландцементов можно объяснить не только наличием ряда положительных свойств по сравнению с портландцементом, но и меньшей стоимостью (примерно на 15 - 20%).

Среди сульфатостойких цементов кроме сульфатостойкого портландцемента по вещественному составу различают еще сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками, сульфатостойкий шлакопортландцемент.

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками получают измельчением портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, активных минеральных добавок и гипса. В цементе допускается содержание гранулированного доменного шлака не менее 10 - 20% массы цемента и активных минеральных добавок осадочного происхожения (кроме глиежа) не менее 5 - 10%.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент - продукт, получаемый тонким помолом портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, шлака нормированного химического состава (не менее 21 - 60 % по массе цемента) и гипса.

Морозостойкость сульфатостойких цементов ниже, чем у сульфатостойкого портландцемента, но области применения те же.

Специальные цементы

Эта группа гидравлических вяжущих веществ резко отличается от цементов, изготовленных на основе портландцементного клинкера, видом исходного сырья, технологией производства, химическим и минералогическим составом, свойствами, а также областями применения. В нее входят - глиноземистый, расширяющийся и безусадочный цементы, а также гипсоцементнопуццолановое вяжущее.

Глиноземистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания или сплавления сырьевой смеси, богатой глиноземом. В качестве сырьевых материалов для получения глиноземистого цемента используют известняк или известь и породы с высоким содержанием глинозема Аl2О3, например, бокситы. Минералогический состав глиноземистого цемента характеризуется большим содержанием низкоосновных алюминатов кальция, главным из которых является однокальциевый алюминат СаО Аl2О3 .

Глиноземистый цемент имеет вид тонкого порошка серо-зеленого, коричневого или черного цвета. Плотность его в рыхлом состоянии - 1000 - 1300, а в уплотненном - 1600 - 1800 кг/м3, нормальная густота обычно 23 - 28%. Тонкость помола несколько выше тонкости помола портландцемента; при просеивании глиноземистого цемента через сито № 008 должно проходить не менее 90% пробы (по массе). Сроки схватывания глиноземистого цемента: начало - не ранее чем через 30 мин, конец - не позднее 12 ч с момента затворения цемента водой.

Процесс твердения глиноземистого цемента сопровождается значительным тепловыделением, что ограничивает его применение в массивных бетонных конструкциях, но является весьма полезным при производстве строительных работ в зимнее время.

Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при сжатии образцов-кубов в возрасте 3 сут после твердения в нормальных условиях. Цемент характеризуется интенсивным набором прочности в начальные сроки твердения: через 24 ч он набирает 80 - 90% марочной прочности.

Бетоны на глиноземистом цементе водонепроницаемы, стойки в условиях пресных и сульфатных вод, а также морозостойки. Они хорошо твердеют во влажной среде при 15 - 20%. При повышении температуры выше 25оC прочность бетона значительно снижается, поэтому бетоны на глиноземистом цементе нельзя подвергать пропариванию и другим методам искусственного нагрева, Нельзя смешивать глиноземистый цемент с портландцементом, так как при этом снижается его прочность.

Применение глиноземистого цемента ограничено его высокой стоимостью (он в 3 - 4 раза дороже портландцемента). Его используют при срочных ремонтных и аварийных работах, производстве работ в зимних условиях, для бетонных и железобетонных сооружений, подвергающихся воздействию сильно минерализованных вод, получения жаростойких бетонов, а также изготовления расширяющегося и безусадочного цементов.

Расширяющиеся и безусадочные цементы отличаются способностью при твердении во влажных условиях несколько увеличиваться в обьеме или не давать усадки. Промышленность выпускает водонепроницаемый расширяющийся цемент, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент, а также водонепроницаемый безусадочный цемент.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола и тщательного смешивания измельченных глиноземистого цемента, гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Цемент характеризуется быстрым схватыванием: начало - ранее 4 мин, конец - не позднее 10 мин с момента затворения. Линейное расширение образцов из цементного теста, твердеющих в воде в течение 1 сут, должно быть в пределах 0,3 - 1%. Физико-химическая сущность процесса расширения цемента заключается в том, что в результате взаимодействия алюминатов кальция и гипса происходит образование гидросульфатоалюмината кальция, сопровождающееся увеличением объема.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) применяют для зачеканки и гидроизоляции швов тюбингов, раструбных соединений, создания гидроизоляционных покрытий, заделки стыков и трещин в железобетонных конструкциях и т.д. Его нельзя применять в конструкциях, эксплуатируемых при температуре выше 80оС.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) - быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тщательного смешивания глиноземистого цемента, полуводного гипса и гашеной извести. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 1 мин, а конец - не позднее 5 мин с момента затворения. Величина относительного линейного расширения образцов из цементного теста через 1 сут их твердения в воде должно находиться в пределах 0,01 - 0,1%.

Цемент применяют для устройства гидроизолирующей торкретной оболочки бетонных и железобетонных подземных сооружений, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности (туннели, фундаменты и т. п).

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ) получают смешением 50 - 75% полуводного (строительного или высокопрочного) гипса, 15 - 25% портландцемента и 10 - 25% пуццоланической (гидравлической) добавки. Вместо портландцемента целесообразно применять пуццолановый портландцемент с необходимым количеством активной добавки, а также шлакопортландцемент.

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее выпускают марок 100 и 150. Оно характеризуется быстрым твердением и повышенной водостойкостью. Прочность бетонов на ГЦПВ 15 - 30 МПа, причем уже через 2 - 3 ч после их приготовления прочность достигает 30 - 40% марочной, коэффициент размягчения - 0,6 - 0,8; морозостойкость - 25 - 50 циклов. Для ускорения твердения бетонов на ГЦПВ их пропаривают при 70 - 80оC, при этом через 5 - 8 ч прочность бетона достигает 70 - 90% конечной.

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее применяют для изготовления панелей основания пола, санитарно-технических кабин, вентиляционных блоков и других изделий.

Транспортирование и хранение цементов

В бумажных мешках обычно перевозят белый и цветные портландцементы, а также глиноземистые, водонепроницаемые, расширяющиеся и безусадочные цементы.

Цементы, поступающие навалом, хранят в силосных или бункерных складах раздельно по видам, маркам и партиям от различных заводов. Запрещается при хранении смешивать цементы различных видов и марок. Цемент в бумажных мешках хранят в закрытых складах-сараях с плотными водонепроницаемыми крышей, стенами и деревянным полом, приподнятым над поверхностнью земли не менее чем на 30 см. В процессе транспортирования и хранения необходимо оберегать цемент от воздействия влаги и засорения посторонними примесями.

При длительном хранении цемента на складе обычно за счет поглощения влаги из воздуха и преждевременной гидратации происходит его комкование и снижение активности. Активность портландцемента снижается через 3 мес в среднем на 15 - 20 %, через 6 мес - на 20 - 30 %, а тонкомолотые быстротвердеющие портландцементы теряют активность значительно быстрее, поэтому большие запасы цемента на складах строек и предприятий строительной индустрии нежелательны.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

Основные сведения

Древесина - это важный материал, широко применяемый в строительной промышленности, так как он обладает высокой прочностью при небольшой плотности, малой теплопроводностью, легкостью механической обработки. Вместе с тем в древесине присутствуют и недостатки: неравнозначность ряда свойств в различных направлениях, легкая загниваемость и возгораемость, высокая гигроскопичность, наличие ряда пороков.

Так как древесина в последнее время значительно подорожала, то необходимо ее экономно и рационально расходовать. Из отходов древесины - опилок, стружек, щепы и горбыля изготавливают арболит, фибролит, древесноволокнистые и древесностружечные плиты, изделия из древесных пластиков.

Дерево состоит из ствола, кроны и корней, причем ствол - главная и наиболее ценная часть дерева. От строения ствола зависит качество древесины как материала. Древесина ствола имеет неоднородное строение в различных направлениях. При изучении ствола в поперечном разрезе различают следующие части ствола: кору, камбий, древесину и сердцевину.

Рис.1. Торцовый разрез ствола дерева

1 - кора, 2 - камбий, 3 - заболонь, 4 - ядро, 5 - сердцевина)

Кора имеет наружную часть - кожицу, среднюю часть - пробковый слой и внутреннюю часть - луб.

Древесина - основная масса ствола. На поперечном разрезе древесины можно различить годичные кольца прироста, которые светлее к поверхности ствола и темнее у центра. Каждый годичный слой состоит из двух зон: внутренней светлой - ранней, образовавшейся весной, и наружной темной - поздней, образовавшейся к концу лета, называемых соответственно ранней и поздней древесиной. Ранняя древесина более пористая и слабая, чем летняя. Чем больше в слоях поздней древесины тем прочнее материал. На поперечных разрезах дуба, бука, клена и др. пород заметны узкие радиальные линии, так называемые сердцевинные лучи, направленные от коры к древесине. В древесине хвойных пород имеются смоляные ходы, расположенные в продольном и поперечном направлениях, в них сосредотачивается смола. Светлая часть древесины называется заболонью, а темная - ядром. Ядро, в отличие от заболони состоит из мертвых клеток, оно не принимает участия в физиологических процессах, а обеспечивает прочность дереву. Некоторые породы деревьев не имеют ядра (береза, осина, ольха, липа) - это заболонные породы. Остальные, например, - сосна, дуб, лиственница, кедр - ядровые породы.

Камбий расположен однорядным цилиндрическим слоем (в виде кольца на поперечном разрезе), образует с наружной стороны луб, внутри - древесину.

Сердцевина находится в центре ствола и проходит по всей его длине - это слабая ткань первичного образования, легко поддающаяся гниению.

Древесные породы

Хвойные породы наиболее часто применяются в строительстве. Чаще всего применяются: сосна, лиственница, ель, пихта и кедр.

Сосна - имеет розовое или буро-красное ядро и желтовато белую заболонь, обладает повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, хорошо поддается обработке.

Лиственница - древесине ее по внешнему виду напоминает древесину сосны, но обладает большей плотностью и прочностью. Весьма устойчива против загнивания в условиях переменной влажности, поэтому ее часто применяют в гидротехнических, подземных сооружениях и для изготовления шпал.

Ель - древесина ее мало смолиста, поэтому при использовании в сырых местах она быстро загнивает, поэтому применять ее следует в сухих условиях.

Пихта имеет древесину белого цвета, по внешнему виду напоминающую древесину ели, но отличается отсутствием смоляных ходов. Она еще менее стойка к загниванию, чем ель.

Кедр имеет прочную и хорошо обрабатываемую древесину, поэтому его чаще всего применяют в столярном и мебельном производстве.

Лиственные породы используются в значительно реже, чем хвойные. Из них наиболее часто: дуб, ясень, бук и береза.

Дуб имеет плотную, твердую и очень прочную древесину желтоватого цвета и красивой текстуры, она хорошо сохраняется на воздухе и под водой.

Ясень имеет тяжелую, вязкую, твердую и прочную древесину по строению напоминающую древесину дуба, но более светлую.

Бук - у него древесина плотная и прочная с красноватым оттенком. Применяется в основном для изготовления высококачественных столярных изделий и мебели.

Береза имеет твердую, прочную и вязкую белую с желтоватым или красноватым оттенком древесину, но она недолговечна в условиях переменной влажности и высушивания.

Физические и механические свойства

Древесина - анизотропный материал, обладающий весьма разнообразными физическими и механическими свойствами.

Цвет и текстура (рисунок) древесины являются характерными для той или иной породы. Цвет зависит от многих факторов, с увеличением возраста дерева интенсивность окраски древесины увеличивается. Потускнение древесины, появление серой, зеленой, синей окрасок является признаком заболеваний.

Истинная плотность древесины всех пород примерно одинакова - 1,55 г/см3.

Средняя плотность зависит от породы дерева, условий произрастания, влажности и др. факторов и колеблется в пределах 0,37 - 0,7 г/см3.

Влажность. По степени влажности различают древесину: мокрую (сплавную), свежесрубленную (влажностью 35% и более), воздушно-сухую (влажностью 15 - 20%), комнатно-сухую (влажностью 8 - 12%) и абсолютно сухую , высушенную в лаборатории до постоянной массы при температуре 100 - 1050 С. Условно стандартной считают влажность 12%, поэтому, показатели полученные при определении прочности и плотности должны быть приведены к стандартной влажности. Повышенная влажность древесины приводит к короблению, усушке и растрескиванию деревянных конструкций и деталей и способствует поражению древесины различными грибками.

Гигроскопичность - в результате изменения влажности окружающей среды все время меняется влажность древесины. Максимальное количество влаги в древесине при отсутствии свободной влаги называют точкой насыщения волокон или пределом гигроскопичности . Ее величина для разных пород колеблется в пределах 25 - 35%.

Величина усушки и разбухания древесины неодинакова в разных направлениях. Линейная усушка вдоль волокон составляет 0,1 - 0,3%, в радиальном направлении - 3 - 6%, а в тангенциальном - 6 - 12%.

Теплопроводность сухой древесины незначительна - 0,171 - 0,28 Вт/(м·0 С), но с повышением ее влажности, теплопроводность повышается.

Сопротивление древесины механическим воздействиям неодинаково в различных направлениях, кроме того, оно зависит от породы древесины, ее влажности, наличия пороков.

Средние значения механических свойств древесины при влажности 12%:

Породы дереваСредняя плотность, кг/м3Пределы прочности (МПа) вдоль волокон при:растяжениисжатииизгибесосна5001104885лиственница66012562105ель4501204480пихта370704070дуб70013058106бук67013056105береза63012555110

Древесина хорошо воспринимает сжатие поперек волокон, при изгибе и растяжении она хорошо работает вдоль волокон.

С увеличением влажности древесины ее прочность снижается, особенно при статическом изгибе и сжатии.

Наличие пороков в древесине (сучки, косослой и др.) также значительно ухудшает ее механические свойства.

При длительном воздействии кислот и щелочей древесина медленно разрушается. Интенсивность разрушения зависит от концентрации растворов. В морской воде древесина хуже сохраняется, чем в речной воде.

мартеновский сталь чугун коррозия

Пороки древесины

Пороками древесины называют как отклонения в древесине, связанные с нарушением внешней формы ствола дерева, так и различные повреждения оказывающие влияние на ее технические свойства и др. Пороки древесины снижают ее сортность и ограничивают области применения. Выделяют следующие группы пороков: сучки, трещины, неправильности формы ствола и строения древесины, ненормальная окраска, гниль, повреждения насекомыми.

Сучки - это основания ветвей, заключенные в древесине ствола. Они нарушают однородность древесины, затрудняют обработку и ухудшают механические свойства древесины.

Сучки могут быть сросшиеся (полностью или частично) и несросшиеся (выпадающие твердые, рыхлые и табачные).

Рис.2. Виды сучков по степени срастания с окружающей древесиной(а - сросшийся здоровый, б - сросшийся роговой, в - выпадающий)

Трещины могут быть как на растущем, так и на срубленном дереве в результате неравномерного сжатия древесины при высыхании, резкого колебания температур в зимнее время и др. причин. Трещины, кроме снижения сортности и механических свойств, способствуют образованию гнили. Трещины бывают следующих видов: метик, отлуп, морозобоина и трещины усушки.

Рис.3. Виды трещин(а - крестовый метик, б - дугообразный отлуп, в - морозобоина, г - трещины усушки_

Метик - одна или несколько продольных трещин, проходящих через сердцевину и суживающихся от центра к периферии ствола. Метик бывает простой - одна или две трещины, расположенные по диаметру, и крестовый - трещины расположены под углом одна к другой, а также согласный (с трещиной в одной плоскости) и несогласный, когда трещина идет винтообразно.

Отлуп - это кольцевая трещина (полный отлуп) или дугообразная трещина (частичный отлуп).

Морозобоина - наружная продольная трещина, широкая с внешней стороны ствола и суживающаяся к центру его.

Трещины усушки часто имеют радиальную направленность и резко снижают сортность древесины.

Отклонения от нормальной формы ствола

·кривизна (односторонняя и разносторонняя);

·сбежимость (резкое уменьшение толщины ствола от комля к вершине);

·закомелистость (резкое утолщение комля);

·косослой (винтообразное расположение волокон в стволе) - сильно ухудшает механические свойства древесины и способствует ее усушке и короблению;

·свилеватость - сильно волнистое или спутанное расположение волокон.

Поражение древесины грибами происходит как на растущем дереве, так и на складе и в деревянных конструкциях.Грибы хорошо развиваются при повышенной влажности древесины (20 - 60%), отсутствии вентиляции и температуре 0 - 600 С. При отрицательной температуре грибы не развиваются, но и не погибают - погибают только при температуре свыше 600 С и при нахождении древесины под водой.