Автор: Юхневский П.И. Широкий Г.Т.
Теги: строительные материалы и изделия строительство строительные материалы строительное производство
ISBN: 985-464-352-2
Год: 2004
Текст
ж*
Уважаемые студенты!
Значение курса "Строительные материалы и изделия" в подготовке инжене-
ров-строителей трудно переоценить, поскольку ни одно здание или соору-
жение нельзя правильно спроектировать, построить и эксплуатировать без
глубоких знаний основ строительного материаловедения Будущий инже-
нер-строитель должен хорошо ориентироваться во всей многообразной
номенклатуре строительных материалов как отечественного, так и зару-
бежного производства, знать их свойства, определять рациональные
области применения, уметь прогнозировать изменение механических
характеристик материалов под нагрузкой и своевременно принимать
эффективные меры по их защите от агрессивного воздействия окружаю-
щей среды. Данный курс в соответствии с учебными планами подготовки
инженеров строительных специальностей изучается одним из первых, так
как он является базой для изучения других специальных дисциплин и в
целом определяет общее профессиональное мировоззрение будущих
специалистов.
Предлагаемое фундаментальное учебное пособие, подготовленное
замечательными педагогами белорусской высшей школы, издается в
нашей стране впервые, и я надеюсь, что оно послужит хорошей основой
для становления Вас как высокопрофессиональных специалистов.
Искренне желаю всем успехов в приобретении глубоких фундаментальных
знаний и успешной их реализации на практике во благо и процветание
нашей родной Беларуси.
Крепкого Вам здоровья и благополучия!
С уважением
Б. М Хрусталев,
ректор Белорусского национального
технического университета,
член-корреспондент Национальной академии
наук Беларуси,
заслуженный работник образования
Республики Беларусь,
доктор технических наук, профессор,
выпускник строительного факультета
П. И. ЮХНЕВСКИЙ
Г. Т. ШИРОКИЙ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ
Допущено Министерством образования
Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов
строительных специальностей учреждений,
обеспечивающих получение
высшего образования
НАВУКОВАЯ Б1БЛ1ЯТЭКА
ьеларускага иадылольнага
тэхнЬшага У н!в ере it эта
!нв.№^~ 8048/165
Минск
УП «Технопринт»
2004
УДК 691 (075.8)
ББЮ8-^я7
Ю 94
Рецензенты:
М. И. Кузьменков, заслуженный деятель науки Республики Беларусь,
докт. техн, наук, проф., заведующий кафедрой химической технологии
вяжущих материалов Белорусского государственного технологического уни-
верситета;
С. Д. Семенюк, канд. техн, наук, доц., заведующий кафедрой строи-
тельных конструкций, зданий и сооружений Могилевского государствен-
ного технического университета
Юхневский П. И.
Ю 94 Строительные материалы и изделия: Учеб, пособие / П. И. Юхнев-
ский(Г. Т. Широкий. - Мн.: УП «Технопринт», 2004. - 476 с.: ил.
ISBN 985-464-352-2
Учебное пособие состоит из двух разделов. В конце каждой главы даются во-
просы для самопроверки.
В первом разделе пособия рассматриваются основные этапы развития строи-
тельного материаловедения, даются сведения о химических связях и строении
твердых веществ, характеризуются процессы формирования строительных мате-
риалов, прочностные и деформационные свойства с позиций физики твердого тела.
Второй раздел посвящен практике производства и применения основных
строительных материалов. Большое внимание уделено искусственным материалам
на основе минеральных вяжущих, в том числе строительным растворам и бетонам,
стеновым материалам и изделиям. С учетом специфики специальностей рассмот-
рены древесные и теплоизоляционные материалы.
Учебное пособие предназначено для студентов строительных специальностей
высших учебных заведений. Оно может быть использовано учащимися средних
специальных учебных заведений при изучении курса «Материаловедение».
УДК 691 (075.8)
ББК 38.3я7
(SBN 985-464-352-2
© Юхневский П. И., Широкий Г. Т., 2004
© Оформление УП «Технопринт», 2004
ПРЕДИСЛОВИЕ
Материаловедческая подготовка студентов строительных вузов
обеспечивается в основном изучением курса «Строительные материа-
лы», а в последние годы - «Материаловедение». В соответствии с про-
граммой курса «Строительные материалы», сложившейся еще в дово-
енные годы, он представляет собой набор не всегда связанных между
собой мини-курсов (природные камни, керамика, стекло, древесина,
вяжущие, бетоны и растворы и др.). Изложение программных вопросов
в пределах каждого из этих миникурсов обычно рекомендуется по схе-
ме «технология - свойства - применение материалов».
Основной недостаток традиционного вузовского курса «Строи-
тельные материалы» заключается в отсутствии единой теоретической
базы, что существенно обедняет содержание его как научной дисцип-
лины, не позволяет использовать общие фундаментальные закономер-
ности для прогнозирования свойств материалов, определения эффек-
тивных направлений управления ими, создания новых материалов с
заданными свойствами. Отсутствие в составе курса теоретических ос-
нов не облегчает, а существенно затрудняет его изучение. Кроме того,
учебник по курсу «Строительные материалы» не соответствует про-
грамме дисциплины «Материаловедение», которая появилась в учеб-
ных планах строительных специальностей вузов.
Со времени разработки основ курса «Строительные материалы»
и классических учебников профессоров Б. Г. Скрамтаева, Н. А. Попова
и В. А. Воробьева достигнуты значительные успехи в развитии физики
твердого тела, физической и коллоидной химии, физико-химической
механики, теории композиционных материалов, что создало предпо-
сылки введения современного вузовского курса «Строительное мате-
риаловедение». Курс под таким названием предусмотрен в учебных
планах студентов вузов на Украине и в России, а соответствующая ли-
тература подготовлена под руководством профессоров Л. И. Дворки-
на и И А. Рыбьева.
Строительное материаловедение - наука, изучающая взаимосвязи
между структурой, составом и свойствами строительных материалов,
а также закономерности их формирования под влиянием технологиче-
ских и эксплуатационных факторов. Это направление в течение многих
лет развивалось в работах профессора И Н. Ахвердова и его учеников
на кафедре «Строительные материалы и изделия» Белорусского нацио-
нального технического университета.
1*
3
Учебное пособие содержит два раздела: «Основные понятия строи-
тельного материаловедения» и «Строительные материалы и изделия».
В первом разделе описываются основные этапы развития строи-
тельного материаловедения. Он содержит сведения о химической связи
и строении твердого вещества, основных процессах структурообразо-
вания и формирования строительных материалов оптимальной струк-
туры, прочности, деформационных свойствах и долговечности мате-
риалов с позиций физики твердого тела.
Второй раздел посвящен практике производства и применения ос-
новных строительных материалов, используемых в жилищном и граж-
данском строительстве. Большое внимание уделено искусственным
материалам на основе минеральных вяжущих, в том числе строитель-
ным растворам и бетонам, стеновым материалам и изделиям. С учетом
специфики специальностей рассмотрены древесные и теплоизоляцион-
ные материалы.
Наряду с традиционными (керамические, природно-каменные, ме-
таллические) в строительном производстве широко используются но-
вые материалы на основе пластмасс, сухих смесей, а также химические
добавки, характеристики которых также представлены в настоящем по-
собии
Главы 1-4 написаны канд. хим. наук, доцентом П. И. Юхневским,
главы 5-8, 10 - канд. техн, наук, доцентом Г. Т. Широким, остальные -
совместно.
Авторы выражают благодарность рецензентам - заслуженному
деятелю науки Республики Беларусь, докт. техн, наук, профессору,
заведующему кафедрой химической технологии вяжущих материа-
лов Белорусского государственного технологического университета
М. И. Кузьменкову и канд. техн, наук, доценту, заведующему кафед-
рой строительных конструкций, зданий и сооружений Могилевско-
го государственного технического университета С. Д. Семенюку за
высказанные замечания, улучшающие содержание книги, а также
докт. техн наук, заведующему кафедрой «Строительные материалы и
изделия» Белорусского национального технического университета
Э. И. Батяновскому за полезные советы, которые он дал при обсужде-
нии материала рукописи.
Издание учебного пособия было бы невозможно без организацион-
ной и финансовой поддержки со стороны ректората БИТУ, деканов
факультетов строительного профиля и фирм-спонсоров.
Отзывы и замечания, улучшающие содержание учебного посо-
бия, просим направлять по адресу: 220027, г. Минск, проспект Ф. Ско-
рины, 65, кафедра «Строительные материалы и изделия».
4
Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
СТРОИТЕЛЬНОГО
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Г л а в а 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1. Основные этапы развития
строительного материаловедения
Строительные материалы, изделия и конструкции — это ма-
териальная основа строительства. Затраты на них достигают
50 % общей стоимости строительно-монтажных работ. Следо-
вательно, грамотное и экономное расходование материалов
позволяет существенно сократить стоимость строительства в
целом.
Для того чтобы правильно использовать разнообразные
строительные материалы, надо знать их свойства и назначение.
Изучением свойств материалов занимается наука — материало-
ведение. Материаловедение строительное — наука о строитель-
ных материалах, их составе, свойствах, внутреннем строении,
технологиях изготовления и областях применения, долговечно-
сти и надежности конструкций зданий и сооружений. Материа-
ловедение относится к числу основополагающих строительных
наук, поскольку без знания свойств строительных материалов
невозможно проектировать, строить, реконструировать и экс-
плуатировать объекты. Эта наука является многоотраслевой, так
как посвящена изучению и систематизации строительных мате-
риалов, вырабатываемых в соответствующих отраслях промыш-
ленности в полной номенклатуре.
5
Материаловедение может быть сведено к трем основным
взаимодействующим составляющим. Во-первых, в материалове-
дение входят эмпирические знания в виде новых и ранее полу-
ченных данных на производстве, в институтах в ходе экспери-
ментальных и опытно-промышленных исследований, наблюде-
ний за работой материалов в конструкциях зданий и сооружений
при эксплуатации.
Во-вторых, материаловедение - это область теоретических
знаний. Известно, что теория призвана объяснять факты, наблю-
даемые в производственных и лабораторных исследованиях; в
эмпирическом материале она открывает действие закономерно-
стей, сводит их в единую систему, что приводит к многим дру-
гим обобщениям и гипотезам, к созданию теории, наличие кото-
рой переводит систему знаний в подлинную науку.
В-третьих, материаловедение как неотъемлемый компонент
всякой науки содержит ее мировоззренческие основы. С разви-
тием науки о строительных материалах изменились представле-
ния о прогрессивных и передовых технологиях их производства
на уровне мировых достижений, закономерностях изменения
свойств материалов, долговечности при критическом уровне де-
струкции, экологии окружающей среды и материалов как не-
пременного критерия прогрессивной технологии, максимальном
использовании техногенного сырья при минимальном расходе
природного и др
Развитие материаловедения происходит при тесном взаимо-
действии практики и теории: производственные технологии да-
ют новые факты, а теоретические - принимают их, обогащая на
их основе научные знания новыми обобщениями, используемы-
ми, в свою очередь, в развитии производства.
Целенаправленное использование материалов для возведения
построек различного функционального назначения известно че-
ловечеству с древнейших времен. На начальных этапах цивили-
зации применяли такие материалы, которые не требовали значи-
тельных усилий и энергетических затрат для придания им
заданной формы: древесину и природные камни, необож-
женную глину
6
Исходным моментом для становления науки о материалах
явилось получение керамики путем сознательного изменения
структуры глины при ее нагревании и обжиге. Со временем
чрезмерную пористость изделий научились уменьшать глазу-
рованием.
С течением времени человечество познало самородные, а за-
тем и рудные металлы, крепость и жесткость которых были из-
вестны уже в VIII тыс до н э Холоднокованая самородная медь
была вытеснена медью, выплавленной из руд, которые встреча-
лись в природе чаще и в больших количествах. В дальнейшем к
меди стали добавлять другие металлы, и таким образом в III тыс
до н. э. люди научились изготовлять и использовать бронзу как
сплав меди с оловом, а также обрабатывать благородные метал-
лы, уже широко известные к тому времени.
Получение новых керамических и металлических материалов
и изделий было обусловлено определенным прогрессом произ-
водства. Возрастала необходимость в более глубоком понима-
нии свойств материалов, особенно прочности, ковкости и других
качественных характеристик, а также способов их возможного
изменения.
Однако подлинных научных знаний о составе и свойствах
материалов не было. Теория строилась в основном на догадках,
интуиции, хотя были и удивительные решения, например в Ш в.
до н. э. люди уже умели придавать строительным растворам
гидравлические свойства, т. е способность к твердению в вод-
ной среде с помощью природных добавок.
Источниками информации были личные контакты между
мастерами и передача ими опыта, впоследствии получившие ор-
ганизующее начало в цеховых объединениях, естественная ми-
грация и насильственное переселение специалистов-мастеров
завоевателями из порабощенных стран. Письменная информа-
ция в области производства материалов и изделий в течение
многих столетий отсутствовала, ибо мастера и ремесленники
были неграмотны, а владевшая письменностью знать была бес-
конечно далека от непосредственного производства.
7
В средние века, когда процветала алхимия, Парацельс
(1493-1541) заменяет четыре элемента Аристотеля (земля, вода,
воздух и огонь) тремя своими - солью, серой и ртутью, что
можно расценить как интуитивное предсказание роли межатом-
ных связей в формировании свойств веществ. К этому же перио-
ду относится и учение Декарта (1596- 1050) о том, что природа
представляет собой непрерывную совокупность материальных
частиц, что движение материального мира вечно и сводится к
перемещению мельчайших частиц - корпускул (атомов). Пере-
мещение атомов составляло основу корпускулярной теории
строения вещества, что было значительным достижением в об-
ласти познания составов, внутренних взаимодействий и свойств
веществ.
Большой вклад в развитие науки о материалах внесли
великие русские ученые М. В. Ломоносов (1711-1765) и
Д. И. Менделеев (1834-1907). М. В. Ломоносов заложил основы
передовой русской философии и науки, особенно в области хи-
мии, физики и геологии. Он явился основоположником курса
физической химии и химической атомистики, обосновывающей
атомно-молекулярное строение вещества. Д. И. Менделеев от-
крыл важнейшую закономерность природы - периодический
закон, в соответствии с которым свойства элементов находятся
в зависимости от величины их атомной массы.
Для первого этапа становления и развития строительного
материаловедения характерно сравнительно ограниченное коли-
чество разновидностей материалов и опытных данных по их ка-
чественным характеристикам. Его можно характеризовать как
становление науки о материалах вообще, о составе веществ,
внутренних взаимодействиях мельчайших частиц и их свой-
ствах.
Развитие строительной техники и технологии способствова-
ло совершенствованию качества материалов, расширению их
номенклатуры, порождало новые архитектурные формы. С от-
крытием таких вяжущих, как строительный гипс и воздушная
8
известь, появилась возможность изготовлять материалы конгло-
мератного типа, т. е. путем соединения вяжущего с сыпучими
компонентами - песком и гравием. Получаемые таким образом
бетоны и строительные растворы были известны уже в эпоху
Древнего Рима и цивилизации индейцев майя. Однако примене-
ние этих бетонов ограничивалось недостаточной водостойко-
стью гипса и извести.
Второй этап в развитии строительных материалов начал-
ся с изобретения во второй половине XIX в. гидравлического
вяжущего - портландцемента - и закончился в первой поло-
вине XX в. Появилась возможность изготовлять водостойкие
бетоны и строительные растворы, что существенно расширило
технические возможности строительства. Важнейшим показате-
лем этого этапа явилось массовое производство различных
строительных материалов и изделий, непосредственно связанное
с интенсификацией строительства промышленных и жилых зда-
ний, общим прогрессом промышленных отраслей, электрифика-
цией и т. д. Характерным является также конкретное изучение
составов и качества производимых материалов, изыскание наи-
лучших видов сырья и способов переработки, методов оценки
свойств строительных материалов со стандартизацией необхо-
димых критериев совершенствования практики изготовления
продукции на всех стадиях технологии.
В номенклатуре материалов, кроме применявшихся на пер-
вом этапе камня, меди, бронзы, железа и стали, керамики, стекла
и отдельных вяжущих, начался массовый выпуск портландце-
мента, появились новые цементы; сформировалась специальная
наука о бетонах - бетоноведение. Были предложены новые раз-
новидности искусственных заполнителей для легких бетонов -
керамические, шлаковые и др.
В конце XIX в. формируется технология изготовления желе-
зобетона и получает развитие наука о железобетоне. В это же
время в строительстве внедряется предварительно напряженный
железобетон. Массовое производство преднапряженных конст-
9
рукций началось несколько позже, а в нашей стране - на третьем
этапе развития строительного материаловедения. К этому пе-
риоду относится внедрение и сборного железобетона. Развива-
лись научные концепции производства многих других строи-
тельных материалов. Уровень познания поднялся так, что в це-
ментной, полимерной, стекольной и некоторых других отраслях
разрыв во времени между окончанием научной разработки и
внедрением ее в производство становился весьма малым, т. е.
наука превращалась в непосредственную производительную си-
лу. В то же время в других областях раскрытие теоретических
принципов и общих закономерностей сдерживалось необходи-
мостью быстрейшего решения проблемы интенсификации про-
изводства строительных материалов и изделий для удовлетворе-
ния нужд строительства.
Третий этап охватывает период со второй половины XX в.
до настоящего времени. Он характеризуется, во-первых, процес-
сом дальнейшего расширения производства строительных мате-
риалов и углублением знаний соответствующих им специализи-
рованных наук и, во-вторых, интеграцией научных знаний о
строительных материалах и изделиях в их сложной совокупно-
сти. Расширение производства материалов вызывалось по-
прежнему необходимостью восстановления жилищного и про-
мышленного фонда после Второй мировой войны. Строительст-
во было переведено на индустриальные способы, в частности
путем заводского изготовления изделий из железобетона, кон-
вейеризации производства бетона и железобетона. Индустриа-
лизация строительного производства привела к расширению но-
менклатуры и совершенствованию способов производства штуч-
ных теплоизоляционных, гидроизоляционных и герметизирую-
щих материалов, в особенности материалов на полимерной ос-
нове или с их применением.
Керамическое производство стало высокомеханизированной
и автоматизированной отраслью в промышленности строитель-
ных материалов. Во второй половине XX в. годовая производи-
ю
тельность одной технологической линии составляла на заводах
до 30 млн шт. стандартного кирпича. Были внедрены поточно-
конвейерные линии с годовой производительностью до 1 млн м2
облицовочных керамических плиток и до 800 тыс. м2 плиток для
полов.
Наше время характеризуется бурным развитием промыш-
ленности строительных материалов. Наряду с традиционными
возрастает применение новых материалов Механические спосо-
бы переработки сырья все более вытесняются физико-
химическими методами, при которых свойства строительных
материалов формируются скрытой энергией вещества. Это поз-
воляет сократить непроизводительные затраты труда, топлива и
электроэнергии
Современный этап характеризуется быстрым развитием про-
изводства и дальнейшей дифференциацией наук в различных
отраслях промышленности строительных материалов. Науки
обогащаются новыми практическими данными и переводят их в
теоретические категории, раскрываются новые специфические
закономерности технологических процессов, что оказывает по-
мощь производству. Производство и наука обогащают друг дру-
га, что особенно характерно для стадии современного развития
строительного материаловедения. В результате появляются сты-
ковые, пограничные области знаний о строительных материалах,
например полимерцементных, силикатополимерных, шлакоке-
рамических и др.
Для современного периода характерным является созда-
ние материалов с наперед задаваемыми свойствами на основе
достижений физики твердого тела. Изучив природу межатомной
связи твердого тела, строение элементов его пространственной
решетки с учетом всех видов его дефектности, удается не только
управлять его химическими, физическими и механическими
свойствами, но и прогнозировать потенциальные оптимальные
характеристики, заложенные в любом веществе его химической
природой и структурными особенностями строения.
11
Для обеспечения потребностей населения в жилье в Респуб-
лике Беларусь реализуется программа жилищного строительст-
ва, под которую требуется соответствующая материально-
техническая база. В этой связи увеличивается выпуск цемента,
кирпича, стеновых блоков, линолеума и других материалов.
Особое внимание обращается на монолитное и монолитно-
каркасное домостроение. В связи с интенсивным развитием ин-
дивидуального строительства взят курс на увеличение выпуска
газосиликатных блоков как наиболее экономичного стенового
материала.
В строительстве и отделке зданий широкое применение на-
ходят сухие смеси, защитно-отделочные и клеевые композиции,
эффективные полимерные, металлополимерные, керамические и
стеклянные материалы.
1.2. Классификация строительных материалов
В строительстве используют большое количество разнооб-
разных материалов. По назначению строительные материалы
принято делить на следующие группы:
• вяжущие строительные материалы (воздушные вяжущие,
гидравлические вяжущие) В эту группу входят различные виды
цементов, известь, гипс;
• стеновые материалы — ограждающие конструкции К этой
группе относятся естественные каменные материалы, керамиче-
ский и силикатный кирпич, бетонные, гипсовые и асбестоце-
ментные панели и блоки, ограждающие конструкции из стекла и
силикатного ячеистого и плотного бетона, панели и блоки из
железобетона;
• отделочные материалы и изделия - керамические изделия,
а также изделия из архитектурно строительного стекла, гипса,
цемента, изделия на основе полимеров, естественные отделоч-
ные камни;
• тепло- и звукоизоляционные материалы и изделия — мате-
риалы и изделия на основе минеральных волокон, стекла, гипса,
силикатного вяжущего и полимеров;
12
• гидроизоляционные и кровельные материалы - материалы
и изделия на основе полимерных, битумных и других связую-
щих, асбестоцементный шифер и черепица;
• герметизирующие - в виде мастик, жгутов и прокладок для
уплотнения стыков в сборных конструкциях;
• заполнители для бетона - естественные, из осадочных и
изверженных горных пород в виде песка и щебня (гравия), и ис-
кусственные пористые;
• штучные санитарно-технические изделия и трубы - из ме-
таллов, керамики, фарфора, стекла, асбестоцемента, полимеров,
железобетона.
Классификация строительных материалов по назначению по-
зволяет выявить наиболее эффективные материалы, определить
их взаимозаменяемость и после этого правильно составить ба-
ланс производства и потребления материалов.
По виду исходного сырья строительные материалы делят на
природные и искусственные, минеральные и органические.
Природные, или естественные, строительные материалы и
изделия получают непосредственно из недр земли или путем
переработки древесных материалов. Этим материалам при изго-
товлении изделий из них придают определенную форму и ра-
циональные размеры, не изменяя их внутреннего строения, хи-
мического и вещественного состава. Чаще других из природных
используют древесные и каменные материалы и изделия. Кроме
них, в готовом к употреблению виде или при механической об-
работке можно получить природный битум или асфальт, камыш,
торф, костру и другие природные продукты.
Искусственные строительные материалы разделяют по
главному признаку их отвердевания (формирования структур-
ных связей) на:
• безобжиговые — материалы, отвердевание которых проис-
ходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с
кристаллизацией новообразований из растворов, а также мате-
риалы, отвердевание которых происходит в условиях автоклавов
при повышенных температуре (175...200 °C) и давлении водя-
ного пара (0,9... 1,6 МПа);
13
• обжиговые - материалы, формирование структуры кото-
рых происходит в процессе их термообработки в основном за
счет твердофазовых превращений и взаимодействий.
Указанное деление является отчасти условным, ибо не всегда
возможно определить четкую границу между материалами.
В конгломератах безобжигового типа цементирующие вя-
жущие представлены неорганическими, органическими, поли-
мерными, а также смешанными (например, органоминеральны-
ми) продуктами. К неорганическим вяжущим относят клинкер-
ные цементы, гипсовые, магнезиальные и др.; к органическим -
битумные и дегтевые вяжущие вещества и их производные; к
полимерным - термопластичные и термореактивные полимер-
ные продукты.
В конгломератах обжигового типа роль вяжущего играют
керамические, шлаковые, стекольные и каменные расплавы.
Органические вяжущие вещества позволяют получать конг-
ломераты, отличающиеся: по температуре их применения в
строительстве - горячие, теплые и холодные асфальтобетоны;
по удобообрабатываемости - жесткие, пластичные, литые и др. ;
по размеру частиц заполнителя - крупно-, средне- и мелкозерни-
стые, а также тонкодисперсные.
Полимерные вяжущие вещества - важные компоненты при
изготовлении полимербетонов, строительных пластмасс, стек-
лопластиков и других, нередко называемых композиционными
материалами.
Классификация искусственных строительных материалов
(конгломератов), объединяемая общей теорией, расширяется с
появлением новых вяжущих веществ, разработкой новых искус-
ственных заполнителей, новых технологий или существенной
модернизацией существующих, созданием новых комбиниро-
ванных структур.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1 Что включает строительное материаловедение?
2 . Какие этапы характерны для развития строительного материало-
ведения?
3 На какие группы делят строительные материалы по назначению и
по виду исходного сырья?
14
Г л а в a 2. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ
О ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
И СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО ВЕЩЕСТВА
2.1. Виды связей между атомами и молекулами вещества
Рассмотрим строение молекул - мельчайших частиц вещест-
ва, способных к самостоятельному существованию и участвую-
щих в образовании всего многообразия материалов, применяе-
мых в строительстве и других отраслях.
Химическая связь - сила, удерживающая вместе два атома,
два иона, две молекулы или любую комбинацию этих частиц.
Силы химических связей возникают при сближении атомов до
расстояний, имеющих порядок суммы радиусов свободных ато-
мов. При сближении атомов происходит перекрытие волновых
функций, поэтому возникают силы притяжения, которые явля-
ются причиной образования химической связи. При дальнейшем
сближении атомов начинают действовать силы отталкивания:
это короткодействующие силы, величина которых резко возрас-
тает при уменьшении межатомного расстояния. В химических
превращениях происходят разрыв одних связей и образование
других. Для разрыва связей необходима энергия; она высвобож-
дается или поглощается при образовании новых связей.
Вопросы, касающиеся химической связи в молекулах, весьма
сложны, и излагать их в сокращенном виде в учебном пособии
нецелесообразно. Поэтому ограничимся наиболее общими све-
дениями и перечислением существующих типов химической
связи, используя при этом основной - энергетический - крите-
рий возможности их образования. Такие сведения о химических
превращениях совершенно необходимы для того, чтобы лучше
понять и глубже изучить механизм образования твердых тел.
Особенностью химической связи, коренным образом от-
личающей ее от физических сил взаимодействия - магнитных
или гравитационных, является ее насыщаемость. Эта насыщае-
мость проявляется не только в том, что атомы взаимодейст-
вуют друг с другом в строго определенных соотношениях,
15
но и в том, что все «лишние» атомы отталкиваются от образо-
вавшихся молекул
Известно несколько типов химической связи. Наиболее про-
сто объясняется электровалентная, или ионная, связь. Она воз-
никает между атомами, резко отличающимися друг от друга по
свойствам: между типичными металлами и неметаллами. Такого
рода связь характерна для молекул поваренной соли, окиси
кальция и некоторых других веществ. Образование ионной связи
можно представить следующим образом.
Как известно, атомы металлов (Na, Са, Mg и т. д.) легко от-
дают электроны (доноры электронов), а атомы неметаллов (ки-
слорода, фтора, хлора и др) легко их присоединяют (они - ак-
цепторы электронов). В результате оба взаимодействующих
атома превращаются в ионы с электронной оболочкой ближай-
шего к ним инертного газа, т. е. с наиболее устойчивой восьми-
электронной конфигурацией этой внешней оболочки. Поскольку
оба иона имеют разноименные заряды, они притягиваются друг
к другу за счет электростатических сил, которые схематично
можно изобразить так, как это сделано на рис. 1. Такая связь
весьма прочна, а расстояния между атомами в молекулах сопос-
тавимы по величине с радиусом самих атомов (1...2) • 10 10 м.
Эти ионы в растворе сольватированы и могут свободно пере-
мещаться, в кристалле - удерживаются вместе силами притяже-
ния между положительным и отрицательным зарядами и обра-
зуют бесконечную гигантскую структуру.
Рис. 1. Схема ионной связи в кристалле NaCl
Ион натрия
Притяжение
1 Сольватация — процесс, в результате которого молекулы растворителя
связываются с ионами или молекулами растворенного вещества.
16
Иные представления лежат в основе построения ковалентной
связи, которой характеризуются молекулы, образованные оди-
наковыми или очень близкими друг к другу по свойствам ато-
мами (рис. 2). К ковалентным относятся, например, связи, воз-
никающие между двумя атомами ки-
слорода в молекуле кислорода, ато-
мами водорода - в молекуле водорода
и в некоторых других двухатомных
молекулах.
Ковалентная связь в подобных мо-
лекулах образуется за счет обобщест-
вления неспаренных электронов каж-
дого из атомов, например в молекуле
Н2, так как возникновение такой пары
электронов энергетически выгодно. В
действительности, конечно, речь идет
не об одном или двух электронах на
внешней орбите, а об электронном
облаке, максимальная плотность ко-
Н
нес*н
•ж •
Направ-
ленная
связь
Каждый атом
Н имеет 2
обобществлен-
Ядро водорода
ных электрона
Рис. 2. Схема ковалентной
связи в молекуле метана: а -
схема молекулы СН4; б - ее
модель
Атом углерода имеет
8 обобществленных
электронов
Ядро углерода
торого симметрична по отношению к
взаимодействующим атомам.
Если же электронное облако не-
сколько смещено в сторону одного из
атомов, то возникает дипольный1 мо-
мент, обусловливающий полярный тип
связи. Вследствие этого один атом
оказывается слегка отрицательным, а
другой - слегка положительным, т. е.
на каждом из них появляется заряд,
величина которого равна некоторой
доле заряда электрона (такой заряд
обозначают как 5+ или б- ). Полярной
является, например, молекула воды
(рис. 3).
Полярность
Полярная молекула
воды (Н2О)
Рис. 3. Дипольное строение
молекулы воды
1 Диполь - совокупность двух точечных электрических зарядов, равных по
величине и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии
друг от друга.
2. Зак. 508
НАВУКОВАЯ 515Л1ЯТЭКА
Беларускага вацыцжальцага
17
На внешней орбите атома кислорода вращается шесть элек-
тронов, тогда как при полном насыщении электронами на этой
орбите их число должно равняться восьми. Дополнение внешней
орбиты электронами происходит за счет электронов атомов во-
дорода. Количественной мерой полярности связи служит вели-
чина дипольного момента ц-произведения из заряда полюса ди-
поля на расстояние между полюсами - центрами тяжести отри-
цательных и положительных зарядов в подобных молекулах.
Чем выше значение дипольного момента, тем выше полярность
молекулы. Значение дипольного момента важно для понимания
растворяющей способности жидкостей, состоящих из полярных
молекул. Если полярное вещество жидкое, то оно может слу-
жить полярным растворителем. Полярные растворители раство-
ряют ионные соединения.
Кроме того, очень важна и так называемая координационная,
или донорно-акцепторная, связь - разновидность ковалентной
связи, осуществляемая, например, в комплексных соединениях.
Н Донор
ф д Неподе-
н 4N А ленная Н*
пара Акцептор
Н Т
Донор ,, Акцептор
н
Ион аммония
Рис. 4. Схема координацион-
ной связи при образовании
иона аммония
н
Донорно-акцепторная связь воз-
никает при наличии у одного из ато-
мов неподеленной пары электронов
(донор), тогда как у другого атома -
акцептора — существует не содержа-
щая ни одного электрона атомная
орбита. Например, ион аммония об-
разуется вследствие возникновения
координационной связи между ато-
мом азота в молекуле аммиака и ио-
ном водорода (рис. 4).
Координационная связь харак-
терна для основных продуктов гид-
ратации цементов - аквокомплексов,
которые обычно называют кристал-
логидратами.
Как было отмечено выше, обра-
зование молекул из атомов приводит
к выделению или поглощению энер-
гии. Это же условие лежит и в основе
18
самопроизвольно протекающего взаимодействия между молеку-
лами. Для того чтобы осуществилась реакция, необходима такая
перестройка перечисленных химических связей, которая в ко-
нечном счете была бы энергетически выгодной. Это означает,
что разность между энергией разрыва всех старых связей и энер-
гией образования новых связей должна быть отрицательной
(свободная энергия при разрушении всех старых связей
должна быть меньше, чем свободная энергия при возникновении
новых).
Силы, которые удерживают молекулы жидких и твердых
веществ вместе, называют ван-дер-ваальсовыми. Они отличают-
ся от сил, обеспечивающих химические связи, не только количе-
ственно (обычно в десятки раз меньшей величиной), но и каче-
ственно, а именно: своей универсальностью и ненасыщаемо-
стью. Это означает, что они действуют на сравнительно боль-
ших расстояниях в сопоставлении с расстояниями между атома-
ми в молекулах и распространяются на любое число молекул,
попавших в поле действия этих сил. Ван-дер-ваальсовы силы -
это силы притяжения, обусловленные движением электронов в ато-
мах, и они в 10.. .20 раз слабее, чем силы притяжения между ионами.
2.2. Характеристика кристаллического
и аморфного состояний вещества
В зависимости от давления и температуры вещество может
находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии1.
Материалы в процессе формирования находятся в твердом или,
реже, жидком состоянии, а во время эксплуатации - в твердом
состоянии. Поэтому свойства строительных материалов, как
правило, изучают в их твердом состоянии. Оно характеризуется
фиксированным положением мельчайших составляющих (ато-
мов, молекул, ионов) элемента или вещества в пространстве.
Расстояние между двумя соседними атомами в твердом теле ос-
тается неизменным.
1 При очень высокой температуре может быть также плазменное, а
при очень большом давлении - особо плотное состояние вещества.
2*
19
Всякое жидкое вещество при охлаждении теряет свойство
текучести и переходит в твердое состояние. Известны два раз-
личных вида затвердевания:
1) кристаллизация вещества. В этом случае в жидкости, ох-
лажденной до определенной температуры, появляются мель-
чайшие кристаллы, т. е. области упорядоченно расположенных
и прочно связанных между собой частиц (молекул, атомов, ио-
нов). Кристаллы являются центрами кристаллизации, которые
при дальнейшем отводе теплоты от вещества разрастаются за
счет присоединения к ним частиц из жидкой фазы и охватывают
весь объем вещества;
2) затвердевание вследствие сравнительно быстрого повы-
шения вязкости жидкости с понижением температуры. Из-
вестны две разновидности этого процесса. У некоторых веществ
(воск, битум смолы) кристаллизация совсем не наблюдается;
они называются аморфными телами. Другие вещества (стекло,
например) способны кристаллизоваться, но вязкость у них бы-
стро возрастает с понижением температуры, что затрудняет
перемещение молекул, необходимое для формирования и рос-
та кристаллов, и вещество успевает затвердевать до наступ-
ления кристаллизации. Такие вещества называются стеклооб-
разными.
Таким образом, кристаллическими называют тела, в которых
атомы и молекулы расположены в правильном геометрическом
порядке, а аморфными - в которых атомы и молекулы располо-
жены беспорядочно. Стеклообразные тела также относятся к
разряду аморфных, так как внутри них нет кристаллов.
У некоторых стеклообразных веществ может очень медленно
протекать процесс кристаллизации в твердом состоянии. На-
пример, явление «расстекловывания» строительного стекла со-
провождается его помутнением, минераловатных волокон - пре-
вращением их в порошок.
Процесс кристаллизации не совершается мгновенно, а требу-
ет определенного времени. Иногда одно и то же вещество может
затвердевать как в кристаллической, так и в аморфной форме.
Например, если расплавленный доменный шлак охлаждать мед-
ленно, то он затвердевает в кристаллической форме, а если ох-
20
лаждать быстро, выливая расплав в холодную воду, то шлак за-
твердевает в аморфной форме. При быстром охлаждении (на-
пример, расплавленного кварца) может произойти затвердевание
без кристаллизации с сохранением хаотического (неупорядо-
ченного) расположения атомов. Так образуется аморфное веще-
ство - в данном случае кварцевое стекло. При этом свойства ма-
териала существенно различаются.
Аморфные тела можно рассматривать как сильно охлаж-
денные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости.
У них наблюдаются слабо выраженные свойства текучести. На-
пример, куски воска или битума, находящиеся в воронке, со
временем принимают ее форму. Поэтому, строго говоря, твер-
дыми следует называть только кристаллические тела.
Отсюда следуют основные различия в свойствах кристалли-
ческих и аморфных тел. Если наблюдать процесс плавления и
затвердевания кристаллических и аморфных тел, то можно заме-
тить, что кристаллические тела имеют точку плавления Т^, при
которой вещество находится в устойчивом состоянии в обеих
фазах - в твердой и жидкой, аморфные же тела, постепенно раз-
мягчаясь при нагревании, не имеют определенной температуры,
соответствующей переходу твердой фазы в жидкую (рис. 5).
Участок АВ на кривой а соответствует процессу плавления кри-
сталлического тела. На этом участке температура тела не изменяет-
ся, хотя теплота от нагревателя к нему по-прежнему подводится.
Рис. 5. Изменение темпера-
туры тел в процессе на-
гревания: а - кристалличе-
ского; б - аморфного
21
Установлено, что при температуре плавления внутренняя
энергия U\ частиц кристаллов меньше внутренней энергии t/2
расплава. Это значит, что при температуре плавления энер-
гия упорядоченного движения частиц в кристалле меньше энер-
гии теплового движения частиц в расплаве. Поэтому, для того
чтобы перевести в жидкое состояние кристаллическое вещество
при температуре плавления, нужно сообщить ему дополнительно
энергию ДС/ = U2 - Uy Увеличение внутренней энергии проис-
ходит за счет передачи кристаллу некоторого количества теплоты.
Теплота, затрачиваемая на переход единицы массы вещества
из кристаллического состояния в жидкое при температуре плав-
ления, называется удельной теплотой плавления X и рассчиты-
вается по выражениям
Х = ——— или 1 = —, (2.1)
m m
где m - масса кристаллического вещества.
Обратный процесс - кристаллизация - может происходить
только в случае, если от системы (жидкая фаза - кристалл) от-
водится энергия, так как при кристаллизации выделяется такое
же количество теплоты Q, какое было поглощено при плавлении
данного кристаллического тела.
На графике (рис. 5) для аморфных тел нет горизонтального
участка, а наблюдается лишь точка перегиба С. Температура,
соответствующая этой точке, условно называется температурой
размягчения аморфного тела. Удельная теплота плавления у
аморфных тел отсутствует, подвод теплоты сопровождается
плавным повышением температуры, постепенным увеличением
энергии теплового движения молекул, что соответствует повы-
шению текучести жидкости и уменьшению ее вязкости.
Таким образом, с энергетической стороны имеет место
принципиальное различие между кристаллическими и аморф-
ными телами, состоящее в том, что процесс плавления и затвер-
девания кристаллических тел сопровождается определенным
тепловым эффектом. У аморфных же тел этого теплового эф-
фекта нет.
22
Различие в строении кристаллических и аморфных веществ
определяет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества,
обладая большим запасом свободной энергии, химически более
активны, чем кристаллические вещества такого же состава. На-
пример, расплав доменного шлака, используемый для получения
шлакопортландцемента, охлаждают по специальному ускорен-
ному режиму для получения гранулированного шлака стеклооб-
разного строения, обладающего повышенной химической ак-
тивностью. Аморфное строение имеют горные породы, приме-
няемые в качестве активных минеральных добавок к цементам
(туфы, пемзы, опоки, трепелы, диатомиты), смолы, пласт-
массы и др.
Большая реакционная способность аморфного кремнезема,
как будет показано ниже, может вызывать законную тревогу у
строителя (вследствие коррозии в щелочах) и использоваться
для пользы дела, например в случае применения трепела в гип-
соцементнопуццолановых вяжущих.
Прочность аморфных веществ, как правило, ниже прочности
кристаллических, поэтому для получения материалов повышен-
ной прочности специально проводят кристаллизацию стекол,
например при получении ситаллов и шлакоситаллов, стекло-
кремнезита.
Физические свойства твердого тела можно разделить на две
категории: одна из них включает такие свойства, как плотность,
удельная теплоемкость, которые не связаны с выбором какого-
либо направления внутри твердого тела; свойства же другой ка-
тегории - механическая прочность, модуль деформаций, терми-
ческий коэффициент расширения, коэффициент теплопроводно-
сти и другие - могут быть различными для разных направлений
в твердом теле.
Изотропией называют независимость определенных физиче-
ских свойств твердого тела от направления. Напротив, под ани-
зотропией понимают зависимость свойств макроскопически од-
нородного тела от направления по отношению к осям коорди-
нат, связанным с самим телом. Волокнистые и слоистые мате-
риалы, древесина обладают различными свойствами в различ-
ных направлениях, т. е. являются анизотропными. Напротив,
23
жидкости и материалы в аморфном состоянии обладают одина-
ковыми свойствами во всех направлениях как изотропные мате-
риалы, например стекло. Кристаллические вещества в микро-
объеме анизотропны (например, кварц), в макрообъеме - изо-
тропны (например, гранит).
2.3. Типы кристаллических решеток
и силы связи в кристаллах
При переходе вещества из жидкого состояния в твердое (на-
пример, при застывании расплава металла) или при выпадании
твердого вещества в осадок из насыщенного раствора (напри-
мер, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества стремят-
ся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы
их взаимодействия оказались максимально уравновешены. По-
этому их положение относительно друг друга оказывается впол-
не определенным, фиксированным.
Такой геометрически правильный и повторяющийся в про-
странстве порядок расположения атомов (молекул) называют
кристаллической решеткой (рис. 6). Кристаллическая решетка
представляет собой пространственную сетку, в узлах которой
располагаются молекулы, атомы или ионы, образующие кри-
сталл. Существует шесть типов простых кристаллических реше-
ток, наиболее симметричной из которых является кубическая
(рис. 6а). Длину ребер а, Ь, с кристаллической ячейки называют
периодами идентичности кристалла. Величины а, Ъ, с и а, Р, у
(углы между ребрами) однозначно определяют элементарную
кристаллическую ячейку и называются ее параметрами.
а
Рис. 6. Типы кристаллических решеток: а - кубическая; б - кубическая объем-
но-центрированная; в - кубическая гранецентрированная; а,Ь,с- длина ре-
бер; а, Р, у - углы между ребрами
24
В 1848 г. французский кристаллограф О. Браве показал, что в
зависимости от соотношения величин и взаимной ориентации
ребер элементарной кристаллической ячейки может существо-
вать 14 типов кристаллических решеток.
Различают примитивные (простые), базоцентрированные,
объемно-центрированные и гранецентрированные решетки Бра-
ве. Если узлы кристаллической решетки расположены только в
вершинах параллелепипеда, то такая решетка называется при-
митивной или простой (рис. 6а). Если, кроме того, имеются узлы
в центре оснований параллелепипеда, то данная решетка - базо-
центрированная. Решетка называется объемно-центрированной,
если кроме узлов в вершинах есть узел в месте пересечения про-
странственных диагоналей параллелепипеда, а гранецентриро-
ванной, если кроме узлов в вершинах существуют узлы в центре
всех шести граней параллелепипеда (рис. 6в).
В зависимости от типа решетки различно не только число
частиц в элементарной ячейке, но и расстояние между ними,
а значит, и плотность упаковки частиц. Число ближайших к рас-
сматриваемому атому соседних атомов называют координа-
ционным. Чем оно больше, тем плотнее упакованы частицы в
кристаллической решетке. Для металлов характерны гране-
центрированные, кубические и гексагональные решетки с коор-
динационным числом 12 и объемные — с координационным чис-
лом 8.
Между частицами твердого тела действуют силы как притя-
жения, так и отталкивания. При определенном расстоянии меж-
ду частицами эти силы уравновешивают друг друга, и поэтому
вещество в твердой фазе находится в равновесном состоянии.
По современным воззрениям, атом состоит из положительно
заряженного ядра, вокруг которого с чрезвычайно большой ско-
ростью (в несколько тысяч триллионов оборотов в секунду)
вращаются по определенным орбитам электроны, создавая во-
круг ядра так называемое электронное облако.
Ядро атома обладает определенным электрическим зарядом,
который численно равен суммарному заряду электронов. Моле-
кула образуется стяжением атомов за счет взаимодействия меж-
25
ду электронами, находящимися на их внешних орбитах, и явля-
ется, таким образом, сложной системой, несущей одновременно
положительные и отрицательные заряды.
По физической природе сил, действующих между частицами
решетки, различают ионные, металлические, межмолекулярные
и ковалентные связи.
Если в узлах кристаллической решетки расположены разно-
именные ионы, то кристаллы называются ионными. Атомы в
ионных кристаллах обмениваются электронами, образуя ионы с
устойчивыми внешними оболочками. Ионы располагаются так,
что силы кулоновского притяжения между ионами противопо-
ложного знака больше, чем силы отталкивания между ионами
одного знака. Ионный кристалл можно рассматривать как ги-
гантскую ионную молекулу, в которой каждый из ионов взаимо-
действует со всеми остальными. Поэтому ионная связь является
ненаправленной и ненасыщенной.
В атомных кристаллах атомы в узлах кристаллической ре-
шетки взаимодействуют со своими ближайшими соседями за
счет ковалентной химической связи. Последняя носит направ-
ленный характер: возникает между одинаковыми атомами при
образовании общей пары валентных электронов - по одному от
каждого атома. Наиболее характерные атомные (ковалентные)
кристаллы образуются элементами четвертой группы периоди-
ческой таблицы: углеродом (алмаз), кремнием, германием и др.
По аналогии с атомными кристаллами в узлах пространст-
венной решетки металлических кристаллов размещаются поло-
жительные ионы металлов, а структурные связи обусловлены
свободно перемещающимся облаком электронов (электронный
газ), которое удерживает вместе положительные ионы. Метал-
лическая связь возникает в том случае, если число валентных
электронов невелико и при этом они слабее связаны с ядра-
ми. При образовании металлов электронные оболочки валент-
ных электронов перекрываются, поэтому валентные электроны
1 Валентный электрон - электрон, который принимает участие в образова-
нии химических связей.
26
получают возможность переходить от одного атома к другому и
свободно перемещаться по всему кристаллу. Обобществленные
электроны как бы «стягивают» положительные ионы в прочную
структуру, уравновешивая отталкивание между ними. Металли-
ческая связь более гибка и пластична, чем ионная.
Молекулярные кристаллы представляют собой достаточно
сложную систему из взаимодействующих, плотноупакованных,
устойчивых молекул, расположенных в узлах кристаллической
решетки. В таких кристаллах молекулы (Н2, N2, С12, Вг2, СаО,
Н2О и др.) сохраняют свою «индивидуальность» в газообразной,
жидкой и твердой фазах и удерживаются в узлах решетки срав-
нительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Последние яв-
ляются силами притяжения и обусловлены движением электро-
нов в атомах, ив 10... 20 раз слабее, чем силы притяжения меж-
ду ионами.
Молекулы, образующие кристалл, могут быть полярными.
Диполи молекул ориентируются так, что обращенные друг к
другу концы соседних диполей разнополярны, и силы притяже-
ния преобладают над силами отталкивания Молекулы, обра-
зующие кристалл, могут быть и неполярными. Однако из-за
движения электронов и колебания ядер электрические центры
тяжести положительных и отрицательных зарядов могут сме-
ститься - возникает мгновенный электрический момент диполя.
Диполи ориентируются соответствующим образом, и между мо-
лекулами возникают силы притяжения. Примером веществ, об-
ладающих такой связью, служат «сухой лед» (двуокись углеро-
да) и парафин.
2.4. Энергия решетки и поверхностная энергия
Прочность связей характеризуется той энергией, которую
нужно затратить для разъединения кристалла на составляющие
его частицы. Количество энергии, необходимое для разъедине-
ния кристалла на составляющие его частицы и удаления их в
бесконечность, называется энергией решетки. Энергия решетки
в общем случае не включает энергию колебаний атомов (ионов),
из которых состоит кристалл. При повышении температуры
27
энергия решетки уменьшается вследствие «разрыхления» ре-
шетки под воздействием тепловых колебаний, в то время как
внутренняя энергия увеличивается.
Энергию решетки ионных кристаллов можно рассчитать по
формуле М. Борна
С/реш = Nf-yz^e2 fl-11 Дж/моль, (2.2)
4л£0а0 к и)
где TVA - число Авогадро; zx и z2 - валентности; е - заряд элек-
трона; п — показатель, учитывающий силы отталкивания, для
ионных кристаллов п = 9; Oq - равновесное состояние между ио-
нами, которому соответствует минимум потенциальной энергии;
£о - электрическая постоянная, £0 = 8,85 • 10 12 Ф/м; ам - кон-
станта Маделунга.
Энергию решетки металлических кристаллов, согласно Га-
беру, можно рассчитать по формуле
тт _
реш а
(2.3)
Для металлов п = 3.
Энергия решетки определяет основные физические свойства
кристаллов: температуру плавления, механическую прочность,
твердость и т. д. Чем больше энергия решетки кристалла, тем
более он устойчив. Это означает, что при уменьшении расстоя-
ния между ионами или при увеличении валентности возрастает
энергия решетки, а соответственно и температуры кипения и
плавления. Различия в энергиях решетки разных веществ сказы-
ваются и на их реакционной способности. Вещества с наимень-
шей энергией будут, как правило, реакционно-способными.
Поверхность кристалла представляет собой обрыв периоди-
ческого расположения элементов решетки. Связи любой выде-
ленной внутри кристалла частицы насыщаются связями соседей.
А для атомов, ионов или молекул, находящихся на поверхности,
это насыщение уже не является всесторонним. Отсюда вытека-
ют характерные энергетические взаимодействия частиц в близ-
ких к поверхности слоях кристалла и на поверхности, гранича-
щей со средой. При увеличении поверхности раздела, т. е. при
переводе молекул в поверхностный слой, совершается работа
28
против нескомпенсированных сил межмолекулярного взаимо-
действия у границы раздела фаз (например, кристалл 1 - кри-
сталл 2, кристалл - жидкость, кристалл - газ). Поэтому частицы
на поверхности кристалла обладают большей потенциальной
энергией, чем атомы или ионы внутри кристалла.
Поверхностная энергия — это избыток энергии поверхност-
ного слоя на границе раздела фаз по сравнению с соответст-
вующей объемной энергией самих фаз. Поверхностная энергия
кристалла определяется как свободная энергия (свободная энер-
гия любой системы определяется уравнением
F=U-TS, (2.4)
где U - внутренняя энергия; S - энтропия; Т — абсолютная тем-
пература), которую необходимо затратить для создания поверх-
ности.
2.5. Дефекты кристаллических решеток
Идеальных кристаллов, в которых все атомы находились бы
в положениях с минимальной энергией, практически не сущест-
вует. Отклонения от идеальной решетки могут быть временны-
ми и постоянными. Временные отклонения возникают при воз-
действии на кристалл механических, тепловых и электромаг-
нитных колебаний, при прохождении через кристалл потока бы-
стрых частиц и т. д. К постоянным несовершенствам относятся:
• точечные дефекты (межузельные атомы, вакансии, приме-
си). Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их разме-
ры по всем направлениям не больше нескольких атомных
диаметров;
• линейные дефекты (дислокации, цепочки вакансий и меж-
узельных атомов). Линейные дефекты имеют атомные размеры в
двух измерениях, а в третьем - они значительно больше размера,
который может быть соизмерим с длиной кристалла;
• плоские, или поверхностные, дефекты (границы зерен,
границы самого кристалла). Поверхностные дефекты малы
только в одном измерении;
• объемные дефекты, или макроскопические нарушения (за-
крытые и открытые поры, трещины, включения постороннего
вещества). Объемные дефекты имеют относительно большие
29
размеры, несоизмеримые с атомным диаметром, во всех трех
измерениях.
Как межузельные атомы, так и вакансии (т. е. узлы решет-
ки, в которых отсутствуют атомы) являются термодинамиче-
ски равновесными дефектами: при каждой температуре в кри-
сталлическом теле имеется вполне определенное количество
дефектов.
Примеси в решетках имеются всегда, поскольку современ-
ные методы очистки кристаллов не позволяют еще получать
кристаллы с содержанием примесных атомов менее 1011 см'.
Если атом примеси замещает атом основного вещества в узле
решетки, он называется примесью замещения. Если примес-
ный атом внедряется в междоузлие, его называют примесью
внедрения.
Точечные дефекты повышают энергию кристалла, так как на
образование каждого дефекта была затрачена определенная
энергия. Вокруг пустого узла или атома в междоузлии решетка
искажена. Точечный дефект можно рассматривать в первом
приближении как центр сжатия или расширения в упругой среде
(рис. 7). Напряжения и деформации вокруг такого центра убы-
вают обратно пропорционально третьей степени расстояния от
него.
Рис. 7. Деформация кристаллической решетки при наличии: а - вакансии;
б - атома в междоузлии
Важной особенностью точечных дефектов является их под-
вижность. Перемещение дефектов связано с преодолением по-
тенциальных барьеров, высота которых определяется природой
дефекта, структурой решетки и направлением перемещения де-
30
фекта. Перескоки вакансий приводят к перемещению атомов,
т. е. к самодиффузии примесных атомов замещения. Вакансион-
ный механизм - основной диффузионный1 механизм.
Для получения фиксированных концентраций вакансий и
управления с их помощью процессами применяют закалку ме-
талла (резкое охлаждение после высоких температур), пластиче-
скую деформацию, облучение быстрыми нейтронами и т. д.
В настоящее время особое внимание исследователей зани-
мают такие дефекты в кристаллах, которые носят название дис-
локаций (зацеплений, смещений). Представления о дислокациях
оказались очень плодотворными при объяснении причин пла-
стических деформаций, ползучести, наклепа, упрочнения, роста
кристаллов и некоторых других явлений в металлах. Теория
дислокаций сейчас интенсивно развивается и начинает успешно
применяться при объяснении ряда процессов, протекающих в
строительных материалах.
Дислокации могут быть двух основных типов: краевые (ли-
нейные) и винтовые. И те и другие возникают в том случае, ес-
ли, например, вакансии объединяются или блоки кристаллов
срастаются друг с другом при некотором отклонении от совер-
шенного порядка, т. е. под некоторым углом дезориентации, как
показано на рис. 8.
Рис. 8 Образование линейной
дислокации
1 Диффузия - перемещение атомов, обусловленное их тепловым движени-
ем в жидкой или твердой фазе, на расстояние, большее периода решетки
31
Данное несовершенство постепенно приводит к смещению
плоскости на один период решетки. При краевой дислокации это
выглядит так, словно в совершенную кристаллическую плос-
кость вставлена еще одна дополнительная плоскость, перпенди-
кулярная чертежу и не имеющая продолжения в нижней поло-
вине кристалла. Такую «лишнюю», неполную атомную плос-
кость называют экстраплоскостью. Центр ее изображают в ви-
де буквы Т (отрицательная дислокация) или перевернутой Т
(положительная дислокация). Длина дислокаций может со-
ставлять несколько тысяч периодов решетки, т. е. иметь протя-
женность порядка 10 3 мм, причем они могут изгибаться в спи-
раль, петли и т. д.
Лишний атомный слой (экстраплоскость) действует как
клин, изгибая решетку вокруг своего нижнего края внутри кри-
сталла. Наиболее существенно то, что в некоторой области
непосредственно вблизи края экстраплоскости внутри кристалла
решетка сильно искажена. Выше края экстраплоскости меж-
атомные расстояния меньше нормальных, а ниже края - больше
их. Атом на самой кромке экстраплоскости имеет меньше сосе-
дей, чем атом внутри совершенной решетки. Область несовер-
шенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется
краевой дислокацией.
Винтовая дислокация представлена на рис. 9. В этом случае
происходит смещение на один период решетки правой части
кристалла, частично надрезанной по плоскости ABCD относи-
тельно левой. Это приводит к изгибу горизонтальных атомных
плоскостей таким образом, как это показано на схеме, где линия
дислокации параллельна плоскости сдвига.
Рис. 9. Кристалл с винто-
вой дислокацией
32
Таким образом, после сдвига по плоскости ABCD вдали от
линии ВС решетка остается совершенной, а вблизи от линии ВС
(вдоль нее) тянется область несовершенства. В одном измере-
нии — вдоль линии ВС - область несовершенства имеет макро-
скопический размер, а в других - она очень мала (ее размеры по
нормали к линии ВС составляют несколько периодов решетки).
Несовершенная область вокруг линии ВС называется винтовой
дислокацией.
В отличие от краевой дислокации, которая всегда перпенди-
кулярна вектору сдвига, винтовая дислокация параллельна век-
тору сдвига. Кроме того, краевая дислокация в определенной
кристаллографической плоскости может быть образована сдви-
гом только по этой плоскости. Винтовая же дислокация может
образоваться при сдвиге по любой кристаллографической плос-
кости, содержащей линии дислокации, по любой поверхности,
оканчивающейся на этой линии.
Следует учитывать, что дислокации, обладая повышенной
подвижностью, сами способны стать источником новых дисло-
каций. Перемещаются дислокации двумя путями - скольжением
или диффузией.
Теория дислокаций позволяет объяснить, почему прочность
кристаллов и поликристаллического сростка до 1000 раз меньше
теоретической. Именно дислокации, расположенные по грани-
цам блоков, и служат теми дефектами, удаление которых повы-
шает прочность материала. В тонких монокристаллических ни-
тях эта прочность приближается к теоретической.
Перемещением дислокаций удается объяснить те сравни-
тельно невысокие усилия, которые вызывают сдвиг кристаллов в
процессах пластической деформации. Например, величина на-
клепа, способствующая упрочнению стали, объясняется явлени-
ем дислокаций, которые могут перемещаться в кристалле. При
взаимной встрече линейных дислокаций число их может возрас-
ти, и, переплетаясь, они образуют как бы спутанные нити.
В этом случае сталь упрочняется, и, если деформация будет про-
должаться, она будет хрупкой.
Если надо сломать проволоку или кусок жести, то их следует
несколько раз отогнуть в одну и другую сторону. Сначала ме-
талл деформируется легко, затем - немного упрочняется и, на-
конец, - хрупко ломается.
3. Зак. 508
33
Металл, упрочненный деформацией, может быть возвращен
в исходное «мягкое» состояние отжигом - нагревом до полной
или частичной рекристаллизации, при этом большинство
дислокаций исчезает.
Наличие дислокации в неметаллических строительных мате-
риалах было установлено при изучении кальцита и гипса, ис-
пользуемых в строительстве.
Таким образом, теория дислокаций является полезной при
рассмотрении физических и физико-химических явлений в твер-
дом теле. В то же время имеющийся опыт, а также теоретиче-
ские расчеты показывают, что нельзя механически распростра-
нять выводы, вытекающие из представлений об идеальном кри-
сталле, на реальные пористые поликристаллические неоднород-
ные в химическом и дисперсионном отношении структуры.
Основные положения этой главы весьма важны для понима-
ния многих процессов, происходящих в твердых и жидких те-
лах, но не могут непосредственно применяться для определения
механических характеристик искусственных строительных
конгломератов.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Как образуется ионная связь между атомами?
2. За счет чего образуется в молекулах ковалентная связь? Приведите схе-
му образования связи.
3. Что такое диполь и дипольный момент?
4. Как образуется донорно-акцепторная связь? Для каких молекул она ха-
рактерна?
5. Какие силы называют ван-дер-ваальсовыми?
6. Какие вещества называются кристаллическими, а какие - аморфными? В
чем их отличие в строении и свойствах?
7. Почему твердыми телами правильнее называть только кристаллические
вещества?
8. Какие вещества называются изотропными, а какие - анизотропными?
9. Что такое кристаллическая решетка и какие существуют типы решеток?
10. Какие кристаллы называются ионными, металлическими, атомными и
молекулярными?
11. Что называется энергией решетки? Что такое поверхностная энергия?
12. Какие дефекты характерны для кристаллов, в чем их особенности?
13. Что такое дислокации? Как они образуются и влияют на свойства твер-
дых тел?
34
Г л а в a 3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
3.1. Принципы выбора и использования сырья
Технология - наука о процессах и способах переработки ис-
пользуемых сырьевых продуктов. Химическая технология -
наука о методах и процессах химической переработки сырья
в строительные материалы и изделия. Основными элемента-
ми технологий являются сырье, энергия и аппаратура. Эти эле-
менты тесно взаимосвязаны и обусловлены экономикой, со-
стоянием и уровнем развития научно-технического потенциа-
ла. При достигнутом на сегодняшний день уровне развития
промышленности круг сырьевых материалов практически неог-
раничен.
В качестве сырья для производства многочисленных разно-
видностей строительных материалов используют исходные ве-
щества или смеси различных веществ (сырьевые смеси). Наибо-
лее широко применяется природное сырье. Следует отметить,
что относительно легкодоступные запасы природного сырья,
чаще всего представленного веществами стабильной кристалли-
ческой структуры (огнеупорные глины - кристаллогидраты, из-
вестняки, кварц, некоторые изверженные горные породы), добы-
ваемого современными техническими средствами, находятся в
ряде стран СНГ под угрозой исчерпания. Добывать сырье стано-
вится все труднее, поэтому приходится решать эти проблемы за
счет увеличения расхода энергии, разработки менее богатых ме-
сторождений, усложнения технологической переработки сырья
путем его обогащения и т. д.
Частично решить эту задачу позволит использование горных
пород нестабильной кристаллической структуры, обладающих
значительным резервом кинетической энергии. К ним относится
аморфизованный кремнезем: трепелы, опоки, диатомиты, туфы,
стекловидные породы - базальты, обсидианы, перлиты. Целесо-
образность их использования заключается в том, что эти веще-
ства, содержащие значительную часть нерастраченной кинети-
ческой энергии, позволяют перерабатывать их в общественно
3*
35
полезный продукт с гораздо меньшими материальными и энер-
гетическими затратами.
Из органических природных видов сырья в производстве
строительных материалов используют каменные и бурые угли,
нефть, растительные вещества, торф и другие, как правило,
неоднородные по своему составу и с содержанием различ-
ных соединений углерода вещества, запасы которых также огра-
ничены.
В Республике Беларусь затраты на импорт минеральных и
топливных ресурсов значительно превышают показатели экс-
порта. Активизация промышленного производства и рост инве-
стиций предопределяют увеличение потребностей в минераль-
ных ресурсах как местного производства, так и импортируемых
из стран ближнего и дальнего зарубежья. Вместе с тем высокая
степень зависимости важнейших отраслей промышленности от
импорта сырья и топлива отрицательно влияет на сальдо торго-
вого баланса и общее состояние экономики страны. Поэтому
наращивание доли участия в производстве местных сырьевых и
топливных ресурсов, увеличение их экспорта и постепенное вы-
теснение импортируемых сырьевых материалов является важной
задачей. Выполнение ее осложнено тем, что по отдельным видам
минерального сырья степень освоенности разведанных место-
рождений достаточно высока и существенный прирост добычи
полезных ископаемых на их базе проблематичен. Например, хо-
зяйственная освоенность балансовых запасов полезных иско-
паемых Беларуси по состоянию на 1998-2000 гг. составляет: по
нефти и газовому конденсату - 86,5 %; сырью для цементной
промышленности - 73,0; строительному камню - 55,2; доломи-
ту - 100; кварцевому песку для производства стекла - 40,1; ту-
гоплавким глинам для керамических изделий - 90,7 %. Таким
образом, разведанные и вовлеченные в хозяйственное ис-
пользование местные минеральные ресурсы не могут в полной
мере обеспечить потребности страны и радикально снизить объ-
емы материалов, импортируемых из стран СНГ и дальнего зару-
бежья.
Проблема обеспеченности сырьем промышленности строи-
тельных материалов по-прежнему является актуальной для эко-
номического комплекса страны. Если предприятия по выпуску
36
цемента, извести, строительного песка, камня и щебня находятся
в более или менее благоприятном положении и на ближайшие
10 лет обеспечены сырьем, то заводы по производству керами-
ческого кирпича в Беларуси уже много лет испытывают его су-
щественную нехватку. Почти 30 % предприятий (по данным
БелНИГРИ) по производству керамического кирпича не обеспе-
чены сырьем, около 20 заводов в последние годы прекратили
выпуск продукции. В этой связи необходимо уже сейчас забо-
титься об обеспечении действующих предприятий резервными
сырьевыми базами, а также готовить сырьевые ресурсы для соз-
дания новых производственных мощностей.
Ввиду затруднений с природным сырьем и постоянно возрас-
тающим загрязнением окружающей среды всевозможными от-
ходами других отраслей промышленности для производства
строительных материалов все более широко используют побоч-
ные продукты от других производств: шлаки металлургических
производств, золы от сжигания каменного угля и кокса исполь-
зуют в производстве минеральной ваты, ячеистых бетонов,
керамических изделий; отходы горно-обогатительных комбина-
тов - в производстве керамических и теплоизоляционных мате-
риалов; древесную стружку и опилки, костру - в производстве
отделочных и теплоизоляционных материалов и изделий. При
этом промышленные отходы зачастую представлены веществом
в аморфном или субмикроскопическом состоянии и являются
носителями избыточной кинетической энергии, которая аккуму-
лирована и зафиксирована в них в процессе производства основ-
ного продукта.
Таким образом, главными критериями выбора сырья должны
быть его распространенность и энергетическое состояние.
Важным критерием степени пригодности сырья является его
химический состав. При допустимых колебаниях от требуемого
состав сырья можно корректировать добавками, что и практику-
ется повсеместно на производстве. Регулируя или выбирая сы-
рье с заданным химическим составом, мы тем самым управляем
свойствами конечного продукта. В большей степени это отно-
сится к побочным продуктам, например металлургическим шла-
кам. Из-за незавершенности процессов кристаллизации послед-
37
ние подвержены самораспаду с превращением твердого вещест-
ва в порошок.
Выбор сырья определяется уровнем знания возможностей
технологии, а выбор оптимального варианта переработки зави-
сит от вида сырья. Например, вибротехнология предопределяет
получение ячеистых бетонов на основе газобетонов, а пенобетон
получают по несколько отличной технологии с использованием
другого набора исходных компонентов; в зависимости от агре-
гатного состояния стекла (твердый гранулят или растворимое
стекло) технология его переработки и составы сырьевых компо-
зиций будут различны. Правильный подбор сырья должен со-
кращать производственный цикл.
При производстве строительных материалов следует стре-
миться использовать сырье, допускающее повторную перера-
ботку при браке, или отходы после сепарации в виде обрезков,
боя и т. д. Так, при производстве изделий из ячеистого бетона
образующийся отход - так называемая «горбуша» - утилизиру-
ется путем его возврата в бетоносмеситель, обрезки минерало-
ватных изделий и «корольки» идут на переплавку, а термопла-
стичные отходы нужно использовать при производстве изделий
из пластмасс.
Таким образом, можно назвать следующие основные прин-
ципы выбора и использования сырья в производстве строитель-
ных материалов и изделий:
• достаточность и комплексное использование сырья;
• наибольшее соответствие производству требуемой продук-
ции и принимаемой технологии переработки сырья;
• получение продукта с требуемыми показателями качества;
• максимальное энергосодержание сырьевых веществ, обу-
словленное их нестабильным или метастабильным состоянием;
• способствование максимальному’ сокращению длительно-
сти производственного цикла и созданию безотходных техноло-
гий, а также разработке энергосберегающих технологий и со-
хранению экологического равновесия.
Если существует возможность выбора сырья, то ее нужно
реализовать на основе вариантных проработок с учетом приве-
денных факторов.
38
3.2. Характеристика общих технологических переделов
При изготовлении строительных материалов и изделий сырье
подвергают комплексу механических, химических, физико-
химических, тепловых и других воздействий. В результате реа-
лизации в определенной последовательности этих технологиче-
ских воздействий сырье либо изменяет только форму и размеры
частиц вещества, получает большую однородность и очищается
от загрязнений, либо претерпевает существенные изменения со-
става, внутреннего строения и качественных характеристик.
Каждая разновидность строительных материалов и изделий
нуждается в специфической технологии. Последняя характери-
зуется своим технологическим регламентом, расходными коэф-
фициентами по сырью и всем видам энергии, достижением эко-
номически эффективных результатов и высоких показателей ка-
чества готовой продукции. В общей теории синтеза
искусственного строительного камня роль технологии в струк-
турообразовании и затвердевании материалов определена как
основная. Это позволяет выделить общие стадии, характерные
для производства строительных материалов и изделий.
К типичным переделам, предопределяющим процессы струк-
турообразования у материалов и изделий, относятся: основные -
подготовительные работы, перемешивание отдозированных
сырьевых компонентов, формование и уплотнение изделий, спе-
циальная обработка изделий до полного их отвердевания, техни-
ческий контроль качества готовой продукции; вспомогатель-
ные - контроль за соблюдением технологического регламента,
транспортирование сырья и готовой смеси, складирование сырья
и готовой продукции. Следует отметить, что на структурообра-
зование влияют не только основные, но и вспомогательные пе-
ределы.
Технологический процесс получения материалов обычно на-
чинается с подготовки сырья и заканчивается на стадии фикса-
ции формы и структуры или на стадии придания им специаль-
ных свойств. Однако существует ряд технологий, в которых мо-
гут отсутствовать некоторые общие технологические переделы.
Например, при производстве вспученного перлита, распиловке и
39
последующей обработке природных камней отсутствует стадия
перемешивания компонентов. Эти примеры являются частными
случаями общих принципов производства строительных мате-
риалов.
3.2.1. Подготовительные работы
Повышение качества изделий, сокращение продолжительно-
сти технологического цикла и уменьшение производственных
затрат возможно при использовании кондиционных сырьевых
материалов, которые в результате специальной обработки по-
вышают свою реакционную способность. Этот общий для всех
технологий передел является подготовительным. На этой стадии
технологии важно полнее раскрыть и по возможности увеличить
потенциальную энергию сырья с тем, чтобы на последующих
этапах (перемешивание, формование и т. п.) свободная внутрен-
няя и поверхностная энергии перешли в другие ее формы, спо-
собствуя процессам формирования новообразований и фаз, от-
личных от исходных сырьевых, а также структуры готового ма-
териала (изделия).
Технологическая стадия подготовки сырья обычно начина-
ется на складах предприятия по производству требуемой про-
дукции и заканчивается после поступления компонентов в рас-
ходные бункера, бассейны и другие устройства дозаторного от-
деления смесительного узла. Однако часто эта стадия
начинается уже на заводах - поставщиках исходных материалов.
Так, например, в карьерах могут производиться дробление щеб-
ня до требуемых размеров, фракционирование, удаление пыле-
ватых и глинистых частиц. Целесообразность осуществления
подготовительных операций на заводе-поставщике или на заво-
де-потребителе определяется соответствующими экономиче-
скими соображениями и возможностью создания безотходных
технологий.
В зависимости от разновидности сырья подготовительные
операции заключаются в измельчении, помоле, распушке и дру-
гих способах перевода сырья в тонкодисперсное состояние;
фракционировании, просеве, промывке и других методах удале-
ния вредных примесей и очищения поверхности; увлажнении
или обезвоживании (сушке) сырья; нагревании, обжиге и охлаж-
40
дении сырья перед употреблением в смесях; повышении одно-
родности сырья по массе, прочности и другим качественным
показателям, что нередко совмещается с физико-химической
обработкой с целью дополнительного повышения активности
поверхности частиц или изменения их полярности, поверхност-
ного натяжения и т. п.
Очень важным и ответственным этапом на подготовительной
стадии является повышение реакционной способности компо-
нентов, что достигается переводом их по возможности в наибо-
лее термодинамически неустойчивое состояние. Находясь в та-
ком нестабильном состоянии, компоненты приобретают повы-
шенную реакционную способность, реализующуюся в после-
дующих технологических переделах. В основе технологических
приемов, повышающих реакционную способность, лежат меха-
нохимические процессы, которые проявляются в изменении хи-
мического и фазового составов поверхности твердых тел при
различных механических воздействиях. В нестабильное термо-
динамически неустойчивое состояние вещество может перево-
диться механическим (тонкое измельчение), термическим (об-
жиг) или химическим (осаждение из растворов веществ, нахо-
дящихся в активном состоянии) путем.
Измельчение и помол - наиболее распространенные подгото-
вительные операции. Уменьшение размеров частиц грубозерни-
стых сырьевых материалов вызывается необходимостью: обес-
печить определенное соответствие между размерами частиц
смеси и конструктивными элементами изделий; облегчить тех-
нологические операции на стадиях приготовления смеси; повы-
сить плотность и однородность дробленого материала; увели-
чить удельную поверхность порошкообразного вещества. Быст-
ро увеличивающаяся с измельчением поверхность обладает
особым запасом поверхностной энергии, которая в дальнейшем
расходуется при смешении нескольких компонентов в общую
смесь, при формировании изделий из смеси с протеканием реак-
ций по поверхностям раздела.
Рациональный предел тонкости помола устанавливают опыт-
ным путем. Он может быть повышен применением при помоле
поверхностно-активных веществ, оказывающих расклиниваю-
щее действие в микротрещинах и микро дефектах и облегчаю -
41
щих помол или способных создавать на поверхности пленки,
экранировать частицы и предотвращать их агрегирование. Кро-
ме того, при высокой дисперсности помола имеется опасность
потери активности порошкообразного материала в период его
хранения в связи с поглощением посторонних веществ (пыли,
влаги, газов и др.) из окружающей среды. Приходится учитывать
и то, что с увеличением степени измельчения значительно воз-
растают механическая работа и расход энергии на измельчение.
. Операцию измельчения нередко совмещают с разделением
продукта помола по крупности частиц просеиванием, что назы-
вают фракционированием сырья.
Нередко исходные сырьевые материалы подвергают обога-
щению, т. е. повышению однородности по прочности, плотности
и т. п. В основе методов обогащения лежат явления гравитации,
а также используется разность в некоторых свойствах, например
плотности (при флотации), и др.
Весьма важная роль в подготовительный период отводится
тепловому воздействию на сырьевой материал, чтобы удалить
избыточную влагу, нагреть до необходимой температуры или
даже подвергнуть кратковременному обжигу с целью, например,
частичной или полной его дегидратации, аморфизации, укруп-
нения частиц для понижения пластичности (например, глины).
На стадии подготовительных работ производят нередко так-
же физико-химическую или химическую обработку сырьевых
материалов. Она повышает активность подготавливаемых ком-
понентов смеси, облегчает и ускоряет основную технологиче-
скую операцию, благоприятствует получению более плотного и
прочного материала. Такая обработка заключается обычно в до-
бавлении в смесь специальных веществ, выполняющих различ-
ные или комплексные функции - уплотняющие, минерализую-
щие, порообразующие, гидрофобизирующие, коагулирующие и
др. Она может быть совмещена с измельчением вещества или
производится при смешивании.
Задачи, предусмотренные подготовительной стадией, могут
решаться одновременно. Так, при помоле сырья происходит од-
новременно повышение его однородности и реакционной спо-
собности, а также придается наиболее удобный вид для даль-
нейшей переработки. Последней операцией подготовительного
42
периода является дозирование компонентов, от точности которо-
го зависит качество получаемой смеси и готового материала.
Точность дозирования современных дозаторов, составляющая
±(1...2) %, является часто недостаточной. Для повышения точ-
ности дозирования добавок, вводимых в смеси в незначительных
количествах, их разбавляют водой или другим растворителем и
дозируют уже раствор, эмульсию или суспензию, в результате
чего достигается требуемая точность дозирования.
3.2.2. Перемешивание компонентов смеси
Для большинства технологий перемешивание отдозирован-
ных материалов является главной операцией, предопределяю-
щей качество смеси и готовой продукции. В смесительных аппа-
ратах, особенно при производстве безобжиговых конгломератов,
возникают, развиваются, а иногда и почти полностью заверша-
ются основные процессы структурообразования вяжущего (свя-
зующего) вещества.
Наибольшее распространение получил способ перемешива-
ния с введением в смесь механической энергии от внешнего ис-
точника, а среди типов смесителей - роторные принудительного
действия. Механическое перемешивание может осуществляться
в две стадии: 1) предварительное смешение сухих компонентов;
2) смешение с водой, раствором вяжущего или связующего ве-
щества.
При перемешивании сухих материалов происходит разруше-
ние начальных связей между частицами (агрегатов) с обеспече-
нием их подвижности, равномерное распределение частиц в об-
щей смеси с заполнением межзерновых пор более мелкими
фракциями заполняющего материала. Порошкообразные мате-
риалы заполняют тонкие поры зернистой части смеси, а некото-
рая доля наиболее тонкодисперсных частиц порошка механиче-
ски задерживается и фиксируется на поверхности зерен крупно-
го заполнителя.
При введении в смесь жидкого компонента дальнейший про-
цесс механического перемешивания основывается на законо-
мерности обтекания твердых частиц дисперсной фазы потоком
Дисперсионной среды (жидкости). В зависимости от скорости
43
движения частиц фазы в среде возникают ламинарные потоки
или турбулентные завихрения. В последнем случае происходит
отрыв пограничных слоев среды от поверхности твердых частиц.
При ламинарном режиме (критерий Рейнольдса Re > 30) пере-
мешиваются в основном только те слои, которые непосредст-
венно примыкают к лопастям и участвуют во вращении вместе
с ними. При турбулентном режиме (критерий Рейнольдса
Re > 102) происходит более интенсивное перемешивание слоев
жидкости с отрывом их от лопастей мешалки. При высокоразви-
той турбулентности (критерий Рейнольдса Re > 105) часто затра-
ты на дополнительную мощность для увеличения частоты вра-
щения вала мешалки не соответствуют получаемому эффекту
перемешивания.
Характер поверхности твердых тел можно существенно из-
менить добавлением поверхностно-активных веществ, когда,
например, гидрофильная поверхность может стать гидрофобной
(процесс гидрофобизации) или гидрофобная поверхность - гид-
рофильной (процесс гидрофилизации). Вводимые в жидкую сре-
ду поверхностно-активные вещества широко используют для
повышения смачиваемости поверхности твердых тел, что осно-
вано на снижении разности полярностей между поверхностью
частиц твердого тела и жидкостью. В смесительном аппарате
возникает своеобразный процесс выравнивания энергии поверх-
ностного и внутреннего слоев. Скорость этого выравнивания
зависит от интенсивности перемешивания, конструкции смеси-
теля и других факторов.
На этой стадии не только происходит механическое распре-
деление компонентов, но и начинаются сложные физико-
химические процессы, такие как растворение компонентов и их
химическое взаимодействие, взаимная диффузия, адсорбция.
Под влиянием сложного комплекса физико-химических процес-
сов и химических реакций компоненты в смесителе теряют (об-
ратимо или необратимо) свои свойства, особенно в поверхност-
ных слоях, т. е. по границам контактирования компонентов и
новообразований. К моменту выхода из смесительного аппарата
процессы микроструктурообразования в одних системах в ос-
новном завершаются, в других - эти процессы в смесителях
только начинаются и продолжаются на последующих стадиях
44
технологического цикла. Об эффективности перемешивания не-
редко судят по качественным изменениям главных исходных
компонентов или количественному выходу продуктов новообра-
зований, по прочности искусственного камня, сформованного из
смеси.
На стадии приготовления смеси используются приемы, ко-
торые обеспечивают интенсификацию процессов на после-
дующих технологических стадиях формования изделий, обра-
зования и фиксации структуры материала. К ним, в частности,
можно отнести подогрев компонентов (технология бетона, пла-
стмасс), применение вибровоздействий для высоковязких сме-
сей и др.
Приготовленная смесь (масса) обладает определенными ка-
чественными характеристиками, оцениваемыми по показателям
свойств. Последние выражают способность вещества реагиро-
вать на внешние и внутренние факторы (механические, тепло-
вые, гравитационные и др.). Главным свойством приготовленной
смеси является ее способность к технологической обработке -
распределению слоя заданной толщины, уплотнению, формова-
нию с уплотнением. Такую способность смеси называют удобо-
обрабатываемостью, удобоформуемостыо, подвижностью и от-
носят к группе структурно-механических или реологических1
свойств.
3.2.3. Формование и уплотнение изделий из смеси
Стадия формования предусматривает получение изделий
требуемых форм и размеров с необходимой макроструктурой.
Смеси с весьма малой вязкостью, так называемые литые,
практически не требуют уплотнения при формовании изделий
или покрытий, что составляет значительное технологическое
удобство. Для получения литых смесей в них вводят дополни-
тельное количество жидкой фазы, что должно быть каждый раз
обосновано с позиций оптимизации структуры и свойств затвер-
девшего материала, либо органические добавки - пластификато-
ры и суперпластификаторы.
1 Реология - наука о течении, развивающемся в материале во времени.
45
При использовании смесей с повышенной вязкостью, обла-
дающих на реологической кривой условным динамическим пре-
делом текучести и предельным напряжением сдвига, важно не
допустить при формовании напряжений, способных разрушить
сплошность изделия. Так, в некоторых случаях отмечается обра-
зование дефектов структуры (свилей), если допустить напряже-
ние в массе, превышающее Рк^ (рис. 10). Опыт показывает, что
для хорошо формующихся смесей величина отношения Рк^ /т|
должна быть не ниже 2 • 10 6 с Конкретные и точные пределы
реологических характеристик зависят от разновидности смеси и
технологического способа формования - пластичного, вибраци-
онного без пригруза или с пригрузом и т. д.
Рис. 10. Реологическая кривая в системе координат «напряжение
сдвига Р - градиент скорости деформации du/dx»
В зависимости от разновидности смеси (массы) и ее свойств
формование изделий производится с использованием укладчи-
ков, прессов, экструдеров, каландров и других машин. Выбор
оптимального способа формования и уплотнения зависит от ха-
рактера исходного сырья и массовости производства, требуемых
свойств и вида изделий. Но при всех способах важно обеспечить
связность и начальную прочность изделий с последующим уп-
рочнением их на других стадиях обработки. Начальная связ-
ность возникает под влиянием молекулярных (ван-дер-ва-
альсовых) сил.
Уплотнение формуемых или отформованных изделий явля-
ется важным этапом образования макроструктуры, поскольку
46
в этот период в среде вяжущего вещества сравнительно устой-
чиво фиксируются зернистые и другие компоненты заполняю-
щей части конгломерата. Фиксация может происходить как не-
посредственным примыканием компонентов, в том числе с воз-
можным срастанием (например, кристаллов), так и через про-
слойки полностью отвердевшего или постепенно отвердевающе-
го вяжущего вещества.
Вследствие сближения частиц смеси (массы) происходит пе-
рераспределение и выравнивание молекулярного силового поля,
тепло- и массообмен, в частности миграция дисперсионной сре-
ды в зоны меньших напряжений. Объем смеси как при уплотне-
нии, так и после него уменьшается, а полидисперсная система
постепенно переходит в состояние относительно устойчивого
равновесия при заданных условиях формования изделий.
В обжиговых конгломератах являются распространенными
способы полусухого прессования, виброформования, а также
горячего прессования.
Для достижения необходимой плотности применяют различ-
ные способы снижения реологического сопротивления формуе-
мой смеси: введение пластификаторов; предварительный нагрев;
вибрационное воздействие; вакуумирование и др. При особо ин-
тенсивном уплотнении целесообразно повысить реологическое
сопротивление до максимума. При оптимальной технологии ка-
ждой консистенции смеси соответствуют свои определенные
параметры механического уплотнения. В свою очередь, каждому
способу и каждой интенсивности механического уплотнения
также соответствует своя определенная консистенция, когда
размещение частиц твердой фазы в результате уплотнения ста-
новится компактным.
В некоторых технологиях используется прерывистое, сту-
пенчатое уплотнение, например с интервалом времени между
двумя вибрациями или прессованиями. Повторное уплотнение
способствует как бы вторичному - пластическому деформиро-
ванию конгломерата с отжатием дисперсионной среды из его
микро- и макропор, а в конечном итоге - дополнительному уп-
лотнению в условиях, когда количество вяжущего вещества
продолжает оставаться неизменным. Повторное уплотнение,
особенно при вибрационных способах формования, способству-
47
ет релаксации напряжений, возникающих в процессе структуро-
образования, уменьшает размеры и концентрацию структурных
дефектов.
Самым характерным в технологиях с вибрационным формо-
ванием является придание скоростей и ускорений частицам мас-
сы и, как следствие, ослабление сил внутреннего трения и моле-
кулярных связей, а также тиксотропное разрушение первичных
структур (рис. 11). Частицы перемещаются относительно друг
друга с плотной укладкой. Используют поверхностные, навес-
ные, глубинные вибраторы, вибростолы и др. Интенсивность
вибрации выражают посредством виброускорения W, см/с:
W = Av?=A-4Ttf\ (3.1)
где А — амплитуда колебаний; то - угловая скорость; f - частота
колебаний, Гц.
Рис. 11. Зависимость коэффициента внутреннего трения виб-
рируемой массы от средней скорости перемещения частиц, см/с:
v = A2f
Произведение величин А и w дает среднюю скорость движе-
ния частиц при вибрации. Имеются оптимальные значения ам-
плитуды, виброускорения, что зависит от глубины проработки
слоя массы. Вибрирование с ускорением, превышающим опти-
мальное, сопровождается разрыхлением структуры и дифферен-
циацией частиц по крупности. Разрыхление устраняют путем
пригруза при вибрации, например, до 8... 10 МПа. Оптимальное
время вибрирования определяют опытным путем.
48
В технологии обжиговых конгломератов широко используют
так называемое шликерное литье для получения тонкостенных
изделий или изделий большого размера и сложной формы. Шли-
кер - водная суспензия глин, каолинов и других тугоплавких
веществ с частицами размером около 10-4 см, несущих опреде-
ленный ионный потенциал ИП = Z/r, где Z - заряд катиона, г -
его ионный радиус. При значениях ИП - 65... 100 (суспензия из
кислых материалов) получают отливки с повышенной плотно-
стью, т. е. с относительной плотностью1, равной 0,8...0,9.
3.2.4. Формирование и фиксация
структурных связей - отвердевание
Стадия отвердевания завершает цепь формирования искусст-
венного строительного конгломерата и, как правило, является
результатом специальной обработки отформованных и уплот-
ненных изделий: тепловой, тепловлажностной, химической,
электрофизической, автоклавной, вакуум-пропиточной, радиа-
ционной и др. Основная цель обработок - обеспечить развитие
процессов микро- и макроструктурообразования с возможно бо-
лее полным переводом систем из метастабильного состояния в
термодинамически устойчивое. И хотя соответствующие про-
цессы могут продолжаться и после произведенной обработки, в
том числе и в период эксплуатации конструкции, однако их
большая часть протекает на стадии обработки, реже - на стадии
выдерживания изделий в обычных (нормальных) условиях.
Скорость химических реакций быстро возрастает с повыше-
нием температуры согласно уравнению Аррениуса
\ък = А/Т + В, (3 2)
где А и В - индивидуальные постоянные для данной реакции;
Т - абсолютная температура; к — константа скорости реакции,
по величине является обратной скорости реакции. Величина А
по физическому смыслу пропорциональна энергии активации:
А = E*/R, где Е* - энергия активации, под ней понимается из-
1 Относительная плотность равна отношению величин средней плотности
изделия к его истинной плотности.
4. Зак. 508
49
быточное количество энергии, которым обладает молекула в
момент эффективного столкновения с другой при образовании
химической связи; R - газовая постоянная.
Из уравнения следует, что константа скорости реакции
и скорость реакции изменяются с колебаниями температуры
сильнее в тех реакциях, которые имеют повышенную энергию
активации. Чтобы повысить энергию реагирующих молекул, т. е.
активировать их, используют различные методы.
Скорость химических реакций зависит не только от темпера-
туры, но и от концентрации реагирующих веществ. В простей-
ших случаях, когда имеются гомогенные реакции и протекают
они в сильно разбавленных растворах, работает закон действия
масс: при постоянной температуре скорость химической реак-
ции пропорциональна произведению концентраций с реагирую-
щих веществ, возведенных в степени их стехиометрических ко-
эффициентов. Этот закон лежит в основе химической кинетики,
но при сложных реакциях его действие становится менее надеж-
ным.
Кроме химических реакций, к образованию новой фазы при-
водит кристаллизация растворенного вещества из пересыщенно-
го раствора. Пересыщение возникает по разным причинам, та-
ким как: удаление части жидкой дисперсионной среды, пониже-
ние температуры насыщенного раствора, изменение внешнего
давления, химическое взаимодействие исходных компонентов в
сложном растворе и др.
При использовании минеральных вяжущих структурные свя-
зи образуются за счет гидратационного или контактного тверде-
ния (при получении безобжиговых материалов) и спекания либо
плавления (при производстве обжиговых материалов).
Основу процессов, сопровождающих образование струк-
турных связей в обжиговых материалах - конденсационно-
кристаллизационных (керамика) или конденсационных (стек-
ло), составляет переход под действием тепловой энергии по-
рошкообразных веществ в искусственный камень заданной
формы через спекание или плавление. Результатом этих про-
цессов является образование керамического черепка, стекло-
кристаллического или стекловидного тела, характеризующихся
водостойкостью.
Процесс образования структурных связей по механизму
гидратационного твердения протекает на ионно-молекуляр-
ном уровне, включая реакции через раствор, топохимиче-
ские, анионной конденсации, образования твердых растворов
внедрения.
Контактное твердение подразумевает образование из дис-
персных макрочастиц вещества нестабильной структуры
(аморфного или субмикрокристаллического) водостойкого кам-
ня непосредственно при возникновении контактов между ними.
Формирование структурных связей в этом случае происходит
без изменения химического состава вещества (в отличие от ус-
ловий гидратационного твердения) и его агрегатного состояния
(в отличие от твердения через высокотемпературные процессы).
Водостойкое тело образуется на уровне физического взаимодей-
ствия между макрочастицами.
При использовании органических связующих образование
структурных связей в материале также определяется типом са-
мого связующего. Материалы на основе термопластичных свя-
зок образуют водостойкие конденсационные структуры по ме-
ханизму полимеризации, в основе которого лежат реакции полу-
чения нового продукта с большей молекулярной массой из
низкомолекулярных веществ - мономеров. Причем этот процесс
сопровождается изменением агрегатного состояния вещест-
ва, однако новое соединение имеет одинаковый состав с моно-
мером.
Материалы на основе термореактивных связок образуют во-
достойкие конденсационные структуры по механизму поликон-
денсации, в основе которого лежат реакции взаимодействия ме-
жду собой мономеров, сопровождающиеся изменением химиче-
ского состава вещества. В результате этот процесс уподобляется
гидратационному твердению, при котором химический состав
вещества изменяется при переходе его из дисперсного в конден-
сированное твердое тело.
4*
51
Таким образом, в зависимости от исходного сырья и физиче-
ского состояния структуры его вещества синтез определенных
искусственных тел происходит как следствие образования раз-
личных типов структур за счет возникающих между микро- и
макрочастицами контактов и структурных связей (рис. 12).
Псевдоконденсационные
Коагуляционные
с пленочными
контактами
Неводостойкие
обратимые
Неводостойкие
необратимые а
Конденсационно-
кристаллизационные
с фазовыми контактами
Водостойкие
необратимые
Физическая характери-
стика вещества
pi - птах
Ki - min
£bi == £„i
£Ь1 - внутренняя
энергия
Еп\ — потенциальная
энергия
Конденсационно-
Контактно-конденсационные
с пленочными с точечными
контактами контактами
кристаллизационные
с фазовыми контактами,
отличающиеся обратимостью
в период присутствия
нестабильной фазы
Водостойкие обратимые
переходящие необрати-
б мые
Ео2 ~ Е/;2 — Е„2 > О
£*2 - кинетическая
энергия
Рис. 12. Типы структурных связей и контактов в дисперсных системах
По определяющим признакам - способности восстанавли-
ваться после разрушения и противостоять действию воды -
структурные связи и контакты, по П. А. Ребиндеру, делятся на:
1) коагуляционные с пленочными неводостойкими контактами;
2) псевдоконденсационные с точечными неводостойкими кон-
тактами, не противостоящими диспергирующему действию во-
ды; 3) конденсационно-кристаллизационные и конденсационные
с фазовыми водостойкими контактами, противостоящими этому
действию Разрушение структур с контактами первого типа но-
сит обратимый характер, а структуры с контактами второго и
третьего типов разрушаются необратимо.
Каждая разновидность неорганических и органических вя-
жущих веществ отвердевает под влиянием специфических фак-
торов. Все вяжущие вещества отвердевают под влиянием ряда
общих факторов, что придает процессу отвердевания законо-
мерный характер, позволяет направленно управлять им и струк-
52
турообразованием в целом. Сформированное твердое тело ха-
рактеризуется стабильностью структуры и фиксированным по-
ложением в нем частиц на достаточно малых друг от друга рас-
стояниях.
И. А. Рыбьев в теории отвердевания вяжущих веществ выделяет
две стадии: 1) диспергирование; 2) конденсацию и консолидацию.
Первая стадия процесса отвердевания характеризуется мас-
совым переходом твердого вещества в состояние высокой дис-
персности до размеров молекул, атомов, ионов или более круп-
ных макромолекул и т. п. Такое диспергирование благоприятст-
вует переводу частиц в системе в наименее устойчивое,
метастабильное и в то же время в наиболее энергетически ак-
тивное состояние. Эти условия способствуют свободному пере-
мещению частиц с неизбежным тепловым движением их в ок-
ружающей среде, образованию при столкновениях под действи-
ем энергии активации ранее отсутствовавших соединений,
ассоциаций и агрегатов, новых фаз.
Переход веществ в состояние высокой дисперсности проис-
ходит под влиянием различных факторов: химических (гидро-
лиз), механических, тепловых, пептизации и др. Подобные вы-
сокодисперсныс системы образуются в виде истинных и колло-
идных растворов, суспензий, расплавов, эмульсий и пен.
Вторая стадия отвердевания является основной и характе-
ризуется постепенным или ускоряющимся процессом перехода
системы в твердый камневидный продукт. По мере упорядоче-
ния структуры с укрупнением микрочастиц до макроскопиче-
ского размера уменьшается свободная энергия системы. При
этом вещество стремится перейти в кристаллическое состояние с
минимумом свободной энергии. Все это сопровождается умень-
шением размеров тел в результате усадки и ползучести, увели-
чением плотности и другими явлениями, связанными с самоор-
ганизацией вещества.
Отвердевшие матричные вещества, т. е. перешедшие в кам-
невидное состояние, например в цементный камень, гипсовый
камень, наполненный полимер, материалы, полученные высоко-
температурной обработкой - керамику, стекло, шлаки, каменное
53
литье и другие, занимают определенную часть структуры в со-
ответствующих искусственных конгломератах, выполняя в них
функцию цементирующей связки. Крупнозернистая (тонкодис-
персная) минеральная или органическая смесь, составляющая
гораздо большую часть конгломерата и выполняющая в нем
функцию заполнителя (наполнителя), скрепляется, образуя с вя-
жущей частью, как матрицей, единый монолит. Тонкий контакт-
ный слой вяжущего, непосредственно примыкающий к поверх-
ности зерен заполнителя (наполнителя), образует адсорбционно-
сольватную оболочку. Она обладает повышенной плотностью и
твердостью по сравнению с остальной (объемной) матричной
частью. Контактный слой составляет в структуре искусственно-
го конгломерата непрерывную пространственную сетку вяжуще-
го вещества или матрицу конгломерата.
3.3. Стандартизация материалов и контроль качества
Качество материалов оценивают совокупностью показателей
(как правило, числовых) технических свойств, которые были
получены при испытаниях соответствующих образцов
Основные требования к качеству материалов, изделий и го-
товых конструкций массового применения устанавливаются Го-
сударственными стандартами Республики Беларусь (СТБ), Госу-
дарственными стандартами СССР и межгосударственными
(ГОСТ) и техническими условиями (ТУ).
В ГОСТах, СТБ и ТУ содержатся краткое описание мате-
риала и способы его изготовления, указаны марки материалов
и требования к их качеству, форма, размеры и допускае-
мые отклонения от них, а также правила транспортирования,
приемки, упаковки и хранения, обеспечивающие сохранность
материала, и методы испытаний. ГОСТы, СТБ и ТУ - это доку-
менты, устанавливающие, что данный материал или изделие
одобрено для производства и применения при его определенном
качестве.
В части П СНиП «Нормы проектирования» содержатся све-
дения, в каких конструкциях и как следует применять строи-
54
тельные материалы, с указанием необходимых требований к их
свойствам.
Большинство строительных материалов, применяемых для
несущих конструкций и работающих под влиянием статических
или динамических нагрузок, маркируют с учетом их реальных
прочностных показателей. Для теплоизоляционных, гидроизо-
ляционных, акустических и некоторых других материалов при-
нимают для маркировки не прочностные, а другие физиче-
ские свойства - теплопроводность, водонепроницаемость, моро-
зостойкость, среднюю плотность и т. п. В стандартах, СНБ
и СНиПах требования к свойствам материалов выражены в виде
марок или классов на эти материалы. Марка строительных мате-
риалов - это условный показатель, устанавливаемый по глав-
нейшим эксплуатационным характеристикам или комплексу
главнейших свойств материала. Например, существуют марки по
прочности, плотности, морозостойкости, огнеупорности и др.
Один и тот же материал может иметь несколько марок по
различным свойствам. Так, кирпич маркируют по прочности и
морозостойкости, но основной считается марка по прочности -
главнейшему эксплуатационному показателю. По прочности
для всех природных и искусственных каменных материалов
СНиП П-22-81 установлены следующие марки: 4; 7; 10; 15; 25;
35; 50; 75; 100; 125; 150; 200; 250, 300, 400, 500, 600, 800 и 1000.
Цифра указывает минимально допустимый предел прочности
материала, выраженный в кгс/см2 (например, кирпич марки 100
должен иметь прочность 10... 12,5 МПа).
Теплоизоляционные материалы делят на марки по плотности.
Это объясняется тем, что теплопроводность находится в прямой
зависимости от плотности, но контролировать последнюю зна-
чительно проще. Например, минеральную вату выпускают марок
80, 90, 100 (в этом случае размерность марки в кг/м3).
В СНБ 5.03.01-02 требования к бетону и арматуре выражены
не только в виде марок, но и в виде классов. Класс бетона по
прочности - это количественная величина, характеризующая
качество бетона, соответствующая ее гарантированной прочно-
сти на осевое сжатие, обозначаемая буквой С и числами, выра-
55
жающими значения нормативного сопротивления и гарантиро-
2 12
ванной прочности в Н/мм (МПа); например, С— (в числите-
ле - значение нормативного сопротивления fCK, Н/мм2, в знаме-
нателе - гарантированная прочность бетона,_сиЬе, Н/мм2).
Удовлетворение всех необходимых технических требований,
указанных в стандарте, является обязательным условием выхода
строительного материала хорошего качества. Однако этого ус-
ловия недостаточно для выхода материала высшего качества. В
последнем случае требуется, чтобы все числовые показатели
свойств были равны их экстремальным значениям при опти-
мальных структурах. Высшее качество выпускаемой продукции
служит основным критерием прогрессивности технологии в
строительном материаловедении.
Основные положения строительного проектирования и про-
изводства строительных работ регламентируются Строительны-
ми нормами Беларуси (СНБ) и Строительными нормами и пра-
вилами (СНиП) СССР. СНиПы и СНБ разработаны с учетом раз-
вития строительной индустрии, внедрения передовой техники в
строительство, максимального использования в строительстве
изделий и конструкций заводского изготовления.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Перечислите основные принципы выбора и использования сырья в про-
изводстве строительных материалов и изделий?
2. Что включают подготовительные работы в производстве строительных
материалов и изделий?
3. Какие технологические задачи решаются на стадии перемешивания ком-
понентов смеси?
4. Какова роль уплотнения в формировании макроструктуры строительных
материалов?
5. Какие связи возникают между частицами дисперсной системы и в чем
сущность отвердевания?
6. Какими документами регламентированы требования к качеству строи-
тельных материалов и в чем они выражаются?
56
Глава 4. ПРОЧНОСТЬ, ДЕФОРМАТИВНОСТЬ
И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Основные свойства строительных материалов
Под свойствами строительных материалов понимают их спо-
собность определенным образом реагировать на отдельные или
совокупные внешние или внутренние воздействия - силовые,
усадочные, водной или иной среды и т. д.
Свойства материалов разделяют на четыре группы: физиче-
ские, механические, химические (физико-химические) и техно-
логические. В совокупности их именуют как технические свой-
ства строительных материалов. Численные значения свойств по-
лучают при лабораторных или полевых испытаниях материалов
с помощью соответствующих приборов и аппаратов. Испытания
специально подготовленных образцов или элементов конструк-
ций проводят разрушающими или неразрушающими способами
контроля.
4.1.1. Физические свойства
Физические свойства определяются параметрами физическо-
го состояния материалов под воздействием внешней среды и
условий их работы (действие воды, высоких и низких темпера-
тур и т. п.).
Истинная плотность - величина, определяемая отношением
массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему
в абсолютно плотном состоянии V& (м3), т. е без пор и пустот:
ри = т/Га. (4.1)
Размерность истинной плотности - кг/м3 или г/см3.
Истинная плотность каждого материала - постоянная физи-
ческая характеристика, которая не может быть изменена без из-
менения его химического состава или молекулярной структуры.
57
Так, истинная плотность неорганических материалов, природ-
ных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов
кремния, алюминия и кальция, составляет 2400...3100 кг/м3,
органических материалов, состоящих в основном из углерода,
кислорода и водорода, - 800... 1400, древесины, состоящей в ос-
новном из целлюлозы, - 1550 кг/м3. Истинная плотность метал-
лов колеблется в широком диапазоне: алюминия - 2700 кг/м3,
стали - 7850, свинца - 11300 кг/м3.
В строительных конструкциях материал находится в естест-
венном состоянии, т. е. занимаемый им объем обязательно
включает в себя и поры. В этом случае для характеристики фи-
зического состояния материала используется понятие средней
плотности.
Средняя плотность - величина, определяемая отношением
массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему
в естественном состоянии Ve (м ):
рс = m/Fe- (4.2)
Так как Ve > V& (равенство только в абсолютно плотных мате-
риалах, не содержащих пор, - стали, стекле, воде), то всегда вы-
полняется и соотношение ри > рс.
Средняя плотность - важная физическая характеристика
материала, изменяющаяся в зависимости от его структуры и
влажности в широких пределах: от 5 (пористая пластмасса) до
7850 кг/м3 (сталь). Средняя плотность оказывает существенное
влияние на механическую прочность, водопоглощение, тепло-
проводность и другие свойства материалов.
Пористость - степень заполнения объема материала порами.
Пористость - величина относительная, выражается в процентах
или долях объема материала. Если известны значения средней и
истинной плотности, то пористость материала, %, рассчиты-
вают по формуле
П = (1-рс/ри)- 100. (4.3)
Пористость строительных материалов колеблется в пределах
от 0 (сталь, стекло) до 90...98 % (пенопласт) (табл. 1).
58
Таблица 1
Значения средней и истинной плотности и пористости
некоторых строительных материалов
Материал Плотность, кг/м3 Пористость. %
средняя истинная
Гранит 2600...2700 2700...2800 0...2
Тяжелый бетон 2200...2500 2600...2700 2...25
Кирпич 1400... 1800 2500...2600 25...35
Древесина 400...800 1500...1550 45...70
Пенопласт 15...100 950... 1200 90...98
Пористость материала характеризуют не только с количест-
венной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и откры-
тые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра)
и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). По харак-
теру пор оценивают способность материала поглощать воду.
Так, полистирольный пенопласт, пористость которого достигает
95 %, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду.
В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три
раза меньшую (т. е. около 30 %), благодаря открытому характеру
пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся ка-
пилляры) активно поглощает воду.
Величина пористости в значительной мере влияет на проч-
ность материала. Строительный материал тем слабее сопротив-
ляется механическим нагрузкам, тепловым, усадочным и другим
усилиям, чем больше пор в его объеме. Опытные данные пока-
зывают, что при увеличении пористости от 0 до 20 % прочность
снижается почти линейно.
Величина прочности также зависит от размеров пор. Она
возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых мате-
риалов, а также материалов с закрытой пористостью выше, чем
прочность крупнопористых и с открытой пористостью.
Для сыпучих материалов (цемент, песок, гравий, щебень)
Рассчитывают насыпную плотность.
59
Насыпная плотность - величина, определяемая отношени-
ем массы материала т (кг) к занимаемому им объему в рыхлом
состоянии Кн (м ):
Рн = m/Vu. (4.4)
Величина Гн включает в себя объем всех частиц сыпучего
материала и объем пространств между частицами, называемых
пустотами. Если для зернистого материала известны насыпная
плотность рн и средняя плотность зерен рс, то можно рассчитать
его пустотность а - относительную характеристику, выражае-
мую в долях единицы или в процентах:
а==(1-Рн/Рс)- 100. (4.5)
По физическому смыслу понятия пористость и пустотность
аналогичны. При изготовлении бетона стремятся использовать
сыпучие заполнители - песок, щебень или гравий с минималь-
ной пустотностью. В этом случае для заполнения пустот потре-
буется меньше цемента и бетон будет дешевле.
Очень часто в процессе эксплуатации строительные материа-
лы и конструкции подвергаются воздействию воды, и свойства
материалов изменяются. Количественно оценить свойства мате-
риала в этом случае позволяют следующие понятия.
Водопоглощение - это способность пористого материала
впитывать и удерживать в порах капельно-жидкую влагу. Разли-
чают водопоглощение по массе и водопоглощение по объему.
Водопоглощение по массе %, равно отношению массы
воды тв „, полностью насыщающей материал, к массе сухого ма-
териала т
^ = (твн/т) • 100. (4.6)
Водопоглощение по объему Wo, %, характеризует степень за-
полнения объема материала водой. Вычисляют водопоглощение
как отношение об тема воды Ив н при полном насыщении мате-
риала к его объему Ке
РГо = (ГВ н/ре) . ЮО. (4.7)
Водопоглощение по объему можно вычислить при известных
значениях водопоглощения по массе и средней плотности мате-
риала, используя формулу
60
^0=ЖмРс.
(4 8)
Водопоглощение материалов, зависящее от характера порис-
тости, может изменяться в широких пределах. Значения со-
ставляют для гранита 0,02...0,7 %, тяжелого бетона - 2...4, кир-
пича 8...20, легких теплоизоляционных материалов с открытой
пористостью - 100 % и более. Водопоглощение по объему Wo не
превышает пористости, так как объем впитанной материалом
воды не может быть больше объема пор.
Величины Wo и WM характеризуют предельный случай, когда
материал более не в состоянии впитывать влагу. В реальных
конструкциях материал может содержать некоторое количество
влаги, полученной при кратковременном увлажнении капельно-
жидкой водой либо в результате конденсации в порах водяных
паров из воздуха. В этом случае состояние материала ха-
рактеризуют влажностью.
Влажность - отношение массы воды, находящейся в данный
момент в материале тв, к массе (реже - к объему) материала в
сухом состоянии тс
W=(mB/tn) 100. (4.9)
Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой,
до величины Ww, соответствующей максимальному водосодер-
жанию. Увлажнение приводит к изменению многих свойств ма-
териала: повышается масса строительной конструкции, возрас-
тает теплопроводность; под влиянием расклинивающего дейст-
вия воды уменьшается прочность материала.
Для многих строительных материалов влажность нормирова-
на. Так, влажность молотого мела - 2 %, стеновых материалов -
5...7, воздушно-сухой древесины - 12...18 %.
Водостойкость - свойство материала сохранять прочность
при насыщении его водой. Критерием водостойкости строитель-
ных материалов служит коэффициент размягчения - отношение
прочности при сжатии материала, насыщенного водой, RB
к прочности при сжатии сухого материала Rc
KP = RJRC. (4.10)
Материалы, у которых коэффициент размягчения больше
0,75, называют водостойкими.
61
Водонепроницаемость - свойство материала сопротивляться
проникновению в него воды под давлением. Это свойство осо-
бенно важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы,
резервуары, плотины). Водонепроницаемость бетона оценивают
маркой по W (W-2...W-8), обозначающей максимальное односто-
роннее гидростатическое давление, при котором стандартный
образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных материа-
лов водонепроницаемость характеризуется временем, по истече-
нии которого появляется просачивание воды под определенным
давлением через образец материала (мастика, гидроизол).
Гигроскопичность - свойство капиллярно-пористого мате-
риала поглощать влагу из воздуха. С увеличением относитель-
ной влажности воздуха и снижением температуры гигроскопич-
ность повышается.
Гигроскопичность отрицательно сказывается на свойствах
строительных материалов. Так, цемент при хранении под влия-
нием влаги воздуха гидратируется и комкуется, при этом снижа-
ется его марка. Весьма гигроскопична древесина, от влаги она
разбухает, коробится и трескается.
За характеристику гигроскопичности принята величина от-
ношения массы поглощенной влаги при относительной влажно-
сти воздуха 100 % и температуре +20 °C к массе сухого мате-
риала.
Морозостойкость - свойство материала в насыщенном во-
дой состоянии выдерживать многократное число циклов попе-
ременного замораживания и оттаивания без видимых признаков
разрушения и значительного снижения прочности и массы. Мо-
розостойкость - одно из основных свойств, характеризующих
долговечность строительных материалов в конструкциях и со-
оружениях. Как известно, вода, находящаяся в порах материала,
при переходе в лед увеличивается в объеме примерно на 9... 10 %
и вызывает растягивающие напряжения. Ритмично чередующая-
ся кристаллизация льда в порах с последующим оттаиванием
приводит к дополнительным внутренним напряжениям. Могут
возникнуть микро- и макротрещины с возможным разрушением
структуры и снижением прочности.
Для испытания на морозостойкость стандартные образцы ма-
териалов или целые мелкоштучные изделия (например, кирпич)
62
вначале насыщают водой, а затем замораживают при температу-
ре минус 15...20 °C. Затем образцы извлекают из морозильной
камеры и оттаивают в воде комнатной температуры. Такое замо-
раживание и оттаивание составляет один цикл. Марка по моро-
зостойкости (F10, F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300
для каменных материалов) характеризуется числом циклов за-
мораживания и оттаивания, которое выдержал материал, при
допустимом снижении прочности или уменьшении массы об-
разцов.
Высокой морозостойкостью обладают плотные материалы,
которые имеют малую пористость и закрытые поры. Материалы
пористые с открытыми порами и соответственно большим водо-
поглощением часто оказываются неморозостойкими.
При воздействии статических или циклических тепловых
факторов материал характеризуется теплофизическими свойст-
вами. Они важны для теплоизоляционных и жаростойких мате-
риалов, материалов ограждающих конструкций и изделий, твер-
деющих при тепловой обработке. К ним относятся теплоем-
кость, теплопроводность, тепловое расширение, огнестойкость и
огнеупорность.
Теплоемкость - свойство материала поглощать при нагрева-
нии и отдавать при охлаждении определенное количество тепло-
ты. Теплоемкость - мера энергии, необходимой для повышения
температуры материала.
Теплоемкость, отнесенную к единице массы, называют
удельной теплоемкостью С и измеряют в Дж/(кг • °C). Удельная
теплоемкость - это количество теплоты, необходимой для на-
гревания 1 кг материала на 1 °C. У органических материалов
теплоемкость обычно выше, чем у неорганических, Дж/(кг -°C):
древесины - 2,38.. .2,72; стали - 0,46; воды - 4,187. Наибольшую
теплоемкость имеет вода, поэтому с повышением влажности ма-
териалов их теплоемкость возрастает. Численные характеристи-
ки теплоемкости используют при расчете теплоустойчивости
ограждающих конструкций. Кроме того, значения С надо знать
для расчета затрат на топливо и энергию на обогрев материалов
и конструкций при зимних работах.
Теплопроводность - свойство материала передавать через
свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности
63
температур на противоположных поверхностях. Это свойство
имеет важное значение для строительных материалов, приме-
няемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, по-
крытий и перекрытий), и материалов, предназначенных для теп-
ловой изоляции. Теплопроводность материала зависит от его
строения, химического состава, пористости и характера пор,
а также влажности и температуры, при которой происходит пе-
редача теплоты.
Теплопроводность характеризуют коэффициентом тепло-
проводности, указывающим, какое количество теплоты в Дж
способен пропустить материал через 1 м2 поверхности при тол-
щине материала 1 м и разности температур на противоположных
поверхностях 1 °C в течение 1 ч. Коэффициент теплопроводно-
сти, Вт/(м -°C), равен: для воздуха - 0,023; для воды - 0,59; для
льда - 2,3; для керамического кирпича - 0,82. Воздушные поры в
материале резко снижают его теплопроводность, а увлажнение
водой сильно повышает ее, так как коэффициент теплопровод-
ности воды в 25 раз выше, чем у воздуха.
С ростом температуры теплопроводность большинства
строительных материалов увеличивается, что объясняется по-
вышением кинетической энергии молекул, слагающих вещество
материала, и определяется по формуле
Х, = ХО(1 + Р/), (4.11)
где X, и Хо - теплопроводность соответственно при температурах
t и 0 °C; р - температурный коэффициент, показывающий вели-
чину приращения коэффициента теплопроводности материала
при повышении температуры на 1 °C; t - температура материала, °C.
Тепловое расширение - свойство материала изменять раз-
меры при нагреве и охлаждении. Для численной характеристики
такого явления используют температурный коэффициент ли-
нейного расширения (ТКЛР), который показывает, на какую до-
лю первоначальной длины расширяется материал при повыше-
нии температуры на 1 °C.
Значения ТКЛР составляют, °C”1: для бетона (10... 12) 10 6,
стали 10 • 10“6, древесины вдоль волокон - (3...5) • 10 6. ТКЛР
полимерных строительных материалов в 10...20 раз больше
64
Вследствие термических и усадочных деформаций в соору-
жениях большой протяженности могут образоваться недопусти-
мые по условиям эксплуатации перекосы, трещины или разры-
вы. Чтобы этого не произошло, устраивают температурно-
усадочные (деформационные) швы, которые как бы разрезают
сооружение. Расстояние между швами назначают с учетом тер-
мического расширения материалов.
Огнестойкость - свойство материала выдерживать без раз-
рушения воздействие высоких температур, пламени и воды в
условиях пожара. Материал в таких условиях либо сгорает, либо
растрескивается, сильно деформируется, разрушается от потери
прочности. По огнестойкости различают материалы несгорае-
мые, трудносгораемые и сгораемые.
Несгораемые материалы в условиях высоких температур не
подвержены воспламенению, тлению или обугливанию Это
кирпич, бетон и др. Однако некоторые несгораемые материалы -
мрамор, стекло, асбестоцемент - при резком нагревании разру-
шаются, а стальные конструкции сильно деформируются и те-
ряют прочность.
Трудносгораемые материалы под воздействием огня или вы-
сокой температуры медленно воспламеняются, но после удале-
ния источника огня их тление или горение прекращается. К та-
ким материалам относятся фибролит, асфальтобетон, пропитан-
ная антипиренами древесина.
Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой
температуры горят и продолжают гореть после удаления источ-
ника огня. Это - древесина, обои, битуминозные кровельные и
полимерные материалы и др.
Предел огнестойкости - это промежуток времени (минуты
или часы) от начала возгорания до возникновения в конструкции
предельного состояния. Предельным состоянием считают поте-
рю несущей способности, т. е. обрушение конструкции; возник-
новение в ней сквозных трещин, через которые на противопо-
ложную поверхность могут проникать продукты горения и пла-
мя; недопустимый нагрев поверхности, противоположной
действию огня, который может вызвать самопроизвольное воз-
горание других частей сооружения.
5. Зак. 508
65
Огнеупорность - свойство материала выдерживать длитель-
ное воздействие высокой температуры (от 1580 °C и выше), не
деформируясь и не размягчаясь. Огнеупорные материалы (ди-
нас, шамот, хромомагнезит, корунд), применяемые для внутрен-
ней футеровки промышленных печей, не деформируются и не
размягчаются при температуре 1580 °C и выше. Тугоплавкие
материалы (тугоплавкий печной кирпич) выдерживают без оп-
лавления и деформации температуру 1350... J 5 80 °C, легкоплав-
кие (кирпич керамический строительный) - до 1350 °C.
Акустические свойства материалов - это свойства, связан-
ные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые
волны - это механические колебания, распространяющиеся в
твердых, жидких и газообразных средах. Строителя интересуют
две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени
материал проводит сквозь свою толщу звук - звукопроводность
и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на
него звук - звукопоглощение.
При падении звуковой волны на ограждающую поверхность
звуковая энергия отражается, поглощается и проводится твер-
дым телом. Отношение, характеризующее количество погло-
щенной энергии £1ЮГЛ к падающей £пад, называют коэффициен-
том звукопоглощения а
сс — £^погл /ЕП&Л. (4.12)
Коэффициент звукопоглощения зависит от ряда факторов:
уровня и характеристик звука (шума), свойств поглощающего
материала, способов его расположения по отношению к жесткой
поверхности (потолку, стене) и методов измерения.
Звукопоглощение зависит от характера поверхности и порис-
тости материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают
большую часть падающего на них звука, поэтому в помещении с
гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает
постоянный шум Если же поверхность материала имеет откры-
тую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, погло-
щаются материалом, а не отражаются.
Сущность физического явления, происходящего при гашении
звука пористым телом, заключается в следующем. Звуковые
66
волны, падая на поверхность такого материала и проникая далее
в его поры, возбуждают колебания воздуха, находящегося в уз-
ких порах. При этом значительная часть звуковой энергии рас-
ходуется. Высокая степень сжатия воздуха и его трение о стенки
пор вызывают разогрев. За счет этого кинетическая энергия зву-
ковых колебаний преобразуется в тепловую, которая рассеива-
ется в среде.
Гашению звука способствует деформирование гибкого ске-
лета звукопоглощающего материала, на что также тратится зву-
ковая энергия; этот вклад особенно заметен в пористо-
волокнистых материалах с открытой сообщающейся пористо-
стью при ее общем объеме не менее 75 %.
Звукопроводность зависит от массы материала и его строе-
ния. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса:
если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хва-
тает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести
материал в колебание.
Качество звукоизоляционных ограждений оценивают коэф-
фициентом звукопроводности т, представляющим собой отно-
шение количества звуковой энергии, прошедшей через преграду,
Апрели к звуковой падающей энергии Епаа:
т = Епрош/Епаа. (4.13)
Придание звукоизолирующих свойств ограждению базирует-
ся на трех основных физических явлениях: отражении воздуш-
ных звуковых волн от поверхности ограждения, поглощении
звуковых волн материалом ограждения, гашении ударного или
воздушного шума за счет деформации элементов конструкции и
материалов, из которых она изготовлена.
Способность отражать звуковые волны важна для наружных
ограждений зданий. В этом случае для повышения отражения
воздушных звуковых волн применяют массивные конструкции с
гладкой наружной поверхностью.
Для внутренних помещений высокая отражающая способ-
ность ограждения (перегородок) недостаточна, так как отражен-
ные звуковые волны будут усиливать шум в наиболее шумном
помещении. В данном случае применяют многослойные конст-
рукции, в состав которых входят элементы из звукоизоляцион-
5’
67
них материалов, эффективность которых оценивается динами-
ческим модулем упругости. В качестве звукоизоляционных про-
кладок применяют пористо-волокнистые материалы из мине-
ральной или стеклянной ваты, древесных волокон (древесно-
волокнистые плиты), засыпки из пористых зерен (керамзита,
шлака и др.).
Снижению уровня ударных и звуковых шумов способствуют
малый динамический модуль упругости звукоизоляционных ма-
териалов (до 15 МПа) и наличие воздуха в порах. В данном слу-
чае снижение интенсивности звука происходит за счет деформа-
ции элементов структуры звукоизоляционных материалов и час-
тично - за счет звукопоглощения.
4.1.2. Механические свойства
Механические свойства материалов определяют поведение
конструкций под действием внешних нагрузок. Последние вы-
зывают разрушение либо деформацию материалов. Сопротивле-
ние материалов механическому разрушению характеризуется их
прочностными свойствами: прочностью, твердостью, истирае-
мостью, сопротивлением удару, износом. Способность материа-
лов изменять под нагрузкой форму и размеры характеризуется
деформационными свойствами: упругостью, пластичностью,
хрупкостью и ползучестью.
Под действием внешних сил строительные конструкции пре-
терпевают деформацию. Изменение формы и размеров тела под
действием внешних сил называется деформацией. При этом
твердые тела по-разному реагируют на снятие нагрузки, прояв-
ляя свойства упругости или пластичности.
Упругость - свойство материала восстанавливать свои фор-
му и объем после прекращения действия внешних сил. Упругую
деформацию называют обратимой. Наибольшее напряжение,
при котором действует лишь упругая деформация, называют
пределом упругости. В области упругих деформаций действите-
лен закон Гука - деформация материала пропорциональна дей-
ствующему напряжению.
Пластичность - свойство материала необратимо деформи-
роваться под действием внешних сил. Пластическая (остаточ-
68
ная) деформация, не исчезающая после снятия нагрузки, называ-
ется необратимой.
Механические свойства материалов характеризуются диа-
граммой деформаций, которую строят в координатах «механи-
ческое напряжение о - относительная деформация £» (рис. 13).
Рис. 13. Диаграммы деформаций: а - стали при растяжении;
б - бетона при сжатии
Начальные участки диаграмм деформирования - прямоли-
нейны. Это означает, что материал работает как упругое тело и
его деформация пропорциональна напряжению. Связь деформа-
ций £ и напряжений о в области упругой работы материала на
участке ОА описывается с помощью закона Гука
о = Ее, (414)
где Е — модуль упругости данного материала, МПа; £ - относи-
тельная деформация, безразмерная величина.
При увеличении напряжений в стальном образце наблюда-
ются пластические деформации, отмеченные горизонтальной
площадкой текучести Б-Б] (рис. 13). Бетон характеризуется
хрупким разрушением, при котором пластические деформации
невелики — площадка текучести отсутствует.
На характер и величину деформации влияют не только вели-
чина механического нагружения, но и скорость приложения этой
нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повы-
69
шением скорости нагружения, а следовательно, деформирова-
ния, а также с понижением температуры материала деформации
по своему характеру приближаются к упругим и упруго-пласти-
ческим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.
Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение
длительного периода времени под влиянием постоянных сило-
вых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию
за обычные периоды наблюдений, называется деформацией пол-
зучести, а процесс такого деформирования - ползучестью.
Явление ползучести выражается в непрекращающемся изме-
нении размера тела (образца) под влиянием растягивающих или
сжимающих постоянных силовых воздействий (напряжений ни-
же предела прочности) при постоянной температуре - ниже
температуры плавления. Ползучесть обычно выражают в едини-
цах скорости деформации как относительное изменение разме-
ров образца (мм) за время (ч)
AZ
8 =---,
1х
(4.15)
где AZ - линейное изменение образца, мм, за время т, ч; Z - на-
чальная длина, мм.
Деформационные свойства строительных материалов обу-
словливаются периодом или временем релаксации. Релаксацией
называется процесс самопроизвольного падения внутренних на-
пряжений в материале, связанных с молекулярным перемещени-
ем, при условии, что начальная величина деформации остается
неизменной, например зафиксированной жесткими связями. Ха-
рактер начальной деформации в период релаксации напряжений
может измениться, например из упругой перейти в необратимую
(пластическую), что связано с переориентацией внутримолеку-
лярной структуры. Время или период релаксации определяет
продолжительность релаксационных процессов, в результате
которых первоначальная величина напряжений при строго за-
фиксированной деформации снизилась в е раз (е - основание
натуральных логарифмов, равное 2,718...). Эта величина являет-
ся важной характеристикой строительных материалов: чем она
меньше, тем менее деформативным является материал. Нередко
время релаксации зависит от температуры материалов в момент
70
испытания и скорости приложения нагрузки, являясь непостоян-
ной величиной.
К упругим материалам относятся природные и искусствен-
ные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным - битумы
при положительных температурах, некоторые виды пластмасс,
бетонные и растворные смеси до затвердевания.
При весьма малой продолжительности действия сил по срав-
нению с величиной времени релаксации все материалы (тела)
ведут себя как упруго-хрупкие и имеют полную обратимость
деформаций, если, конечно, напряжения не нарушают их
сплошности.
Хрупкость - свойство материала разрушаться после незна-
чительной пластической деформации. Хрупкому материалу в
отличие от пластичного нельзя придать при прессовании желае-
мую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на
части, рассыпается. Хрупкими являются природные и искусст-
венные камни, стекло, чугун и др. Приближенным значением
меры хрупкости служит у = £У/Спред, и при у = 1-..0,8 разру-
шение от нагружения происходит без торможения трещин,
внезапно.
Провести четкую границу между пластичными и хрупкими
телами невозможно. Даже в одном и том же теле можно наблю-
дать либо пластичность, либо хрупкость. На характер деформа-
ции влияют различные факторы, такие как температура, тип на-
пряженного состояния, скорость деформации, окружающая сре-
да и др. Повышение температуры, как правило, способствует
пластичности, при понижении температуры возрастает хруп-
кость. Влияние напряженного состояния на характер деформи-
рования показывают опыты с хрупкими материалами. Например,
мрамор при линейном напряженном состоянии - хрупкое тело,
но при деформации в условиях объемно-напряженного состоя-
ния он приобретает пластичность.
Во всяком теле, подверженном действию внешних сил, воз-
никают внутренние силы. Это происходит вследствие деформа-
ции твердого тела: атомы или ионы, образующие кристалличе-
скую решетку, смещаются относительно своих положений рав-
новесия, а силы связи между ними противодействуют этому
смещению как внутренние силы.
71
Прочность - способность материала сопротивляться разру-
шению, а также необратимому изменению формы (пластической
деформации) при действии внешних нагрузок. Мерой прочности
материала является предел прочности — наибольшее напряже-
ние, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой обра-
зец материала разрушается (напряжение в точке В, рис. 13).
Кроме указанной, типичными характеристиками служат пре-
делы упругости и пластичности, соответствующие напряжениям
на диаграмме деформирования соответственно для точек А и Б.
Все эти характеристики прочности относятся к кратковременно-
му действию приложенной нагрузки. При длительном действии
нагрузки возрастает опасность нарушения структуры материала.
На практике разрушение материала начинается значительно
раньше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоре-
тического предельного значения. Это объясняется тем, что в ре-
альных материалах много дефектов самого различного уровня
(начиная от молекулярного и кончая макродефектами, например
трещинами).
В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида
возникающих напряжений различают прочность на сжатие, рас-
тяжение, изгиб, скалывание (срез) (рис. 14). Физическая величи-
на, которая характеризует интенсивность внутренних сил, при-
ходящихся на единицу площади сечения, называется механиче-
ским напряжением.
Рис 14. Схемы определения пределов прочности материалов:
а — при сжатии, б - растяжении, в — изгибе; г—срезе
72
Для экспериментального определения предела прочности ма-
териала используют образцы правильной геометрической фор-
мы — кубы, призмы, цилиндры, стержни, полоски. Размеры об-
разцов, процедура испытания, вид и скорость нагружения, пра-
вила обработки результатов выдерживаются в строгом соответ-
ствии с требованиями стандарта. Чаще всего материалы испы-
тывают сжимающей или растягивающей нагрузкой F.
Предел прочности при сжатии или растяжении R, Па, рас-
считывают по формуле
= (4.16)
где - разрушающая нагрузка, Н; А — площадь первоначаль-
ного сечения образца в плоскости, перпендикулярной действию
нагрузки, м2.
Предел прочности при изгибе образца прямоугольного сече-
ния и при одной сосредоточенной нагрузке в середине пролета
определяют по выражению
R = (4 17)
юг 2bh2 9 к }
где F — разрушающая нагрузка, Н; I — расстояние между опора-
ми, — ширина и высота поперечного сечения образца, м.
Различные материалы характеризуются разным пределом
прочности при сжатии: от 0,05 (пенополистирол) до 1000 МПа и
более (высокопрочная сталь). Часто одни и те же материалы
имеют неодинаковый предел прочности, и в зависимости от это-
го их подразделяют на марки и сорта. Так, марки строительного
раствора соответствуют пределу прочности (кгс/см2) от 4 до 200,
обычного бетона — от 100 до 600, керамического кирпича — от 75
до 300.
Прочность материала зависит от его структуры, пористости,
влажности, дефектов строения, температуры, состояния поверх-
ности и других факторов.
Кроме прочности технической или реальной, определяемой с
помощью условных приборов, существует прочность, рассчиты-
ваемая вычислением и поэтому называемая теоретической.
Простейший метод оценки теоретической прочности твердых
тел был предложен М. Поляни в 1921 г. Идея расчета состояла
73
в следующем. Если для разрыва стержня сечением 1 м2 потребо-
валось приложить напряжение о0, а атомные плоскости при этом
удалились друг от друга на величину а (параметр кристалличе-
ской решетки), то работа выразилась как аоа. При разрыве обра-
зовались две новых поверхности площадью 2 м2, а затра-
ченная работа перешла в свободную поверхностную энергию.
Последнюю можно обозначить как у и выразить в Дж/м2. Следо-
вательно, аоа = 4у. Отсюда искомая теоретическая прочность
сг0= 4у/а. (4.18)
Расчет теоретической прочности су0 для железа (у = 1 Дж/м2;
а = 2 • 1О“10 м) по формуле дает прочность су0 = 2 • 1О10 Па, что
в сотни раз превышает реальную прочность железа. Большое
различие между теоретической и реальной прочностью материа-
ла объясняется дефектностью микроструктуры, т. е. наличием
микротрещин, пор и т. д. Чем крупнее образцы твердых тел,
принятых для испытания, тем больше концентрируется в них
дефектов, а поэтому их реальная прочность ниже, т. е. действует
обратная зависимость прочности от размера изделий (масштаб-
ного фактора).
Наиболее обстоятельно метод расчета реальной прочности
хрупких твердых тел исследовал Гриффитс. Им предложена
формула для расчета этой прочности материала, имеющего мик-
ротрещину:
ар=^"=₽^, (4.19)
где у и Е - соответственно свободная поверхностная энергия об-
разца и модуль упругости материала; / - длина поперечной мик-
ротрещины в образце, составляющая обычно к моменту разру-
шения образца несколько микрон или более; р - числовой коэф-
фициент, зависящий от вязкости и характера материала: наличия
кристаллической и аморфной фаз, их количественного соотно-
шения, дефектов в кристаллической решетке (вакансий, дисло-
кации), микропор в аморфной части структуры.
Следует отметить, что прочность в большей степени, чем
другие свойства материала, проявляет чувствительность к явле-
74
ниям и процессам формирования и изменения структуры, осо-
бенно кристаллической. Прочность материала является струк-
турно-чувствительным свойством, поэтому ее можно изменять в
необходимом направлении путем соответствующих корректив
структуры на микро- или макроуровне; уменьшения дефектов;
введения добавок, например кристаллических затравок; повы-
шения дисперсности новообразований; оптимизации структуры,
изменения пористости и размера пор и др.
Твердость - свойство материала сопротивляться проникно-
вению в него более твердого тела. Твердость ряда строительных
материалов (бетона, древесины, металлов, строительного рас-
твора) определяют специальным прибором, вдавливая в них за-
каленный стальной шарик, алмазный конус или пирамиду. В ре-
зультате испытания вычисляют число твердости. Оно равно от-
ношению силы вдавливания к площади поверхности отпечатка.
Твердость минералов и однородных горных пород оценивают по
шкале Мооса, содержащей десять минералов, расположенных по
возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кон-
чая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала
определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу
твердости минералами.
Истираемость - свойство материала уменьшаться в объеме и
массе под действием истирающих усилий.
Сопротивление материала истиранию определяют на круге
истирания с подсыпанием абразивных порошков - наждака или
кварцевого песка. Истираемость зависит от прочности и твердо-
сти материала и важна для оценки эксплуатационных свойств
материалов полов, ступеней лестниц, дорожных покрытий.
4.1.3. Химические свойства
Химические свойства материала характеризуют его способ-
ность к химическим превращениям под влиянием веществ (воз-
действий), с которыми он находится в соприкосновении, а также
способность сохранять постоянными состав и структуру мате-
риала в условиях инертной окружающей среды. Некоторые ма-
териалы склонны к самопроизвольным внутренним химическим
изменениям в обычной среде. Ряд материалов проявляет актив-
75
ность при взаимодействии с кислотами, водой, щелочами, рас-
творами солей, агрессивными газами и т. д. Химические пре-
вращения протекают также во время технологических процессов
производства и применения материалов.
Химическая (коррозионная) стойкость - свойство мате-
риала сопротивляться коррозионному воздействию среды (жид-
кой, газообразной, твердой) или физических воздействий (облу-
чение, электрический ток).
При контакте с агрессивной средой в структуре материала
происходят необратимые изменения, что вызывает снижение его
прочности и преждевременное разрушение конструкции.
Основными агрессивными агентами, вызывающими корро-
зию строительных материалов, являются: пресная и соленая во-
да, минерализованные почвенные воды, растворенные в дожде-
вой воде газы (SO3, SO2, СО2, NO2) от промышленных предпри-
ятий и автомашин. На промышленных предприятиях коррозию
строительных материалов часто вызывают более сильные аген-
ты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и
горячие газы.
Металлы и сплавы подвергаются коррозии под действием
сред, не проводящих электрический ток, например некото-
рых газов при высокой температуре, нефтепродуктов, содер-
жащих органические кислоты. Такую коррозию металлов на-
зывают химической. Чаще металлы, в том числе стальная
арматура железобетонных конструкций, корродируют в средах,
проводящих электрический ток, - водных растворах солей,
кислот, щелочей. В этом случае возникает электрохимическая
коррозия.
Особым видом коррозии является биокоррозия - разрушение
материалов под действием живых организмов (например, гриб-
ков, микробов). Биокоррозия - это не только гниение органиче-
ских материалов (древесины, бумаги и др.), но и разрушение бе-
тона и металла продуктами жизнедеятельности поселившихся на
них микроорганизмов.
Изменение структуры и химического состава пластмасс под
влиянием внешней среды называется старением. Наиболее
вредные воздействия на пластмассы оказывают солнечное облу-
чение, кислород воздуха и повышенные температуры.
76
Химическая активность — это свойство материалов подвер-
гаться химическим превращениям под влиянием воды, темпера-
туры, солнечной радиации или при взаимодействии с другими
веществами.
Химические превращения наблюдаются при хранении и тех-
нологическом использовании материалов, а также в период экс-
плуатации строительных конструкций. Например, длительное
хранение во влажной атмосфере вызывает гидратацию и сниже-
ние активности цемента. В итоге получается так называемый
лежалый цемент, сильно уступающий по качеству свежеизго-
товленному.
Химическая активность таких материалов, как вяжущие ве-
щества или минеральные добавки, зависит не только от их со-
става и строения, но и от тонкости измельчения.
К физико-химическим свойствам относят: удельную поверх-
ность порошкообразных материалов, размер и количество пор,
степень гидрофобности неорганических порошков и др. Степень
измельчения вещества характеризуют удельной поверхностью.
Удельная поверхность - суммарная поверхность всех частиц
единицы массы вещества (см2/г). Удельная поверхность тонко-
молотых материалов достигает больших значений (для порт-
ландцемента - 2500...3000 см2/г). Чем больше удельная поверх-
ность, тем быстрее частицы цемента взаимодействуют с водой и
соответственно быстрее твердеет цемент.
4.2. Структура строительных материалов и изделий
Под структурой или внутренним строением строительных
материалов понимают пространственное расположение частиц
разной степени дисперсности, находящихся в устойчивых вза-
имных связях (первичных или вторичных). В структуре искусст-
венных конгломератов условно можно выделить микро- и мак-
родисперсный уровни.
Под микроструктурой подразумевается расположение,
взаимоотношение и взаимосвязь различных или одинаковых по
размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых сла-
гаются вещества в определенных агрегатных состояниях. Сфор-
мировавшееся атомно-молекулярное строение предопределяет
77
микроскопические особенности материала. На микроскопиче-
ском уровне также устанавливаются в той или иной мере устой-
чивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макро-
молекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сро-
стков и других сравнительно крупных частиц, составляющих
материалы, а также соотношения компонентов, фаз и поверхно-
стей раздела более сложной материальной системы - компози-
ционного материала.
Микроструктура изучается методами оптической и элек-
тронной микроскопии, рентгенофазовым и рентгеноструктур-
ным анализами, микрорентгеноспектральным методом и, нако-
нец, такими прецизионными методами, как ЯМР, ЭПР и др.
В зависимости от характера контактируемых частиц, соглас-
но П. А. Ребиндеру, однородные микроструктуры делятся на
коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.
Коагуляционными называют структуры, в образовании кото-
рых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаи-
модействия между частицами - ван-дер-ваальсовы силы сцепле-
ния, действующие через прослойки жидкой среды.
Конденсационные структуры возникают при непосредствен-
ном взаимодействии частиц или под влиянием химических со-
единений в соответствии с валентностью контактирующих ато-
мов или под влиянием ионных и ковалентных связей.
Кристаллизационные структуры образовываются путем вы-
кристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и
последующего прямого срастания отдельных кристаллов в проч-
ный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей.
При этом возможным является образование и смешанных
структур, например коагуляционно-кристаллизационных и др.
С реальным характером микроструктур связаны в известной ме-
ре и представления об их качественных характеристиках. Так,
вещества с коагуляционной структурой обладают пониженной
прочностью, однако имеют способность к тиксотропному вос-
становлению структуры, разрушенной под влиянием механиче-
ского воздействия, например вибрирования. Конденсационные
структуры, особенно кристаллизационные, придают веществу
повышенную прочность, но вместе с тем усиливают хрупкость,
снижают тиксотропность.
78
В микроструктурах могут встречаться различные виды не-
плотностей и дефектов, которые отрицательно влияют на каче-
ство материала. К ним относят: дефекты кристаллической ре-
шетки в виде так называемых вакансий или примесей в кристал-
лической решетке; микротрещины, способные под нагрузкой
расти и переходить в макротрещины; поры - замкнутые и сооб-
щающиеся или и те, и другие различного происхождения, что
зависит от разновидности цементирующего вещества.
Кроме вяжущего вещества, микродисперсной структурой об-
ладают также приповерхностные слои или контактные зоны в
материале, отделяющие вяжущее вещество от поверхности дру-
гого компонента, например зерен заполнителя, фазы друг от
друга. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и
полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего вещест-
ва. Отличается от других объемов материала и качество этих
слоев, так как оно зависит от пограничных дефектов структуры,
прочности контактирующих слоев и т. п. Различие в качестве
контактной зоны и остального объема вяжущего является не
скачкообразным, а довольно плавным.
Макроструктура - строение материала, видимое невоору-
женным глазом или при небольшом увеличении. Она образована
под влиянием цементирующей способности вяжущего вещества,
благодаря чему частицы заполнителя (зернистые, волокнистые и
др.) скрепляются между собой в общий монолит. Большинство
материалов в своем составе, кроме твердого вещества, имеют
воздушные включения - поры размером от долей миллиметра до
сантиметра. Количество, размер и характер пор во многом опре-
деляют свойства материала.
Наличие в каждом элементарном объеме пор или трещин оз-
начает, что целые группы атомов не имеют взаимодействия друг
с другом, гак как между ними могут быть газовые, водные или
другие инородные преграды, не обладающие прочностью. Сле-
довательно, количество связей на единицу площади оказывается
значительно меньше, что должно отрицательным образом отра-
зиться на прочности твердого тела. Можно пояснить, что нали-
чие в 1 см3 материала замкнутой поры размером 0,001 см, т. е.
10 мкм, приводит к следующему: во-первых, на площади сече-
ния 1 см2 отсутствует 1014 межатомных связей; во-вторых, кри-
79
сталлическая решетка значительно искажена и является энер-
гетически неустойчивой, особенно на границе раздела фаз;
в-третьих, в указанном объеме возникают остаточные напря-
жения, способные вызвать самопроизвольное разрушение;
в-четвертых, на поверхности раздела пор начинают развиваться
физико-химические процессы, также снижающие прочность ма-
териала.
Проблеме устранения поробразования в твердых телах долж-
но быть уделено особое внимание, так как наличие сверхпроч-
ных атомных связей не обеспечивает получение высокопрочного
материала, если в процессе его изготовления будет допущено
возникновение пор и раковин. Основной путь решения задачи
заключается в совершенствовании технологии производства из-
делий с максимальной плотностью, т. е. минимальной пористо-
стью материала.
Подобно компактной упаковке дискретных частичек в мик-
роструктуре вяжущих веществ, смесь грубозернистых наполни-
телей подбирают с наименьшим объемом межзерновых пустот,
что позволяет экономить на расходе связующих веществ как
наиболее дорогостоящих компонентов и уменьшать усреднен-
ную толщину обмазочного слоя вяжущего вещества в конгломе-
рате. В основе этого метода лежит прерывистая гранулометрия
(рис. 15), согласно которой соотношение размеров зерен двух
любых смежных фракций заполнителя в идеальном случае (при
шарообразной форме зерен) равно
4 = 0,1564+1, (4.20)
где di - диаметр меньших шаров; di+\ — диаметр больших шаров.
С учетом трения, препятствующего компактной упаковке
шаров:
4 = 0,1434+1- (4.21)
Рис. 15. Упорядоченная упаковка шаров
различного диаметра
80
Из соотношения (4.21) следует, что для плотной упаковки
диаметр большего шара должен в семь раз превышать диаметр
меньшего шара. Плотность упаковки шаров возрастает с умень-
шением их диаметров в прогрессии 1/7, 1/72, 1/73 и т. д.
В зависимости от формы и размера частиц твердого вещества
различают материалы зернистые, волокнистые и слоистые. Зер-
нистые материалы бывают рыхлыми, состоящими из отдельных,
не связанных одно с другим зерен (песок, гравий), или конгло-
мератного строения (зерна прочно связаны между собой). При-
мер природного материала конгломератного строения - гранит,
который состоит из зерен различных минералов, прочно срос-
шихся друг с другом. Искусственным материалом конгломерат-
ного строения является бетон, в котором зерна песка и щебня
прочно соединены в монолит цементным камнем.
Кроме заполнителя в смесь нередко добавляется порошкооб-
разный материал, частицы которого соизмеримы с размерами
частиц используемого в конгломерате вяжущего вещества и но-
вообразованиями - кристаллическими, аморфными и др. Их на-
зывают наполнителями.
Заполнители и наполнители могут быть активными, неактив-
ными и малоактивными. К активным принадлежат те, которые
при добавлении к вяжущему веществу повышают прочность
конгломерата оптимальной структуры хотя бы по одному виду
напряжений - сжатию, растяжению, сдвигу и т. п.
Упрочнение вяжущего вещества при использовании активно-
го заполнителя (наполнителя) происходит под влиянием допол-
нительных физико-химических и химических взаимодействий
контактируемых веществ или вследствие армирующего эффекта
(для волокнистых наполнителей и заполнителей).
Как видно из приведенного, все строительные материалы ха-
рактеризуются микро- и макроструктурами. Вместе с тем струк-
тура строительного конгломерата составляет единую, недели-
мую, цельную систему, и выделить какие-либо структурные
элементы без разрушения всей системы нельзя.
Единая и монолитная структура конгломерата может быть
оптимальной и неоптимальной
Оптимальной называют структуру, если частицы в ней рас-
пределены равномерно по объему (фазы, компоненты, поры и
6. Зак.508
81
др.), отсутствуют или присутствуют в малом количестве дефек-
ты структуры как концентраторы напряжений или аккумуляторы
агрессивной среды, имеется непрерывная прослойка вяжущего
вещества в виде пространственной сетки минимально необхо-
димой толщины. В тех случаях, когда в материале нет вяжущей
прослойки, условием оптимальности структуры служит наи-
большая поверхность контактирования и взаимосвязи частиц
твердой фазы. При этом оптимальная структура всегда является
отражением принятых технологических особенностей формиро-
вания ее в производственных условиях. Таким образом, опти-
мальная структура материала носит регулярный характер в от-
личие от неоптимальной.
Неоптимальными называют структуры, которые не удовле-
творяют хотя бы одному из вышеуказанных обязательных усло-
вий оптимальности. Оптимальным структурам соответствуют
улучшенные показатели качества материалов по сравнению с
неоптимальными. Это улучшенное качество обусловлено повы-
шенной плотностью, минимальным количеством жидкой среды,
повышенной концентрацией твердой, например кристалличе-
ской, фазы, минимумом объема пор в контактных зонах и рядом
других причин, особенно энергетического характера, поскольку
при оптимальных структурах свободная энергия Гиббса и энер-
гия Гельмгольца становятся минимальными.
Достоинством оптимальных структур является их сходство.
Это означает, что закономерность, вскрытая в отношении одного
материала, может быть распространена на другие, если их
структуры - оптимальные.
4.3. Основные принципы формирования
строительных материалов оптимальной структуры
Основными элементами химико-технологического процесса
производства строительных материалов являются сырье, энергия
и оборудование.
Создание новых строительных конгломератов основывается
на открытых закономерностях, количество которых возрастает
по мере развития строительного материаловедения. Оно осуще-
ствляется по определенной системе, в которой исходные поло-
82
жения прогнозирования сочетаются с новыми эксперименталь-
ными исследованиями.
Под влиянием бесконечного многообразия комбинаций мик-
рочастиц в пространстве или комплексов этих комбинаций, сла-
гающих микрочастицы, возникают тела, которые отличаются по
своей структуре и свойствам. В структуре возможны изменения
установившихся сочетаний и отношений частиц под влиянием
температуры, величины внешнего давления или других внешних
факторов. Данные изменения отражаются на числовых показа-
телях свойств. В частности, значительному изменению подвер-
жены механические свойства при каждом отклонении, возник-
шем в структуре материала. Однако установить и выразить в
конкретной форме характер зависимости между структурой и
свойствами непросто. Одному и тому же показателю свойств,
например величине предела прочности при сжатии, могут соот-
ветствовать различные микро- и макроструктуры данного мате-
риала.
Существенным является разделение структур на оптималь-
ные и неоптимальные.
И. А. Рыбьевым предложен общий метод проектирования
оптимальных составов и структур искусственных строительных
материалов (конгломератов), применяемый для различных без-
обжиговых и обжиговых материалов. В его основе лежат общие
научные принципы создания оптимальных структур: достиже-
ние по возможности наиболее плотной упаковки полидисперс-
ных частиц; обеспечение непрерывности пространственной сет-
ки вяжущего вещества или наиболее развитых поверхностей
контакта при первичных типах связи; придание минимальных
значений отношению массы жидкой среды к массе твердой фазы
вяжущего вещества; приближение принимаемых условий проек-
тирования состава смеси к реальной технологии изготовления
смеси и изделий; перевод системы в наименее стабильное (мета-
стабильное) состояние с последующим максимальным упорядо-
чением микро- и макроструктур, приданием повышенной термо-
динамической устойчивости; равномерное распределение частиц
разной крупности, пор, поверхностей раздела фаз и других
структурных элементов по объему материала; придание смеси
реологического состояния, соответствующего реальным техно-
6*
83
логическим параметрам и режимам; обеспечение совпадения
заданных показателей свойств с экстремумами тех же свойств
при оптимальных структурах; соблюдение стадийности проек-
тирования оптимального состава, а также корректирование при-
нятого состава в производственных условиях.
Метод проектирования состава материала включает три
взаимосвязанных этапа.
На первом этапе:
а) обосновывают главные показатели строительно-техноло-
гических или эксплуатационных свойств материала, что дости-
гается тщательным анализом условий работы конструкции. Ино-
гда для этого используют СТБ, ГОСТы, СНБ, СНиПы или пара-
метры, заданные в техническом проекте;
б) производят выбор и проверяют свойства исходных мате-
риалов (например, вяжущего, наполнителей и заполнителей),
изыскивают способы дополнительного повышения их качества;
в) назначают лабораторные условия изготовления и испыта-
ния образцов с предельно возможным моделированием произ-
водственных условий.
На втором этапе проектирования состава определяют реко-
мендуемый состав искусственного строительного конгломерата
(расход материалов на 1 т или 1 м3 смеси) и производят провер-
ку свойств конгломерата принятого состава. Для расчета состава
используют научно обоснованные методики или опытные дан-
ные. В качестве определяющего показателя вместо прочности
может быть принято другое свойство материала - упругая де-
формация, плотность, вязкость, морозостойкость и т. п.
На третьем этапе изготавливают пробный замес в производ-
ственных условиях. С помощью этого замеса производят окон-
чательную проверку качества смеси и конгломерата запроекти-
рованного состава, устанавливают наличие оптимальной струк-
туры путем сравнения планируемых и фактических харак-
теристик материала. Особо устанавливают наличие оптимальной
структуры, например по индикатору подобия или по кривым оп-
тимальных структур. Если замечены отклонения, то производят
корректирование состава. Последнее может потребоваться и при
выпуске массовой продукции на заводе, если исходные материа-
лы получают с течением времени другого качества и других
84
свойств, чем были приняты в лаборатории на стадии проектиро-
вания состава.
Максимальная экономическая эффективность конгломератов
оптимальной структуры устанавливается расчетными данными,
в частности путем сравнения приведенных затрат при оптималь-
ной и нсоптимадыюй структурах.
Экономическая эффективность конгломерата, изготовленно-
го в заводских условиях, оценивается величиной приведенных
затрат на единицу продукции, выраженной в рублях:
П = С + ЕК + Э, (4.22)
где П - приведенные затраты, руб.; С - себестоимость годовой
продукции на заводе; Е - нормативный коэффициент эффектив-
ности капиталовложений (принимается равным не менее ставки
рефинансирования Нацбанка); К - удельные капиталовложения
в заводское производство конгломерата, равные сумме капвло-
жений, отнесенной к объему выпускаемой продукции в год,
руб.; Э - среднегодовые эксплуатационно-ремонтные расходы
по поддержанию конгломератного материала и конструкции из
него в нормальном состоянии, руб.
Понятно, что чем меньше приведенные затраты, тем выше
экономическая эффективность производства конгломерата и
конструкций из него.
4.4. Работа материала в сооружении
Искусственные строительные конгломераты изготавливают в
сравнительно короткие технологические сроки по сравнению с
многолетней продолжительностью работы зданий и сооружений.
Поэтому очень важно, чтобы в течение предусмотренного пе-
риода эксплуатации материал сохранял на допустимом уровне
структурные параметры, заложенные в технологический период
изготовления.
В процессе эксплуатации зданий и сооружений материалы и
изделия, из которых выполнены конструкции, подвергаются
действию механических нагрузок и физико-химическому воз-
действию окружающей среды. Механические нагрузки - масса
конструкций, оборудования и производственной мебели, людей,
85
находящихся в помещениях, - вызывают в материале деформа-
ции и внутренние напряжения. Агрессивное физико-химическое
воздействие некоторых газов, находящихся в атмосфере, воды и
растворенных в ней веществ, высоких и низких температур, сол-
нечной радиации, попеременного насыщения и высушивания
приводит к постепенному разрушению материалов. Поэтому в
зависимости от назначения, условий строительства и эксплуата-
ции зданий и сооружений подбираются соответствующие строи-
тельные материалы, изделия и конструкции, которые обладают
определенными качествами и защитными свойствами против
воздействия определенной внешней среды. Так, материалы для
наружных стен зданий (кирпич, ячеисто-бетонные и бетонные
блоки, строительные растворы) должны обладать наименьшей
теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защи-
щать помещения от наружного холода и выдерживать нагрузки,
передаваемые на стены от других конструкций (перекрытий,
кровли); материалы сооружений гидротехнического назначения
(трубы, лотки, шлюзы-регуляторы и др.) - водонепроницаемо-
стью и стойкостью к попеременному замораживанию и оттаива-
нию; материал для покрытия дорог (асфальт, бетон) должен
иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы вы-
держивать нагрузки от проходящего транспорта и не разрушать-
ся от систематического воздействия воды и растворов солей,
температурных перепадов и промерзания.
Учитывая условия работы в сооружении, все строительные
материалы по назначению делят на две группы: универсального
типа и специального назначения.
Материалы универсального типа воспринимают значитель-
ные механические нагрузки, одновременно выполняя и защит-
ные функции. Сюда относят природные камни, искусственные
каменные материалы (бетон и железобетон, керамические изде-
лия), материалы из древесины, конструкционные пластмассы,
металлы.
Материалы специального назначения служат для защиты
строительных конструкций от вредного влияния окружающей
среды. Использование таких материалов позволяет создавать
внутри сооружения необходимый комфорт, сокращает затраты
топлива и энергии в течение всего срока эксплуатации и в ряде
86
\
случаев увеличивает стойкость и долговечность конструкций.
В эту группу входят изделия для тепловой и акустической защи-
ты конструкций, гидроизоляционные, кровельные и герметизи-
рующие материалы и изделия, материалы для защиты от корро-
зии и некоторые другие.
Кроме заданной долговечности к материалам и изделиям, ра-
ботающим в конструкциях, предъявляются требования ремон-
топригодности, сохраняемости качественных характеристик и
безотказности работы в длительный период. С теоретических
позиций за основной принцип надежности искусственных конг-
ломератов принимают оптимальную структуру при условии
правильно выбранных компонентов, технологических парамет-
ров и режимов производства.
4.5. Долговечность материалов и изделий в конструкциях
4.5.1. Критические уровни характеристик структуры и свойств
Долговечность - комплексное свойство, количественно вы-
ражаемое продолжительностью эффективного сопротивления
материала всему комплексу воздействий в эксплуатационный
период работы до соответствующего критического уровня.
Независимо от способа оценки - по изменению свойств или
отклонению структурных параметров от оптимальных - полный
период долговечности начинается от укладки материала в кон-
струкцию до предельно допустимого (критического) уровня, со-
ответствующего изменению свойств или структуры.
Весь период долговечности можно разделить на три времен-
ных этапа (рис. 16). Первый этап эксплуатации характеризуется
упрочнением структуры или улучшением показателей свойств;
второй - их относительной стабильностью; третий - деструкци-
ей, т. е. медленным или быстрым нарушением структуры вплоть
до ее критического состояния или даже до полного разрушения.
У отдельных материалов тот или иной этап в периоде эксплуа-
тации (долговечности) может отсутствовать.
Первый этап имеет место в материалах с участием вяжущих
веществ, и прежде всего цемента. Сущность упрочнения струк-
туры на первом этапе долговечности заключается в том, что под
87
влиянием внешней среды, нагрузок и других факторов в экс-
плуатационный период в материале, особенно в вяжущей части,
а также в контактных зонах, возникают новые и со временем ук-
рупняются вторичные структурные центры. Совместно с воз-
никшими на ранней стадии структурообразования они участву-
ют в дополнительном процессе уплотнения структуры с увели-
чением содержания цементирующего вещества. Например,
цементный минерал белит продолжает «отдавать» свою вяжу-
щую потенцию в течение двух и более лет, обгоняя даже алит .
Кроме того, и сам алит продолжает вносить вклад в повышение
прочности со временем В результате наблюдаются не только
упрочнение структуры и рост прочности материала по отноше-
нию к механическим нагрузкам, но и улучшение некоторых дру-
гих его свойств. В то же время для обжиговых материалов, на-
пример керамического кирпича, первый этап долговечности бу-
дет отсутствовать, так как процессы упрочнения структуры
полностью прекращены.
испытаний, т
Рис. 16. Схема чередования временных периодов долговечности материала в
эксплуатационный период: 1 - критический уровень характеристик структуры и
свойств; 2 - начальный (предэксплуатационный) уровень характеристик струк-
туры и свойств; 3 - увеличение продолжительности эксплуатации за счет тор-
можения деструкции
1 Белит и алит - минералы портландцемента. Их характеристика приведе-
на в 9.2.1.
88
Второй этап - стабилизация структуры - характеризуется
сравнительно неизменной концентрацией структурных элемен-
тов в единице объема материала и относительным постоянством
показателей свойств Уровень этих показателей может колебать-
ся за счет совместных процессов упрочнения и деструкции
Третий этап долговечности - деструкция - самый типичный
процесс эксплуатационного периода. Он может начаться с пер-
вого же этапа эксплуатации конструкции, но может следовать
также за упрочнением и стабилизацией структуры.
Приведенные этапы долговечности материала являются до-
вольно условными. Обусловлено это точностью методов иссле-
дования и аппаратуры для слежения за изменением структурных
характеристик и свойств материала в период эксплуатации в
конструкции. Поэтому у некоторых материалов первый или вто-
рой этап может отсутствовать.
Во время всех технологических переделов и в эксплуатаци-
онный период в контактных зонах структурных компонентов
конгломерата идут процессы микроразрушений. Как показано в
главе 2, существует общая тенденция постепенного перехода
первоначально энергетически устойчивых структур материалов
на более низкий энергетический уровень их структурной проч-
ности. При этом освобождаются атомы кислорода и другие, об-
разуются новые химические соединения, устойчивость которых
часто гораздо меньше первоначальных. Это ведет к нарушению
структуры, разрыву ее сплошности, а в итоге - к деструкции ма-
териала, сопровождаемой снижением его прочности.
Из отмеченного можно сделать вывод, что в структуре мате-
риала должен соблюдаться баланс сил. Пока он есть, материал
сохраняет свои свойства, при снижении его до критического
уровня материал разрушается из-за старения, усталости и т. д.
Теоретическими исследованиями и многолетней практикой
для всех материалов определены критические уровни характери-
стик структуры и свойств, переход за пределы которых сопря-
жен с интенсивным разрушением материала или срочным капи-
тальным ремонтом конструкции.
При выборе критических уровней ключевых показателей
свойств ориентируются на требования действующих стандартов
и строительных норм. В них указаны численные показатели тех-
89
нических свойств материала и допустимые пределы их измене-
ния в эксплуатационный период. Для большинства материалов
обычно указываются несколько ключевых показателей свойств
или структурных характеристик и их предельный уровень изме-
нения. При этом весьма важно, чтобы с совершенствованием
технологии производства наблюдалось всемерное увеличение
периода времени до момента, когда ключевой показатель (груп-
па показателей) окажется на уровне допустимого изменения.
Соответствующий период времени характеризует долговечность
материала, поскольку дальнейшая эксплуатация конструкции
будет недопустимой без проведения ремонта.
Среди типичных эксплуатационных факторов, оказывающих,
как правило, негативное влияние на состояние строительных
конструкций и материалов, можно выделить: воздействие внеш-
них нагрузок, а также массы материала и конструкций; темпера-
турные воздействия; воздействия газовой и водной среды, со-
держащей различные примеси; воздействия кислот, щелочей и
солевых растворов; климатические, к которым, кроме упомяну-
тых выше факторов, относятся также солнечная радиация, ветер
и влажность воздуха, продукты жизнедеятельности микроорга-
низмов.
В реальных условиях на конструкцию или ее материал воз-
действует комплекс из двух или большего количества эксплуа-
тационных факторов. Совместное воздействие активных сред и
механических напряжений приводит к интенсификации корро-
зионных процессов. Отметим, что различного вида природными
и производственными средами повреждается от 15 до 75 % всех
строительных конструкций зданий и сооружений.
4.5.2. Микротрещинообразование
с позиций молекулярно-кинетической теории
и критерий Гриффитса
Долгое время считалось, что потеря сплошности материала
наступает тогда, когда один из параметров, определяющий на-
пряженное состояние деформируемого тела (например, нор-
мальное или скалывающее напряжение), достигает предельного
значения. В 70-е гг. XX в. появилась кинетическая концепция
90
прочности твердых тел, согласно которой разрушение твердых
тел происходит от разрывов связей между элементарными час-
тицами того или иного материала.
При трехосном сжатии твердое тело разрушить нельзя. В
этом случае происходят только сближение элементарных частиц
и аллотропические1 изменения структуры тела. При одноосном
сжатии (рис. 17) тело разрушается из-за разрыва внутренних
связей в материале (образования трещин) при расширении мате-
риала в направлении, перпендикулярном к действию нагрузки.
Аналогичная картина разрушения тела наблюдается и при
двухосном сжатии.
Рис. 17. Схемы разрушения твердых тел: а - при одноосном сжатии; б - при
двухосном сжатии; в - разрушение кристаллической решетки при сдвиге
При возникновении в теле касательных напряжений (при
сдвиге) разрушение его также происходит вследствие разрыва
структурных связей в материале (рис. 17): смещение одного
атома относительно другого может стать настолько большим,
что взаимодействие между ними будет невозможным. При ис-
пытании образцов на срез разрушение их обусловлено совокуп-
ностью элементарных разрывов при сдвиге.
При изгибе разрушение тела может происходить: 1) от растя-
гивающих напряжений, вызываемых изгибающим моментом;
2) от скалывающих напряжений по косым трещинам при совме-
стном действии изгибающих моментов и поперечных сил.
1 Аллотропия - существование химического элемента в виде нескольких
простых веществ.
91
Разрушение представляет собой необратимое разделение тела
на части, связанное с нарушением сплошности среды. Процесс
разрушения состоит из двух последовательно протекающих ста-
дий: зарождение и рост трещины, которому способствует на-
пряженное состояние тела, и полное разрушение.
Эксперименты показывают, что долговечность твердых тел
подчиняется выражению
и(р)
т = тое кт , (4.23)
где U(<3) = Uq - ус; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная
температура; U - энергия взаимодействия пары атомов; Uq —
энергия активации (энергия, необходимая для разведения атомов
на бесконечно большое расстояние); т0 - постоянная, практиче-
ски одинаковая для любых твердых тел и их состояний; у - пока-
затель концентрации напряжений в нагруженном теле; усу - вы-
ражает работу, которую в разрушении тела выполняет внешняя
сила (напряжение о); (Uq - уо) - часть работы, которую выпол-
няют тепловые флюктуации.
Для того чтобы тело было разрушено, т. е. распалось на час-
ти, в каком-либо сечении должны быть разорваны все межатом-
ные связи.
Приложение к твердому телу внешней нагрузки вызывает
напряжение межатомных связей. Согласно кинетической кон-
цепции прочности процесс разрушения тел на уровне элемен-
тарных актов может быть разделен на три стадии:
• возбуждение межатомных связей в нагруженном теле, ве-
дущее к уменьшению энергетического барьера Uq на величи-
ну уп;
• разрыв напряженных связей за счет термических флюктуаций;
• накопление разорванных связей.
Гриффитс впервые предположил, что различие между преде-
лами прочности абсолютно хрупкого твердого тела и реального
тела обусловлено наличием в последнем трещин. Вблизи многих
из них создаются перенапряжения, значительно превосходящие
средние напряжения в образце. Разрыв согласно этой схеме на-
ступает тогда, когда напряжение у вершины хотя бы одной из
опасных трещин достигает величины теоретической прочности.
92
По Гриффитсу, до достижения этого критического напряже-
ния трещина не растет, но как только такое напряжение дос-
тигнуто, последняя начинает катастрофически углубляться в
теле, рассекая его на части.
Представим, что эллиптическая трещина длиной 21 (рис. 18)
имеется в тонкой пластине, подвергнутой простому растяжению.
Рис. 18. Работа материала с трещиной по всей
толщине большой пластины: <у - приложенное
напряжение; I - половина длины трещины
При этом в вершине трещины возникает концентрация на-
пряжений, характеризуемая максимальным напряжением <5тах,
равным
о1ШХ = 2о^-, (4.24)
где а - растягивающее напряжение; R - радиус кривизны в вер-
шине главной эллиптической трещины; I — длина полуоси эл-
липса.
Концентрация напряжений в вершине трещины приводит к
тому, что локально достигается теоретическое разрушающее на-
пряжение, в то время как весь остальной материал испытывает
воздействие сравнительно малых напряжений.
Если приложенное напряжение достаточно велико, то тре-
щина начинает распространяться, освобождая энергию упругой
деформации. Однако для образования новых поверхностей раз-
рушения требуется некоторая энергия.
В соответствии с критерием Гриффитса трещина распро-
страняется, если увеличение поверхностной энергии меньше,
чем уменьшение энергии деформации, иначе говоря - разруше-
ние происходит в том случае, когда при бесконечно малом удли-
нении трещины выделяется больше упругой энергии, чем это
требуется для образования новых поверхностей. Поверхностная
93
энергия должна быть меньше высвобождающейся упругой энер-
гии, что возможно при достижении критического размера тре-
щины:
акр
2у£
<4-25)
где у - удельная поверхностная энергия; Е- модуль упругости.
Как видно из выражения (4.25), напряжение обратно пропор-
ционально корню квадратному из длины трещины, и, следова-
тельно, по мере распространения трещины необходимое напря-
жение уменьшается, т. е. распространение трещины - процесс
ускоряющийся. Если в выражение (4.25) подставить типич-
ные для хрупких тел значения ст, у, Е, то можно получить веро-
ятныйразмер трещин. Для стекла получаются значения порядка
2-10 мм, которые весьма близки к размерам реально наблю-
даемых трещин.
Теория Гриффитса основана на представлении о зарождении
трещин в условиях упругой деформации и не учитывает воз-
можной пластической деформации перед разрушением.
Кроме энергетического подхода к анализу развития тре-
, щин, основанного на законе сохранения и превращения энергии,
существует и силовой подход, когда рассматриваются усло-
вия равновесия действующих на трещину внешних (нагрузки)
и внутренних сил, т. е. сил межатомного (межмолекулярного)
сцепления
У трещины существует период докритического и закритиче-
ского роста. Докритический рост трещины происходит, если
конструкция не потеряла способности сопротивляться внешнему
нагружению. Длительность докритического периода иногда ис-
числяется годами.
Основной причиной докритического роста трещин является
пластическая деформация твердого тела. Чтобы трещина рос-
ла, нужны высокая плотность дислокаций (примерно 1О10 на
1 см ) и только одноименные дислокации. Дислокации, «влива-
ясь» в полость разрушения, увеличивают ее. Чем больше прило-
женная нагрузка, тем неотвратимее разрушение и тем раньше
оно наступит.
Совершенно хрупкие материалы трещиностойки лишь при
очень малых напряжениях. Большее сопротивление развитию
94
трещин оказывают вязкие материалы. Чтобы замедлить процесс
разрушения, необходимо стремиться к тому, чтобы количество
микротрещин в теле было минимальным. А если они уже суще-
ствуют, то важно, чтобы размеры их были возможно меньшими.
С этой целью в материалах и изделиях предусматривают меха-
низмы притормаживания развития трещин. Простейшим из них
является пластическая деформация. Поэтому желательно, чтобы
материал был максимально вязким без потери прочности. При
выполнении этих условий даже со многими микротрещинами
металл может очень долго служить людям и быть воплощением
надежности и прочности.
История техники - это во многом история борьбы с распро-
странением трещин и попыток избежать их появления. Каменная
кладка и бетон чрезвычайно эффективны, однако они обладают
известными недостатками. В целях повышения трещиностойко-
сти бетона предложено предварительное напряженное армиро-
вание стальными высокопрочными стержнями. В этом случае
хрупкий компонент - бетон находится в состоянии сжатия рас-
тянутыми стальными стержнями — арматурой.
4.5.3. Концентрация напряжений в твердых телах
Рассмотрим основные понятия, касающиеся сопротивления
твердых тел под влиянием нагрузки. Если твердое тело полно-
стью свободно от механических нагрузок, то структурные связи
в нем находятся в уравновешенном состоянии. Любая попытка
сблизить или отдалить атомы друг от друга сопровождается не-
большим укорочением или удлинением межатомных связей во
всем материале. При этом ядра атомов не деформируются и ато-
мы не обмениваются местами при небольших нагрузках. Таким
образом, податливость твердого тела определяется деформацией
межатомных связей.
Под влиянием внешней нагрузки на твердое тело при нару-
шении его сплошности, например в местах надрезов, отверстий
(пор), сопряжений, неоднородных по физико-механическим
свойствам, возникают местные (локальные) напряжения, как
правило, превосходящие напряжения в однородном теле при
прочих равных условиях, т. е. имеет место концентрация на-
95
пряжений. Например, в тонкостенной пластине с отверстием, в
которое впаян диск из другого материала, в контактных зонах
между ними возникает всплеск напряжения (рис. 19). Напряже-
ния в сечении, вычисленные по формуле сопротивления мате-
риалов, - номинальные напряжения он оказываются ниже факти-
ческих максимальных напряжений сгП1ах.
Рис. 19. Концентрация напряжений в контактной зоне
На практике концентрацию напряжений учитывают с помо-
щью теоретического коэффициента концентрации напряжений
или Кх
ИЛИ
О т
н н
(4-26)
У каждого концентратора напряжений имеются радиус кри-
визны R в вершине надреза и характерный размер, которым мо-
жет быть половина толщины оставшегося материала, полудлина
центральной трещины, длина односторонней трещины или вы-
сота уступа (рис. 20).
96
Рис. 20. Различные концентраторы напряжений
(указаны характерные размеры)
В таком случае коэффициент концентрации напряжений или
деформаций в общем виде составляет
~ ~ 1 + (о,5 • • 2)1— . (4.27)
ен ст1( V R
При этом Ко = относится к односторонней трещине.
В случае достаточно широкой пластины и круглого отвер-
стия коэффициент концентрации напряжений равен 3. В случае
эллиптического отверстия коэффициент концентрации напряже-
ний равен 1 + 2а!в, где а и в - длина и ширина полуосей эллипса.
Концентрация напряжений оказывает существенное влияние
на прочность элементов конструкций. А. А. Гриффитс устано-
вил, что трещины - это сильно вытянутые эллипсы. Соотноше-
ние полуосей а/в для трещины, например, длиной 10 мкм и ши-
риной 0,1 мкм равно 100 : 1, в этом случае коэффициент концен-
трации напряжений будет равен 201. При подобной кон-
центрации напряжений теоретическая прочность стекла
(14000 МПа) должна снизиться примерно до 70 МПа, что близко
к прочности обычного стекла.
Концентрация напряжений (деформаций) приводит к увели-
чению общей деформации элемента, влияет на его несущую
способность и вызывает его разрушение даже тогда, когда воз-
никает пластическая деформация.
Концентрация напряжений в наибольшей степени характер-
на для таких неоднородных материалов, как бетон, железобетон
и др. Ю. В. Зайцев сформулировал следующие основные осо-
бенности поведения трещин в существенно неоднородных мате-
риалах:
7. Зак. 508
97
1. В неоднородном материале даже при отсутствии трещин
распределение напряжений существенно отличается от распре-
деления в однородном теле (наблюдается концентрация напря-
жений около включений (зерен заполнителя)).
2. В неоднородном теле трещины могут распространяться
не только в одном или другом составляющем материала, но
и по зоне их контакта. Если трещиностойкость контактной
зоны достаточно велика (выше прочности каждого из материа-
лов), то имеющаяся на поверхности контакта трещина не пойдет
по этой поверхности, а будет распространяться в глубь одного
или обоих материалов сообразно закономерности развития тре-
щин в однородных телах. Если же трещиностойкость контакт-
ной зоны недостаточна, то трещина направится по поверхности
контакта.
И. Н. Ахвердов методом фотоупругости установил распреде-
ление напряжений в бетоне в зависимости от степени жесткости
включений и матрицы. Если Ерс - модуль упругости матрицы
(растворной составляющей), а Екз - включения (зерна крупного
заполнителя), то при Екз < Ерс и Екз > Ерс кривизна эпюр на-
пряжений тем значительнее, чем больше Екз отличается от Ер,с
(рис. 21). Напряжения в матрице больше, если Екз < Ерх, и
меньше, когда Екз > Ерл. При Екз = Ерс система характеризуется
структурной однородностью.
Таким образом, в неоднородном материале в зависимости от
соотношения свойств его компонентов и характеристик кон-
тактной зоны этих компонентов трещины могут развиваться в
различных зонах материала.
Нарушение сплошности структуры бетона под действием
сжимающей нагрузки происходит по цементному камню, а так-
же контактам между ним и зернами заполнителя до исчерпания
прочности материала в целом. Как показано О. Я. Бергом, на-
пряжения R®, соответствующие появлению микротрещин на гра-
нице с зернами крупного заполнителя, составляют (0,3...0,7)Апр
(Лпр - призменная прочность бетона). В растворной составляю-
щей бетона трещины интенсивно развиваются при напряжениях,
составляющих 70 ..90 % от предельных, и этот процесс сопро-
вождается увеличением объема бетона.
98
_____zTTb._____
Рис. 21. Эпюры напряжений в
двухкомпонентной системе при
различных механических и дефор-
мационных свойствах матрицы и
включений: I - EKJ < Ерс, Rm < 7?рс;
II — EKi > Ерс, RK3 > RpC', III — EKi —
= Epc, RKi = Rpc, IV - EK3 = oo, RK} = co;
У-£„ = 0, RK3 = 0
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1.Что понимают под физическими свойствами строительных материалов?
Что они характеризуют?
2. Что понимают под механическими свойствами материалов?
3. Чем различаются упругость и пластичность?
4. Что такое предел прочности и как его определяют?
5. Чем различаются химическая стойкость и химическая активность материалов?
6. Что понимают под макро- и микроструктурой материалов? В чем их раз-
личие?
7. Какие структуры принято считать оптимальными?
8. Какие принципы формирования материалов оптимальной структуры?
9. Что такое долговечность материалов? Какие временные этапы характер-
ны для периода существования материала?
10. Каковы причины разрушения материалов? Что и как характеризует критерий
Гриффитса?
11. Как влияет концентрация напряжений в твердых телах на их прочность?
7*
99
Раздел 2. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ
Глава 5. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Природные каменные материалы - это строительные ма-
териалы и изделия, получаемые механической обработкой
(дроблением, раскалыванием, пилением, шлифованием и пр.)
горных пород. Так изготовляют облицовочные плиты, камни и
блоки для кладки стен, фасонные изделия, щебень. В резуль-
тате такой обработки природные каменные материалы почти
полностью сохраняют физико-механические свойства горной
породы, из которой они были получены. Некоторые горные по-
роды (песок, глину, гравий) используют без обработки. Данные
виды строительных материалов называют нерудными.
Благодаря высокой прочности, долговечности и большим за-
пасам камень издавна был универсальным строительным мате-
риалом. До наших дней сохранились монументальные сооруже-
ния из природного камня: египетские пирамиды, греческие и
римские храмы, арены и акведуки, соборы Древней Руси и дру-
гие сооружения.
С появлением искусственных каменных материалов (бетона
и керамики) и индустриальных методов возведения зданий роль
природного камня в строительстве значительно изменилась. В
настоящее время его в основном используют в качестве за-
полнителя в бетонах, как сырье для получения керамики, вя-
жущих веществ, минеральной ваты, а также для облицовки зда-
100
ний и инженерных сооружений, как местный строительный ма-
териал для кладки стен.
5.1. Горные породы и их классификация
Горные породы представляют собой скопление минеральных
масс, состоящих из одного или нескольких минералов. Напри-
мер, гранит состоит из трех минералов - полевых шпатов, квар-
ца и слюды, а известняк - из одного кальцита. Процентное со-
держание минералов в горной породе определяет ее состав.
Форма, размеры и взаимное расположение минералов в горной
породе обусловливают се структуру. Минералогический состав
и структура, в свою очередь, определяют свойства горной породы.
Минералом1 называют однородное по составу, строению и
свойствам твердое тело, образовавшееся в результате сложных
физико-химических процессов, происходящих в земной коре.
Горные породы, состоящие из одного минерала, называются мо-
номинералъными, а состоящие из нескольких минералов - поли-
минеральными. Содержащиеся в составе горных пород минера-
лы разделяют на породообразующие и второстепенные. Первые,
примерно 40...50 минералов, участвуют в образовании горных
пород и обусловливают их свойства; вторые встречаются в них
только в виде примесей. Основными породообразующими ми-
нералами являются кремнезем, алюмосиликаты, железистомаг-
нсзиальные силикаты, карбонаты и сульфаты.
По химическому составу минералы могут быть: простыми
веществами (самородные металлы, сера, графит); оксидами и
гидрооксидами (кварц SiO2, корунд А12О3); солями различных
кислот (хлориды - каменная соль; сульфаты - гипс, ангидрит;
карбонаты - кальцит, доломит, магнезит) и наиболее распрост-
1 Слово минерал латинского происхождения: minera - руда. В природе из-
вестно около 3 тыс. минералов, но в образовании горных пород участвуют не
более 100, и их называют породообразующими.
101
раненными в природе сложными соединениями - силикатами и
алюмосиликатами различных металлов (полевые шпаты, слюды,
асбест, каолинит, монтмориллонит, пироксены, амфиболы).
По происхождению горные породы делятся на магматиче-
ские (изверженные), осадочные и метаморфические (видоизме-
ненные) (рис. 22).
Рис. 22. Генетическая классификация горных пород
Магматические и метаморфические горные породы состав-
ляют около 90 % земной коры, остальные 10 % приходятся на
долю осадочных, однако последние занимают более 75 % пло-
щади земной поверхности.
Магматические (первичные) породы образовались в ре-
зультате застывания и кристаллизации магмы - расплавленной
102
массы преимущественно силикатного состава, образующ'
глубинах земной коры. Магма зарождается на глубине от
200 км, температура расплава достигает 1300 °C. Если ...
застывала в глубине земной коры и охлаждение шло медленно и
под большим давлением, то образовывались крупнокристалли-
ческие плотные горные породы, называемые глубинными. К та-
ким породам относятся граниты, сиениты, диориты, габбро,
лабрадориты.
Граниты (от латинского granitum - зерно) - это наиболее
распространенные из всех магматических пород (до 2/3 всех
глубинных пород). Они состоят в основном из кварца, полевых
шпатов и слюды. При большом количестве кварца граниты при-
обретают высокие твердость и хрупкость, а с увеличением со-
держания полевых шпатов становятся более вязкими, однако и
более склонными к выветриванию. Цвет гранита зависит от ко-
личественного соотношения минералов и, прежде всего, опреде-
ляется цветом полевых шпатов (от серого до красного разных
оттенков). Граниты имеют высокую прочность при сжатии
(120.. 250 МПа), а при растяжении - в 40...60 раз меньше.
Средняя плотность гранитов составляет 2500...2800 кг/м3, по-
ристость их не превышает 1,5 %, что обусловливает водопогло-
щение около 0,5 % и морозостойкость - более 200 циклов. Гра-
ниты хорошо обрабатываются (обтесываются, шлифуются, по-
лируются), поэтому широко используются для облицовки
зданий и сооружений. Из гранита изготовляют бортовые камни,
ступени, а также щебень для высокопрочных бетонов. Долго-
вечность гранита - 1000 и более лет. В Беларуси запасы гранита
только месторождений Микашевичи и Ситницкое составляют
более 580 млн м3.
Сиенит по внешнему виду и свойствам близок к грани-
там. Сиенит не содержит в своем составе кварца и поэтому лег-
че подвергается обработке. Предел прочности при сжатии
сиенита составляет 150 ..180 МПа, а средняя плотность-
2600...2800 кг/м3. Сиениты, содержащие небольшое количество
юз
кварца, называют граносиенитами. Применяют сиениты там же,
где и гранит.
Диорит состоит в основном из полевого шпата и цветных
минералов. Цвета диоритов - темно-серые, темно-зеленые до
черных. Они характеризуются высокой прочностью при сжатии
(180...300 МПа), большой средней плотностью (до 2900 кг/м3);
отличительной особенностью диорита является высокая вяз-
кость. Поэтому его целесообразно применять при воздействии
ударных нагрузок, например в дорожном строительстве. Диори-
ты с небольшим содержанием кварца называют гранодиорита-
ми. Этот камень сочетает в себе прочность гранита и красоту
мрамора.
Лабрадорит - порода из семейства габбро. Основной со-
ставной частью является минерал лабрадор, состоящий из на-
триевого и кальциевого полевых шпатов. Лабрадорит имеет се-
рую и черную окраску с красивыми переливами в синих и зеле-
ных тонах за счет иризации (отражения световых лучей от
внутренних плоскостей спайности этого минерала), благода-
ря чему является ценным декоративным и облицовочным
материалом
Габбро - тяжелые породы с почти одинаковыми плотностью
и средней плотностью (около 3100 кг/м3), прочностью при сжа-
тии (200...280 МПа), отличающиеся высокой вязкостью, кото-
рая затрудняет их обработку. Это - весьма плотная, прочная и
стойкая против выветривания горная порода Структура - кри-
сталлическая, крупнозернистая, цвет - серый, темно-зеленый до
черного. Применяют для облицовки зданий, покрытия дорог и
получения щебня.
Если магма выливалась на поверхность земли, то образовы-
вались так называемые излившиеся породы. Из-за быстрого ос-
тывания магмы такие породы закристаллизовывались лишь час-
тично или застывали в стеклообразном состоянии, что неблаго-
приятно отражалось на стойкости их к выветриванию и
стабильности прочностных показателей. Такое строение назы-
104
вают порфировым - по аналогии с широко распространенными
среди этой группы пород порфирами.
Порфиры характеризуются наличием в основной мелкозер-
нистой массе вкраплений кварца, полевого шпата и цветных ми-
нералов. Наличие крупных вкрапленников повышает декоратив-
ные качества камня, но понижает атмосферостойкость. В строи-
тельстве применяют плотные и прочные разновидности:
кварцевые порфиры и липариты, бескварцевые порфиры и тра-
хиты, порфириты и андезиты, диабазы и базальты.
Из порфиров изготовляют облицовочные плиты, их исполь-
зуют в виде щебня или штучного камня в дорожном строи-
тельстве.
Кварцевые порфиры и липариты — это излившиеся аналоги
гранитов От гранитов они отличаются порфировой структурой с
наличием в мелкозернистой или стекловатой массе породы
вкрапленников - крупных кристаллов кислого полевого шпата
и, реже, кварца. Кварцевые порфиры окрашены в красновато-
бурые тона и являются плотными породами со средней плотно-
стью 2400 ..2600 кг/м и прочностью при сжатии от 130 до
180 МПа (в зависимости от содержания кварца и вулканическо-
го стекла).
Бескварцевые порфиры и трахиты являются излившимися
аналогами сиенитов Трахиты - пористые и сильно шероховатые
породы белой, серой или желтоватой окраски плотностью от
2200 до 2600 кг/м3, напоминающие пемзу. Высокая пористость
трахитов способствует их быстрому выветриванию Они менее
прочны, быстро истираются и мало морозостойкие Предел прочно-
сти при сжатии обеих пород невысок и составляет 60.. .70 МПа.
Базальты и диабазы - это излившиеся аналоги габбро, отли-
чающиеся от него своими структурными и текстурными особен-
ностями.
Базальты представляют собой черную плотную застывшую
лаву, находящуюся в скрытокристаллическом или аморфном
состоянии, с зернистым строением и стекловидной массой. Она
105
заполняет промежутки между зернами различных размеров. Ба-
зальты являются твердыми и одновременно хрупкими трудно
обрабатываемыми породами, их прочность варьируется в широ-
ких пределах - от 110 до 500 МПа - и в связи с большим содер-
жанием стекла может резко падать; плотность и средняя плот-
ность очень близки и составляют 3000...3300 кг/м3. Базальты
являются хорошими кислотоупорными и электроизоляционны-
ми материалами и высоко ценятся как сырье для каменного ли-
тья. Литой камень базальтин используют для получения отде-
лочных изделий, химической аппаратуры, отличающихся кисло-
тоупорностью, высокой прочностью (до 800 МПа) и долго-
вечностью.
Диабаз (в переводе с французского - дважды базальт) отли-
чается высокой твердостью, вязкостью, долговечностью. Вслед-
ствие этого является хорошим материалом для устройства до-
рожных покрытий. Поскольку температура плавления базальта
сравнительно невысока (1200... 1300 °C), его используют в каче-
стве сырья для каменного литья. Прочность плавленого диабаза
при этом возрастает в 2...2,5 раза.
Среди излившихся пород заметное место занимают вулкани-
ческие стекла (почти безводный аморфный черный или красно-
бурый обсидиан, мелкопористый светло-серый перлит и зелено-
ватый или бурый камень пехштейн), объединенные под общим
техническим названием перлиты.
Перлит (в переводе с французского - жемчуг) - это природ-
ное вулканическое стекло, обогащенное водой. Содержание хи-
мически связанной воды в нем составляет от 1 до 12 %. При
нагревании внешние части кусочков стекла размягчаются и
вода, выделяющаяся из внутренних частиц, вспучивает внешнее
размягченное стекло, создавая внутренние замкнутые поры. При
вспучивании перлит увеличивается в объеме в 10... 12 раз и бо-
лее. Плотность вспученного перлита составляет 80...600 кг/м3.
Он используется в качестве теплоизоляционных засыпок и для
изготовления теплоизоляционных изделий.
106
При вулканических извержениях, когда магма насыщена га-
зами, образуются излившиеся высокопористые легкие породы -
пемза и вулканический туф, плотность которых составляет
800... 1600 кг/м3.
Пемза образовалась при быстром охлаждении магмы и ин-
тенсивном выделении из нее газов, вспучивающих массу. Бы-
строе остывание вспученных кусков магмы привело к образова-
нию стекловидной пористой породы плотностью400...600кг/м3,
с малым пределом прочности при сжатии (от 1,5 до 6 МПа)
и теплопроводностью 0,12...0,20 Вт/(м • К). В природе пемза
встречается в виде обломков размером 5..50 мм. Она использу-
ется для производства теплоизоляционных засыпок, как запол-
нитель в легких бетонах и в качестве активной минеральной до-
бавки к цементам.
Вулканический пепел - порошкообразные частицы вулкани-
ческой лавы, состоящие в основном из аморфного кремнезема.
Частицы размером 0,14...5 мм называют вулканическим песком.
Он применяется в качестве активной минеральной добавки к
цементам и как заполнитель для легких бетонов.
Вулканический туф — это пористая порода, состоящая из
вулканического пепла, уплотненного и сцементированного.
Степень уплотнения зависит от условий залегания. Он использу-
ется как стеновой материал в виде блоков, для облицовки стен
зданий - в виде плит и как заполнитель в легких бетонах.
Осадочные породы образовались в результате разрушения
горных пород (механические отложения) и биологического (ор-
ганогенные породы) или химического (химические осадки) пре-
образования природного минерального сырья. Осадочные поро-
ды служат основаниями и средой для различных сооружений и
повсеместно доступны в качестве строительных материалов. По
условиям образования осадочные породы делятся на три груп-
пы: органогенные, обломочные и химические.
Породы обломочного (механического) происхождения явля-
ются продуктами механического разрушения каких-либо мате-
107
ринских пород и сложены преимущественно обломками устой-
чивых к выветриванию минералов и пород. Под действием при-
родных факторов (вода, попеременное замораживание-от-
таивание, нагрев и охлаждение, ветер, углекислый газ и др.)
массивные горные породы разрушаются, образуя рыхлые меха-
нические отложения - глину, песок, гравий (параграфы 7.1, 10.2
и 10.3). Так, при разрушении гранита сначала образуются срав-
нительно крупные камни, а затем, при дальнейшем разруше-
нии - песок и глина.
Возможна природная цементация песка и гравия; в этом слу-
чае образуются песчаники и брекчии. Цементирующим вещест-
вом в них могут быть: углекислый кальций (карбонатные песча-
ники), оксиды железа (железистые песчаники) или гидроксид
кремния (кремнистые песчаники), проникающие в песок вместе
с подпочвенными водами.
Песчаники (сцементированные зерна кварца) применяют для
устройства полов промышленных зданий, тротуаров и в качест-
ве заполнителя для бетонов. Конгломераты (сцементированные
зерна гравия) и брекчии (сцементированные зерна щебня) имеют
плотность от 1500 до 2900 кг/м3, прочность от 5 до 160 МПа и
применяются в основном в качестве заполнителя для бетонов.
Органогенные породы образуются в результате отложения
отмерших организмов (ракушек, рачков и др.). К этим породам
относятся широко распространенные в природе известняки, из-
вестняки-ракушечники, мел, состоящие в основном из карбоната
кальция СаСО3. Реже встречаются породы, состоящие из
аморфного кремнезема SiO2, - диатомиты и трепелы.
Известняк - одна из основных горных пород, используемых
в строительстве. Плотность плотных известняков составляет
2000...2400 кг/м3, а известняков-ракушечников - менее 1800 кг/м3.
Плотные известняки довольно прочные (Лсж = 20...50 МПа) и
достаточно морозостойкие. Из них получают щебень для бетона.
Благодаря светлой окраске (белой, светло-серой, желтоватой)
известняки применяют для облицовки внутри зданий. Твердость
108
известняков невелика, и они хорошо поддаются обработке. Из
известняков выпиливают камни для кладки стен. Все виды из-
вестняков используются для получения основных вяжущих ве-
ществ - цемента и извести.
Мел состоит из мельчайших остатков раковин простейших
организмов и отличается от известняков более пористой струк-
турой. Он имеет белый цвет, используется для приготовления
красок, замазок и при производстве извести и цемента. В Бела-
руси разведано 33 месторождения мела с общими запасами
238,8 млн т.
Мергель - это сцементированная механическая смесь глины
(25...50 %) и известняка (25...75 %). Средняя их плотность со-
ставляет 1900...2500 кг/м3, а предел прочности при сжатии-
60 МПа. Мергель используется как сырье для производства це-
мента. Запасами карбонатного сырья для производства цемента
Беларусь обеспечена на длительную перспективу.
Диатомиты и трепелы образовались из панцирей диато-
митовых водорослей с тонкой прочной кремниевой оболочкой.
Это - белые или светлоокрашенные пористые породы плотно-
стью 500... 1300 кг/м3 с большим содержанием кремнезема в
аморфном состоянии. Они применяются в качестве активной
минеральной добавки к цементам и как заполнители для
бетонов.
В результате химических процессов - растворения мине-
ральных веществ и последующего выпадения твердых веществ
из растворов - образовались химические осадочные горные по-
роды. Из таких осадочных пород в строительстве использу-
ют природный гипс, доломит, магнезит.
Гипс - плотная горная порода (средняя плотность - 2200 кг/м3,
прочность при сжатии - 60...80 МПа). Он состоит из минерала
того же названия - CaSO4 • 2Н2О. Основное применение - сырье
для производства гипсовых вяжущих веществ.
Доломит - плотная горная порода, состоящая из минерала
доломита СаСО3 • MgCO3. Он используется как облицовочный
109
материал и заполнитель для бетона. В Беларуси на территории
Витебской и Могилевской областей выявлено около 30 место-
рождений доломитов. Их общие разведанные запасы составляют
901879 тыс. т.
Магнезит состоит из минерала магнезита MgCO3. Он имеет
кристаллическое, а иногда и аморфное строение. Магнезит при-
меняется для изготовления магнезиальных вяжущих и огне-
упорных изделий.
Метаморфические горные породы образовались в резуль-
тате видоизменения магматических или осадочных пород. Под
воздействием давления, высокой температуры и водных мине-
ральных растворов происходит перекристаллизация минералов
без их плавления, изменяется структура породы (часто без изме-
нения ее химического состава).
Видоизмененными горными породами являются гнейсы, кри-
сталлические сланцы, кварциты, мраморы и др. Самые распро-
страненные из них - гнейсы, образовавшиеся в результате видо-
изменений кварцево-полевошпатных горных пород, например
гранитов. Средняя плотность составляет 2500...2600 кг/м3, предел
прочности при сжатии - 129...300 МПа. Их применяют для из-
готовления облицовочных плит, бугового камня.
Кварциты образовались в результате перекристаллизации
песчаников, содержащих 95...99 % кремнезема. Они хорошо со-
противляются сжатию (до 500 МПа). Кварциты - атмосферо-
устойчивые и плотные горные породы (средняя плотность -
2800...3000 кг/м3), имеют высокую огнеупорность (до 1770 °C),
кислото- и щелочестойкость. Кварциты с красивой и стабильной
окраской применяют для облицовки зданий и других отделок.
Мрамор - перекристаллизованные известняки или доломиты.
Название происходит от греческого marmaros - блестящий
камень. К главным породообразующим минералам относятся
кальцит и доломит. Породы плотные (средняя плотность -
2600.. .2800 кг/м3) и прочные (предел прочности при сжатии - от
100 до 300 МПа), легко поддаются обработке, хорошо поли-
110
руются. Их применяют для облицовки стен и лестниц. Для на-
ружных облицовок мрамор не рекомендуется, так как разруша-
ется атмосферной влагой, содержащей растворенные газы - уг-
лекислоту, сероводород.
5.2. Свойства и основные виды природных
каменных материалов и изделий
Свойства природных каменных материалов. Из многооб-
разия физико-механических свойств природных каменных мате-
риалов обычно выделяют среднюю плотность, предел прочности
при сжатии, морозостойкость, по величине которых оценивают
их качество и разделяют на марки.
В зависимости от средней плотности природные каменные
материалы подразделяют на легкие (пористые) (рс < 1800 кг/м3)
и тяжелые (рс> 1800кг/м3).
По пределу прочности при сжатии (МПа) установлены
следующие марки каменных материалов: для тяжелых пород -
10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100; для легких пород - 3,5; 5;
7,5; 10; 15; для ракушечника, идущего на кладку стен, - 0,4; 0,7;
1; 1,5; 2,5; 3,5; 5.
По морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания
для каменных материалов установлены марки: F10, F15, F25,
F35, F50, F100, F150, F200, F300.
По степени водостойкости (коэффициенту размягчения)
материалы делят на группы с величиной данного показателя 0,6;
0,75; 0,9 и 1.
Виды природных каменных материалов и изделий. Все
каменные материалы, используемые в строительстве, можно
разделить на две основные группы — материалы, применяемые в
исходном виде (без обработки), и материалы, пригодные для
строительных целей лишь после соответствующей обработки.
Бутовый камень - крупные куски неправильной формы,
получаемые взрывным методом (рваный бут)-из осадочных (из-
111
вестняков и доломитов) или изверженных горных пород. Раз-
меры бутовых камней для укладки вручную составляют
150...500 мм, масса - 10...30 кг.
Бутовый камень - дешевый строительный материал, приме-
няемый для кладки фундаментов, стен вспомогательных поме-
щений, массивных частей гидротехнических сооружений. Одна-
ко из-за трудоемкости кладки большую часть добываемого кам-
ня перерабатывают на щебень для бетона.
Валунный камень — крупные обломки (более 300 мм) гор-
ных пород ледникового происхождения, характеризующиеся
окатанной, часто сильно выветрившейся поверхностью. Исполь-
зуют его для получения булыжного камня и щебня.
Булыжный камень - куски горной породы размером до
300 мм. Применяют его для покрытия мостовых, дворов и отко-
сов, для каменной наброски при строительстве дамб. Крупный
булыжный камень можно применять как бут, мелкий камень пе-
рерабатывают на щебень. Качество бута определяется путем на-
несения ударов по нему молотком. Если камень издает чистый
звук и не рассыпается - он годен для строительства.
Гравий — рыхлое скопление различно окатанных обломков
горных пород. В зависимости от линейного размера зерен
гравий подразделяют на фракции: 5... 1.0, 10...20, 20...40 и
40...70 мм. Гравий чаще всего добывают вместе с песком при
разработке песчано-гравийных месторождений и реже - со дна
рек, озер и морей. Массовая доля гравия в песчано-гравийных
смесях составляет в среднем 30...40 %.
При разработке месторождений добытая песчано-гравийная
смесь подвергается сортировке с отделением песка и разделени-
ем гравия по крупности зерен на предусмотренные стандартом
фракции. Гравий используют в качестве крупного заполнителя в
цементных (до М300) и асфальтовых бетонах для дорожных по-
крытий.
Песок - рыхлая горная порода, состоящая из зерен минера-
лов и пород размером 0,16...5 мм. В зависимости от минерало-
112
гического состава различают пески кварцевые, полевошпатные
и карбонатные. Природный песок добывают в песчаных и гра-
вийно-песчаных карьерах. Последние бывают горные или вод-
ные. При отсутствии качественных природных песков исполь-
зуют песок из отсевов дробления скальных горных пород.
Песок как строительный материал широко применяют в
строительстве в качестве мелкого заполнителя в бетонах и рас-
творах. От качества песка как заполнителя зависит прочность
многих строительных материалов.
Кварцевые пески - основное сырье для стекольной промыш-
ленности.
Щебень представляет смесь угловатых обломков камня раз-
личной конфигурации размером 5... 150 мм. По форме зерен ще-
бень подразделяется на три группы: обычный, в котором допус-
кается содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой
форм до 35 % по массе, улучшенный — не более 25 %, кубовид-
ный - не более 15 %.
Прочность щебня характеризуется маркой, соответствую-
щей пределу прочности при сжатии исходной горной породы
в насыщенном водой состоянии и определяемой косвенно по
показателю дробимости щебня при сжатии (раздавливании) в
цилиндре.
Щебень из изверженных горных пород, применяемый в каче-
стве заполнителя для тяжелого бетона, должен иметь марку, со-
ответствующую пределу прочности породы не ниже 80 МПа,
из метаморфических пород - не ниже 60 МПа, из осадочных по-
род - не ниже 30 МПа.
Получают щебень дроблением камня в дробилках разных
конструкций (щековых, конусных), а мелкий щебень (с разме-
ром кусков менее 25 мм) - на молотковых или валковых дро-
билках. Технология приготовления щебня состоит из следую-
щих операций: раскалывание щебня на куски, размеры которых
соответствуют типу дробилки; загрузка (подача) камня в дро-
билки; дробление камня до получения зерен заданного размера,
8. Зак. 508
113
подача щебня на сортировку; сортировка щебня (по крупности
зерен) на вращающихся грохотах и перемещение отсортирован-
ного щебня к месту хранения.
В весьма больших объемах (около 20 % общего выпуска)
щебень производится дроблением крупных фракций гравия.
Этим достигается комплексное использование песчано-гра-
вийных месторождений с дополнительным выходом высокока-
чественного дробленого заполнителя.
В щебне из гравия дробленых зерен должно быть не менее
80 % по массе. Дроблеными считают зерна, площадь околотой
поверхности которых больше половины всей площади поверх-
ности зерна.
Щебень широко применяют в строительстве для приготовле-
ния цементобетонных и асфальтобетонных смесей, оснований
для дорожных покрытий и др.
Стеновые камни и блоки получают из пористых известня-
ков, вулканических туфов и других горных пород плотностью
900...2200 кг/м3. Марки камней и блоков в зависимости от по-
ристости горной породы могут быть от 4 до 50. Для лицевой
кладки без штукатурки марка камня должна быть не ниже 25.
Водопоглощение камней допускается не более 30 %; коэффици-
ент размягчения - 0,6; марка по морозостойкости - F15.
Основные размеры камней для кладки стен: 390x190x188 и
390x190x288 мм. Каждый стеновой камень заменяет 8...12 кир-
пичей. Значительно эффективнее использование крупных стено-
вых блоков размером до 3000x1000x500 мм и массой до 1,5 т.
Пиленые стеновые камни и блоки - эффективный местный
строительный материал. Жилые и общественные здания, возве-
денные из стеновых камней и блоков, значительно дешевле зда-
ний, построенных из кирпича или бетонных блоков.
Облицовочные плиты. Для наружной отделки используют
в основном глубинные изверженные породы (граниты, сиениты,
габбро), а также плотные известняки, доломиты, мраморы и
вулканический туф.
Облицовочные плиты для наружной облицовки выпускают
толщиной 8...30 мм, шириной 150... 1200 мм, длина может быть
114
произвольной, но не менее ширины, обычно 1000... 1500 мм
(ГОСТ 9480-89). Пиленые плиты для внутренней облицовки из-
готовляют толщиной 10... 12 мм, шириной 400 мм, длиной 800 мм;
используют мрамор, пористые известняки и другие породы.
Облицовочные плиты обрабатываются до разной степени
гладкости поверхности:
• полированная - гладкая поверхность с зеркальным блеском,
дающая четкое отражение. Полированные плиты широко ис-
пользуются при облицовке поверхностей внутри помещений, а
также для облицовки фасадов зданий. При попадании воды они
становятся скользкими;
• лощеная фактура - гладкая, отполированная не до зер-
кального блеска бархатисто-матовая поверхность. Применяется
для облицовки любых поверхностей;
• шлифованная - гладкая равномерно шероховатая поверх-
ность, у которой рисунок камня сглажен; высота неровностей
рельефа - до 0,5 мм. Плитки с поверхностью, обработанной та-
ким образом, применяются для облицовки полов, где необходи-
мо уменьшить скольжение, а также для ступеней и площадок
лестниц;
• пиленая - поверхность, не подвергающаяся после распили-
вания камня никакой дальнейшей обработке с неровностями
рельефа высотой до 2 мм;
• фактура скалы - грубо обработанный камень. Применяет-
ся в основном для облицовки фасадов;
• огневая обработка - слегка оплавленная поверхность по-
сле высокотемпературной обработки.
Плиты декоративные на основе природного камня получают
из природного камня (щебень или обрезки плит) и неорганиче-
ских или полимерных связующих. Их изготовляют с мозаичной,
брекчиевидной или орнаментной поверхностью. Имеют прямо-
угольную форму длиной от 200 до 1500 мм, шириной - от 200 до
1200 мм и толщиной - 10...40 мм. Применяют для наружной и
внутренней облицовки зданий и сооружений.
8*
115
5.3. Производство природных каменных материалов
Технология производства природных каменных материалов
зависит от вида горной породы, ее свойств, характера залегания,
объема и включает добычу горной породы и ее обработку.
Способы добычи горных пород, применяемых в качестве
строительных материалов, зависят от условии их залегания,
прочности и твердости а также от формы и размеров будущих
изделий. В тех случаях, когда горные породы залегают неглубо-
ко или выходят на поверхность земли, добыча их ведется от-
крытым способом в карьерах. Горные породы, залегающие на
большой глубине, добывают подземным способом в каменолом-
нях или шахтах.
Разработка массивных пород с целью получения бутового
камня, щебня или песка производится буровзрывным способом.
Буровзрывные работы включают бурение скважин, закладку
взрывчатого вещества, отделение от монолита кусков камня и
вторичное дробление до заданного размера.
Для получения из горной породы плит и блоков больших
размеров буровзрывной метод не применяют, так как в породе
могут образовываться трещины. Отдельные блоки выпиливают
или выламывают из массива камнерезными и врубовыми маши-
нами, а также специальным инструментом.
Лсгкообрабатываемые горные породы, например туф и из-
вестняк-ракушечник, добывают механизированным способом
при помощи камнерезных машин, режущими элементами кото-
рых являются горизонтальные и вертикальные дисковые пилы
со вставными резцами из твердого сплава. Для выпиливания
крупных блоков применяют канатные камнерезные машины.
Режущим элементом служит стальной канат бесконечной дли-
ны, а абразивом - песок, подаваемый в пропил вместе с водой.
На камнеобрабатывающих предприятиях блоки разрезают на
плиты.
116
В зависимости от горной породы и требований к готовым из-
делиям процесс производства облицовочных плит включает
следующие основные операции: распиловку, шлифование-
полирование, фрезерно-окантовочные работы. Для распиловки
блоков из изверженных горных пород с высоким содержанием
кварца применяют рамные станки с гладкими стальными пила-
ми. В качестве свободного абразива используется стальная или
чугунная дробь диаметром 0,7...2,2 мм, подаваемая в пропил
вместе с водой. Для распиловки блоков низкопрочных и средней
прочности пород применяют станки с дисковыми алмазными
пилами Использование алмазных пил позволяет сократить ши-
рину пропила в 3.. .4 раза, а толщину плит довести до 5... 10 мм.
В результате из 1 м блока можно получить до 40.. .45 м2 тонких
плит, что в 2.. 3 раза выше, чем при обычных методах распи-
ловки. Еще одна положительная сторона алмазной распиловки —
высокая чистота поверхности резания, что позволяет на дальней-
ших этапах обработки плиты исключить процесс шлифования.
Песок, гравий, гальку, глину добывают открытым способом
преимущественно с помощью одно- или многоковшовых экска-
ваторов и других машин.
5.4. Защита от коррозии
и хранение природных каменных материалов
Каменные материалы в условиях службы в конструкциях и
сооружениях могут подвергаться медленному разрушению Этот
процесс по аналогии с разрушением горных пород в природных
условиях называют выветриванием. Коррозии естественных
камней способствуют разные причины:
• шероховатость поверхности естественного скола камня и
удержание поэтому ею жидких и твердых частиц-наносов, так
что на облицовках можно заметить, например, траву или мох,
образовавшиеся на «почве», занесенной ветром и осевшей на
поверхности камня;
117
• полиминеральность и поэтому разное отношение частиц-
минералов к агрессивным агентам: отдельные минералы быстро
разрушаются, нарушая связи между остальными частицами;
• пористость и трещиноватость, облегчающие водное (ад-
сорбционное) ослабление связей, расклинивание, размора-
живание.
В естественных условиях «работают» главным образом при-
родные воды, в том числе богатые углекислотой, разность тем-
ператур, замораживание и оттаивание. Растворяющее действие
воды на большинство горных пород, как правило, невелико, но
если в воде растворены газы, кислоты, соли, то эффект может
быть заметным.
Защита естественного камня от коррозии выполняется
тремя способами: конструктивным, механическим и химиче-
ским. Первый предусматривает изоляцию поверхности камен-
ных материалов от источников агрессии, устройство стоков
жидкостей. Механический заключается в обработке поверхно-
сти - шлифовке, полировке - с целью снижения площади по-
верхности и предотвращения скапливания и удержания на камне
агрессивных веществ.
Поверхности материалов и изделий из карбонатных горных
пород можно защитить химически - пропиткой флюатами - со-
лями кремнефтористоводородной кислоты (кремнефторизация
или флюатирование)
2СаСО3 + MgSiF6 = 2CaF2 + MgF2 + SiO2 + 2CO2.
Продукты этой реакции практически нерастворимы.
Некарбонатные горные породы перед флюатированием об-
рабатывают водными растворами кальциевых солей (аванфлюа-
тирование), чаще всего хлористым кальцием, а после высушива-
ния - раствором соды
СаС12 + Na2CO3 = СаСО3 + 2NaCl.
Перед флюатированием поверхность камня полезно насы-
тить известковым молоком, тогда пройдет реакция между флюа-
том и гидроксидом кальция
118
MgSiF6 + 2Ca(OH)2 = 2CaF2 + MgF2 + SiO2 + H20.
Временный, но все же длящийся годы защитный эффект
можно получить пропиткой пористых или обработкой поверх-
ности плотных каменных материалов гидрофобными составами,
например кремнийорганическими жидкостями типа ГКЖ. Гид-
рофобизация препятствует адсорбции и удержанию жидкостей
поверхностью, а также капиллярному впитыванию.
Облицовочные плиты перевозят в прочной таре, приспособ-
ленной для механизированной погрузки и разгрузки. При транс-
портировке плиты следует устанавливать в вертикальном поло-
жении попарно лицевыми поверхностями внутрь с прокладкой
между ними бумаги и закреплять клиньями.
Облицовочные камни и ступени укладывают рядами, исполь-
зуя деревянные прокладки. Плиты для полов хранят уложенны-
ми на длинное ребро в один ряд по высоте.
Бутовый камень хранят навалом на открытой площадке в
прямоугольных штабелях объемом до 200 м3 и высотой 1 м.
Стенки штабелей следует класть из более крупных камней впе-
ревязку, укладывая их постелистой стороной вниз. Мелкие кам-
ни засыпают внутрь штабеля.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
I. Какие строительные материалы относят к нерудным?
2. Что обозначают понятия «минерал», «мономинеральные и полимине-
ральные горные породы»?
3. Как образовались магматические (изверженные) горные породы?
4. Чем характеризуются осадочные горные породы?
5. Какие породы относят к видоизмененным (метаморфическим)?
6. Приведите физико-механические свойства горных пород.
7. Какие виды изделий производят из природного камня?
8. Какими способами производят изделия из природных каменных мате-
риалов?
9. Что является причиной коррозии природных каменных материалов?
10. Какие существуют способы защиты от коррозии природных каменных
материалов?
119
Г л а в a 6 ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
6.1. Структура и свойства древесины
Древесина является весьма распространенным строительным
материалом, применяемым с глубокой древности. Она характе-
ризуется редким сочетанием положительных свойств. Это -
весьма легкий и в то же время прочный материал, хорошо со-
противляющийся статическим и динамическим нагрузкам. Бла-
годаря пористой структуре древесина имеет малую теплопро-
водность. Она легко под дается механической обработке, хорошо
склеивается. К своеобразным качествам древесины относится ее
способность удерживать металлические крепления - гвозди,
шурупы, скобы.
Нашли применение и побочные продукты деревопереработки
и лесопиления - стружка, дробленка, опилки и др. Их использу-
ют в качестве компонентов различных строительных конгломе-
ратов: древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит, ар-
болита, ксилолита и др.
Древесина - продукт растительного происхождения и как
биологический объект состоит из клеток. Стенки клеток древе-
сины на 99 % состоят из органических соединений, представ-
ленных у хвойных пород примерно на 70 %, а у лиственных по-
род на 80 % углеводами Последние являются природными ве-
ществами, образованными тремя элементами: углеродом,
водородом и кислородом. Примерами простых углеводов явля-
ются глюкоза и сахар.
В углеводную часть древесины входит целлюлоза как ее ос-
новной компонент по объему в стволе дерева и нецеллюлозные
полисахариды, именуемые гемицеллюлозой.
Целлюлоза может быть выражена брутто-формулой
[СбН10О5]„, где и - степень полимеризации, которая у древесной
целлюлозы достигает значений от 300 до 6000 и более. Она
120
представляет собой линейный гетероцепной однородный поли-
мер, имеющий большое число гидроксильных групп ОН, обра-
зующих водородную связь. Эта связь между водородным ато-
мом гидроксила одной цепи и кислородным атомом гидроксила
соседней цепи придает повышенную жесткость полимеру, так
как способствует сращиванию цепных молекул в целлюлозных
волокнах.
Кроме водородных связей для целлюлозы характерно также
внутри- и межмолекулярное взаимодействие, т. е. силами Ван-
дер-Ваальса, что наоборот уменьшает степень жесткости, и мо-
лекулы целлюлозы могут принимать различные расположения.
Древесные целлюлозные волокна имеют спиральную струк-
туру и содержат примерно 55...65 % кристаллической и 25...35 %
аморфной (гемицеллюлозной) части, причем у хвойных пород
аморфной части меньше, чем у лиственных (28...35 %).
Около 30 % древесины составляют вещества ароматической
природы, известные под названием лигнин. Полагают, что это
смесь нерегулярных разветвленных полимеров сетчатой струк-
туры. Присутствие лигнина устанавливают по цветным реакци-
ям. От целлюлозы он отличается повышенным содержанием уг-
лерода - 60...65 % (в целлюлозе - 44 %), что обусловлено его
ароматической природой. Из девяти атомов углерода, состав-
ляющих структурную единицу (фенилпропановую) лигнина,
шесть принадлежат ароматическому кольцу. В химическом от-
ношении лигнин - реакционноспособный полимер. По сравне-
нию с целлюлозой он обладает меньшей химической стойко-
стью, легче окисляется. Лигнин - аморфное вещество, им обо-
гащаются клеточные стенки с эффектом одревеснения.
Углеводы и лигнин являются природными полимерными ве-
ществами. На них распространяются закономерности, характер-
ные для этих соединений, причем они находятся в теснейшей
взаимосвязи и образуют единую высокоорганизованную поли-
мерную систему древесины.
121
Небольшую часть древесины (2...4 %) составляют экстрак-
тивные вещества. Они не входят в состав клеточной стенки,
а способны лишь пропитывать ее. Экстрактивные вещества
в основном содержатся в полостях клеток и межклеточном про-
странстве. В отличие от углеводов и лигнина экстрактивные ве-
щества - низкомолекулярные соединения, которые извлекаются
из древесины нейтральными растворителями - водой, обычными
органическими растворителями. Хотя их немного, но они при-
дают древесине цвет, запах, вкус, иногда токсичность, помогают
дереву сопротивляться гниению, поражению грибами и т. д.
Среди экстрактивных «веществ - смолы и смоляные кислоты,
танниды (дубители), эфирные масла, красители, камеди, белки
и др. В каждой породе присутствуют только некоторые экстрак-
тивные вещества, по-разному распределяясь внутри дерева, на-
пример фенольные вещества - в ядровой части, а сахара, жиры
и другие - в заболонной древесине. Имеется небольшая доля и
минеральных веществ (до 1 %), поступающих из почвы через
корневую систему и проводящие ткани.
Структура древесины отличается значительной неоднород-
ностью. Это видно невооруженным глазом на главных разрезах
ствола (рис. 23а) - поперечном 1, радиальном 2 и тангенциаль-
ном 3. Поперечным (торцовым) называют разрез, проходящий
перпендикулярно оси ствола. Радиальный разрез проходит вдоль
оси ствола по радиусу или диаметру поперечного сечения. Тан-
генциальный разрез образован плоскостью, параллельной оси
ствола и рассекающей поперечное сечение по хорде.
Ствол дерева состоит из многочисленных клеток, вытянутых
в основном по его длине. Клетки определенным образом груп-
пируются и создают на торце ствола систему концентрических
колец. Вместе с другими элементами они формируют макро-
структуру древесины.
Макроструктура древесины различима невооруженным гла-
зом или при небольшом увеличении, например с помощью лу-
пы. Выделяют следующие основные элементы макроструктуры:
сердцевину, ядро, заболонь, камбий и годичные слои.
122
a
б
Рис. 23. Строение ствола дерева: а - основные разрезы ствола; б - строение
ствола дерева на поперечном разрезе; 1 - поперечный (торцовый); 2 - радиаль-
ный; 3 - тангенциальный; 4 - кора; 5 - заболонь; 6 - сердцевина
Сердцевина - узкая центральная часть ствола (рис. 236). Она
представляет собой рыхлую, слабую ткань первичного образо-
вания, легко поддается загниванию. В досках и брусках толщи-
ной до 50 мм сердцевина, как правило, не допускается.
Ядро - это внутренняя зона древесного ствола, большей ча-
стью темноокрашенная. Ядро образуется в результате отмира-
ния живых клеток древесины. Темная окраска ядра объясняется
отложением в клетках древесины смолы, дубильных и красящих
веществ, углекислого кальция. Эти вещества увеличивают стой-
кость древесины ядра против загнивания.
Заболонь - светлая наружная зона ствола, окружающая ядро.
В основном она состоит из живых клеток. Как правило, древе-
сина заболони светлоокрашенная. По механическим свойствам
она не уступает древесине ядра, но хуже сопротивляется загни-
ванию.
Древесные породы, у которых четко различимы ядро и забо-
лонь, называют ядровыми (дуб, сосна, лиственница, кедр). В ря-
де случаев центральная часть древесины имеет такой же цвет,
что и наружная, но отличается меньшим содержанием влаги.
123
Такую древесину называют спелой, а породы - спелодревесными
(ель, пихта, бук). Остальные породы, у которых нет различия
между центральной и наружной частью ствола ни по цвету, ни
по влажности, называют заболонными (береза, осина, ольха).
Камбий - тончайший слой из полностью живых клеток, спо-
собных к росту и делению на большую часть, откладываемую
в сторону древесины, и меньшую часть - в сторону от центра,
где расположен следующий слой в виде луба (внутренний слой
коры).
Годичные слои представляют собой ежегодный прирост дре-
весины. Они состоят из клеток, образовавшихся за один вегета-
ционный период. На поперечном разрезе годичные слои распо-
ложены в виде концентрических колец, на радиальном разрезе
они образуют параллельные полосы, идущие в продольном на-
правлении, на тангенциальном - извилистые сходящиеся линии
(рис. 23).
Каждый годичный слой состоит из ранней и поздней древе-
сины. Ранняя древесина образуется весной, поздняя - к концу
лета. Ранняя древесина светлее поздней. Клетки ранней древе-
сины более крупные, а толщина стенок в них меньшая. Поэтому
ранняя древесина более пористая и слабая, а поздняя - более
плотная и прочная. Чем больше в годичном слое поздней древе-
сины, тем выше механические свойства породы.
Микроструктура древесины представлена большим числом
мельчайших клеток. Оболочки клеток состоят в основном из
органического вещества - целлюлозы. Это природный полимер,
нерастворимый в воде и органических растворителях. Целлюло-
за образует систему первичных волокон, называемых микро-
фибриллами. Первичные волокна расположены в оболочках кле-
ток в несколько слоев.
Древесина состоит из 40...50 % целлюлозы, 20...30 % лигни-
на, 15...30 % гемицеллюлозы и 1...3 % смол, масел и дубильных
веществ. В состав древесины входит 49,5 % углерода, 44,08 %
кислорода, 0,12 % азота, 6,3 % водорода и 0,2... 1,7 % минераль-
ных веществ.
124
Отличительная особенность структуры древесины заключа-
ется в том, что она состоит из множества клеток волокнистого
строения. Волокна ориентированы в основном вдоль оси ствола.
Стенки клеток древесинного вещества сравнительно тонкие.
Ориентированное расположение волокон служит причиной не-
одинаковых свойств древесины в радиальном, тангенциальном и
продольном направлениях. Полости клеток, на которые прихо-
дится значительная часть объема, формируют вместе с межкле-
точными промежутками большую пористость древесины.
Клетки в древесине имеют различное функциональное зна-
чение. Одни из них выполняют функции проводящих клеток,
другие - опорных или механических, третьи - запасающих, чет-
вертые — образовательных (расположены в камбиальном слое),
пятые - ассимиляционных (находятся в листве и хвое и благо-
приятствуют образованию питательных веществ), шестые - по-
крывных (в коре дерева). Клетки, имеющие одинаковое строе-
ние и выполняющие одну и ту же функцию, образуют ткани.
Особо выделяют ткани проводящие, механические и запасаю-
щие, что соответствует первым трем функциям клеток.
Древесина хвойных пород имеет относительно простое
строение (рис. 24). Она состоит из клеток почти одного типа -
трахеид. Это - мертвые веретенообразные клетки длиной от 1,5
до 5 мм со стенками разной толщины и полостями различных
размеров. Трахеиды весенней древесины имеют широкие полос-
ти и тонкие стенки, а осенней - более узкие полости и толстые
стенки. В стенках трахеид имеются поры, через которые клетки
общаются между собой и при помощи которых содержимое жи-
вых клеток соединяется в одно целое.
Лиственные породы имеют более сложное анатомическое
строение Проводящими (водопроводящими) клетками служат
сосуды - длинные трубки шириной 0,02... 0,5 мм. Механические
клетки и соответственно механическая ткань, называемые у ли-
ственных пород либриформом, заметно отличаются своей вере-
тенообразной формой, толстыми стенками с щелевидными по-
125
рами, узкими полостями. Механические клетки - сравнительно
небольшие по длине и диаметру. Все клетки либриформа явля-
ются мертвыми, и лишь паренхимные клетки, как и в хвойных
породах, образуют сердцевинные лучи, запасающие и проводя-
щие питательные вещества в радиальном направлении (их объ-
емная доля в лиственных породах - около 10 %, в хвойных -
3...5%).
Рис. 24. Микроструктура древесины: а - дуба; б - сосны; 1 - сердцевинный
луч; 2 - либриформ; 3 - мелкие сосуды; 4 - широкий сердцевинный луч в по-
перечном разрезе; 5 - крупный сосуд; 6, 10 - годичный слой; 7 - сердцевинный
луч в тангенциальном разрезе; 8 - узкий сердцевинный луч; 9 - многорядный
луч; 11 - поздние трахеиды; 12-вертикальный смоляной ход; 13-ранние
слои древесины
Свойства древесины характеризует комплекс показателей,
в число которых входят внешний вид, цвет, текстура, плотность,
пористость, влажность, усушка, прочность, твердость, способ-
ность удерживать металлические крепления.
Внешний вид зависит в основном от цвета и текстуры древесины.
Цвет часто служит одним из важнейших признаков при рас-
познавании породы дерева. Целлюлоза, из которой в основном
состоит древесина, почти белого цвета. Все многообразие цве-
товых оттенков связано с находящимися в древесине красящи-
126
ми, дубильными и смолистыми веществами. Цвет также зависит
от климатических условий, в которых растет дерево. Породы
умеренного пояса окрашены бледно, тропического - ярко.
Текстура - это рисунок, образующийся на поверхности дре-
весины при перерезании ее волокон, годичных слоев и сердце-
винных лучей. Древесина хвойных пород обладает, как правило,
простой и однообразной текстурой. Лиственные породы с ярко
выраженными сердцевинными лучами - дуб, бук - отличаются
очень красивой текстурой на радиальном и тангенциальном раз-
резах.
Плотность значительно влияет на свойства древесины, осо-
бенно на прочность. Плотность древесины изменяется в очень
узких пределах, так как древесинное вещество состоит в основ-
ном из целлюлозы. Поэтому независимо от породы дерева плот-
ность принимают равной 1530 кг/м'. Средняя плотность зави-
сит как от породы, так и от условий произрастания дерева. Она
колеблется в широких пределах. Так, средняя плотность, опре-
деленная при стандартной 12%-й влажности, равна для древеси-
ны, кг/м3: сосны - 500; ели - 450; дуба - 690; бука - 670; бере-
зы - 630; липы - 500; клена - 700. Она изменяется в зависимости
от влажности древесины.
Среднюю плотность древесины с фактической влажностью
пересчитывают на стандартную влажность, принимаемую рав-
ной 12 %:
Рс12 = Р™ [1 + 0,01(1 - /с0) (12 - W)], (6.1)
где рС12 - средняя плотность образца древесины при влажности
12 %; ko - коэффициент объемной усушки, который показы-
вает, на сколько процентов изменяется объем образца при изме-
нении его влажности на 1 %. У древесины большинства пород
к0 - 0,5 (у березы, бука, лиственницы, граба ко = 0,6). Его опре-
деляют по формуле
ко- VJ(WX - W2),
127
где Ко - объемная усушка; и W2 - влажность древесины соот-
ветственно начальная и конечная.
Пористость древесины связана с ее плотностью. С умень-
шением средней плотности от 800 до 300 кг/м3 пористость воз-
растает с 55 до 80 %. Следовательно, большую часть объема
древесины занимают поры.
Влажность древесины существенно влияет на ее физические
и механические свойства, а в ряде случаев определяет ее при-
годность для тех или иных строительных целей. Свежесрублен-
ная древесина имеет влажность от 30 % (дуб) до 45 % (ель) и
более. Воздушно-сухая древесина имеет влажность 15...20 %.
Влажность сплавной древесины может быть больше 100 %.
Если образец абсолютно сухой древесины выдерживать дли-
тельное время во влажном воздухе, то его масса вначале будет
возрастать, а затем стабилизируется. Связано это с тем, что во-
дяные пары конденсируются в стенках клеток древесины. Влагу,
накапливающуюся в стенках клеток, называют связанной или
гигроскопической. Состояние древесины, при котором клеточ-
ные стенки максимально насыщены водой, а в полостях клеток
находится только воздух, характеризуется пределом гигроско-
пичности. Для большинства пород влажность, соответствующая
пределу гигроскопичности при комнатной температуре, со-
ставляет 30 % по массе.
Молекулы связанной воды, конденсируясь в стенках клеток,
попадают в промежутки между микрофибриллами. Это вызыва-
ет утолщение клеточных стенок и, как следствие, разбухание
древесины. Одновременно ослабляются силы взаимодействия
между микрофибриллами, что приводит к уменьшению прочно-
сти материала.
При насыщении древесины капельно-жидкой водой запол-
няются не только стенки, но и полости клеток. Влагу, находя-
щуюся в полостях клеток, называют свободной или капиллярной.
Она не влияет на разбухание и прочность древесины, но может
изменить другие физические свойства. Например, по мере уве-
128
личения влажности древесина становится тяжелее, возрастают
ее тепло- и электропроводность.
Учитывая большое влияние влажности, условились все свой-
ства определять при стандартной влажности, равной 12 %.
Этот показатель соответствует влажности сухой древесины, ко-
торая хранится в комнатных условиях.
Усушка - это уменьшение линейных размеров и объема де-
ревянных изделий при удалении из древесины связанной влаги.
Такие деформации наблюдаются при изменении влажности в
диапазоне от нуля до 30 %, т. е. до предела гигроскопичности.
Усушка по разным направлениям неодинакова. Вдоль волокон
древесины усушка наименьшая - 0,1...0,3 %, в тангенциальном
направлении - 6... 12 и в радиальном - 3...6 %.
Рис. 25. Деформации досок при сушке
Неравномерные дефор-
мации усушки в разных на-
правлениях сопровождают-
ся возникновением внут-
ренних напряжений и яв-
ляются причиной растрес-
кивания и коробления пи-
ломатериалов и деревянных
изделий (рис. 25).
Разбухание древесины
происходит при увлажнении. Деформации разбухания анало-
гичны деформациям усушки, но противоположны им по знаку.
Древесина является плохим проводником теплоты, что обу-
словлено ее пористостью (поры заполнены воздухом). Теплопро-
водность древесины составляет 0,16...0,3 Вт/(м - °C). Вдоль во-
локон она в 1,8 раза выше, чем поперек.
Древесина, являясь важным строительным материалом, об-
ладает высокой прочностью при действии сжимающих и растя-
гивающих напряжений, которая находится в прямой зависимо-
сти от содержания поздней древесины, пористости и влажности,
направления механических сил по отношению к расположению
9. Зак. 508
129
волокон, в чем особенно сильно проявляется ее анизотропия.
Анизотропия является следствием медленно развивающейся оп-
тимизации (упорядочения) микро- и макроструктуры в условиях
роста дерева и максимального сопротивления ствола механиче-
ским нагрузкам с выделением упрочняющих (армирующих) во-
локон в его тканях. Эти волокна ориентированы по направлени-
ям действия главных напряжений. Вместе с тем они сочетаются
с более податливыми волокнами ранней древесины. Предел
прочности древесины хвойных пород при сжатии в 6... 10 раз,
при растяжении в 20...30 раз больше для направления вдоль во-
локон (табл. 2), а модуль упругости в 25 раз больше поперек во-
локон (для древесины хвойных пород Ео = 10000 МПа вдоль
волокон и Е90 = 400 МПа - поперек волокон). Различие упругих
свойств в разных направлениях связано с влиянием сердцевин-
ных лучей, особенно у лиственных пород. Оно проявляется тем
больше, чем больше доля сердцевинных лучей как своеобразных
лучей жесткости в анатомическом строении древесины.
Таблица 2
Физико-механические свойства древесины
при стандартной 12%-й влажности
Порода Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности, МПа, при
сжатии вдоль волокон растяжении вдоль волокон изгибе
Сосна 500 48 103 86
Ель 445 44 103 79
Лиственница 660 64 125 111
Береза 630 55 168 109
Дуб 690 57 123 107
Бук 670 55 123 108
Липа 495 45 121 88
По прочности на сжатие древесина соответствует наибо-
лее высоким классам бетона, а по прочности на растяжение и
изгиб - намного превосходит его. На практике использовать вы-
130
сокую прочность древесины на растяжение очень трудно из-за
сложности закрепления рабочих концов изделий, в которых воз-
никают скалывающие напряжения и происходит смдтие древе-
сины. Сопротивляемость древесины скалыванию и смятию
весьма невелика, и разрушение при растяжении происходит не в
виде разрыва, а в виде скалывания или смятия в местах закреп-
ления изделия. Поэтому древесину в основном используют
в изгибаемых и сжимаемых конструкциях (балках, стойках), ре-
же - в растягиваемых элементах (затяжках стропильных ферм).
Прочность древесины, особенно на сжатие и изгиб, зависит
от ее влажности. Существенное влияние оказывает только свя-
занная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. По мере
возрастания влажности прочность древесины уменьшается, осо-
бенно при влажности 20...25 %. За пределом гигроскопичности
(более 30 %) прочность древесины остается неизменной.
Механические свойства зависят не только от влажности, но и
от пороков древесины. Поэтому расчетные сопротивления при-
нимают в 5... 10 раз меньше характеристик прочности древеси-
ны, указанных в табл. 2.
Твердость имеет большое значение при обработке древеси-
ны режущим инструментом. Наибольшей твердостью обладает
торцовая поверхность. По степени твердости все древесные по-
роды разделяют на три группы:
• мягкие (торцовая твердость - менее 38,5 МПа при 12%-й
влажности) - сосна, ель, кедр, пихта, липа, тополь, ольха;
• твердые (торцовая твердость - 38,5...82,5 МПа) - листвен-
ница, береза, бук, вяз, дуб, ясень, клен;
• очень твердые (более 82,5 МПа) - акация белая, береза же-
лезная, граб, тисс, кизил, самшит.
Способность удерживать металлические крепления - свое-
образное свойство древесины, обусловленное упругостью ее во-
локон. Гвоздь, вбиваемый в древесину, раздвигает волокна, ко-
торые оказывают на его боковую поверхность значительное
давление. Возникающие при этом силы трения прочно удержи-
9*
131
вают гвоздь. Способность удерживать металлические крепления
оценивают по сопротивлению выдергиванию гвоздей или шуру-
пов. Сопротивление выдергиванию соответствует усилию, необ-
ходимому для выдергивания из древесины гвоздя или шурупа
стандартных размеров.
Наибольшее сопротивление выдергиванию оказывает древе-
сина в радиальном и тангенциальном направлениях. Усилие вы-
дергивания гвоздя, вбитого в торец, т. е. вдоль волокон древеси-
ны, почти на 50 % меньше. Вот почему для получения прочного
соединения деревянных деталей не следует вбивать гвозди или
завинчивать шурупы вдоль волокон древесины. Сопротивление
древесины выдергиванию шурупов примерно в 4...5 раз больше,
чем гвоздей.
Сопротивление выдергиванию также зависит от породы,
плотности и влажности древесины. Например, для забивания и
выдергивания гвоздей из древесины граба (плотность - 800 кг/м3)
необходимо усилие в четыре раза большее, чем для древесины
сосны, плотность которой 500 кг/м3. Во влажную древесину
гвозди вбивать легче, чем в сухую. При последующем высыха-
нии способность древесины удерживать гвозди снижается.
6.2. Пороки древесины
Пороками считают недостатки отдельных участков древеси-
ны, снижающие ее качество и ограничивающие возможность ее
использования. Как правило, пороки уменьшают прочность и
ухудшают декоративные качества древесины, поэтому их обяза-
тельно учитывают при определении сортности лесоматериалов.
Большинство пороков возникает в растущем дереве. Некото-
рые пороки, например трещины, повреждения насекомыми, об-
разуются в заготовленной древесине.
Пороки древесины подразделяют по ГОСТ 2140-81 на сле-
дующие группы: сучки; трещины; пороки формы ствола; пороки
строения древесины; химические окраски; грибные поражения;
132
биологические повреждения; инородные включения; механиче-
ские повреждения и пороки обработки; покоробленности.
Сучки представляют собой основания ветвей, заключенные в
древесине ствола. Это наиболее распространенный и неизбеж-
ный порок древесины, который затрудняет ее механическую об-
работку, уменьшает прочность пиломатериалов на изгиб и рас-
тяжение. При поперечном сжатии и продольном скалывании
сучки повышают прочность древесины. Для несущих деревян-
ных конструкций допускается применять древесину без сучков
или со здоровыми сросшимися сучками, количество и размеры
которых ограничены для каждого сорта материала.
Трещины - это разрывы древесной ткани вдоль волокон. Та-
кой порок нарушает целостность лесоматериалов, а в некоторых
случаях снижает их прочность. Различают трещины метиковые,
отлупные, морозные и трещины усушки.
Метиковые трещины в круглых лесоматериалах ориентиро-
ваны по радиусу ствола. Начинаются они у сердцевины, но на
боковую поверхность ствола не выходят и могут быть значи-
тельной протяженности по длине ствола. В пиломатериалах -
досках, брусках - метиковые трещины наблюдаются на торцо-
вых и боковых поверхностях.
Отлупные трещины возникают между годичными слоями в
ядре ствола растущего дерева. Эти дугообразные или кольцевые
трещины мало сказываются на прочности древесины, но умень-
шают выход пилопродукции.
Метиковые и отлупные трещины образуются при раскачива-
нии дерева ветром и резкой смене температур.
Морозные трещины образуются в растущем дереве под
влиянием низких температур. Это - длинные и глубокие ради-
ально направленные трещины, проходящие из заболони в ядро и
раскрытые на боковую поверхность ствола. Они возникают зи-
мой при резком охлаждении стволов.
Трещины усушки появляются при просыхании срубленной
древесины. Они часто встречаются в пиломатериалах. Трещины
133
усушки отличаются от метиковых и морозных меньшими глуби-
ной и протяженностью по длине.
Пороки формы ствола ухудшают качество круглых лесома-
териалов. В этой группе выделяют кривизну ствола, сбежи-
стостъ, т. е. ненормально быстрое уменьшение диаметра ствола
или ширины пиломатериалов, закомелистостъ — резкое утол-
щение диаметра комлевой части ствола.
Пороки строения древесины связаны с нарушением регуляр-
ного расположения волокон. К ним относят наклон волокон,
т. е. непараллельность их продольной оси круглых лесоматериа-
лов или пилопродукции, свилеватость - извилистое или
беспорядочное расположение волокон древесины.
Наклон волокон более 5 % значительно снижает предел
прочности древесины при растяжении вдоль волокон и при по-
перечном изгибе. С изменением влажности древесина с накло-
ном волокон склонна к значительному короблению и скручива-
нию. Свилеватость снижает прочность древесины при растяже-
нии, изгибе, сжатии, но увеличивает прочность при скалывании.
Химическими окрасками называют ненормально окрашенные
участки в срубленной древесине. Возникновение их связано с
окислением дубильных веществ. В этой группе пороков выде-
ляют продубину - красновато-коричневую окраску слоев древе-
сины, прилежащих к коре, дубильные потеки в виде бурых пя-
тен, желтизну, возникающую при сушке сплавной древесины
хвойных пород. На прочность древесины химические окраски не
влияют.
Грибные поражения вызываются дереворазрушающими гри-
бами. Наиболее благоприятны для развития таких грибов темпе-
ратура 15...35 °C и влажность древесины 30...60 %. Особенно
велико разрушительное действие грибов в условиях переменной
влажности и температуры. Поэтому чаще всего загнивают эле-
менты цокольного перекрытия, нижние венцы брусчатых и бре-
венчатых домов, сваи и столбы на границе почвы с атмосферой.
134
Чтобы предотвратить развитие процессов гниения, древесину
обрабатывают антисептиками.
Биологические повреждения вызваны деятельностью некото-
рых насекомых, например короедов, жуков-точильщиков, жу-
ков-сверлильщиков. Наиболее часто встречается червоточина,
которая в зависимости от глубины поражения бывает поверхно-
стной, неглубокой или глубокой. Червоточина ослабляет дре-
весину.
Инородные включения - это находящиеся в древесине тела
недревесного происхождения, например проволока, гвозди,
камни, песок. Они затрудняют обработку древесины и, кроме
того, могут вызвать поломку режущих инструментов.
Механические повреждения и дефекты обработки резанием
возникают при заготовке и обработке древесины. К ним, в част-
ности, относятся волнистость поверхности древесины, ворси-
стость, ожог.
Покоробленности - изменение формы при распиловке, суш-
ке или хранении лесоматериалов. Это характерный порок пило-
продукции - досок, брусьев, брусков. Различают покороблен-
ность продольную - по пласти или по кромке, поперечную - по
ширине доски, а также крыловатостъ - спиральную покороб-
ленность по длине доски или бруса.
6.3. Виды материалов из древесины
Материалы из древесины, сохранившие ее природную физи-
ческую структуру и химический состав, называют лесоматериа-
лами. Их подразделяют на необработанные (круглые) и обрабо-
танные (пиломатериалы, колотые лесоматериалы, шпон и др.).
Круглые лесоматериалы представляют собой очищенные
от сучьев отрезки древесных стволов. В зависимости от диамет-
ра верхнего торца круглые лесоматериалы подразделяют на
бревна, подтоварник и жерди.
135
Бревна строительные и пиловочные из хвойных и листвен-
ных пород должны иметь диаметр верхнего торца не менее
14 см и длину 4...6,5 м. Они должны быть ошкурены и опилены
под прямым углом к продольной оси. По качеству бревна под-
разделяют на три сорта. Определение сорта обусловлено нали-
чием в бревнах пороков древесины. Строительные бревна из
хвойных пород применяют для несущих конструкций жилых,
промышленных и культурно-бытовых зданий, а также для свай и
пролетных строений деревянных мостов. Пиловочные бревна
изготовляют из стволов хвойных и лиственных пород для полу-
чения различных пиломатериалов.
В последние годы получили распространение оцилиндрован-
ные бревна, изготовленные из обычных бревен обработкой их на
токарном станке, в результате чего они приобретают цилиндри-
ческую форму (без «сбега»). Такая форма облегчает возведение
срубов и другие плотницкие работы.
Подтоварник - часть ствола дерева с диаметром верхнего
торца 8... 13 см и длиной 3... 9 м. Его используют для различных
целей в жилищном и сельскохозяйственном строительстве, а
также для вспомогательных и временных сооружений.
Жерди имеют диаметр верхнего торца 3...7 см и длину 3...9 м.
Их применяют для тех же целей, что и подтоварник.
Пиломатериалы изготовляют путем продольной распилов-
ки пиловочных бревен. По форме поперечного сечения разли-
чают следующие виды пиломатериалов (рис. 26):
• пластины - половинки бревен, распиленных по оси ствола;
• четвертины - части бревен, распиленных по двум взаимно
перпендикулярным диаметрам;
• брусья - пиломатериал, имеющий ширину и толщину более
100 мм. По числу пропиленных сторон бывают двух-, трех- и
четырсхкантные;
• бруски - пиломатериал толщиной до 100 мм при соотноше-
нии ширины к толщине менее 2;
136
Рис. 26. Виды пиломатериалов: а - двухкантный брус; б - трехкантный брус;
в - четырехкантный брус; г - необрезная доска; д - чистообрезная доска;
е - обрезная доска с тупым обзолом; ж - обрезная доска с острым обзолом;
з - брусок; и - горбыльный обапол; к - дощатый обапол; л - необрезная шпала;
м - обрезная шпала; 1 - пласть; 2 - кромка; 3 - ребро; 4 - торец
• доски - пиломатериал, толщиной до 100 мм при соотноше-
нии ширины к толщине более 2. Их разделяют на тонкие, тол-
щиной до 32 мм, и толстые, толщиной более 32 мм для листвен-
ных пород и более 40 мм - для хвойных. Тонкие называют те-
сом. В зависимости от чистоты опиловки доски бывают
необрезные, с неопиленными кромками на всю длину доски или
на половину длины, и обрезные, с кромками, пропиленными по
всей длине (в данном случае сечение доски представляет собой
правильный прямоугольник) или более чем на половину длины
доски;
• обапол - боковая часть, образующаяся при распиловке
бревна на доски или бруски. Одна сторона у него полностью
пропиленная, вторая - частично (дощатый обапол) или непро-
пиленная (горбыльный обапол).
137
Изделия из древесины. Строганые погонажные изделия -
это доски для полов, шпунтованные доски, у которых на одной
кромке имеется паз, на другой - гребень (выступ), что обеспечи-
вает плотное соединение досок при устройстве полов; фальце-
вые доски, применяемые для обшивки стен и потолков. К этой
группе изделий относят и профильные погонажные изделия, на-
пример плинтусы и галтели, используемые для заделки углов
между полом и стенами, поручни для перил, наличники для окон-
ных и дверных коробок, а также доски подоконника (рис. 27).
г а
Рис. 27. Погонажные изделия из древесины: а - шпунтованные доски; б - фаль-
цованные доски; в - плинтус; г - наличник; д - поручни для перил
Столярные плиты состоят из внутреннего щита, который из-
готовляют из узких реек путем их тесного состыковывания
впритык, и наклеенных на него с обеих сторон шпона в один
или два слоя. Для производства столярных плит используют
древесину хвойных и лиственных мягких пород, главным обра-
зом отходы производства (горбыли, рейки и др.). Размеры сто-
лярных плит: длина - до 2500 мм, ширина - до 1525, толщина -
до 30 мм. Из этих плит изготовляют двери, перегородки, щито-
вую мебель и др.
Изделия для паркетных полов подразделяют на следую-
щие виды: штучный, наборный и щитовой паркет, паркетные
доски.
138
Штучный паркет представляет собой деревянные строганые
планки различных размеров и формы с профилированными
кромками и торцами. Планки изготовляют из древесины твер-
дых пород (дуба, бука, ясеня, березы, лиственницы и др.). Длина
планок - от 150 до 500 мм с градацией через 50 мм, ширина - от
30 до 90 мм с градацией через 5 мм. Толщина планок из твердых
лиственных пород составляет 15, из хвойных - 18 мм.
Двухслойный паркет - новый вид штучного паркета, произ-
водство которого налажено в настоящее время в Беларуси.
Верхний слой такого паркета (ламель) толщиной 4 мм изготов-
ляется из натуральной древесины. Нижний слой толщиной
8 мм - многослойная фанера. Двухслойный паркет может быть
как шлифованным, так и лакированным.
Паркетные щиты представляют собой квадратное основа-
ние, выполненное из реек или древесно-стружечных плит с па-
зами на кромках, на которое наклеивают паркетные планки. Пу-
тем подбора планок по цвету древесины, текстуре и взаимному
расположению можно получить разнообразные рисунки. Тол-
щина щитов - 30 мм, размеры в плане: 400x400, 475x475,
600x600 и 800x800 мм.
Паркетная доска - столярное изделие, состоящее из лицево-
го покрытия из паркетных планок, наклеенного водостойкими
клеями на основание из реек. По периметру доски имеются паз и
гребень для их взаимного сопряжения. Паркетные доски изго-
товляют длиной 1200, 1800, 2400 и 3000 мм, шириной - 145, 155
и 202 мм и общей толщиной - 25 мм с рейками основания тол-
щиной 19 мм. Лицевое покрытие набирают из планок шириной
20, 25 и 30 мм из древесины твердолиственных (дуба, бука и др.)
и хвойных (сосны, лиственницы) пород. Основанием паркетной
доски служат рейки древесины сосны, ели, березы, ольхи и др.
Наборный (мозаичный) паркет — это ковры из мелких пар-
кетных планок, наклеенных на эластичный материал (бумагу,
плиты из резиновой крошки и др.). Особенностью мозаичного
паркета является то, что планки имеют гладкие кромки и не свя-
заны между собой шпунтованным соединением. Размеры ков-
139
ров: 400x400 и 600x600 мм, толщина планок из дуба и бука -
8 мм, из сосны и лиственницы - 12 мм. После укладки наборно-
го паркета на основание с его лицевой поверхности снимают
бумагу вместе с клеем.
Фанера - слоистый материал, состоящий из склеенных трех
и более тонких листов лущеного шпона. Его изготовляют на
лущильных станках путем срезания слоя древесины в виде не-
прерывной широкой ленты по касательной с вращающегося,
предварительно распаренного кряжа. Шпон производят толщи-
ной 0,35...4 мм из древесины березы, ольхи, ясеня, дуба, ели,
сосны, кедра, лиственницы. Листы шпона располагают так, что-
бы волокна в смежных слоях были взаимно перпендикулярны.
Это обеспечивает примерно одинаковые (изотропные) свойства
фанеры не зависимо от направления прилагаемых усилий.
Фанера подразделяется на обычную, облицованную строга-
ным шпоном, декоративную и бакелитизированную.
Обычная фанера представляет собой слоистый материал, по-
лучаемый склеиванием трех или более слоев лущеного шпона
Толщина ее составляет от 1,5 до 18 мм. Для склеивания приме-
няются фенолоформальдегидный, карбамидный, альбуминока-
зеиновый клеи. Фанеру, склеенную водостойким фенолофор-
мальдегидным клеем, применяют для обшивки наружных стен,
устройства опалубки, изготовления несущих конструкций; на
других клеях - для облицовки стен, потолков, устройства пере-
городок внутри помещений.
Фанера, облицованная строганым шпоном, — материал, у ко-
торого одна или две наружных стороны покрыты строганым
шпоном из древесины ценных пород - дуба, ореха, груши и др.
Ее применяют для внутренней отделки помещений, устройства
перегородок.
Декоративная фанера производится с пленочным покрытием
с одной или двух наружных сторон и применяется для изготов-
ления мебели.
Бакелитизированная фанера изготовляется из листов березо-
вого лущеного шпона, пропитанного фенолоформальдегидной
140
смолой и подвергнутого горячему прессованию. Она имеет по-
вышенную прочность, водо- и атмосферостойкость и применя-
ется для изготовления легких конструкций, а также в качестве
опалубки для бетона.
В последние годы широко применяются клееные конструк-
ции, крупноразмерные элементы, изготовляемые путем склеива-
ния сравнительно небольших деревянных заготовок друг с дру-
гом или с другими материалами, - арки, балки двутаврового се-
чения, блоки и др. Они отличаются большей прочностью, водо-,
био- и огнестойкостью, чем обычные конструкции из древеси-
ны, не подвержены усушке и короблению. Использование клее-
ных конструкций — один из наиболее экономически эффектив-
ных путей применения древесины в строительстве.
До недавнего времени в строительной промышленности с
пользой использовалось до 25 % древесины, получаемой с лесо-
секи. В настоящее время этот показатель нередко возрастает до
75...80 %. Технический прогресс коснулся главным образом ме-
ханизированного производства столярных и древесно-волокни-
стых плит, арболита, древесно-стружечных плит, пьезотермо-
пластиков и других материалов, в производстве которых ис-
пользуются древесные отходы. Производство изделий и подго-
товка древесных отходов будут рассмотрены в других главах
книги.
6.4. Защита древесины от разрушения
Срок службы древесины ограничивает ее способность гнить
и гореть. Кроме того, древесину повреждают насекомые. Только
на ремонт и замену деревянных конструкций, разрушенных
гниением, ежегодно используется более 30 % всей расходуемой
древесины.
Гниение древесины происходит в тех случаях, когда на ней
начинают развиваться грибы, использующие древесину как пи-
тательную среду. Для их развития необходимы определенные
условия: влажность древесины — не менее 18...20 %, свободный
141
доступ кислорода и температура - +(5...4О) °C. Если какое-либо
условие не выполняется, то гниения не происходит.
Предохраняют древесину от гниения сушка, различные кон-
струкции, защищающие от увлажнения, антисептирование (хи-
мическая обработка древесины для повышения ее биологиче-
ской стойкости).
Наиболее радикальный и реальный с конструктивной точки
зрения путь защиты древесины от гниения - сухой режим экс-
плуатации (влажность древесины должна быть не более 15 %).
Сушка древесины может быть естественной и искусственной.
Естественную сушку осуществляют на открытом воздухе,
под навесом или в закрытых помещениях до воздушно-сухого
состояния (влажность - 15...20 %). Эта сушка требует много
времени (недели и даже месяцы) и применяется при необходи-
мости тщательного и длительного вылеживания или небольшом
объеме работ.
Искусственная сушка древесины производится в сушильных
камерах горячим воздухом, паром, газом или токами высокой
частоты, а также путем погружения в нагретый (температура -
+(130... 140) °C) петролатум (отход при депарафинизации неф-
тяных масел). Наиболее распространена искусственная сушка
древесины в камерных сушилках непрерывного или периодиче-
ского действия с герметически закрывающимися дверями.
В камерах создается многократная циркуляция нагретого возду-
ха, газа или перегретого пара
К преимуществам искусственной сушки по сравнению с ес-
тественной следует отнести более короткие сроки, возможность
достижения малой конечной влажности (6...8 %), обеспечение
высокого качества высушенной древесины, уничтожение гриб-
ной инфекции и насекомых-вредителей.
Защита древесины от гниения. Для предупреждения загни-
вания древесины принимают ряд конструктивных мер: изоли-
руют ее от грунта, камня и бетона, устраивают специальные ка-
налы для проветривания, защищают деревянные конструкции от
142
атмосферных осадков, делают отливы у наружных оконных пе-
реплетов и т. п Однако только мерами конструктивного харак-
тера нельзя полностью предохранить древесину от увлажнения и
загнивания.
Древесину защищают от гниения, предварительно обработав
ее различными химическими веществами - антисептиками
Антисептики должны быть токсичными к грибам, но без-
вредными для людей и животных, в течение заданного срока не
терять токсичные свойства, не ухудшать физико-механические
свойства древесины. Антисептики подразделяются на водорас-
творимые и водонерастворимые маслянистые. Водорастворимые
применяются в виде водных растворов и антисептических паст
К водорастворимым антисептикам относят фторид натрия
NaF, кремнефторид натрия Na2SiF6, хлорид цинка ZnCl2, анти-
септический препарат ХМХЦ Последний представляет собой
смесь бихромата натрия или калия, медного купороса и хлорида
цинка в соотношении 2:1:7. Препараты применяют в виде рас-
творов 3.. 5%-й концентрации
К маслянистым антисептикам относят каменноугольное кре-
озотовое и антраценовое масла, сланцевое масло, растворы пен-
тахлорфенола в маслах.
Масло креозотовое - темно-коричневая жидкость с резким
запахом. Оно является очень сильным антисептиком.
Масло антраценовое - зеленовато-желтая жидкость, полу-
чаемая из каменноугольного дегтя. Оно обладает сильным анти-
септическим свойством, имеет резкий запах.
Масло сланцевое - темно-коричневая жидкость с резким за-
пахом фенола, которое получают из горючих сланцев.
Для увеличения токсичности маслянистых антисептиков
вводится пентахлорфенол (до 5 %). Он же может применяться в
органических растворителях.
Маслянистые антисептики применяются для глубокой про-
питки шпал, конструкций мостов, воздушных опор. Из-за резко-
го запаха и высокой токсичности их нельзя применять внутри
жилых зданий, складов пищевых продуктов. Они - огнеопасны.
143
Антисептирование древесины может выполняться следую-
щими способами: поверхностное нанесение, пропитка в горяче-
холодных ваннах, автоклавах, обработка пастами.
Защита древесины от насекомых. Древесину поражают на-
секомые - короеды, жуки-точильщики, жуки-усачи и их личин-
ки. Они образуют ходы, называемые червоточиной. Короеды
прокладывают извилистые борозды под корой дерева на не-
большую глубину. Существенного влияния на прочность древе-
сины они не оказывают.
Глубокие ходы прокладывают жуки-точильщики. Такую древеси-
ну не следует применять для изготовления несущих конструкций.
Основные способы борьбы с насекомыми при хранении дре-
весины на складах - соблюдение санитарных норм и своевре-
менное окуривание круглого леса. При обнаружении насекомых
на складах и в ходе ремонтных работ древесину обрабатывают
инсектицидами — хлорофосом, хлороданом, хлорпикрином и дру-
гими — путем пропитки, опрыскивания, опыления или окуривания.
В качестве профилактических мер в жилых помещениях дре-
весину протирают 2...3 раза в год 3%-м водным раствором фто-
рида или кремнефторида натрия.
Для защиты древесины строящихся зданий и сооружений
применяют каменноугольные и сланцевые масла, пентахлорфе-
нол в органических растворителях.
Защита древесины от возгорания. Древесина начинает го-
реть при температуре 260...290 °C в результате воздействия от-
крытого пламени или при нагревании свыше 350 °C при его от-
сутствии. При длительном нагреве температура возгорания по-
нижается.
Защищают древесину от возгорания конструктивными мера-
ми или различными огнезащитными покрытиями и пропитками.
К конструктивным мерам относят: удаление деревянных
элементов от источника нагревания, возведение несгораемых
стен и перегородок через определенное расстояние.
В качестве огнезащитных покрытий применяется штукатур-
ка, облицовка малотеплопроводными и несгораемыми материа-
144
лами, например асбестовыми, окрашивание огнезащитными
красками, нанесение обмазок. Пропитка выполняется антипиренами.
Огнезащитные краски по виду связующего бывают силикат-
ные, перхлорвиниловые, масляные, казеиновые. Высокими огне-
защитными свойствами обладает силикатная краска. Связую-
щим в ней служит жидкое стекло, наполнителями - мел, кварце-
вый песок, магнезит. При воздействии высокой температуры
образуется стекловидная пленка, затрудняющая доступ кисло-
рода к древесине и связывающая уголь, который вследствие ма-
лой теплопроводности защищает нижележащие слои древесины от
горения.
Лучшим огнезащитным средством являются антипирены -
химические вещества, которые при нагревании выделяют него-
рючие газы и оттесняют кислород от нагреваемой древесины,
препятствуют выделению высококалорийных газов или плавятся
с образованием огнезащитных пленок. В качестве антипиренов
применяют фосфорнокислый аммоний (NH4)3PO4, сернокислый
аммоний (NH4)2SO4, буру Na2B4O7 10Н2О и др. Их вводят в дре-
весину в виде водных растворов путем пропитки или краско-
пультом.
Применение всех перечисленных мер позволит удлинить
срок службы древесины, особенно находящейся в неблагопри-
ятных условиях.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
I. Какова структура древесины?
2. Как изменяются физико-механические свойства древесины в радиаль-
ном, тангенциальном и продольном направлениях?
3. Как влияет влажность на свойства древесины?
4. В чем отличие свойств древесины хвойных и лиственных пород?
5. Как различаются пороки древесины? Как влияют пороки на ее качество?
6. Какие существуют виды круглых лесоматериалов?
7. Как классифицируют пиломатериалы по видам?
8. Назовите изделия для паркетных полов.
9. Какие существуют разновидности фанеры и где ее применяют?
10. Какие способы защиты древесины от разрушения вы знаете?
10. Зак. 508
145
Глава 7 КЕРАМИЧЕСКИЕ ОБЖИГОВЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
7.1. Общие сведения
Керамическими называют материалы и изделия, получаемые
из глиняных масс или из их смесей с минеральными добавками
путем формования, сушки и обжига при температуре 900... 1300 °C.
В результате обжига глиняная масса превращается в искусст-
венный камень, обладающий высокой прочностью и плотно-
стью, водостойкостью, водонепроницаемостью, морозостойко-
стью и долговечностью.
Керамическое производство возникло в глубокой древности,
когда люди научились делать из пластичной глины сосуды раз-
личной формы и, обжигая их, получать водо- и огнестойкую по-
суду. Затем стали изготовлять кирпич, керамические трубы, из-
разцы (четырехугольные разноцветные плиты) и другие керами-
ческие изделия. Обожженный глиняный кирпич - один из древ-
нейших строительных материалов. В Киевской Руси кирпич на-
чали изготовлять в конце X в. для строительства укреплений и
храмов. Затем стали применять глазурованные расписные израз-
цы для облицовки наружных стен и полов.
Современная промышленность строительных материалов
выпускает широкий ассортимент керамических материалов и
изделий, позволяющий использовать их во всех частях зданий и
сооружений - от фундамента до кровли. В зависимости от на-
значения керамические материалы и изделия можно разделить
на следующие группы:
• стеновые материалы и изделия - кирпич рядовой пла-
стического формования и полусухого прессования, кирпич и
плиты пустотелые и пористопустотелые, камни пустотелые пла-
стического формования, кирпич строительный легкий;
• отделочные материалы - кирпич и камни лицевые, плит-
ки для полов, внутренней облицовки стен и фасадные;
• кирпич и камни строительные керамические специ-
ального назначения - камни пустотелые ненесущие и несущие,
камни для канализационных сооружений, кирпич для дорожных
одежд, изделия керамические кислотоупорные;
146
• кровельные материалы - черепица ленточная, штампо-
ванная, коньковая и специальной формы;
• теплоизоляционные материалы и заполнители для лег-
ких бетонов - керамзитовый гравий, пустотелый гравий, агло-
порит, керамоперлит и др.;
• изделия и материалы различного назначения - тру-
бы, санитарно-технические изделия, огнеупорные материалы, элек-
троизоляционные изделия, фасонные строительные изделия и др.
Все керамические материалы и изделия по структуре черепка
подразделяют на пористые (водопоглощение по массе - более
5 % (обычно 10...20 %) - стеновые, кровельные материалы) и
плотные (водопоглощение - менее 5 % - плитки для полов, фар-
фор и др.).
Сырьевые материалы для производства керамических изде-
лий делят на две группы: пластичные (глинистые) и непластич-
ные (отощающие добавки и плавни).
Глина представляет продукт разложения и выветривания
полевошпатных и некоторых других пород. При химическом
взаимодействии пород, например полевого шпата R2O • А12О3 • 6SiO2
с углекислым газом и водой, полевошпатные породы постепен-
но превращаются в глинистые
R2O • А12О3 6SiO2 + СО2 +2Н2О = А12О3 • 2SiO2 2Н2О +
+ R2CO3 + 4SiO2.
Глинистые минералы - рыхлая смесь мельчайших частиц
(менее 0,005 мм) водных алюмосиликатов различного соста-
ва, способных хорошо адсорбировать (поглощать и удержи-
вать) влагу на своей поверхности. К ним относят: каолинит
А12О3 • 2SiO2 • 2Н2О, монтмориллонит А12О3 4SiO2 2Н2О, гал-
луазит А12О3 • 2SiO2 • 4Н2О и гидрослюды.
Чистые глины, состоящие из каолинита, называют каолина-
ми. После обжига они сохраняют белый цвет. Это - первичные
глины. В природе они встречаются довольно редко и применя-
ются для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий. Кро-
ме глинистых минералов в глинах содержатся более крупные
частицы: пыль размером 0,005... 0,15 мм, песок размером
0,15...5 мм и обломки горных пород. Последние ухудшают тех-
10*
147
нологические свойства глин. Карбонатные включения (доломит
и кальцит) при недостаточном измельчении после обжига вызы-
вают разрушение изделий. В Беларуси чистых каолиновых глин
нет, большинство глин - полиминеральные, состоящие из вод-
ных алюмосиликатов глинозема.
Глинистые минералы придают глине характерные свойства:
при увлажнении глина набухает и делается пластичной; при
сушке мокрой глины объем ее уменьшается (происходит усадка)
и глина превращается в камневидное тело. Переход глины из
пластичного состояния в камневидное обратимый: при повтор-
ном увлажнении глина вновь размокает.
Чем больше в глине содержится частиц глинистых минера-
лов, тем больше воды она способна удерживать, больше набуха-
ет, но медленнее сохнет и дает большую усадку. Такие глины
называются «жирными». Глины, содержащие много песчаных
частиц, характеризуются небольшой усадкой и набуханием, лег-
ко сушатся, но их пластичность снижается. Данные глины назы-
ваются «тощими».
Для производства керамических изделий нужна смесь, кото-
рая хорошо формуется и достаточно быстро сохнет. Смесь с оп-
тимальным соотношением глинистых и песчаных частиц полу-
чают, добавляя в жирную глину отощающие добавки', кварце-
вый песок, золу ТЭС, шамот (глина, обожженная при темпера-
туре 900... 1400 °C и потерявшая пластические свойства), из-
мельченный бой готовых изделий.
Способность глины при обжиге переходить в камневидное
состояние, в котором она совершенно не размокает в воде, объ-
ясняется следующим. При обжиге протекают химические и фи-
зико-химические процессы (удаление кристаллизационной во-
ды, частичное разложение безводной глины на оксиды и образо-
вание новых водостойких и тугоплавких соединений), приводя-
щие к изменению структуры глины. Частицы обезвоженной и
видоизмененной глины спекаются, не переходя при этом полно-
стью в расплавленное состояние. Спекание происходит за счет
плавления легкоплавких примесей. Этот расплав склеивает, це-
ментирует всю массу
148
Для улучшения спекания керамического черепка при обжиге,
снижения температуры обжига изделий вводят флюсы или плав-
ни (стеклобой, полевые шпаты, вулканические породы,
нефелиновые концентраты).
Для получения изделий с меньшей средней плотностью и по-
вышенной пористостью применяют органические выгорающие
добавки - древесные опилки, угольную мелочь, торфяную пыль,
полистирольный бисер и др. Используют также вещества, выде-
ляющие при высокой температуре обжига углекислоту, что ве-
дет к образованию пор, - мел, доломит и глинистый мергель (в
молотом виде). Эти добавки обладают также свойствами ото-
щающих добавок.
7.2. Керамический рядовой (обыкновенный) кирпич
Керамический кирпич - искусственный камень в форме
прямоугольного параллелепипеда - является самым древним
искусственным строительным материалом. За тысячелетия он
практически не изменил ни формы, ни фактуры (характера по-
верхности). Машинные способы производства позволяют вы-
пускать кирпич различной модификации (рис. 28), что улучшает
внешний вид зданий и их интерьер. Современные размеры кир-
пича были утверждены стандартом в 1927 г. Общемирового
стандарта кирпича не существует, однако его размеры и масса
лимитируются размером и силой человеческой руки.
Рис. 28. Керамический обыкновенный кирпич пластического (а)
и полусухого (б) формования: 1 - плашок; 2 - ложок; 3 - тычок
149
Керамический кирпич выпускают размером 250x120x65 мм,
реже - 288x138x65 мм (модульный) и 250x120x88 мм (утолщен-
ный). Поскольку масса одного кирпича не должна превышать
4,3 кг, утолщенный и модульный кирпич обычно делают с пус-
тотами с целью увеличения его теплоизоляционных свойств
и заодно снижения массы.
Плотность полнотелого керамического кирпича составляет
1600... 1900 кг/м1 * 3, водопоглощение - не менее 8 %. По прочно-
сти на сжатие и изгиб его подразделяют по СТБ 1160-99 на во-
семь марок: от 75 до 300 (табл 3), по морозостойкости - на пять
марок: F15, F25, F35, F50, F75, F100.
Таблица 3
Марки керамического кирпича и камней
Марка кирпича Предел прочности (средний для пяти образцов), МПа (не менее)
при сжатии для всех видов из- делий при изгибе формования
пластического для полнотелого кирпича полусухого прессо- вания для пустоте- лого кирпича Пустотелого утолщенного кирпича
300 30,0 4,4 3,4 2,9
250 25,0 3,9 2,9 2,5
200 20,0 3,4 2,5 2,3
175 17,5 3,1 2,3 2,1
150 15,0 2,8 2,1 1,8
125 12,5 2,5 1,9 1,6
100 10,0 2,2 1,6 1,4
75 7,5 1,8 1,4 1,2
Для кирпичей и камней с горизонтальным расположением пустот
100 10,0 7,5
75 7,5 5,0
50 5,0 3,5
35 3,5 2,5
25 2,5 1,5
1 Первоначально размер кирпича измерялся в вершках и составлял
5%х2Хх 1X вершка (1 вершок = 4,445 см). Окончательно размер кирпича
в мм был принят в первой половине XIX ст.
150
Производство. Обыкновенный керамический кирпич изго-
товляют из легкоплавких средней пластичности глин, содержа-
щих 40...50 % песка.
Технологический процесс изготовления изделий в наиболее
общем случае состоит из четырех групп операций: карьерные
работы, обработка глиняной массы, формование изделий, их
сушка и обжиг. Отдельной операцией является подготовка доба-
вок. В зависимости от способа формования кирпича (пластиче-
ского или полусухого) формовочные массы готовят по-разному
(рис. 29).
Рис. 29. Технологическая схема производства керамического кирпича
пластическим способом
151
В процессе обработки глиняной массы должно быть обеспе-
чено разрушение первоначальной природной структуры и агре-
гированных частиц на мельчайшие частицы и получение в це-
лом достаточно гомогенной массы.
Глиняную массу предварительно измельчают, размалывают,
смешивают с отстающими и другими добавками, перетирают
на бегунах и вальцах тонкого помола.
При пластическом способе кирпич-сырец формуют на лен-
точных прессах (рис. 30) из пластичной глиняной массы влаж-
ностью 18...23 %. Подготовленная пластичная глиняная масса
поступает в смеситель, где перемешивается, при необходимости
доувлажняется и прогревается паром. Лопасти, расположенные
на валу смесителя, продвигают глиняную массу к входному от-
верстию вакуум-камеры. Перед входом в вакуум-камеру глиня-
ная масса при помощи уплотняющего винта заполняет конусную
выходную часть смесителя, проходит через отверстия решетки,
разрезается ножами на мелкие куски и затем попадает в вакуум-
камеру. Комки вакуумированной глиняной массы захватывают-
ся лопастями вала и продвигаются в корпус пресса. Здесь уплот-
ненная глиняная масса подается двухзаходным винтом в пере-
ходную головку, в которой она дополнительно уплотняется, и
скорость ее движения по сечению головки выравнивается.
Мундштук придает глиняной ленте, выходящей из пресса, опре-
деленную толщину; в нем же могут быть установлены керны,
образующие пустоты в кирпиче
Полусухой способ производства кирпича отличается от пла-
стического тем, что прессование кирпича производят из сильно
отощенных жестких масс (применяют малопластичную глину)
влажностью 6...8 % на гидравлических или механических прес-
сах высокого давления (10...30 МПа). Такой сырец, как правило,
не требует сушки - его сразу после формования можно обжи-
гать. Так как кирпичи полусухого прессования (рис. 28) полу-
чаются более плотными, в них делают несквозные пустоты.
Изделия, спрессованные из порошков, обладают в сырце
большой прочностью и точностью размеров, характеризуются
низкой усадкой при обжиге, однако имеют пониженную
морозостойкость.
152
153
После формования кирпич подается на сушку, а при дости-
жении влажности 6...8 % - на обжиг. Сушку кирпича ведут как
в камерных, так и в туннельных сушилках. В качестве теплоно-
сителя и одновременно влагопоглотителя используют нагретый
воздух или дымовые газы.
Обжигают высушенный кирпич в туннельных печах: сырец,
уложенный на вагонетки, непрерывно движется вдоль печи на-
встречу горячим газам и последовательно проходит зоны подог-
рева, обжига и охлаждения.
При воздействии высоких температур на глинистые материа-
лы в них происходят сложные физические, химические и физи-
ко-химические изменения. В начале нагревания при 100... 150 °C
удаляется физически связанная вода, при 350...400 °C выгорают
органические примеси, при 300...900 °C удаляется химически
связанная (кристаллизационная и цеолитная) вода, причем гли-
нистые минералы разрушаются и глина переходит в аморфное
состояние.
Обжиг кирпича из легкоплавкого сырья ведут при 900... 1000 °C,
из тугоплавкого - при 1100... 1200 °C. В процессе обжига проте-
кают последовательно реакции в твердой фазе, собственно жид-
кофазное спекание и кристаллизация новообразований. Жидко-
фазное спекание или образование расплавов в обжигаемых из-
делиях по мере повышения температуры является наиболее
важным процессом, в результате которого керамическая масса
переходит в керамический черепок.
Сортировка и хранение. При выгрузке из печи керамические
изделия сортируют. Качество изделий устанавливают по степени
обжига, внешнему виду, форме, размерам, а также по наличию в
них различных дефектов. По степени обжига они могут быть
разделены на изделия нормального обжига, недожог (кирпич
алого цвета, характеризуется низкими прочностью, водо- и мо-
розостойкостью) и пережог (кирпич фиолетово-бурого цвета с
оплавленной поверхностью). Сортность изделий устанавливают
по внешнему виду, форме, размерам и наличию дефектов в со-
ответствии с требованиями ГОСТа. Качество обжига кирпича
154
только по его цвету однозначно установить нельзя, так как цвет
кирпича зависит от содержания оксидов железа и состава газо-
вой среды (окислительная, восстановительная или нейтральная)
в печи для обжига.
У керамических изделий встречается скрытый дефект -
дутик, который может проявиться не сразу, а после того как
кирпич достаточное время находился во влажном состоянии.
В этом случае происходят выколы и разрушение поверхности.
В месте откола хорошо виден белый порошок или белая тесто-
образная масса.
Причина таких дефектов - некачественное перетирание
сырьевой смеси. Если в исходном сырье встречаются куски из-
вестняка или другой карбонатной породы, то в случае, когда
сырьевая масса не измельчается достаточно тонко, в свежеот-
формованном изделии могут оказаться кусочки известняка раз-
мером 1...5 мм. При обжиге они превращаются в оксид кальция
(негашеную известь)
СаСОз -> СаО + СО2Т.
Негашеная известь при контакте с водой превращается в
гидроксид кальция («гасится») с увеличением в объеме. Это
приводит к выколам и разрушению изделий.
При механизированной погрузке, разгрузке и транспортиро-
вании используют деревометаллические поддоны, на которые
кирпич укладывают на ребро с перевязкой или «в елочку» (с на-
клоном в 45° к центру пакета). Чтобы уложить кирпич «елоч-
кой», к торцам поддона прибивают треугольные бруски. Без
поддонов кирпич перевозят уложенным в штабель с перевязкой;
перевозить навалом запрещается, так как при этом много кирпи-
ча бьется. Хранят поддоны с кирпичом на открытых площадках,
желательно в полиэтиленовой упаковке.
Кирпич керамический рядовой применяют для кладки внут-
ренних и наружных стен, столбов, сводов и других частей зда-
ний там, где необходима высокая прочность.
Кирпич полусухого прессования нельзя применять для клад-
ки цоколей, фундаментов и наружных стен влажных поме-
щений.
155
7.3. Эффективный кирпич и керамические камни
У обыкновенного керамического кирпича есть два сущест-
венных недостатка: относительно высокая средняя плотность
(более 1600 кг/м ) и небольшие размеры. Снижают плотность и
теплопроводность, изготовляя кирпич с пустотами или увеличи-
вая его пористость (например, введением в глину выгорающих
добавок - опилок). Таким образом получают пустотелый, порис-
тый и пористо-пустотелый кирпич. Применение такого кирпича
позволяет уменьшить толщину стен и сократить расход мате-
риалов, поэтому его называют эффективным.
Небольшой размер кирпича обыкновенного объясняется
двумя причинами. Во-первых, масса кирпича, укладываемого
вручную, не должна превышать 4 кг, и, во-вторых, получение
крупного массивного керамического изделия затруднительно,
так как сушка и обжиг таких изделий протекают долго и, как
правило, сопровождаются большими деформациями и растрес-
киванием изделий. Формование крупноразмерных керамических
камней со сквозными пустотами не только снижает плотность и
массу изделий, но и ускоряет процессы их сушки и обжига, так
как изделие прогревается быстрее и равномернее через наруж-
ные и внутренние поверхности. Поэтому пустотелый кирпич и
камни имеют меньше дефектов, а их прочность, несмотря на
большой процент пустот (до 37 %), такая же, как прочность
обыкновенного кирпича.
Пустотелый и пористо-пустотелый керамический кир-
пич получают пластическим формованием со сквозными круг-
лыми или щелевидными пустотами (рис. 31).
По плотности и теплотехническим свойствам пустотелый
кирпич подразделяют (табл. 4) на условно эффективный, улуч-
шающий теплотехнические свойства стен, и эффективный, по-
зволяющий уменьшить толщину стен по сравнению с толщиной
стен из обыкновенного кирпича.
Объем пустот в пустотелом кирпиче - 13...33 %, водопогло-
щение по массе - не менее 6 %. Марки пустотелого кирпича та-
кие же, как и полнотелого (табл. 3); марка по морозостойкости -
не менее F15.
156
a
б
Рис. 31. Керамический пустотелый кирпич с 19 (а), 32 (б) и 18 (в)
вертикальными пустотами и с 4 горизонтальными (г)
Таблица 4
Деление стеновых керамических материалов
по степени эффективности
Степень эффективности Средняя плотность, кг/м3
кирпича керамических камней
Полнотелый Не менее 1600 -
Условно эффективный 1400... 1600 1450... 1600
Эффективный Не более 1400 Не более 1450
Из пустотелого кирпича возводят наружные и внутренние
стены зданий. Каждый квадратный метр стены из пустотелого
кирпича на 200...300 кг легче, чем из полнотелого. Это не толь-
ко улучшает теплозащитные свойства стены, но и уменьшает
расход основных строительных материалов (кирпича, цемента,
стали). Пустотелый кирпич нельзя применять для возведения
цоколей, фундаментов и подземных сооружений.
157
Керамические камни изготовляют только пустотелыми
способом пластического формования. Размеры камней (мм):
обычного - 250x120x138; укрупненного - 250x250x138; модуль-
ного - 288x138x138; с горизонтальным расположением пустот-
250x250x120, 250x250x88, 250x200x80. Пустотелость камней -
от 25 до 37 %. Толщина камня соответствует двум кирпичам,
уложенным плашмя, с учетом толщины шва между ними. По-
верхность граней у камней может быть гладкой и рифленой.
Марки, устанавливаемые по прочности при сжатии и изгибе
(расчет ведется без вычета площади пустот), для камней с вер-
тикальными пустотами - от 75 до 300, а с горизонтальными пус-
тотами - 25, 35, 50 и 100. Марки по морозостойкости такие же,
как у кирпича: от F15 до F100.
Пустотелые камни применяют для кладки наружных и внут-
ренних стен. Из камней нельзя выкладывать фундаменты и цо-
коли, а также применять их для возведения стен помещений с
влажным режимом эксплуатации.
7.4. Облицовочные керамические изделия
Фасадная керамика. Для облицовки фасадов здании приме-
няют кирпич и камни лицевые, керамические фасадные плитки
и ковровую керамику.
Лицевые кирпич и камни от обыкновенного керамического
кирпича и камней отличаются высоким качеством отделки двух
смежных сторон - ложка и тычка. Изготовляют лицевые кирпич
и камни методами пластического формования и полусухого
прессования. По виду фактуры (отделки) лицевой поверхности
керамические кирпичи и камни бывают: торкретированные, ан-
гобированные, двухслойные, глазурованные и др.
По пределу прочности при сжатии и изгибе кирпич и камни
делят на марки 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300. Водопоглощение
их должно быть не менее 6 и не более 8 %, морозостойкость - не
менее F35.
Торкретированный кирпич или камень получают нанесе-
нием на ложковую и тычковую поверхности бруса, выходящего
из мундштука пресса, стеклокрошки, фарфора, песка, шамота.
158
Крошка, вылетая из сопла форсунки, вдавливается в лицевые
поверхности бруса, после чего она дополнительно прижимается
обрезиненным валиком.
Ангобированный кирпич или камень получают нанесени-
ем на выходящий из мундштука пресса брус декоративного ке-
рамического покрытия толщиной 0,2...0,3 мм (ангоба). Сырье-
выми материалами для ангобов служат беложгущиеся глины -
80...90 % и стеклобой - 10...20 %. Для получения цветного по-
крытия в состав ангоба вводят 5...7 % керамического красителя.
Ангобы наносят на отформованные изделия в виде керамиче-
ской суспензии-шликера средней плотностью 1300 кг/м3 с по-
мощью форсунки. Коэффициенты термического расширения
основного кирпича и ангоба должны быть близкими.
Двухслойный кирпич или камень в основном состоит из
местных красножгущихся глин, а его лицевой слои толщиной
3...5 мм изготовляется из светложгущихся окрашенных или не-
окрашенных глин.
Принцип двухслойного экструзионного формования заклю-
чается в следующем. Головка ленточного пресса имеет осевое
отверстие для прохода основной массы и периферийный Г-об-
разный паз клиновидного сечения для прохода облицовочной
массы. При одновременном их движении облицовочный слой
сцепляется с основным. Составы основного и лицевого слоев
необходимо подбирать таким образом, чтобы максимально
сблизить их усадки и коэффициенты линейного термического
расширения.
Глазурованный кирпич получают как методом двухкратно-
го обжига (глазурную суспензию наносят на обожженный кир-
пич), так и однократным обжигом (глазурью поливают кирпич-
сырец).
В современном строительстве лицевой кирпич используют
для отделки фасадов зданий и сооружений, лестничных клеток,
вестибюлей, ведущейся одновременно с кладкой стен. Поэтому
лицевые кирпич и камни выполняют одновременно функции
конструкционного и отделочного материала.
159
Керамические фасадные плитки изготовляют методами
полусухого прессования и литья. Они могут быть с глазурован-
ной поверхностью, штучные или наклеенные в ковры (ковровая
керамика). Только прямоугольные плитки производятся 15 ти-
поразмеров (от минимального 50x50x4 до максимального
300x150x9 мм). Водопоглощение плиток должно быть не менее
2 и не более 9 % - для стеновых и 5 % - для цокольных плиток;
морозостойкость - не менее 40 циклов для стеновых и 50 - для
цокольных плиток.
Технология изготовления керамических плиток методом по-
лусухого прессования включает операции: роспуск глины в во-
де, подготовку добавок, приготовление шликера, получение
пресс-порошка в башенных распылительных сушилках, прессо-
вание плиток, сушку, глазурование, обжиг. Шликерный способ
обеспечивает наиболее тщательное перемешивание составляю-
щих в случае многокомпонентной шихты и наибольшую одно-
родность массы как по ее свойствам, так и по цвету.
Шликер влажностью 45...50 % под давлением 2,6...2,9 МПа
с помощью сопла распыляют в башенной сушилке. Капли рас-
пыленного шликера взаимодействуют с горячими газами и пре-
вращаются в гранулы порошка, которые оседают в нижней ко-
нусной части сушилки. Порошок имеет влажность 5...7 % и от-
личается высоким качеством. Частицы его имеют шарообразную
или несколько вытянутую форму. Он обладает большой сыпуче-
стью и почти не содержит пылевидных фракций.
Прессование изделий производят на коленно-рычажных
прессах с гидравлическим противодавлением или гидравличе-
ских в две стадии: первая - при давлении 4...6 МПа, вторая -
9... 12 МПа. Сброс давления между первой и второй стадиями
прессования обеспечивает удаление воздуха из прессуемого по-
рошка (рис. 32).
Сушку и обжиг плиток производят на конвейерных сетчатых
или роликовых щелевых сушилках и печах. На автоматизиро-
ванных поточно-конвейерных линиях цикл изготовления плиток
от прессования до сортировки составляет 50.. .70 мин.
Малогабаритные фасадные плитки выпускают наклеенными
на бумажную основу (ковровая керамика).
160
Рис. 32. Линия по производству керамической плитки
Фасадные керамические плитки полусухого прессования
применяют для облицовки наружных стен кирпичных зданий,
цоколей зданий, подземных переходов, эркеров, обрамления
оконных и дверных проемов. Ковровую керамику применяют на
заводах сборного железобетона для отделки стеновых панелей
одновременно с их изготовлением.
Плитки керамические литые характеризуются меньшей
толщиной и массой, неточностью геометрических размеров. Их
изготовляют путем нанесения на керамические подставки (ле-
щадки) трех слоев шликера: разделительного, плиточного и гла-
зурного. Затвердевшую массу разрезают на подставке вращаю-
щимися дисками на плитки, здесь же их сушат и обжигают.
Шликер для разделительного слоя содержит 80 % глинистых
материалов и 20 % мела и не спекается в процессе обжига.
11. Зак. 508
161
Обожженные плитки снимают с подставок, сортируют и наби-
рают в ковры, укладывая лицевой поверхностью вверх в метал-
лические формы с секциями и накрывают затем листом бумаги,
смазанным клеем. Плитки, изготовленные методом литья, слу-
жат для внутренней и внешней облицовки зданий. Применять
литые плитки для облицовки цоколей, карнизов и подземных
переходов не допускается.
Плитки из фарфоровой керамики имеют несколько назва-
ний: грее, керамический гранит, колормасса. Свое название
фарфоровая плитка получила из-за схожести состава глиняного
теста с составом смеси фарфора. Исходными компонентами со-
става являются: каолин, полевой шпат нескольких видов и
кварц. Изготовляют плитку методом прессования.
Процессы производства керамического гранита и обычной
керамической плитки имеют принципиальные отличия. Способ
изготовления морозоустойчивой и износостойкой плитки был
известен давно, но десять лет назад на заводах не было необхо-
димого оборудования. Прежде всего, плитку прессуют при более
высоком давлении (до 45 МПа), а затем обжигают при более вы-
сокой температуре - 1250... 1300 °C. В результате компоненты
не только спекаются, но и в значительной степени расплав-
ляются.
Плитка из фарфоровой керамики имеет очень плотную, стек-
ловидную поверхность, поэтому обычно не подвергается гла-
зурованию. Для получения различных оттенков и эстетических
эффектов в массу смеси добавляют окрашивающие вещества,
как правило, окислы различных металлов.
Главной отличительной особенностью керамического грани-
та является его высокая износостойкость, низкое водопоглоще-
ние, исключительно высокая сопротивляемость механическим воз-
действиям, стойкость к воздействию едких химических веществ.
Фарфоровая плитка используется главным образом для об-
лицовки полов с интенсивным износом или подвергающихся
воздействию химических веществ.
Керамические плитки для внутренней облицовки изго-
товляют методом полусухого прессования на автоматизирован-
ных конвейерных линиях с двухкратным обжигом (утельный
обжиг плиток, а затем - обжиг глазурного покрытия). Глазурное
покрытие наносят методом полива или шелкографии. В отличие
от фасадных, черепок плиток для внутренней облицовки более
162
пористый (водопоглощение - до 16 %), поэтому их нельзя ис-
пользовать для наружной облицовки. Плитки крепят к стене на
полимерцементном растворе или мастиках. Облицовка плитками
декоративна, долговечна и гигиенична.
Керамические плитки для полов имеют плотный черепок
(водопоглощение - не более 4,5 %). Такие плитки часто назы-
вают метлахскими (от названия немецкого города Mettlach, где
было одно из первых производств подобных плиток). Они име-
ют большую толщину и обычно окрашены в массе. Крепят их на
цементном растворе или мастиках.
7.5. Керамические изделия специального назначения
Глиняная черепица - кровельный материал, получаемый из
легкоплавких глин путем пластического формования (ленточ-
ная) или прессования (штампованная) с последующей сушкой и
обжигом. В настоящее время керамические заводы выпускают
черепицу нескольких видов: пазовую штампованную (не норми-
руется); прессованную плоскую (365x155 мм) и коньковую
(365x200 мм) (рис. 33).
Черепица характеризуется высокой прочностью и огнестой-
костью. Она должна выдерживать нагрузку на изгиб не менее
0,7 кН, морозостойкость - не менее 50 циклов. Кровля из нее не
требует частых ремонтов. Недостатком черепичной кровли яв-
ляется ее большая масса, необходимость устройства значитель-
ных уклонов для стока воды, а также трудоемкость возведения.
Черепицу применяют в малоэтажном строительстве.
Огнеупорными называют керамические материалы с огне-
упорностью не менее 1580 °C. В виде кирпича и фасонных изделий
их применяют для строительства промышленных печей, дымоходов
и топок. Материалы, получаемые из огнеупорных глин, отощенные
той же глиной, но предварительно обожженной до спекания и из-
мельченной (шамот), называют шамотными изделиями.
Шамотные огнеупоры характеризуются относительно невы-
сокой термической стойкостью и огнеупорностью, но достаточ-
но хорошей способностью противостоять действию кислых
топливных шлаков и расплавленного стекла при температурах
до 1350...1500 °C.
п*
163
a
Рис. 33. Керамическая черепица и схемы ее укладки на кровлю: а - штампо-
ванная пазовая; б - ленточная пазовая; в - ленточная плоская; г - коньковая
Кислотоупорные керамические материалы могут дли-
тельное время противостоять действию жидких коррозионных
сред. Их используют для устройства полов, трубопроводов, га-
зоходов, футеровки аппаратов на химических предприятиях. Из-
делия производят из кислых и полукислых глин методом пла-
стического формования (простой формы) с последующей до-
прессовкой на гидравлических прессах (сложной формы фасон-
ные изделия). Выпускаются кислотоупорные кирпичи, плитки,
трубы и фасонные изделия. Характерная особенность таких ма-
териалов - небольшая пористость и соответственно низкое во-
допоглощение.
164
г Санитарно-технические изделия - раковины, умывальни-
ки, унитазы, смывные бачки и другие - изготовляют в основном
Г из беложгущихся фарфоровых, фаянсовых и полуфаянсовых масс.
Фарфором называют плотный керамический материал с че-
[ . репком белого цвета,, получаемый обжигом сырьевой смеси, в
; состав которой входят огнеупорная глина, каолин, полевой
: шпат, кварц и фарфоровый бой. Фарфор имеет водопоглощение
0,2...0,5 %, прочность на сжатие - до 500 МПа. Из него можно
изготавливать тонкостенные изделия. Особенностью фарфора
является просвечиваемость в тонком слое.
Фаянсом называют керамические материалы с мелкопорис-
тым черепком обычно белого цвета, для получения которых
применяют те же сырьевые материалы, что и для фарфора, но
другой рецептуры. Фаянс имеет пористый черепок с водопо-
глощением 19...22 %. Предел прочности при сжатии составляет
60... 110 МПа. Поверхность изделий покрывают глазурью.
Фарфор отличается от фаянса большей плотностью и
прочностью.
Полуфарфор по своим свойствам занимает промежуточное
положение между фаянсом и фарфором.
Санитарно-технические керамические изделия обычно полу-
чают методом литья жидкой массы (шликера) в гипсовые формы
пой атмосферным давлением и в пористые полймёрйые - под
повышенным давлением с последующим высушиванием и об-
жигов изделий. Обжиг может быть одно- или двухразовый. Для
придания санитарно-техническим изделиям водонепроницаемо-
сти и лучшего вида их покрывают глазурью. Глазуровочный со-
став наносят на отформованные изделия после сушки или пер-
вого обжига. При обжиге глазурь оплавляется и покрывает изде-
лие тонкой блестящей пленкой.
Керамические трубы подразделяют на канализационные и
дренажные.
Производят канализационные трубы цилиндрической формы
длиной 800... 1200 мм с внутренним диаметром десяти размеров
от 100 до 600 мм с шагом 50 мм. На одном конце имеется рас-
труб для соединения отдельных звеньев трубопровода. Тру-
бы должны выдерживать гидравлическое давление не менее
0,2 МПа и внешнюю нагрузку 0,2.. .0,3 кН на 1 м длины.
Основным сырьем для производства канализационных труб
служат пластичные тугоплавкие глины, которые дают общую
усадку изделий не более 8 %.
165
Керамические дренажные трубы выпускаются с внутренним
диаметром 50...250 мм и длиной 333 мм. Наружная поверхность
может быть цилиндрической, шести- или восьмигранной. Марка
по морозостойкости - не менее F15.
Сырьем служат малопластичные и пластичные глины. Для
повышения пористости черепка вводят выгорающую добавку -
тонкомолотый уголь. Формуют трубы методом пластического
прессования.
Дренажные трубы применяют для понижения уровня, сбора
и отвода грунтовых вод.
Клинкерный (дорожный кирпич) изготовляют из туго-
плавких глин, обжигая до полного спекания. Он имеет меньшие
размеры (220x110x65 мм), чем обыкновенный стеновой кирпич,
низкое водопоглощение (2...6 %), высокую прочность при сжа-
тии (40... 100 МПа) и морозостойкость - не менее F100. Такой
кирпич используют для мощения дорог и тротуаров, устройства
полов промышленных предприятий, кладки канализационных
коллекторов.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие материалы называют керамическими?
2. Что содержат глинистые материалы?
3. С какой целью вводят отощающие, выгорающие добавки и плавни? На-
зовите виды добавок.
4. Чем характеризуется обыкновенный керамический кирпич?
5. Назовите основные операции и оборудование для формования кирпича
пластическим способом.
6. Каковы основные операции и оборудование для получения кирпича спо-
собом полусухого прессования?
7. Чем характеризуется процесс спекания?
8. Назовите назначение, виды и свойства эффективного керамического кирпича.
9. Назовите виды и свойства керамических камней.
10. Какие виды, свойства и способы производства лицевого керамического
кирпича вы знаете?
11. В чем сущность полусухого способа прессования керамических плиток?
12. Каков процесс производства плитки методом литья?
13. Каковы назначение, виды и способы производства огне- и кислото-
упорных керамических изделий?
14. Какие виды глиняной черепицы и керамических труб выпускаются
промышленностью? Где их используют?
15. Назовите виды санитарно-технических изделий, в чем заключается раз-
личие фарфора и фаянса.
166
Г л а в a 8. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
ИЗ СИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВОВ
8.1. Производство стекла
Стеклом называют аморфные вещества, получаемые в ре-
зультате переохлаждения расплава независимо от его химиче-
ского состава и температурной области затвердевания и обла-
дающие в результате постепенного увеличения вязкости свойст-
вами твердых тел. Переход от жидкого состояния в стекло-
образное должен быть обратимым.
Из главных причин аморфного состояния неорганических
стекол можно выделить две. Первая причина заключается в том,
что в области затвердевания расплав стекла имеет очень высо-
кую вязкость, что затрудняет перемещение атомов и упорядоче-
ние структуры. Вторая причина вытекает из особенностей кова-
лентной связи, определяющей взаимодействие атомов в оксиде.
Ковалентная связь обладает двумя важными свойствами: насы-
щаемостью и направленностью. Согласно насыщаемости хими-
ческой связи каждый атом стекла в пространстве имеет в соот-
ветствии со своей валентностью строго определенное количест-
во «партнеров» по взаимодействию. Например, атом четырехва-
лентного кремния должен иметь в непосредственном окружении
четыре атома кислорода (в кварцевом стекле), с которыми он
связан полярной ковалентной связью. Причем эти связи могут
образовываться не произвольно, а под определенным углом друг
к другу {принцип направленности). Все это очень затрудняет
формирование регулярной кристаллической структуры.
Область применения стекол зависит от их свойств. Плот-
ность стекла составляет 2500.. .2700 кг/м3, предел прочности при
сжатии - от 500 до 1000 МПа, при растяжении - 30...60 МПа.
Трещины, царапины снижают прочность при растяжении
в 4...5 раз.
Теплопроводность в зависимости от вида стекла составляет
0,5... 1 Вт/(м • °C). Температура начала размягчения стекла зави-
сит от химического состава. Для строительных стекол она со-
ставляет 500...700 °C. Светопропускание (прозрачность) стек-
ла - от 0 до 97 %, для оконного - примерно 88 %.
167
Недостатком стекла является повышенная хрупкость. Проч-
ность при ударном изгибе составляет всего около 0,2 МПа, что
ограничивает его применение.
В зависимости от стеклообразующего оксида, на основе ко-
торого изготовляют стекло, различают следующие его виды:
• силикатное, получаемое на основе SiO2;
• боратное - на основе оксида бора В2О3;
• боросиликатное - на основе В2О3 и SiO2;
• фосфатное - на основе фосфорного ангидрида Р2О5.
Стеклообразователи являются основной составной частью
стекла и создают структурный скелет материала. Стеклообразо-
ватели — неорганические полимеры, имеющие сетчатую струк-
туру. Поэтому стекла обладают чертами полимерных структур и
соответствующими физико-механическими свойствами, харак-
терными для полимерных материалов.
Сырьем для производства стекла служат кварцевый песок,
кальцинированная сода, доломит, мел, известняк, полевой шпат,
нефелиновый концентрат. Иногда для удаления воздушных пу-
зырей в стекломассу вводят осветлители (хлорид или сульфат
натрия), для придания светорассеивающих свойств - глушители
(соединения фтора или фосфора) и для окрашивания - красите-
ли (оксиды цветных металлов, хлорное золото АиС13, соединения
серебра AgNO3 и др.).
Производство стекла состоит из подготовки сырьевых мате-
риалов (сушка, дробление, фракционирование), приготовления
шихты, варки стекломассы, изготовления стеклянных материа-
лов и изделий. Варку подготовленной шихты производят в ван-
ных печах непрерывного или периодического действия при тем-
пературе 1400... 1500 °C. В процессе нагрева шихты вначале
происходит разложение, затем - плавление составляющих ком-
понентов. Потом идут сложные реакции силикате- и стеклообра-
зования, осветление и гомогенизация расплава. Стекловарение
завершается охлаждением стекломассы до температуры, позво-
ляющей формовать из нее изделия. Для оконного стекла - это
950... 1100 °C.
Формование изделий из стекломассы производят прессовани-
ем, выдуванием, прокатом, вытягиванием, центробежным спосо-
бом, на расплаве металла. Наиболее распространенное оконное
168
стекло производится способом горизонтального вытягивания
ленты из вязкой стекломассы поверх слоя расплавленного олова,
находящегося в специальной ванне. Это так называемый флоат-
процесс (от английского float - плавать), который обеспечивает
получение полированной поверхности листового стекла (рис. 34).
Рис. 34. Схема установки для про-
изводства стекла по способу фло-
ат-процесса; 1 - стекловаренная
печь; 2 - лоток для слива стекла;
3 - флоат-ванна; 4 - место пода-
чи газов защитной атмосферы; 5 -
печь отжига; 6 - расплав олова
При охлаждении стекла вследствие его низкой теплопровод-
ности в нем возникают большие градиенты температур, вызы-
вающие внутренние напряжения. Наиболее опасным моментом,
с этой точки зрения, является переход стекла от вязкопластиче-
ского состояния к хрупкому, поэтому для снятия внутренних
напряжений после формования производят отжиг-охлаждение
по специальному режиму.
8.2. Материалы и изделия из стекла
Стекло - экологически чистый материал; стеклянные отходы
могут повторно перерабатываться в изделия, а в раздробленном
состоянии оно не является загрязняющим элементом в приро-
де, так как состав стекла близок к составу изверженных горных
пород.
В строительстве стекло применяют главным образом для ос-
текления световых проемов (листовое оконное, витринное, зака-
ленное, армированное и др.), как отделочный материал (цветные
листы, крупные и мелкие плитки), а из стеклянного волокна по-
лучают стеклопластики и стекловолокнистые теплоизоляцион-
ные изделия. Штучные стеклянные изделия (стеклянные пусто-
телые блоки и стеклопрофилит) используют для устройства све-
топрозрачных ограждающих конструкций.
Листовое оконное стекло — наиболее распространенный вид
плоского стекла. Его выпускают толщиной 2...6 мм и более
169
и размерами от 250x250 до 2000x2200 мм. Оно имеет светопро-
пускание 84...90 %. Листовое стекло производится нескольких
разновидностей.
Узорчатое стекло получают способом непрерывного прока-
та, причем одна сторона стекла гладкая, а другая - тисненая,
узорчатая.
Армированное стекло изготовляют методом непрерывного
проката с одновременным закатыванием внутрь листа металли-
ческой сетки. Армированное стекло может иметь гладкую или
узорчатую поверхность, быть бесцветным или цветным.
Армированное стекло применяется для остекления фонарей
верхнего света, оконных переплетов, перегородок, ограждения
балконов, лестничных маршей. Его устанавливают на эластич-
ных прокладках из морозостойкой резины или нетвердеющих
мастиках.
Цветное листовое стекло получают из окрашенной стекло-
массы. Оно может быть однослойным - окрашенным полностью
в массе или изготовленным из двух слоев, соединенных при
формовании, - основного, более толстого бесцветного, и тонкого
цветного. Применяют для декоративного остекления световых
проемов помещений, художественного оформления фасадов и
других целей.
Солнцезащитные стекла - это листовые стекла, задержи-
вающие инфракрасные и другие тепловые лучи. Их выпускают
теплопоглощающими, окрашенными в массе оксидами метал-
лов, и солнцезащитными с покрытиями из оксидов металлов,
прозрачными для видимых лучей и поглощающими часть ин-
фракрасного солнечного излучения.
Солнцезащитные теплопоглощающие стекла получают вве-
дением в стекломассу добавок оксида железа, оксидов меди, ко-
бальта, которые окрашивают ее в зеленовато-голубоватые или
серые тона. Их светопропускание составляет 65...75 %, про-
пускание инфракрасных лучей - 30.. .35 %.
К особым видам теплопоглощающих солнцезащитных стекол
относят фотохромные, обеспечивающие автоматическое регули-
рование теплопоступлений в помещение. Их получают из на-
триево-боро-алюмосиликатного стекла путем введения добавок
серебра, церия, европия. При воздействии солнечных лучей они
170
темнеют, при снижении радиации светопрозрачность восстанав-
ливается. Применяют их для остекления административных и
производственных зданий.
Солнцезащитные с покрытиями стекла получают нанесением
на поверхность стекла методом электромагнитного напыления в
вакууме или в процессе производства «горячим» способом тон-
ких прозрачных металлических, окиснометаллических, керами-
ческих или полимерных покрытий. Наибольшее распростране-
ние получили стекла с пленочным окисным покрытием - ти-
тановым, кобальтовым, железистым, оловянно-сурьмяным.
Они снижают теплопотери зимой и теплопоступление летом
в 1,3 раза. При нанесении «мягких» пленок стекла используют
для получения стеклопакетов.
Закаленное стекло получают с помощью термической обра-
ботки листового. Стекло нагревают до температуры 640 ±10 °C,
а по строго заданному режиму охлаждают либо в потоке возду-
ха, либо при обработке стекла различными жидкостями и рас-
плавами металлов.
Режим охлаждения выбирают таким образом, чтобы создать
в поверхностном слое стекла остаточные напряжения сжатия. В
результате прочность на удар и изгиб по сравнению с обычным
стеклом повышается в 5...6 раз. Применяют его в основном для
остекления транспортных средств. Кроме закаленного стекла
производят и безопасное стекло триплекс, состоящее из двух
листов оконного стекла, между которыми имеется полимерная
пленка.
Стеклопакеты изготовляют из герметически соединенных
двух и более листов. Между стеклами оставляется воздушная
прослойка толщиной от 9 до 20 мм. Соединение листов в стек-
лопакет может осуществляться склейкой, пайкой или сваркой.
Стеклопакеты имеют повышенные тепло- и звукоизоляционные
свойства. Их применяют для остекления зданий.
Стеклянные пустотелые блоки производят из обычной (бес-
цветной или цветной) стекломассы на пресс-автоматах, которые
формуют половинки блоков и сваривают их при высокой темпе-
ратуре. При охлаждении до комнатной температуры в стекло-
блоке создается частичное разрежение, улучшающее его тепло-
изоляционные свойства (коэффициент теплопроводности блоков
171
составляет 0,46 Вт/(м • °C). Блоки выпускают квадратной (194
х 194x98 или 244x244x98 мм) и прямоугольной (294x194x98 мм
форм.
Применяют блоки для устройства светопрозрачных огражде
ний зданий, остекления лифтовых шахт, в архитектурно
декоративных целях. Ограждение из стеклоблоков выкладываю
на цементном растворе с армированием стальной проволокой i
вертикальном и горизонтальном направлениях (рис. 35). <
а 6
я
Рис. 35. Световой проем из стеклоблоков
(а) и узел соединения стеклоблоков (б):
1 - стеклоблоки; 2 - цементный раствор '
Стеклопрофилит - профильное стекло швеллерного или ко-
робчатого сечения. Может быть бесцветным и цветным, неарми-
рованным и армированным, с гладкой, узорчатой и рифленой
поверхностью.
Коробчатое стекло выпускается шириной 244 и 294, высотой
50 и толщиной 5,5 мм, швеллерное имеет ширину 244 и 294, вы-
соту соответственно 35 и 50 и толщину 5,5 мм. Применяют про-
фильное стекло для устройства ненесущих стен, перегородок,
прозрачных кровель. Стеклопрофилит устанавливают в метал-
лическую или железобетонную обойму в вертикальном положе-
172
Iв; швы между профильными элементами и участки их сопря-
:ния с материалом обоймы герметизируют нетвердеющими
стиками или эластичными прокладками. Ограждения из стек-
профилита отличаются высокими тепло- и звукоизоляцион-
гми свойствами и пропускают внутрь помещения мягкий рас-
^^^Ксянный свет.
Стеклянные трубы изготовляют из'прозрачного стекла диа-
Ьетром от 40 до 200 мм и длиной 1500...3000 мм. Они обладают
Высокой коррозионной стойкостью, водонепроницаемостью. Их
йкожно эксплуатировать при температуре от -50 до +100 °C и
давлении до 0,6 МПа. Стеклянные трубы нашли широкое при-
менение в химической и пищевой промышленности.
f Плитки коврово-мозаичные выполняют из глушенного в мае-
ice стекла в виде ковров на бумажной основе методом непрерыв-
ного проката или прессования из стеклянного порошка с после-
дующим отжигом. Прокатные плитки выпускают в основном
размером 21x21x4,5 мм, прессованные - 22x22x5 мм. Применя-
ют их для наружной отделки зданий.
Стемалит представляет собой листовое стекло, окрашенное
с внутренней стороны керамической эмалью разных цветов. За-
крепление краски на стекле и упрочнение стекла (закалка) про-
исходят при помощи термической обработки. Применяется сте-
малит для облицовки фасадов, внутренних стен и перегородок
зданий, для ограждений балконов, лоджий.
Марблит - прямоугольные или квадратные плиты, изготов-
ленные из цветного глушеного стекла. Наружная поверхность
плит обычно полированная, внутренняя - рифленая. Стекломра-
мор имеет мраморовйдную окраску и является разновидностью
марблита. Марблит применяется для облицовки фасадов и внут-
ри зданий.
Смальтой называют кусочки цветного глушеного стекла не-
правильной формы и наибольшим размером (20 мм). Ее отлива-
ют в виде плит, которые затем разбивают на кусочки. Приме-
няют смальту для отделки фасадов, изготовления мозаичных
панно.
173
8.3. Стеклокристаллические материалы
К стеклокристаллическим материалам относят ситаллы,
шлакоситаллы и стеклокремнезит, каменное литье. Общим
признаком этих материалов является наличие как стекловидной,
так и кристаллической составляющих. В массе стекла равномер-
но распределены кристаллы размером 0,01...0,1 мкм в количест-
ве примерно 50...90 % по объему. Благодаря особенностям
строения стеклокристаллические материалы обладают более
высокими физико-механическими свойствами. Например, проч-
ность на сжатие у ситаллов - 1000... 1600 МПа, плотность -
2500...2750 кг/м3, температура размягчения - 900... 1200 °C,
прочность на растяжение - 25.. .500 МПа.
Процесс изготовления ситаллов включает варку стекла опре-
деленного состава, формование из него прокатом или прессова-
нием изделии и специальную термообработку Их нагревают и
выдерживают при температуре, соответствующей образованию
центров кристаллизации, а затем при температуре максимальной
скорости роста кристаллов. Изменяя время и температуру тер-
мообработки, можно получать кристаллы необходимых разме-
ров и нужное количество кристаллической фазы.
Шлакоситаллы получают введением в огненно-жидкие шла-
ки катализаторов кристаллизации - TiO2, CaF2, Р2О5 и др. Они
имеют предел прочности при сжатии 90... 130 МПа, высокую
химическую стойкость, низкую истираемость - 0,013...0,03 г/см2.
В строительстве применяют листы и плиты из прокатного
белого и черного шлакоситалла, а также цветные изделия, полу-
чаемые путем нанесения на поверхность шлакоситалла силикат-
ных красок. Шлакоситаллы применяют для наружной и внут-
ренней облицовки стен, колонн, устройства покрытий полов,
особенно в зданиях с высокой влажностью и агрессивной сре-
дой, для футеровки желобов, бункеров, химической аппарату-
ры и др.
Стеклокремнезит - это полистеклокристаллический много-
слойный декоративно-отделочный материал, изготовляемый на
основе кремнеземистых отходов промышленности по комбини-
рованной порошковой технологии.
Для получения стеклокремнезита в огнеупорную форму за-
сыпают тонкий слой песка, затем - смесь цветного стеклограну-
174
лята с песком, а сверху - тонкий слой цветного стеклогранулята.
Смесь подвергают термообработке в туннельной печи, где про-
исходят спекание гранул, кристаллизация и отжиг изделий. На-
ружную поверхность изделий подвергают огневой полировке,
в результате чего она приобретает высокие декоративные свой-
ства - имитирует природный камень.
Стеклокремнезит применяют для наружной и внутренней об-
лицовки стен, настилки полов. Нижняя поверхность плит - рва-
ная, содержит включения кварцевого песка и по температурному
коэффициенту объемного расширения близка к бетону, что вы-
годно отличает стеклокремнезит от стекла и обеспечивает на-
дежное сцепление с бетонами и растворами.
Каменное литье - это искусственный материал, получаемый
расплавлением при 1400.. .1500 °C горных пород с последующей
тепловой обработкой разлитого по формам расплава. В зависи-
мости от сырья и цвета различают каменное литье: темное - из
вулканических горных пород (базальт и диабаз - 88 %) и метал-
лургических шлаков (12 %); светлое - из кварцевого песка и
осадочных горных пород (кварцевый песок - 46 %, доломит -
32, известняк - 22 %). После охлаждения для снижения напря-
жений и образования кристаллической структуры изделия отжи-
гают при температуре 800.. .900 °C.
Ввиду высокой химической стойкости, долговечности, проч-
ности (Ясж = 300...400 МПа), низкой истираемости и разнообра-
зия расцветок из каменного литья выполняют простые и слож-
ные изделия для цокольных частей зданий, карнизных и балкон-
ных плит, различные рельефные изделия. Темнолитые изделия
используют как антикоррозийное покрытие пола, светлолитые -
для облицовки стен зданий.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие материалы называют стеклом? Назовите его свойства.
2. Что служит сырьем для производства стекла?
3. Какими способами производят из стекломассы изделия?
4. Какие существуют разновидности листового стекла?
5. Назовите отделочные материалы из стекла и способы их производства.
6. В чем заключаются особенности строения и свойства стеклокристалли-
ческих материалов?
7. Как получают и где применяют ситаллы и шлакоситаллы?
8. В чем преимущества стеклокремнезита по сравнению с изделиями из
стекла? Как его получают?
9. Что такое каменное литье и где его используют?
175
Г л а в a 9. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
9.1. Основные сведения о минеральных вяжущих веществах
и их классификация
Минеральные вяжущие вещества - это тонкоизмельчен-
ные порошкообразные материалы, образующие при смешивании
с водой пластичное тесто, которое самопроизвольно или в опре-
деленных условиях постепенно затвердевает и переходит в
камневидное состояние. Таким образом, вяжущие вещества
могут скреплять между собой камни (например, кирпич) или
зерна песка, гравия и щебня. Это свойство вяжущих веществ
используют для приготовления на их основе растворов, бетонов,
безобжиговых искусственных каменных материалов и изделий.
Минеральные (неорганические) вяжущие вещества получают
путем обжига в печах природных каменных материалов (извест-
няков, гипса, ангидрита, доломита, магнезита) или их смесей с
глиной. Куски, полученные после обжига, с помощью помола
превращают в тонкий порошок. Чем меньше размер зерен после
помола, тем выше активность (качество) вяжущего.
В зависимости от условий твердения минеральные вяжущие
подразделяют на воздушные, гидравлические, кислотостойкие и
вяжущие автоклавного твердения.
Воздушные вяжущие твердеют и длительное время сохра-
няют свою прочность только на воздухе. К ним относят воздуш-
ную известь, гипсовые, магнезиальные вяжущие и жидкое стек-
ло. Во влажных условиях они теряют свою прочность, поэтому
их применяют только в сухих условиях эксплуатации.
Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное
время сохранять прочность как на воздухе, так и в воде. Для эф-
фективного твердения гидравлических вяжущих необходимо,
чтобы в твердеющем материале постоянно была вода; в сухих
условиях процесс твердения приостанавливается. В сухих усло-
виях вяжущее теряет большую часть воды затворения, и хими-
ческие реакции, благодаря которым формируется прочность ма-
териала, замедляются. В благоприятных условиях, когда влаж-
ность окружающей среды достаточна, или в воде гидравличе-
176
ские вяжущие со временем повышают прочность. К ним отно-
сят: гидравлическую известь, портландцемент и его разновидно-
сти, глиноземистый цемент и др.
Кислотостойкие вяжущие после затворения их водным рас-
твором силиката натрия (жидкого стекла) затвердевают на воз-
духе. Затем они длительное время сохраняют прочность при
воздействии некоторых кислот. Эти материалы теряют проч-
ность в воде, а в среде едкой щелочи разрушаются.
Вяжущие автоклавного твердения - разновидность гид-
равлических вяжущих. Прочность их формируется только при
повышенной температуре (175... 180 °C) и обязательно в среде
насыщенного водяного пара, т. е. в условиях автоклавной обра-
ботки (при давлении 0,8... 1,5 МПа). В группу этих вяжущих
входят нефелиновый цемент, известково-кремнеземистые, из-
вестково-зольные, известково-шлаковые вяжущие и др.
По химическому составу минеральные вяжущие вещества
подразделяют на следующие основные группы: строительная
известь, гипсовые вяжущие, цементы, смешанные вяжущие,
магнезиальные вяжущие, жидкое (растворимое) стекло.
9.2. Портландцемент
Из всех вяжущих веществ важнейшим является портландце-
мент - один из основных строительных материалов, без которо-
го невозможно получить бетон, железобетонные конструкции,
высококачественные растворы для каменных кладок и штука-
турок.
Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, по-
лучаемое тонким измельчением клинкера и небольшого количе-
ства гипса. Клинкер получают обжигом до спекания при темпе-
ратуре 1450... 1500 °C сырьевой смеси, состоящей из известняка
и глины. Для регулирования сроков схватывания цемента к
клинкеру при помоле добавляют гипсовый камень в количестве
1.. .4 % от массы цемента в расчете на SO3. От качества клинкера
зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее
нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуата-
ционных условиях.
12. Зак. 508
177
9.2.1. Производство портландцемента
Изобретение портландцемента связывают с именами Джозе-
фа Аспдина и российского военного техника Егора Герасимовича
Челиева. Каменщику из английского города Лидса Дж. Аспдину
в декабре 1824 г. был выдан патент на изготовление вяжущего
вещества путем обжига смеси извести с глиной. За сходство по
цвету с естественным камнем из каменоломен близ города
Портленда Дж. Аспдин назвал это вяжущее портландцементом.
Сырьевыми материалами для изготовления портландцемент-
ного клинкера служат карбонатные и глинистые горные породы.
Главное химическое соединение карбонатных пород (известня-
ка, мела) - карбонат кальция СаСО3. Глинистые породы (в ос-
новном глины) содержат различные алюмосиликаты типа
А12О3 • mSiO2 • «Н2О. Для получения клинкера исходные сырье-
вые материалы берут примерно в соотношении 1 : 3, т. е. на 1 мае. ч.
глины должно приходиться 3 мае. ч известняка. Близок к этому
составу мергель - осадочная горная порода, представляющая
собой смесь известняка с глиной. В сырьевую смесь вводят кор-
ректирующие добавки. Недостаток кремнезема компенсируют
введением диатомита, трепела, опоки; содержание оксидов же-
леза увеличивают добавкой руды или колчеданных огарков.
Производство портландцемента включает следующие техно-
логические операции: приготовление сырьевой смеси, ее об-
жиг и получение клинкера, помол клинкера с добавкой гипса
(рис. 36).
В зависимости от методов приготовления смеси различают
мокрый и сухой способы производства цемента. При мокром
способе сырье смешивают и измельчают в присутствии воды.
Затем смесь в виде шлама, содержащего 40...50 % воды, обжи-
гают во вращающихся печах. При сухом способе сырьевые мате-
риалы высушивают, измельчают, смешивают и обжигают в су-
хом виде (влажность - 1.. .2 %).
При мокром способе достигается высокая однородность сме-
си, однако затраты топлива на обжиг в 1,5...2 раза выше, чем
при сухом.
178
Рис. 36. Технологическая схема производства портландцемента
мокрым способом
179
12*
Подготовленную к обжигу сырьевую смесь подают во вра-
щающуюся печь (рис. 37), представляющую собой стальную
обечайку длиной 150 или 185 м и диаметром 4 или 5 м. Изнутри
труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь установле-
на под небольшим (3...4°) уклоном к горизонту и вращается
(1...2 об/мин), благодаря чему сырьевая смесь постепенно пере-
мещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается
топливо. Максимальная температура обжига - 1450 °C. При та-
ких высоких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся
в результате разложения известняка, взаимодействует с кислот-
ными оксидами SiO2, А12О3 и Fe2O3, образующимися при разло-
жении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь
и спекаясь друг с другом, образуют так называемый порт-
ландцементный клинкер - пористые гранулы серого цвета
Г,°C 100 100...800 800...1200 1200...1350 1350... 1450 . 1200.. .25
... 1ZUUU
Зоны Сушки Дегидра- Декарбо- Твердофа- Спекания Охлаж- Резкого
тации низании зовых взаи- дения охдажде-
модействий ния
Рис. 37 Схема вращающейся печи для получения цементного клинкера: 1 -
подача дымовых газов на очистку; 2 - течка для подачи шлама; 3 - вращаю-
щийся цилиндр; 4 - холодильник (может не являться составной частью печи,
а запечным устройством); 5 - форсунка; 6 - факел
В настоящее время наиболее распространен сухой способ
производства цемента. В конечном итоге качество портландце-
мента зависит от тщательности подготовки сырья, условий об-
жига, режима охлаждения и его химического и минералогиче-
ского составов.
Основными минералами портландцементного клинкера яв-
ляются:
алит - трехкальциевый силикат ЗСаО - SiO2 (или сокращен-
но C3S) - содержится в количестве 45...65 %. Это - самый важ-
180
ный минерал клинкера, определяющий время твердения, проч-
ность и другие свойства портландцемента;
белит - двухкалъциевый силикат 2СаО • SiO2 (или C2S) - со-
держится в количестве 20...35 %. Он медленно твердеет, при
этом выделяется очень мало теплоты;
целит - трехкалъциевый алюминат ЗСаО • А12О3 (или С3А) —
содержится в количестве 4... 12 %. Он очень быстро гидратиру-
ется и твердеет, выделяя большое количество теплоты, но имеет
небольшую прочность и малую стойкость против воздействия
сернокислых соединений;
четырехкадъциевый алюмоферрит (браунмиллерит) 4СаО •
• А12О3 Fe2O3 (или C4AF) - содержится в количестве 10...20 %,
по времени гидратации занимает промежуточное положение
между алитом и белитом, обладает средней прочностью.
Для получения портландцемента клинкер размалывают в
трубных или шаровых мельницах с гипсом (1,5...3,5 % в расчете
на SO3 природного гипса CaSO4 • 2Н2О) и другими добавками.
Свойства портландцемента зависят от его минералогического
состава и тонкости помола клинкера.
9.2.2. Схватывание и твердение портландцемента
При смешивании портландцемента с водой образуется пла-
стичное, легко формуемое тесто (гель), постепенно загустеваю-
щее (схватывающееся) и переходящее в камневидное состояние.
Процесс твердения цемента в соответствии с теорией тверде-
ния вяжущих, разработанной академиком А. А. Байковым, ус-
ловно разделяется на три периода: подготовительный, коллои-
дации и кристаллизации.
В подготовительном периоде частицы цемента смачиваются
водой и растворяются с поверхности; со временем образуется
насыщенный раствор. В этот период, длившийся 1 ...3 ч, цемент-
ное тесто пластично и легко поддается формованию. Основные
минералы клинкера в растворе с водой гидратируются по
следующим уравнениям:
ЗСаО • SiO2 + 5Н2О = 2СаО • SiO2 • 4Н2О + Са(ОН)2;
2СаО • SiO2 + 4Н2О = 2СаО • SiO2 • 4Н2О;
ЗСаО - А12О3 + 6Н2О = ЗСаО • А12О3 • 6Н2О;
4СаО • А12О3 • Fe2O3 + дН2О = 4СаО • А12О3 • Fe2O3 • «Н2О.
181
В период коллоидации концентрация гидратных новообразо-
ваний в растворе возрастает. Образующиеся соединения (ново-
образования) отличаются меньшей растворимостью, чем мине-
ралы клинкера. Поэтому раствор, насыщенный по отношению к
исходным соединениям, является пересыщенным по отношению
к новообразованиям. Гидратные новообразования в виде мель-
чайших коллоидных частичек - субмикрокристаллов - выделя-
ются из раствора, образуя цементный гель.
Возникновение большого количества геля приводит к загус-
теванию цементного теста, которое утрачивает пластичность.
Момент загустевания (схватывания) цементного теста наступа-
ет через 3...5 ч после затворения цемента водой. Прочность за-
густевшего теста в этот период еще невелика.
Начало схватывания характеризуется формированием обра-
тимой коагуляционно-кристаллизационной структуры цемент-
ного камня, когда отдельные частицы сцеплены в звенья, цепоч-
ки, пространственные сетки через жидкие прослойки ван-дер-
ваальсовыми силами. Под действием механических воздействий
такие структуры способны тиксотропно разжижаться и восста-
навливать свою структуру после снятия воздействия.
В цементе, состоящем из одного клинкера, потеря пластич-
ности (схватывание) наступает через несколько минут. Природ-
ный гипс, растворившись, взаимодействует с трехкальциевым
алюминатом и водой с образованием гидросульфоалюмината
кальция
ЗСаО • А12О3 + 3CaSO4 +31Н2О = ЗСаО • А12О3 • 3CaSO4 • 31Н2О.
Последний выкристаллизовывается в непосредственной бли-
зости от цементных зерен и создает на них оболочки, которые
затрудняют дальнейшую гидратацию минералов и замедляют
схватывание цемента. В процессе гидратации оболочки разру-
шаются, после чего скорость гидратации цемента возрастает.
Так как гипс вводят в ограниченном количестве, замедляющее
действие его на гидратацию сказывается только в начальный
период твердения.
Период кристаллизации характеризуется дальнейшей гидра-
тацией цемента. Гель постепенно преобразуется в кристалличе-
ские сростки. Формируется конденсационно-кристаллизацион-
182
ная структура цементного камня с химическими связями между
частицами. Цементный гель теряет значительное количество
воды, и наступает конец схватывания. Число и площадь поверх-
ности контактов в кристаллах новообразований увеличиваются,
что приводит к заметному росту прочности цементного камня.
Структура теряет способность тиксотропно разжижаться и вос-
станавливаться после снятия механического воздействия.
Процессы растворения и гидратации минералов клинкера и
кристаллизации новообразований протекают долгие годы. Кри-
сталлический сросток, гель и непрогидратированные зерна це-
мента образуют цементный камень. В его структуру входят так-
же поры и капилляры, образованные водой, химически не про-
реагировавшей с цементом.
Приведем наиболее важные выводы из рассмотренного ме-
ханизма твердения портландцемента.
Все химические реакции взаимодействия клинкерных минера-
лов с водой - экзотермические, т. е. сопровождаются выделени-
ем теплоты. Экзотермия цемента может рассматриваться и как
положительное явление (например, при ускорении твердения
цемента, зимнем бетонировании), и как отрицательное (при бе-
тонировании массивных конструкций или при производстве ра-
бот в жаркую сухую погоду).
До окончания схватывания структура цементного геля спо-
собна обратимо восстанавливаться после снятия механическо-
го воздействия. Это позволяет после затворения цемента водой,
например в растворных и бетонных смесях, сохранить формо-
вочные свойства и по истечении некоторого времени укладывать
смеси в конструкции (формовать изделия).
В процессе взаимодействия трехкальциевого силиката с во-
дой образуется гидроксид кальция. Это значит, что в результате
твердения в цементном камне всегда возникает щелочная среда.
В щелочной среде (при pH > 12,5) не происходит коррозии же-
леза. Поэтому бетоны на портландцементе (и его разновидно-
стях) хорошо защищают стальную арматуру от коррозии. Это -
одно из условий долговечности железобетона.
Однако Са(ОН)2 сравнительно легко подвергается коррозии в
агрессивных средах и даже может вымываться водой. Поэтому
для повышения стойкости бетона к коррозии в цемент вводят
183
минеральные добавки, связывающие Са(ОН)2 в более стойкие
соединения. Таким путем получают, например, пуццолановый
цемент.
Затворение цементного порошка водой - это необходимое
условие образования прочного цементного камня, но избыточное
количество не увеличивает, а уменьшает его прочность. Это вы-
звано тем, что цемент способен химически связывать не любое,
а строго ограниченное количество воды - максимум 25...30 %
(от массы сухого цемента). Химически связанная вода входит в
состав твердой фазы - новообразований цементного камня.
Вся остальная вода, содержащаяся в цементном тесте, а за-
тем - камне, остается в жидком состоянии. Впоследствии, при
высыхании бетона, вода испаряется, в результате чего в струк-
туре цементного камня образуется система тончайших пор. Чем
больше введено при затворении воды, тем большей окажется
пористость и, следовательно, ниже прочность и стойкость це-
ментного камня и бетона.
9.2.3. Свойства портландцемента
Свойства портландцемента зависят от его химико-минера-
логического состава и тонкости помола. С увеличением содер-
жания в цементе трехкальциевого силиката ускоряется набор
прочности и растет ее величина, так как продукты, образующие-
ся при его твердении, обладают наивысшей прочностью из
всех продуктов твердения цемента. С повышением содержа-
ния двухкальциевого силиката рост прочности в первые дни
протекает медленно с последующим постепенным увеличением
в течение длительного периода. Цементы, содержащие повы-
шенное количество двухкальциевого силиката, более стойки
к действию природных вод и попеременному замораживанию
и оттаиванию.
В цементах с увеличенным содержанием трехкальциевого
алюмината ускоряются сроки схватывания и рост прочности в
первые дни твердения, снижаются морозостойкость и стойкость
к действию агрессивных природных вод. Цементы с содержани-
ем трехкальциевого алюмината менее 5 % называют низкоалю-
минатными, более 8 % - высокоалюминатными.
184
С повышением тонкости помола цемента сокращаются сроки
его схватывания, возрастают активность и интенсивность роста
прочности.
Ниже приведены основные свойства и показатели портланд-
цемента.
Плотность зерен р портландцемента колеблется в пределах
3050...3150 кг/м3.
Насыпная плотность ри зависит от степени уплотнения. Для
рыхлонасыпанного цемента она составляет 900... 1100 кг/м3,
сильно уплотненного - 1600 кг/м3. В расчетах принимают значе-
ние рн= 1300 кг/м3.
Тонкость помола портландцемента оказывает большое влия-
ние на его скорость твердения, прочность. Тонкость помола ха-
рактеризуют зерновым составом портландцемента и удельной
поверхностью. Зерновой состав определяют по ГОСТ 310.2-76
путем просеивания пробы цемента через сито № 008; при этом
не менее 85 % пробы должно пройти через сито.
Тонкость помола цемента характеризуется также удельной
2
поверхностью порошка - площадью зерен, см , в одном грамме.
Удельная поверхность обычного портландцемента составляет
2600...3200 см2/г.
Водопотребность цемента характеризуют относительным
количеством воды (в %) для получения цементного теста нор-
мальной густоты. Содержание воды в тесте нормальной густоты
соответствует ее максимальному количеству, которое цемент
может удерживать с помощью химических и физико-хими-
ческих (адсорбционных и капиллярных) сил. Поскольку в таком
тесте еще нет водоотделения, цементное тесто нормальной гус-
тоты, скатываемое в шарик, не прилипает к ладони. Водопо-
требность цемента составляет 22...28 %.
Чем меньше нормальная густота цемента, тем легче получить
бетонную смесь с меньшим водоцементным отношением, а бе-
тон - с меньшей пористостью и большей прочностью. И наобо-
рот, с увеличением нормальной густоты, например у пуццолано-
вого цемента она составляет 30 % и более, растет пористость и
снижается морозостойкость бетона.
Сроки схватывания цементного теста нормальной густоты
определяют на приборе Вика по глубине проникания иглы. На-
185
чало схватывания должно наступать не ранее чем через 45 мин,
конец схватывания - не позднее 10 ч от начала затворения. Эти
показатели определяют при температуре 20 ± 2 °C. Схватывание
портландцемента обычно наступает через 1...2 ч, а заканчивает-
ся - через 4...6 ч. На сроки схватывания портландцемента влия-
ют его минералогический состав, тонкость помола, температура
теста, содержание воды и другие факторы.
Если бетонную или растворную смесь укладывать после на-
чала схватывания, то, утратив пластичность, она при укладке
будет деформироваться с нарушением сплошности структуры. В
результате в теле бетона образуются разрывы, трещины и другие
дефекты механического происхождения, что отрицательно ска-
жется на прочности и долговечности конструкции.
На стройплощадке конец схватывания цемента в бетонной
или растворной смеси (первоначально пластичной консистен-
ции) можно установить следующим образом. Смесь набирают в
руку и сжимают. После окончания схватывания на поверхности
смеси при сжатии не блестит вода, а комок смеси растрескивает-
ся или рассыпается.
Сроки схватывания увеличиваются, если для затворения це-
мента взято больше воды. При ее избытке возрастает объем про-
странства в тесте, которое должно быть заполнено новообразо-
ваниями. Увеличивать количество воды в тесте или бетонной
смеси ради удлинения сроков схватывания нерационально, так
как прочность затвердевшего камня (бетона) тем меньше, чем
больше введено воды. Целесообразно применять для этого спе-
циальные добавки - замедлители схватывания.
В практике бетонных работ иногда наблюдается ложное
схватывание цемента, т. е. загустевание цементного теста или
бетонной смеси в сроки, гораздо более короткие, чем преду-
смотрено стандартом (ранее 45 мин). Это объясняется тем, что в
состав такого цемента входит полуводный гипс, а не гипсовый
камень. Полуводный гипс быстро взаимодействует с водой, об-
разуя пространственную малопрочную структуру, что и при-
водит к потере пластичности цементного теста уже через
10...20 мин после затворения. При последующем перемешива-
нии, особенно с небольшой добавкой воды, тесто восстанавли-
вает пластичность и затвердевает как обычно.
186
Чтобы не допустить ложного схватывания, помол и хранение
цементов осуществляют при пониженной температуре. Нельзя
также допускать смешивание цементов разных видов.
Равномерность изменения объема при твердении - одно из
необходимых свойств портландцемента. Если в составе цемента
содержатся свободные оксиды кальция и магния - СаО и MgO,
то при взаимодействии с водой в местах их расположения объем
цементного камня увеличивается, что вызывает его коробление
или растрескивание. Цементы должны выдерживать испытание
на равномерность изменения объема при испытании образцов
кипячением в воде. Содержание оксида магния MgO в исходном
клинкере должно быть не более 5 %.
Тепловыделение, сопровождающее твердение портландце-
мента, обусловлено тем, что все реакции взаимодействия мине-
ралов цементного клинкера с водой экзотермичны. При укладке
небольших объемов сильного разогрева бетона обычно не про-
исходит, поскольку процесс растянут во времени и теплота теря-
ется в окружающую среду. При твердении изделий в закрытом
объеме (камерах тепловой обработки) тепловыделение может
использоваться для ускорения твердения бетона.
Прочность портландцемента характеризуют маркой, кото-
рую устанавливают по пределу прочности при сжатии и изгибе
образцов-балочек размером 40x40x160 мм, испытанных в воз-
расте 28 сут. твердения. Балочки изготовляют из цементно-
песчаного раствора состава 1 : 3 (цемент : нормальный (Воль-
ский) песок) стандартной консистенции при водоцементном от-
ношении В/Ц = 0,4. Образцы твердеют на воздухе (над водой)
в течение 1 сут. и в воде комнатной температуры (без форм) -
27 сут. Через 28 сут. балочки испытывают на изгиб, а образо-
вавшиеся при этом половинки балочек - на сжатие. Среднее
арифметическое значение предела прочности при сжатии, опре-
деленное по четырем наибольшим значениям, называют актив-
ностью цемента. Марку цемента устанавливают по пределу
прочности при сжатии и изгибе в соответствии с табл. 5. Если
один из них меньше указанного в табл. 5, то цемент относят к
меньшей марке. Например, при испытании получены значения
7?сж =52 МПа и RK = 6,3 МПа. Следовательно, цемент будет мар-
ки 500 (а не 550).
187
Прочность портландцемента
Таблица 5
Марка цемента Предел прочности через 28 сут., МПа, не менее
при изгибе при сжатии
400 5,4 39,2
500 5,9 49,0
550 6,1 53,9
600 6,4 58,8
Прочность цемента при соответствующих условиях внешней
среды со временем возрастает (рис 38). Нормальными условия-
ми твердения цементных материалов (строительного раствора и
бетона) считают температуру 20 ± 2 °C и относительную влаж-
ность воздуха 95...400 %. При понижении температуры замед-
ляются химические реакции взаимодействия цемента с водой.
Это выражается в недоборе прочности (сравните кривые 1 и 2).
Для ускорения твердения бетонные изделия обрабатывают на-
сыщенным паром при температуре 60...90 °C. Пропаривание
позволяет за 10... 15 ч получать отпускную прочность бетона,
составляющую 70... 100 % от проектной 28-суточной (кривая 3).
Тепловую обработку изделий надо проводить в условиях, ис-
ключающих высушивание бетона, так как вода необходима для
синтеза кристаллогидратов цементного камня.
Рис. 38. Кривые роста прочности цемента во времени: 1 - твердение
при температуре 5 °C; 2 - нормальное твердение при 20 °C; 3 - про-
паривание при 85 °C
188
Коррозионная стойкость портландцемента характеризуется
стойкостью цементного камня к действию проточной воды,
а также вод, содержащих растворимые соли или кислоту. Корро-
зия цементного камня приводит к разрушению бетона или рас-
твора.
Встречающиеся в практике коррозии можно разделить на три
вида.
Коррозия первого вида обусловлена растворением и вымыва-
нием (выщелачиванием) гидроксида кальция из цементного
камня. Вслед за этим разлагаются гидросиликаты и гидроалю-
минаты кальция. Такая коррозия развивается наиболее интен-
сивно в мягких водах, содержащих небольшое количество солей.
Наиболее эффективное средство борьбы с выщелачиванием -
введение в состав цемента добавок, связывающих Са(ОН)2 в бо-
лее стойкие соединения. Такие добавки, называемые активными
минеральными, будут рассмотрены в 9.2.5.
Коррозия второго вида обусловлена взаимодействием
Са(ОН)2 и других составных частей цементного камня с агрес-
сивными веществами внешней среды. В результате этого обра-
зуются легкорастворимые соединения, которые вымываются из
цементного камня, тем самым ослабляя его. К этому виду отно-
сится, например, кислотная и магнезиальная коррозии
Под влиянием вод, содержащих угольную кислоту Н2СО3, в
результате ее реакции с гидроксидом кальция образуется хоро-
шо растворимый бикарбонат кальция Са(НСО3)2, который вы-
мывается из цементного камня.
Свободные кислоты встречаются в сточных водах промыш-
ленных предприятий. Кислотная среда может возникнуть при
конденсации на поверхности конструкции влаги, если в атмо-
сфере содержатся агрессивные вещества - хлор, хлорид водоро-
да, сернистый газ. Такая атмосфера характерна для современных
промышленных центров. Попадающая в бетон кислота взаимо-
действует с Са(ОН)2. Образующийся при этом хлорид кальция
легко растворяется в воде и вымывается.
Коррозия третьего вида характеризуется тем, что в резуль-
тате взаимодействия со средой в порах цементного камня возни-
кают новые твердофазные соединения, объем которых намного
больше объема исходных продуктов реакции. Кристаллы этих
189
соединений, увеличиваясь в объеме, давят на стенки пор, вызы-
вая большие внутренние напряжения и растрескивание бетона.
Наиболее ярко коррозия этого вида проявляется при действии на
цементный камень сульфатных вод (сульфатная коррозия), в ре-
зультате чего образуется увеличивающийся в объеме гидро-
сульфоалюминат кальция ЗСаО • А12О3 • 3CaSO4 • 31Н2О, вызы-
вающий растрескивание цементного камня.
В практике редко встречается коррозия одного вида. Кроме
того, трудно разграничивать коррозию, например, первого
и второго видов. Однако почти всегда можно выделить преоб-
ладающий вид коррозии и с учетом коррозионных воздейст-
вий запроектировать мероприятия по защите конструкций от
коррозии.
9.2.4. Разновидности портландцементов
Наряду с обычным портландцементом выпускают большое
количество его разновидностей: быстротвердеющий, пластифи-
цированный, гидрофобный, сульфатостойкий, белый и цветной.
Эти цементы более дорогие и рекомендуются только в тех слу-
чаях, когда их специальные свойства могут быть использованы
с максимальной эффективностью.
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) характеризу-
ется более быстрым нарастанием прочности в первые 3 сут.
твердения. Более быстрое твердение цемента достигается за счет
содержания в клинкере активных минералов (C3S + С3А =
= 60...65 %), а также за счет повышения тонкости помола клин-
кера 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).
Быстротвердеющие портландцементы марок 400 и 500 целе-
сообразно применять при изготовлении сборных высокопрочных
обычных и предварительно напряженных железобетонных изде-
лий и конструкций. Применение быстротвердеющего портланд-
цемента при возведении сооружений из монолитного бетона по-
зволяет значительно сократить сроки выдержки конструкций в
опалубке. При хранении в течение 1...2 месяца БТЦ утрачивает
190
свойство быстро твердеть и набирает прочность, как обычный
портландцемент. Следовательно, хранить БТЦ длительное время
нецелесообразно.
В ряде случаев применять БТЦ нельзя. Из-за высокого со-
держания в клинкере C3S и С3А при гидратации образуется
большое количество Са(ОН)2 и гидроалюминатов кальция, что
делает цементный камень не стойким к химической коррозии.
Поэтому БТЦ применяют лишь для конструкций, работающих в
неагрессивной среде.
Из бетона, изготовленного на БТЦ, не выполняют массивные
конструкции. Чрезмерное тепловыделение вызывает сильный
разогрев ядра таких конструкций, в то время как внешние по-
верхности охлаждаются. Из-за большого перепада температур в
теле бетона могут возникнуть термические напряжения, что
приводит к растрескиванию конструкции.
Для ускорения твердения бетона применяют также цементы с
добавками - крентами. Они содержат безводный трехкальцие-
вый сульфоалюминат, сульфоферрит, смесь сернокислого алю-
миния и сернокислого железа. При помоле клинкера обычно-
го портландцемента вводят 2...5 % добавок. Они не только ус-
коряют твердение, но и повышают прочность цемента на 5...
...10 МПа, т. е. на целую ступень. Применение таких цементов
на заводах и стройках позволит отказаться от пропаривания из-
делий и тем самым сократить затраты топлива и электроэнергии.
Пластифицированный портландцемент (ППЦ) получают
помолом портландцементного клинкера вместе с гипсом и пла-
стифицирующими добавками в виде концентрата сульфитно-
спиртовой барды (ССБ) или кальциевой соли лигносульфоновой
кислоты (ЛСТ) и других добавок в количестве 0,15...0,25 % от
массы цемента. Марки этого цемента 400 и 500. Пластифициро-
ванный цемент придает растворным и бетонным смесям повы-
шенную подвижность по сравнению с обычным портландцемен-
том при одинаковом расходе воды. Эффект пластификации ис-
пользуют для уменьшения воды в бетоне и растворе, повышения
их плотности, морозостойкости и водонепроницаемости. ППЦ
рекомендуется для изготовления бетонов, используемых в до-
рожном, аэродромном и гидротехническом строительстве.
Гидрофобный портландцемент (ГПЦ) получают путем
введения при измельчении клинкера 0,1...0,3 % мылонафта,
191
асидола, синтетических жирных кислот и других гидрофобизи-
рующих добавок.
Цементные зерна, покрытые с поверхности тонким слоем
гидрофобного вещества, не поглощают влагу из атмосферы, и,
следовательно, при хранении на воздухе не происходит гидрата-
ция зерен цемента. При длительном хранении портландцемента
с гидрофобизирующей добавкой активность его снижается не-
значительно.
ГПЦ должен удовлетворять тем же требованиям, что и обыч-
ный портландцемент. Дополнительное требование - невпитыва-
ние капли воды, нанесенной на поверхность пробы цемента, в
течение 5 мин. При перемешивании с водой гидрофобные обо-
лочки на зернах цемента разрушаются. Однако портландце-
мент этого вида несколько замедленно схватывается и набирает
прочность по сравнению с обычным портландцементом. Его
применяют в гидротехническом, дорожном и аэродромном
строительстве.
Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) изготовляют
тонким помолом из клинкера следующего минералогического
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 минералогиче-
ском составе уменьшается возможность образования в цемент-
ном камне (бетоне) под действием сульфатных вод гидросуль-
фоалюмината кальцйя - «цементной бациллы». Его выпускают
марки 400. СПЦ применяют при изготовлении конструкций,
подверженных действию сульфатных вод, а также морозостой-
кого бетона.
Белый портландцемент - вяжущее вещество, твердеющее
на воздухе и в воде, получаемое измельчением белого маложеле-
зистого клинкера, белых минеральных добавок и гипса. Выпус-
кают марок 400 и 500. По степени белизны белый портландце-
мент подразделяют на три сорта с коэффициентом отражения
соответственно не менее 80, 75 и 68 %. Начало схватывания це-
мента должно наступать не ранее чем через 45 мин, конец - не
позднее чем через 12 ч после затворения водой. Тонкость помо-
ла: через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 88 %
массы просеиваемой пробы цемента.
192
Применяют белый портландцемент для архитектурно-
отделочных работ, а также в качестве вяжущего при приготов-
лении окрасочных составов. На его основе при тщательном
смешивании или совместном помоле со щелочестойкими пиг-
ментами получают цветные портландцементы.
Цветной портландцемент - вяжущее вещество, твердеющее
на воздухе и в воде, получаемое путем совместного помола бе-
лого или цветного клинкера (не менее 80 %), минеральных (не
более 15 %) и органических красителей, гипса и активной мине-
ральной добавки (не более 6 %). Органические пигменты вводят
-в количестве не более 0,5 % от массы цемента. Красящие добав-
ки должны быть свето- и щелочестойкими- Введение пигментов
и красителей снижает активность портландцемента.
Цветной портландцемент выпускают марок 300, 400 и 500
желтого, розового, красного, коричневого, зеленого, голубого и
черного цветов. Красный, желтый, коричневый цементы полу-
чают с использованием оксидов железа (охры, железного сурика,
гематита), черный - диоксида марганца, углеродистых пигмен-
тов, зеленый - оксида хрома, фталоцианового пигмента, голу-
бой - ультрамарина.
Цветной портландцемент применяют для архитектурно-отде-
лочных работ, а также в качестве вяжущего при приготовлении
окрасочных составов, для индустриальной отделки стеновых
панелей, подоконников, лестничных ступеней, в дорожных работах.
9.2.5. Портландцементы с активными
минеральными добавками
Портландцемент с минеральными добавками (ПЦД20) из-
готовляют тонким измельчением клинкера и минеральных доба-
вок. В качестве добавок вводят доменные гранулированные
шлаки или активные минеральные добавки осадочного проис-
хождения, но не более 20 % массы цемента. Портландцемент с
минеральными добавками в отличие от портландцемента без
Добавок (ПЦД0) обладает повышенной водостойкостью, мень-
шими тепловыделением и морозостойкостью. Выпускают его
тех же марок, что и портландцемент.
В. Зак. 508
193
Пуццолановый портландцемент получают путем совмест-
ного помола или раздельного помола и последующего смешива-
ния клинкера портландцемента (75...60 %), активной минераль-
ной добавки (20...40 %) и небольшого количества природного
гипса. В качестве активных минеральных добавок применяют
вулканические пеплы (пуццоланы) и туфы, пемзу, диатомит,
опоку, трепел, золу ТЭС и др. Такие добавки содержат кремне-
зем в аморфном состоянии. Активными минеральными добавка-
ми называют вещества, которые при смешивании с известью
придают ей водостойкость или гидравлические свойства.
Активные добавки связывают образующийся при твердении
цемента гидроксид кальция Са(ОН)2 в нерастворимые в воде
гидросиликаты кальция, благодаря чему повышаются коррози-
онная стойкость и водостойкость цементного камня, бетона
и раствора. Пуццолановый портландцемент выпускают марок
300 и 400.
Он рекомендуется для сооружения массивных бетонных кон-
струкций, которые постоянно находятся во влажных условиях
(под водой, в земле), а также для надземных сооружений, нахо-
дящихся в условиях повышенной влажности. Его не следует
применять при зимнем бетонировании (медленно твердеет) и
для конструкций, подвергающихся попеременному заморажива-
нию и оттаиванию (из-за низкой морозостойкости).
Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают тонким измель-
чением портландцементного клинкера (20...79 %), природного
гипса (до 5 %) и доменного гранулированного (быстроохлаж-
денного, содержащего кремнезем в аморфном виде) шлака
(20...80 %). Доменные шлаки - массовые побочные продукты
при выплавке чугуна. Шлак переводят из огненно-жидкого в
твердое состояние путем быстрого охлаждения в воде или с по-
мощью водяного пара. Эта операция называется грануляцией,
так как шлаковый расплав распадается на отдельные гранулы.
Самостоятельно шлаки не твердеют, но в присутствии гипса и
портландцемента они проявляют вяжущие свойства.
Шлакопортландцемент выпускают марок 300, 400 и 500. Он
сероватого цвета с голубоватым оттенком, отличается от других
видов цемента тем, что содержит большое количество металли-
ческих частиц, выявляемых магнитом.
194
Шлакопортландцемент применяют для бетонных и железобе-
тонных надземных, подземных и подводных конструкций,
сборных конструкций с использованием тепловлажностной об-
работки, приготовления кладочных и штукатурных растворов.
Его не рекомендуется применять для конструкций, к которым
предъявляются высокие требования по морозостойкости, а также
подвергающихся систематическому увлажнению -и высушива-
нию, для зимнего бетонирования.
Цемент для строительных растворов изготовляют путем
совместного помола портландцементного клинкера, активных
минеральных добавок и добавок-наполнителей. Содержание
клинкера в цементе должно быть не менее 20 % (считая от мас-
сы всего вяжущего). Для регулирования сроков схватывания при
помоле компонентов вводят 3...5 % природного гипса.
Добавки-наполнители не обладают гидравлическими свойст-
вами, или эти свойства выражены у них в очень слабой степени
(кварцевый песок, мрамор, кристаллический известняк). Такие
добавки необходимы для снижения активности вяжущего (про-
порционально количеству введенной добавки), поскольку в
строительных растворах применять высокомарочные цементы
экономически не выгодно.
Для улучшения качества цемента допускается вводить при
его помоле пластифицирующие (не более 0,5 %) или гидрофоби-
зирующие (до 0,3 %) добавки.
Такой цемент характеризуется следующими сроками схваты-
вания: начало - не ранее 45 мин, конец - не позднее 12 ч от мо-
мента затворения. Цемент должен хорошо удерживать воду: во-
доотделение теста, изготовленного из равных количеств цемента
и воды, должно быть не более 30 % по объему. Выпускают це-
мент марки 200.
В связи с замедленным твердением этот цемент используют,
как правило, при температуре окружающей среды не ниже плюс
10 °C для изготовления кладочных и штукатурных растворов, а
также низкомарочных неармированных бетонов, к которым не
предъявляются требования по морозостойкости.
13*
195
9.3. Глиноземистый цемент и его разновидности
Глиноземистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое
вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината каль-
ция (СаО • А12О3). Свое название этот цемент получил от техни-
ческого названия оксида алюминия А12О3 - глинозем. Однако
для его получения требуется иной клинкер (не портландцемент-
ный). Этот цемент является быстротвердеющим вяжущим веще-
ством, набирающим через сутки твердения прочность, которая
составляет свыше 85 % марочной.
Получение. Сырьем для глиноземистого цемента служат
бокситы и известняки. Бокситы - горная порода, состоящая из
гидратов глинозема (А12О3 • лН2О) и примесей (в основном
Fe2O3, SiO2, СаО и др.). Бокситы широко используются в раз-
личных отраслях промышленности: для получения алюминия,
абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т. п., а месторождений с
высоким содержанием А12О3 очень немного.
Производство глиноземистого цемента более энергоемко,
чем производство портландцемента. Клинкер глиноземистого
цемента получают либо обжигом до плавления брикетов в элек-
трических или доменных печах при температуре 1400... 1500 °C,
либо обжигом шихты до спекания во вращающихся печах
при температуре 1200... 1300 °C. Затем следует тонкий размол
продукта, который сильно затруднен из-за его высокой твер-
дости.
Состав. Химический состав глиноземистого цемента,
получаемого разными методами, следующий: СаО - 35...45 %;
А12О3- 30...50; Fe2O3 - 0...15; SiO2 - 5... 15 %. В минеральном
составе клинкера глиноземистых цементов преобладает одно-
кальциевый алюминат СаО • А12О3 (СА), определяющий основ-
ные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют:
СА2, С12А7; двухкальциевый силикат C2S, отличающийся, как
известно, медленным твердением; в качестве неизбежной балла-
стной примеси - геленит 2СаО • А12О3 • 2SiO2.
Твердение. Процесс твердения глиноземистого цемента
и прочность образующегося цементного камня существенно за-
висят от температуры твердения. При нормальной температуре
196
(до +25 °C) основной минерал цемента СА взаимодействует
с водой с образованием кристаллического гидроалюмината каль-
ция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы
2(СаО • А12О3) + 11Н2О = 2СаО • А12О3 • 8Н2О + 2А1(ОН)3 + Q.
Суммарное тепловыделение Q у глиноземистого цемента не-
много ниже, чем у портландцемента (около 300...400 кДж/кг),
но протекает оно в очень короткие сроки (в первые сутки выде-
ляется 70...80 % от общего количества теплоты). Поэтому воз-
можен перегрев бетонов на глиноземистом цементе в случае
больших объемов бетонирования.
Если же температура твердеющего глиноземистого цемента
превысит 25...30 °C, то процесс твердения изменяется, и вместо
С2АН8 образуется С3АН6; при этом прочность цементного камня
будет ниже в 2...2,5 раза. Поэтому глиноземистый цемент не
рекомендуется использовать для бетонирования массивных кон-
струкций, где возможен саморазогрев бетона, а также в условиях
жаркого климата. Изделия на глиноземистом цементе нельзя
подвергать тепловой обработке. При работах в зимних условиях,
напротив, саморазогрев и быстрое твердение делают глиноземи-
стый цемент очень перспективным.
Свойства. Сроки схватывания глиноземистого цемента поч-
ти такие же, как у портландцемента: начало - не ранее 30 мин,
конец - не позднее 12 ч (реально 4...5 ч). После окончания схва-
тывания прочность нарастает очень быстро (лавинообразно).
Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600, оп-
ределенных в трехсуточном возрасте, но уже через одни сутки
образцы набирают прочность при сжатии соответственно не ме-
нее 23, 28 и 33 МПа.
Усадка глиноземистого цемента при твердении на воздухе
ниже, чем у портландцемента в 3...5 раз; пористость цементного
камня ниже примерно в 1,5 раза. Это связано с тем, что при оди-
наковой с портландцементом водопотребности глиноземистый
цемент при твердении химически связывает 30...45 % воды от
массы цемента (портландцемент - около 20 %).
Среда в процессе твердения и в затвердевшем цементном
камне у глиноземистого цемента слабощелочная. Свободного
Са(ОН)2 цементный камень не содержит. Это обстоятельство в
197
сочетании с пониженной пористостью делает бетоны на глино-
земистом цементе более устойчивыми к коррозии в пресной и
минерализованной воде.
Применение. Глиноземистый цемент целесообразно исполь-
зовать при аварийных и срочных работах, при зимнем бетониро-
вании и в тех случаях, когда от бетона требуется высокая водо-
стойкость и водонепроницаемость.
Специальная область применения глиноземистых цементов -
жаростойкие бетоны. Объясняется это тем, что, во-первых, в
продуктах твердения этого цемента отсутствует Са(ОН)2 (при
нагреве переходит в СаО, который при контакте с водой гасится
с увеличением объема) и, во-вторых, при высокой температуре
(700...800 С) между продуктами твердения цемента и заполни-
телями бетона начинаются реакции в твердой фазе, по мере про-
текания которых прочность бетона не падает, а повышается, так
как бетон превращается в керамический материал.
Кроме того, глиноземистый цемент является компонентом
многих расширяющихся цементов, которые даже при твердении
на воздухе имеют небольшое увеличение в объеме. Безусадоч-
ные цементы - это расширяющиеся цементы, у которых расши-
рение только компенсирует усадку. Поэтому такие цементы как
бы сами уплотняют себя, делая бетон водонепроницаемым. Если
расширяющиеся цементы используются в железобетонных кон-
струкциях, то эффект расширения вяжущего может вызывать
натяжение арматуры и сжатие самого бетона, что дополнительно
защитит его от образования трещин (параграф 13.1). Такие це-
менты называют напрягающими.
Эффект расширения вяжущего может быть достигнут раз-
личными методами, например путем гашения свободного СаО,
добавляемого в твердеющее вяжущее, либо с помощью образо-
вания эттрингита - гидросульфоалюмината кальция ЗСаО •
• А12О3 • 3CaSO4 • (31...32)Н2О. Последнее возможно при взаимо-
действии алюминатов и сульфатов кальция в водной среде.
В твердеющем материале протекают два процесса - расши-
рение, обусловленное процессом кристаллизации эттрингита
(или гашения СаО) с увеличением объема новообразований и
ростом внутренних растягивающих напряжений, и препятст-
вующий расширению процесс - рост прочности самого цемент-
198
лого камня. Если рост расширяющихся новообразований будет
протекать при недостаточной прочности цементного камня, то
податливая гелеобразная масса будет сжиматься и заметного
расширения не произойдет. И наоборот, если рост расширяю-
щихся новообразований будет продолжаться, когда цементный
камень набрал достаточно высокую прочность, то напряжения,
обусловленные ростом кристаллов в ограниченном объеме, мо-
гут вызвать падение прочности и даже разрушение цементного
камня.
В свою очередь деформации расширения могут быть свобод-
ными и связанными, т. е. когда расширение цементного камня
ограничено арматурой или кондуктором (формой). Деформации
бетона при свободном расширении выше, чем при связанном,
что обусловлено низкой прочностью цементного камня в раннем
возрасте и его неспособностью напрягать кондуктор, а в более
позднем возрасте - появлением микро- и макротрещин, которые
увеличивают свободное расширение, но не вызывают дополни-
тельного самонапряжения.
Связанные деформации вызывают самонапряжение, проти-
водействуют развитию усадочных деформаций и способствуют
самоуплотнению цементного камня, усилению контакта камня с
заполнителем и кристаллизационных контактов. При изготовле-
нии преднапряженных железобетонных конструкций в этом слу-
чае меньше потери преднапряжения и выше трещиностойкость
получаемых изделий.
Главной задачей при разработке составов расширяющихся
и безусадочных вяжущих является правильный выбор не толь-
ко вида и количества расширяющихся компонентов, но и момен-
та их образования относительно процесса формирования струк-
туры цементного камня. Для различных видов расширяющих-
ся цементов период наиболее интенсивного и безопасного рас-
ширения цементного камня составляет от 12 ч до 3...7 сут.
в зависимости от свойств основного структурообразующего
вяжущего.
Для обеспечения образования эттрингита в смесях с безуса-
дочными и расширяющимися цементами должна присутствовать
вода в продолжение всего периода твердения. Кроме того, эти
Цементы нельзя применять при работе конструкций при темпе-
199
ратурах выше 80 °C, так как постепенно разрушается важный
кристаллический компонент цементного камня - эттрингит: он
отдает кристаллизационную воду, что сопровождается падением
прочности.
Расширяющийся водонепроницаемый цемент получают со-
вместным помолом глиноземистого цемента (70 %), гипса (20 %)
и высокоосновного гидроалюмината кальция С4АН13 (10 %). Он
является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидрав-
лическим вяжущим веществом (Асж через 6 ч - не менее
7,5 МПа, через 3 сут. - не ниже 30 МПа).
Линейное расширение твердеющего цемента на воздухе со-
ставляет в возрасте 1 сут. не менее 0,05 %, в возрасте 28 сут. -
не менее 0,02 %. Цемент используют при восстановлении желе-
зобетонных конструкций, для гидроизоляции подземных
сооружений, зачеканки трещин и стыков.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают со-
вместным помолом высокоглиноземистых шлаков (70 %) и дву-
водного гипса (30 %). Гипсоглиноземистый расширяющийся
цемент имеет начало схватывания не ранее 20 мин и конец схва-
тывания не позднее 4 ч от начала затворения. При необходимо-
сти могут использоваться замедлители сроков схватывания -
ЛСТ, бура, уксусная кислота и др. Линейное расширение твер-
деющего цемента в состоянии теста нормальной густоты при
твердении на воздухе составляет в возрасте 28 сут. не менее
0,1 %. Предел прочности при сжатии через 1 сут. твердения со-
ставляет 35 МПа для марки 400 и 45 МПа - для марки 500. Мар-
ки цемента соответствуют трехдневному возрасту. Гипсоглино-
земистый расширяющийся цемент применяют для получения
безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов,
гидроизоляционных штукатурных растворов, при бурении сква-
жин и т. п. Он обладает морозо- и атмосферостойкостью в рас-
творах и бетонах, изготовляемых на его основе.
Напрягающийся цемент (НЦ) получают совместным помо-
лом клинкера портландцемента (65...75 %), двуводного гипса
(6... 10 %) и высокоглиноземистого компонента (13...20 %).
Сроки схватывания: начало - не ранее 30 мин, конец - не по-
зднее 4 ч. Прочность через* 1 сут. - не менее 15 МПа, через
28 сут. - не менее 50 МПа.
200
Напрягающий цемент обладает способностью к значитель-
ному расширению (до 4 %) при твердении в состоянии цемент-
ного теста нормальной густоты. В железобетоне НЦ создает по-
сле отвердевания в арматуре предварительное напряжение. Этим
свойством как функцией химической энергии цемента пользу-
ются при изготовлении предварительно напряженных железобе-
тонных конструкций. С учетом величины достигаемой энергии
самонапряжения, т. е. удельного давления в МПа, развиваемого
при твердении НЦ в условиях ограничения свободного расши-
рения, выделяют его разновидности НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Напря-
гающий цемент отличается также повышенными показателями
водо- и газонепроницаемости, морозостойкости, прочности при
растяжении и изгибе. Марки цемента (400 и 500) определяются
испытанием образцов-балочек из цементно-песчаного раствора
состава 1 : 1 в возрасте 28 сут.
Напрягающий цемент применяют для изготовления конст-
рукций из самонапряженного железобетона, а также для гидро-
изоляции шахт, подвалов, зачеканки швов и т. д.
Перспективная область применения бетонов и растворов на
расширяющихся и безусадочных вяжущих - бесшовные тонкос-
лойные стяжки или лицевые покрытия полов большой площади.
С помощью полимерных модификаторов таким смесям придают
свойство самовыравнивания, а эффект безусадочности гаранти-
рует трещиностойкость покрытия. Быстрое твердение и защит-
ные полимерные добавки обеспечивают необходимое количест-
во воды для протекания полной гидратации без какого-либо
специального ухода.
9.4. Транспортировка и хранение цементов
Цементы доставляют с завода-изготовителя к месту потреб-
ления железнодорожным и автомобильным транспортом. При
доставке по железной дороге используют вагоны-цементовозы
бункерного типа (хоппер), цистерны и контейнеры, а также
обыкновенные крытые вагоны, в которые цемент загружают на-
валом или в бумажных мешках. В случаях перевозки цемента
201
навалом выгружают его механизированным способом пневмати-
ческими и пневмомеханическими разгрузчиками. При транспор-
тировании автоцементовозами его загружают через герметиче-
ски закрывающийся люк, а выгружают при помощи сжатого
воздуха, поступающего от компрессора, установленного на це-
ментовозе. Способ поставки зависит от дальности транспорти-
ровки.
В бумажных мешках обычно перевозят белый и цветной
портландцементы и другие специальные цементы.
Цементы различных заводов, поступающие навалом, хранят
в силосных или бункерных складах отдельно по видам, маркам и
партиям. Запрещается при хранении смешивать цементы раз-
личных видов и марок. Цемент в бумажных мешках хранят в
закрытых складах-сараях с плотными водонепроницаемыми
крышей, стенами и деревянным полом, приподнятым над по-
верхностью земли не менее чем на 30 см. В процессе транспор-
тирования и хранения необходимо оберегать цемент от воздей-
ствия влаги и засорения посторонними примесями.
При поступлении цемента на склад обязательно на каждую
емкость ставят указатели с обозначением его вида, марки, вре-
мени прибытия и количества. При необходимости контроля ка-
чества поступившего на склад цемента от каждой партии отби-
рают пробу массой 20 кг и направляют ее в строительную лабо-
раторию, где производят стандартное и ускоренное испытания
цемента.
При длительном хранении цемента на складе за счет погло-
щения влаги из воздуха и преждевременной гидратации проис-
ходит его комкование и снижение активности, поэтому большие
запасы цемента на складах строек и предприятий строительной
индустрии нежелательны.
Использовать лежалые цементы для изготовления бетонов
и строительных растворов не разрешается. При крайней необ-
ходимости можно восстановить их первоначальные свойства,
размалывая лежалые цементы в шаровых или вибрационных
мельницах. Однако это связано с затратами энергии. Гораздо
удобнее и дешевле хранить цементы в нормируемых стандартом
условиях, т. е. исключать возможность их увлажнения.
202
9.5. Воздушная известь
Воздушная известь - одно из древнейших вяжущих, широко
применяемых в строительстве и промышленности. Известь -
продукт умеренного обжига кальциевых и кальциево-магниевых
карбонатных пород до возможно полного удаления углекислого
газа. В результате обжига образуется продукт белого цвета, на-
зываемый негашеной комовой известью (кипелкой).
Производство. Сырьем для получения извести являются
распространенные осадочные горные породы: известняки, доло-
миты, мел, доломитизированные известняки, содержащие не бо-
лее 8 % глины. В сырье преобладает карбонат кальция СаСО3, в
небольшом количестве содержатся карбонат магния MgCO3 и
некоторые примеси. Сырье обжигают в шахтных или вращаю-
щихся печах при температуре 900... 1200 °C:
СаСО3 = СаО + СО2Т; MgCO3 = MgO + СО2Т.
Неравномерность обжига может привести к образованию в
извести недожога или пережога. Недожог (неразложившийся
СаСО3), получающийся при слишком низкой температуре обжи-
га, снижает качество извести, так как не обладает вяжущими
свойствами. Пережог образуется при слишком высокой темпера-
туре обжига в результате сплавления СаО с примесями кремне-
зема и глинозема. Зерна пережога гасятся медленно, а поскольку
при гашении увеличиваются в объеме, то могут вызвать рас-
трескивание и разрушение уже затвердевшего материала.
После выхода из печи комовую известь (мелкопористые кус-
ки размером 5... 10 см), как правило, гасят водой
СаО + Н2О = Са(ОН)2 +1160 кДж/кг.
При смачивании водой куски извести бурно реагируют с ней,
превращаясь в тонкий порошок, а при избытке воды - в пла-
стичное тесто. Этот процесс, сопровождающийся сильным вы-
делением теплоты и разогревом воды вплоть до кипения, назы-
вают гашением извести, а негашеную известь - кипелкой.
При гашении куски комовой извести значительно увеличи-
ваются в объеме и распадаются на мельчайшие (до 0,001 мм)
частицы.
203
В зависимости от времени гашения различают быстрогася-
щуюся известь (время гашения - до 8 мин), среднегасящуюся
(до 25 мин) и медленногасящуюся (свыше 25 мин).
В зависимости от количества воды, взятой для гашения, по-
лучают гидратную известь - пушонку (50.. .70 % воды от массы
извести, т. е. в количестве, необходимом для протекания реак-
ции гидратации - процесса гашения); известковое тесто — воды
берут в три-четыре раза больше, чем извести; известковое моло-
ко - воды берут в восемь-десять раз больше, чем требуется тео-
ретически.
Виды воздушной извести. По содержанию оксидов кальция
и магния воздушная известь бывает кальциевая (примеси MgO
не более 5 %), магнезиальная (MgO - 5...20 %) и доломитовая
(MgO-20...40 %).
На строительство поставляют воздушную известь в виде не-
гашеной комовой (кипелки), негашеной порошкообразной (мо-
лотой кипелки) и гашеной (гидратной) порошкообразной (пу-
шонки).
Комовая негашеная известь — полуфабрикат для получения
молотой извести, гидратной извести (пушонки), известкового
теста и молока. Комовую известь перевозят навалом в закрытых
вагонах и автомашинах. Хранят комовую известь в сухом складе
с деревянным полом, приподнятым над землей на 30 см. Попа-
дание воды на известь вызывает сильный саморазогрев вплоть
до 300 °C и при контакте с легковоспламеняющимися материа-
лами (такими, как опилки, стружка) может вызвать пожар.
Негашеную порошкообразную (молотую) известь получают
помолом комовой извести в шаровых мельницах. В известь час-
то вводят при измельчении 10...20 % гидравлических добавок
(шлак, зола). Как и комовую, молотую известь без добавок делят
на три сорта, с добавками - на два. Степень измельчения извести
характеризуют полными остатками на ситах № 02 и № 008, ко-
торые должны составлять соответственно не более 1,5 и 15 % от
массы просеиваемой пробы.
Преимущество порошкообразной извести перед комовой со-
стоит в том, что при затворении водой она ведет себя подобно
гипсовым вяжущим: сначала образует пластичное тесто, а через
20...40 мин схватывается. Это объясняется тем, что вода затво-
204
рения, образующая тесто, частично расходуется на гашение из-
вести. При этом известковое тесто густеет и теряет пластич-
ность. Благодаря меньшему количеству свободной воды мате-
риалы на основе порошкообразной извести менее пористые и
более прочные.
Гидратная известь (пушонка) — гашеная известь в виде бело-
го порошка заводского изготовления. Влажность гидратной из-
вести должна быть не более 5 %; насыпная плотность - 400...
...450 кг/м3. Остатки на ситах № 063 и № 008 должны быть со-
ответственно не более 2 и 10 %. Ее выпускают двух сортов.
Хранят известь в силосах или бункерах; перевозят в цементово-
зах, контейнерах, бумажных мешках и навалом.
Известковое тесто - паста плотностью 1300... 1400 кг/м3 -
образуется при гашении комовой извести избыточным количе-
ством воды. Нормально гашеная известь, которая увеличилась в
объеме не менее чем в три раза, называется жирной', известь,
увеличившаяся в объеме менее чем в 2,5 раза, - тощей. Чем
жирнее и чище от примесей известковое тесто, тем оно больше
присоединяет к себе песка при приготовлении растворов. Пере-
возят известковое тесто и молоко в автоцистернах.
Гашение извести можно производить как на стройплощадке,
так и централизованно. В последнем случае гашение совмещает-
ся с мокрым помолом непогасившихся зерен, что увеличивает
выход извести и улучшает ее качество.
На стройплощадке известь гасят в гасильных ящиках. Быст-
рогасящуюся известь заливают сразу большим количеством во-
ды, чтобы не допустить перегрева и кипения воды, медленнога-
сящуюся - небольшими порциями, следя за тем, чтобы известь
не охладилась. Из 1 кг извести в зависимости от ее качества по-
лучается 2.. .2,5 л известкового теста.
По окончании гашения жидкое известковое тесто через сет-
ку сливают в известехранилище, где его выдерживают обычно
не менее двух недель (пока не завершится процесс гаше-
ния). Известковое тесто с размером непогасившихся зерен менее
0,63 мм можно применять сразу. Крупные непогасившиеся зерна
опасны тем, что среди них могут быть пережженные зерна
(пережог).
205
Содержание воды в известковом тесте не нормируется. Прак-
тика показывает, что в хорошо выдержанном тесте соотношение
воды и извести около 1.
Твердение. Известковое тесто состоит из насыщенного вод-
ного раствора Са(ОН)2 и нерастворившихся мельчайших частиц
извести. По мере испарения из него воды образуется пересы-
щенный раствор Са(ОН)2, из которого выпадают кристаллы,
скрепляющие отдельные частицы в единый монолит. Поэтому
известковое тесто, защищенное от высыхания, неограниченно
долго сохраняет пластичность, т. е. у извести отсутствует про-
цесс схватывания.
Затвердевшее известковое тесто при увлажнении вновь пере-
ходит в пластичное состояние, т. е. известь - неводостойкий ма-
териал.
На воздухе известь реагирует с углекислым газом, образуя
нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция,
т. е. обратно переходит в известняк:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О.
Этот процесс называют карбонизацией, он протекает дли-
тельное время. При карбонизации выделяется вода, поэтому ка-
менную кладку и штукатурку на известковых растворах подвер-
гают сушке.
Для получения водостойкого материала к извести добавляют
активные гидравлические добавки: золы ТЭС, доменный шлак,
молотую пемзу и др. Последние содержат аморфные кремнезем
SiO2 и глинозем А12О3, которые способны в присутствии воды
образовывать с известью нерастворимые гидросиликаты и гид-
роалюминаты:
Са(ОН)2 + SiO2 + Н2О -> «СаО • SiO2 • mH2O.
Твердение сопровождается значительным уменьшением объ-
ема известкового теста - усадкой, поэтому известь применяют в
смеси с заполнителем - песком. Схема получения, гашения и
твердения воздушной извести приведена на рис. 39.
Применение. Строительную воздушную известь применяют
для приготовления кладочных и штукатурных растворов, бето-
нов низких марок, работающих в сухих условиях, силикатного
кирпича, ячеистобетонных изделий автоклавного твердения, из-
вестковых красок, смешанных гидравлических вяжущих и дру-
гих материалов.
206
Комовая негашеная известь
Рис. 39. Получение, гашение и твердение воздушной извести
Молотую известь с активными минеральными добавками
применяют в штукатурных растворах для подземной части зда-
ний и в растворах, твердеющих во влажных условиях.
Воздушная известь всех видов - довольно сильная щелочь.
Поэтому при работе с ней необходимо принимать меры, предот-
вращающие контакт извести с открытыми участками кожи и
особенно дыхательными путями и глазами.
9.6. Гидравлические известесодержащие вяжущие
Низкая водостойкость извести всегда побуждала людей ис-
кать пути ликвидации этого недостатка. Еще в Древнем Риме
был найден способ получения водостойкого вяжущего на основе
извести. Помог римлянам вулкан Везувий. При добавлении вул-
канического пепла к извести образующаяся смесь после тверде-
ния на воздухе в течение 7... 14 сут. далее могла твердеть в воде
(более того, именно влажные условия были обязательны для на-
бора прочности!). Это было первое гидравлическое вяжущее.
Добавки из вулканических пород (пепла, туфа и т. п.) впоследст-
вии получили название гидравлические или пуццолановые (по
названию местечка у подножия Везувия, где они добывались).
Смешанные вяжущие получают совместным измельчени-
ем негашеной извести (10...30 %), гидравлической добавки
(85...70 %) и гипса (до 5 %). В качестве добавки используют
207
горные породы, содержащие активный кремнезем: вулканиче-
ский пепел, пемзу, туф, диатомит, трепел и др. Такие вяжущие
называют известково-пуццолановыми. Если в качестве добавки
взят доменный гранулированный шлак, то эти вяжущие называ-
ют известково-шлаковыми. Процесс твердения извести с гид-
равлическими добавками описан в 9.3. Известесодержащие гид-
равлические вяжущие на начальной стадии (до 7 сут.) должны
твердеть в сухих условиях, а затем - во влажных.
Известесодержащие гидравлические вяжущие применяют
для приготовления растворов для кладки подземных частей зда-
ний и бетонов. Срок хранения таких вяжущих из-за наличия в
них негашеной извести не должен превышать 30 сут., причем их
необходимо обязательно предохранять от увлажнения.
В Республике Беларусь по СТБ 968-94 производят шлако-
пуццолановое вяжущее, для чего используют: шлак электроста-
леплавильный Белорусского металлургического завода, актив-
ные минеральные добавки (трепел, бой керамики или стекла),
гипсовый камень и активатор твердения (NaCl или СаС12). Мар-
ки вяжущего - 75 и 100, начало схватывания - не ранее 45 мин,
конец - не позднее 12 ч. Вяжущее применяют для изготовления
неармированных бетонов класса В 12,5 и ниже и неармирован-
ных строительных растворов (кладочных, штукатурных и обли-
цовочных) для малоэтажного строительства.
Строительная гидравлическая известь - вяжущее, полу-
чаемое в результате умеренного обжига при температуре
900... 1100 °C мергелистых известняков с содержанием в них
глины и песчаных примесей от 6 до 20 %. В результате обжига
образуется не только свободная известь СаО, но и ее химические
соединения с оксидами глины - силикаты, алюминаты и фер-
риты кальция, способные твердеть не только на воздухе, но
и в воде.
Известь выпускают в виде тонкоизмельченного порошка
плотностью 2500...2900 кг/м3, при просеивании которого оста-
ток на сите № 008 не должен превышать 10 %. Характеристикой
сырья и готовой извести является гидравлический модуль т -
отношение содержания оксида кальция к суммарному содержа-
нию диоксида кремния, оксида алюминия и оксида железа:
т = %(СаО) / %(SiO2 + А12О3 + Fe2O3).
208
Для гидравлической извести этот модуль колеблется в широ-
ких пределах: от 1,7 до 9. Стандарт различает слабогидравличе-
скую (т = 4,5...9) и сильногидравлическую (т = 1,7...4,5) из-
весть. Если продукт обжига имеет гидравлический модуль более
9, его считают воздушной известью, если менее 1,7 - относят к
романцементу (т = 1,1... 1,7).
Обычную гидравлическую известь применяют для приготов-
ления штукатурных и кладочных растворов, высококачествен-
ную - в бетонах низких марок и шлакобетоне как в сухой, так и
во влажной среде. Растворные смеси на гидравлической извести
менее пластичны и подвижны, чем растворы на воздушной из-
вести. Зато твердеют они быстрее и равномерно, получаются
плотными, водо- и морозостойкими, предел прочности при сжа-
тии их достигает 5 МПа. Растворы и бетоны на гидравлической
извести после укладки их в конструкцию необходимо выдержать
в воздушно-влажной среде около двух недель и только после
этого помещать в воду.
На строительную площадку гидравлическую известь в виде
готового порошка доставляют в цементовозах, бумажных биту-
минизированных или многослойных мешках. Комовую гидрав-
лическую известь гасят в известегасилках, в которых гашение
совмещается с помолом, так как при гашении в творилах образу-
ется много отходов в виде непогасившихся частиц.
9.7. Глина и гипсовые вяжущие вещества
Глина - осадочная горная порода, основные свойства ко-
торой определяются свойствами мельчайших частиц (ме-
нее 0,005 мм) глинистых минералов (параграф 7.1). Глинистые
частицы обычно имеют пластинчатое строение и хорошо смачи-
ваются водой (гидрофильны). Благодаря большой удельной по-
верхности этих частиц глина способна поглощать и удерживать
большое количество воды (до 20...30 % по массе). При этом она
разбухает и переходит в вязкопластичное состояние.
Глиняное тесто при высыхании из-за сближения частиц дает
значительную усадку. Чтобы уменьшить усадку и предотвратить
растрескивание, в глиняное тесто добавляют крупнозернистые
материалы (песок, опилки).
14. Зак. 508
209
Известно, что при повторном увлажнении глина вновь раз-
мягчается, поэтому необходимо предохранять затвердевший
глиняный материал от воздействия воды.
Глину в качестве местного вяжущего ранее применяли в
сельском строительстве для штукатурных и кладочных раство-
ров. Благодаря высокой пластичности и способности удерживать
воду глину используют в качестве пластифицирующей добавки
к цементу в строительных растворах.
В строительстве и промышленности издавна применяют гип-
совые вяжущие материалы - строительный гипс, формовоч-
ный и высокопрочный, эстрих-гипс. В строительной практике
гипс иногда называют алебастром (от греч. alebastros - белый).
Эти минеральные вяжущие воздушного твердения образуются
путем тепловой обработки и помола сырья, содержащего дву-
водный или безводный сульфат кальция.
Производство. При нагревании природного двуводного гип-
сового камня происходит частичная его дегидратация, при этом
образуется полуводный сульфат кальция р-модификации
CaSO4 • 2Н2О -> CaSO4 • 0,5Н2О + 1,5Н2О.
Обжиг тонкоизмельченного природного гипса протекает при
низких температурах (НО... 180 °C) в котлах; кристаллизацион-
ная вода при этом выделяется в виде водяного пара, поэто-
му говорят, что гипс «варят» в котле. Из полуводного гипса
CaSO4 0,5Н2О состоят все низкообжиговые гипсовые вяжущие.
Прочность при сжатии полуводного гипса невысокая - 2...
...25 МПа, плотность - 2600...2750 кг/м3, насыпная плотность -
800.. .1000 кг/м3; цвет порошка - белый или серый.
Твердение. Порошок гипсового вяжущего, затворенный во-
дой, образует пластичное тесто, которое быстро схватывается и
твердеет, при этом полуводный (строительный) гипс присоеди-
няет воду и превращается в двуводный
CaSO4 • 0,5Н2О + 1,5Н2О = CaSO4 • 2Н2О.
Реакция гидратации протекает быстро, с выделением тепло-
ты и заканчивается через несколько минут после затворения.
Строительный гипс обладает рядом особенностей: быстро
схватывается и твердеет, обладает повышенной водопотребно-
210
стью и пористостью, в начальный период твердения увеличива-
ется в объеме, обладает низкой водостойкостью, подвержен де-
формациям ползучести.
Для образования пластичного гипсового теста требуется
50.. .60 %, а для гидратации - 20 % воды от его массы. Для гипса
проблема снижения водопотребности и соответственно умень-
шения пористости и повышения прочности была решена путем
получения гипса термообработкой не на воздухе, а в среде на-
сыщенного пара (в автоклаве при давлении 0,3...0,4 МПа) или в
растворах солей (СаС12, MgCl2 и др.). В этих условиях образует-
ся другая кристаллическая модификация полуводного гипса -
сс-гипс, имеющий вопотребность 30...40 %.
Гипс «.-модификации называют высокопрочным, так как бла-
годаря пониженной водопотребности он образует при твердении
менее пористый и более прочный камень, чем обычный гипс
p-модификации. Из-за трудностей производства высокопрочный
гипс не нашел широкого применения в строительстве.
Свойства. По срокам схватывания и твердения гипсовые
вяжущие делят на три группы: А - быстротвердеющие (начало
схватывания - не ранее 2 мин, конец - не позднее 15 мин), Б -
нормальнотвердеющие (начало схватывания - не ранее 6 мин,
конец - не позднее 30 мин), В - медленнотвердеющие (начало
схватывания - не ранее 20 мин, конец не нормируется).
Замедляют схватывание гипсовых вяжущих введением в гип-
совое тесто растворов столярного клея, лигносульфонатов тех-
нических (ЛСТ) и других добавок.
Прочность гипсовых вяжущих определяют по результатам
испытания образцов-балочек размером 40x40x160 мм из гипсо-
вого теста нормальной густоты через 2 ч после изготовления. За
это время гидратация и кристаллизация вяжущего завершаются.
По пределу прочности при сжатии и изгибе гипсовые вяжу-
щие делят на 12 марок: от Г-2 до Г-25. Марку определяют по
пределу прочности при сжатии и изгибе в соответствии с табл. 6.
Для изготовления строительных изделий используют в ос-
новном гипсовые вяжущие марок от Г-2 до Г-7.
Плотность затвердевшего гипсового камня низкая (1200...
...1500 кг/м3) из-за значительной пористости. Высокая порис-
тость объясняется тем, что для получения пластичного удобоук-
14*
211
ладываемого теста при затворении гипсовых вяжущих воды бе-
рут в два-три раза больше, чем требуется для гидратации полу-
водного гипса. После затвердевания в гипсовых вяжущих оста-
ется значительное количество свободной воды (до 30 % от мас-
сы гипса). Такой влажный гипсовый камень характеризуется
пониженной прочностью. Для повышения прочности избыток
воды удаляют высушиванием гипсовых изделий при температу-
ре не более 70 °C.
Таблица 6
Прочность на сжатие и изгиб гипсового вяжущего
в зависимости от марки
Марка вяжущего Г-2 Г-3 Г-4 Г-5 Г-6 Г-7 Г-10 Г-13 Г-16 Г-19 Г-22 Г-25
Предел прочности при сжатии, МПа, не менее 2 3 4 5 6 7 10 13 16 19 22 25
Предел прочности при изгибе, МПа, не менее .1,2 1,8 2,0 2,5 3,0 3,5 4,5 5,5 6,0 6,5 7,0 8,0
Гипсовое вяжущее - одно из немногих вяжущих, расширяю-
щихся при твердении (увеличение в объеме достигает 0,2 %).
Способность расширяться позволяет применять гипсовое вяжу-
щее (в отличие от большинства других вяжущих) без заполните-
лей, не боясь трещинообразования от усадки. Введением в гип-
совое тесто органических (опилки, стружки) или минеральных
пористых (керамзит, аглопорит) заполнителей можно снизить
плотность и стоимость изделий из гипса.
Недостаток гипсовых вяжущих - гигроскопичность, которая
вместе с низкой водостойкостью приводит к потере прочности
гипсовых изделий во влажных условиях и к коррозии стальной
арматуры.
Применение. В штукатурных работах применяют гипсовые
вяжущие всех марок, среднего и тонкого помола, нормального и
медленного схватывания. Добавка гипсовых вяжущих ускоряет
схватывание известково-песчаных растворов и повышает проч-
ность штукатурного слоя, придает его поверхности гладкость и
белизну. Гипсовые вяжущие марок Г-2...Г-7 применяют для из-
212
готовлсния гипсовых деталей и гипсобетонных изделий: панелей
для перегородок, листов сухой штукатурки, растворов для внут-
ренней штукатурки и гипсоцементно-пуццолановых вяжущих;
марок Г-5...Г-25 тонкого помола с нормальными сроками схва-
тывания - для изготовления форм и моделей фарфоровых, фаян-
совых и других керамических изделий (формовочный гипс).
Гипсовые вяжущие служат основой для приготовления мастик
для приклеивания гипсокартонных листов.
Ангидритовое вяжущее и высокообжиговый гипс - медлсн-
носхватывающиеся и медленнотвердеющие вяжущие, состоящие
из безводного сульфата кальция CaSO4 и активизаторов твер-
дения.
Безводный сульфат кальция существует в природе в виде ми-
нерала - ангидрита, однако даже в тонкоразмолотом состоянии
он не обнаруживает вяжущих свойств.
Ангидритовый цемент получают обжигом природного гипса
при 600...700 °C до полной дегидратации, т. е до образования
ангидрита с последующим помолом с добавками минеральных
веществ; возможно также использование природного ангидрита,
подвергаемого только сушке и размолу. Используют щелочные
активизаторы: известь (3...5 %) или основные шлаки (10... 15 %)
и растворимые сульфаты: Na2SO4, A12(SO4)3, FeSO4 и др.
(0,5... 1 %). В присутствии указанных добавок ангидрит взаимо-
действует с водой и приобретает способность схватываться и
твердеть. Предел прочности при сжатии у ангидритового цемен-
та составляет 10...20 МПа, начало схватывания наступает не ра-
нее 30 мин, конец - не позднее 24 ч.
Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают при обжиге
гипсового сырья при температуре 850...900 °C. При этом проис-
ходит его частичная диссоциация с образованием СаО, который
служит активизатором твердения ангидрита. Тонкоизмельчен-
ный порошок и является высокообжиговым гипсом (эстрих-
гипсом). Начало схватывания теста из эстрих-гипса наступает не
ранее чем через 2 ч, конец схватывания не нормируется.
Благодаря пониженной водопотребности (у эстрих-гипса она
составляет 30 ..35 % против 50...60 % у обычного гипса) эст-
рих-гипс после затвердевания образует более плотный и проч-
ный материал. По прочности при сжатии образцов-кубов разли-
213
чают марки эстрих-гипса 100, 150 и 200. Его применяют для
изготовления декоративных и отделочных материалов и из-
делий, например искусственного мрамора, штукатурных раство-
ров и др.
Перевозят гипсовые вяжущие в мешках или без упаковки,
навалом. При этом их защищают от увлажнения и загрязнения.
Даже при хранении в сухих условиях гипсовые вяжущие быстро
утрачивают активность, так как обладают высокой гигроскопич-
ностью (после трех месяцев хранения потеря активности состав-
ляет примерно 30 %).
9.8. Магнезиальные вяжущие
Магнезиальные вяжущие вещества (каустический магнезит
MgO и каустический доломит MgO + СаСО3) - тонкодисперсные
порошки, активной частью которых является оксид магния.
Получают магнезиальные вяжущие умеренным (до 750.. .850 °C)
обжигом магнезита (реже - доломита). При этом карбонат маг-
ния диссоциирует с образованием оксида магния
MgCO3 -> MgO + СО2,
а карбонат кальция СаСО3 (в доломите) остается без изменения
и является балластной частью вяжущего. Обожженный продукт
размалывают.
В каустическом магнезите содержится оксида магния до
85 % по массе и более, тогда как допустимое содержание оксида
кальция лимитируется 2...5 %.
При затворении водой оксид магния гидратируется очень
медленно, проявляя слабые вяжущие свойства. Магнезиальные
вяжущие принято затворять раствором хлорида (сульфата) маг-
ния или кислот (НО или H2SO4). В этом случае гидратация про-
текает значительно быстрее
MgO + Н2О -> Mg(OH)2,
а получаемое после затворения вяжущее именуется цементом
Сореля. Кроме того, возможно образование гидрата оксихлорида
магния (3MgO • MgCl2 • 6Н2О), уплотняющего образующийся
214
материал. Отношение MgCl2: MgO в вяжущем берут обычно по
массе -1:2 или 1 : 4.
Сроки схватывания каустического магнезита зависят от тем-
пературы обжига и тонкости помола и обычно находятся в пре-
делах: начало - не ранее 20 мин; конец - не позднее 6 ч. Тверде-
ние начинается интенсивно, и через 1 сут. вяжущее достигает
прочности 10... 15 МПа; через 28 сут. воздушного твердения
прочность составляет 30...50 МПа. В жестких смесях прочность
может достигать 100 МПа.
У каустического доломита сроки схватывания большие,
а прочностные показатели ниже (например, 2?сж через 28 сут. со-
ставляет 10... 30 МПа).
Магнезиальные вяжущие вещества характеризуются повы-
шенной прочностью сцепления с каменными и древесными ма-
териалами, особенно прочностью на разрыв. Поэтому их приме-
няют в абразивном производстве для изготовления жерното-
чильных кругов, брусьев и др. Главное их назначение в
строительстве - изготовление ксилолита1 для бесшовных полов
или фибролита для производства теплоизоляционных изделий и
перегородок. Такие полы циклюются, их можно натирать масти-
ками, по теплоусвоению они близки к паркетным полам. Хотя
перспектив у магнезиальных вяжущих из-за дефицитности сы-
рья (магнезиты необходимы для получения огнеупоров) нет,
они находят применение только в отдельных областях строи-
тельства.
Сегодня, когда перспективность технологии, определяется
прежде всего ценой, использование этого материала на заводах,
складах, предприятиях торговли, животноводческих комплексах
и жилых помещениях обещает стать широкомасштабным. В ре-
зультате проведенных исследований магнезиальному бетону
удалось придать высокую декоративность (пигменты окраши-
вают бетон в различные чистые цвета). Это позволило не только
устраивать цветные полы, не уступающие по внешнему облику
каменным поверхностям, но и наладить выпуск декоративных архи-
тектурно-художественных плит (стандартные размеры 1200x600 мм)
1 Ксилолит (от греческого xelon - древесина) - бетон на магнези-
альном вяжущем с наполнителем из древесных опилок.
215
и других деталей (ступени, подоконники). Плиты представляют
собой однослойные самонесущие панели с цветной блестящей
поверхностью, имитирующей природный камень (мрамор, гра-
нит, малахит и другие). Они легко поддаются механической
обработке и обладают высокими теплостойкостью и звуко-
поглощением.
9.9. Жидкое стекло и кислотоупорный цемент
Жидкое стекло - коллоидный водный раствор растворимого
силиката натрия Na2O ;wSiO2 или силиката калия К2О • /wSiO2
плотностью 1300... 1500 кг/м при содержании воды 50...70 %.
Величина т указывает отношение числа молекул кремнезема к
числу молекул щелочного оксида и называется силикатным мо-
дулем стекла. Для натриевого стекла т составляет 2,6...3,5, для
калиевого — 3...4. Качество жидкого стекла характеризуется мо-
дулем т и плотностью. Чем выше модуль, тем выше качество
жидкого стекла.
Растворимый силикат натрия Na2O wSiO2 получают, сплав-
ляя кварцевый песок SiO2 с содой Na2CO3, а силикат калия
К2О • zwSiO2 - сплавлением песка с поташом К2СО3. Стекло ва-
рят в стекловаренных печах при температуре 1400 °C. Когда
разлитый расплав застывает, образуются прозрачные различных
оттенков куски стекла, называемые силикат-глыбой. Раздроб-
ленные куски стекла растворяют в воде в автоклаве при темпе-
ратуре 120... 150 °C и давлении пара 0,6...0,8 МПа. В результате
получают жидкое натриевое или калиевое стекло.
Жидкое стекло твердеет медленно - в результате слипания и
уплотнения частиц свободного кремнезема (кремнегеля) при ис-
парении воды и воздействия углекислого газа воздуха
Na2O mSiO2 + дН2О + СО2 = Na2CO3 + «SiO2 • «Н2О.
Ускорить процесс твердения и повысить водостойкость ма-
териала можно добавкой кремнефтористого натрия
2(Na2O • mSiO2) + Na2SiF6 4- 2(2т 4- 1)Н2О =
= 6NaF 4- (2т 4- l)Si(OH)4.
216
При этом образуются водонерастворимый фторид натрия
NaF и кремнегель SiO2 • /zH2O. На этом основано твердение ки-
слотоупорного цемента.
Жидкое стекло перевозят в бочках, хранят в закрытых отап-
ливаемых складах.
В строительстве обычно используют натриевое жидкое стек-
ло плотностью 1300... 1500 кг/м3 и модулем 2,6...3. Его приме-
няют при изготовлении кислото- и жароупорных бетонов, шту-
катурок, замазок, для уплотнения грунтов. Калиевое жидкое
стекло более дорогое; его применяют для изготовления силикат-
ных красок, клеящих составов; оно не дает на штукатурке и
краске высолов, чем выгодно отличается от натриевого жидкого
стекла.
Кислотоупорный кварцевый цемент - тонкомолотый по-
рошок, получаемый совместным помолом кислотостойкого ма-
териала (кварцевого песка, андезита или бештаунита) и крем-
нефторида натрия (4... 14 %); допускается смешивать раздельно
измельченные материалы. Вяжущими свойствами этот цемент
не обладает. Его затворяют жидким стеклом (плотностью
1360... 1380 кг/м3 и модулем 2,8...3,0), которое и является вя-
жущим.
Кислотоупорный цемент быстро схватывается: начало схва-
тывания наступает через 20...60 мин после затворения в зависи-
мости от содержания в нем кремнефторида натрия. Твердеет це-
мент в воздушно-сухих условиях и при положительной тем-
пературе.
Кислотоупорный цемент применяют для изготовления ки-
слотостойких растворов, бетонов, замазок, для футеровки хими-
ческих аппаратов, устройства кислотостойких полов.
Поскольку жидкие стекла при длительном хранении, особен-
но при контакте с воздухом, теряют свои эксплуатационные
свойства, а при низких температурах замерзают, в ряде стран
начали производить гидратированные силикатные порошки
(ГСП). ГСП являются быстрорастворимыми в воде, долго хра-
нятся, что обеспечивает им хорошую перспективу.
217
, ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. В чем отличие гидравлических вяжущих веществ от воздушных? Назо-
вите примеры вяжущих обеих групп.
2. Какими способами изготовляют портландцемент? Что служит сырьем?
3. Какие минералы преобладают в структуре цементного клинкера?
4. С какой целью добавляют гипс при помоле цементного клинкера?
5. В чем сущность процесса твердения минеральных вяжущих веществ?
6. Можно ли укладывать бетонные и растворные смеси после начала схватывания?
7. Как влияет температура окружающей среды на сроки схватывания цементов?
8. Что такое ложное схватывание?
9. Что такое марка цемента, активность, как ее определяют?
10. Какие факторы внешней среды влияют на прочность твердеющего цемента?
Благодаря чему прочность цемента со временем увеличивается?
11. Почему нельзя изготовить цементный камень, раствор или бетон, не
содержащие пор? Какова физическая причина формирования пористости в
этих материалах?
12. Назовите виды коррозии цементного камня, объясните чем они обусловлены.
13. Назовите важнейшие разновидности портландцемента.
14. Что происходит при длительном хранении БТЦ? Какие качества утра-
чивает этот цемент?
15. Назовите, в каких случаях нецелесообразно использовать БТЦ и когда
его применение не допускается.
16. Как получают цементы с органическими добавками? В чем преимуще-
ство этих цементов?
17. Как получают белый и цветной портландцементы? Назовите области их
применения.
18. Как отличить гидрофобный портландцемент от обычного?
19. Назовите активные минеральные добавки к цементам. В чем заключа-
ется их активность?
20. Для чего используют минеральные добавки-наполнители?
21. Что такое пуццолановый портландцемент? Какова область его применения?
22. Как получают шлакопортландцемент? Назовите его свойства и область
применения.
23. Почему шлаки для изготовления шлакопортландцемента должны быть
гранулированными?
24. Назовите основные технические характеристики цемента для строи-
тельных растворов.
25. В чем заключаются особенности глиноземистого и расширяющихся цементов?
26. Как получают воздушную строительную известь и какие ее виды суще-
ствуют?
27. В чем сущность гашения и твердения извести, потери ее активности?
28. Назовите гидравлические известесодержащие вяжущие вещества.
29. Как изготовляют строительный гипс? Какими он обладает свойствами
и где его используют? Чем от него отличается эстрих-гипс?
30. Что такое жидкое стекло, кислотоупорный цемент, цемент Сореля и в
чем сущность их твердения?
31. Как транспортируют и хранят цементы?
218
Глава 10. ЗАПОЛНИТЕЛИ ДЛЯ РАСТВОРОВ
И БЕТОНОВ
10.1. Виды заполнителей и их назначение
в бетонах и растворах
Заполнителями называют рыхлую смесь минеральных или
органических зерен природного или искусственного происхож-
дения. В бетоне эти зерна скрепляются вяжущим веществом,
образуя прочное камневидное тело. Зачем же нужны в бетоне
заполнители?
1. Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и, следо-
вательно, позволяют резко сократить расход цемента или других
вяжущих, являющихся наиболее дорогой и дефицитной состав-
ной частью бетона.
2. Цементный камень при твердении претерпевает объемные
деформации. Усадка его достигает 2 мм/м. Из-за неравномерно-
сти усадочных деформаций возникают внутренние напряжения
и трещины. Мелкие трещины могут быть невидимы невоору-
женным глазом, но они резко снижают прочность и долговеч-
ность цементного камня.
Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, воспринимает
на себя усадочные напряжения и уменьшает усадку обычного
бетона примерно в 10 раз по сравнению с цементным камнем.
3. Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя увеличи-
вает прочность бетона, повышает его модуль упругости (т. е.
уменьшает деформации конструкций при приложении нагруз-
ки), снижает ползучесть.
4. Легкие пористые заполнители уменьшают среднюю плот-
ность бетона и его теплопроводность.
5. Специальные особо тяжелые заполнители (чугунная дробь,
железная руда) делают бетон надежной защитой от радиоактив-
ного излучения.
По крупности зерен различают мелкий заполнитель (песок),
состоящий из частиц размерами 0,16...5 мм, и крупный запол-
нитель (гравий или щебень) с размерами частиц 5...70 мм.
219
Крупный заполнитель в зависимости от формы частиц называют
щебнем (шероховатые частицы неправильной формы) или гра-
вием (гладкие округлые частицы).
По происхождению заполнители бывают природными и ис-
кусственными. Природные заполнители получают путем добычи
и переработки горных пород. К искусственным заполнителям
относят попутные продукты промышленности (доменные и топ-
ливные шлаки, золу ТЭС), а также специально изготовляемые -
керамзитовый гравий, щебень из вспученного перлита и др.
В последнее время начинают использовать «вторичные» за-
полнители, выделяемые из отслуживших свой срок бетонных и
железобетонных конструкций дроблением и рассевом.
Зерновой состав заполнителей решающим образом влияет
на получение бетона заданной прочности при минимальном рас-
ходе цемента. В бетонной смеси цементное тесто расходуется на
обволакивание поверхности зерен и заполнение промежутков
(пустот) между ними. В идеальном случае наименьший расход
цемента достигается в том случае, когда и удельная поверх-
ность, и пустотность зерен заполнителя стремятся к минимуму.
Удельная поверхность тем меньше, чем больше крупность за-
полнителя.
В отличие от удельной поверхности объем пустот в заполни-
теле теоретически не зависит от крупности зерен. Для уменьше-
ния пустотности заполнителя (параграф 4 2) в его состав вводят
зерна меньшего размера, которые заполняют промежутки
между более крупными частицами. Однако это увеличивает
удельную поверхность заполнителя и, следовательно, может
привести к перерасходу вяжущего для обволакивания зерен. По-
этому соотношение между зернами разных размеров в заполни-
теле должно быть оптимальным, при котором объем пустот и
суммарная поверхность зерен требуют минимального расхода
цемента для получения нерасслаиваемой бетонной смеси опре-
деленной удобоукладываемости, а бетон - заданной плотности и
прочности.
Зерновой состав заполнителей определяют по результатам
просеивания пробы через стандартный набор, включающий в
220
себя 10 сит с отверстиями, мм: 70; 40; 20; 10; 5; 2,5; 1,25; 0,63;
0,315 и 0,16. Граница между мелким и крупным заполнителями
проходит по зерну 5 мм.
Совокупность зерен, размер которых находится в пределах
размеров отверстий двух соседних сит, называют фракцией за-
полнителя. Заполнители поставляют полифракционными, т. е.
состоящими из зерен разных фракций, и монофракционными.
Например, щебень с размерами зерен 5...40 мм является полиф-
ракционным: он состоит из зерен фракций 5 (3)... 10; 10...20 и
20...40 мм.
Форма зерен заполнителя влияет на удобоукладываемость
бетонных и растворных смесей. Предпочтительны в этом отно-
шении зерна округлой или кубовидной формы. Пластинчатые,
удлиненные, так называемые лещадные, зерна заполнителя ук-
ладываются в бетоне в строго ориентированном положении, как
правило, горизонтальном. Это делает структуру бетона неодно-
родной, а его свойства - неодинаковыми в разных направлениях.
Поэтому содержание зерен лещадной формы ограничивается
стандартами.
Шероховатость поверхности зерен заполнителей влияет на
свойства бетонной смеси и прочность бетона. Бетонная смесь,
изготовленная на заполнителях с гладкой поверхностью, напри-
мер на гравии, обладает хорошей удобоукладываемостью. Сме-
си на заполнителях с шероховатой поверхностью, в частности на
щебне, укладываются хуже, но бетон приобретает большую
прочность, чем бетон на гравии. Это объясняется лучшим сцеп-
лением шероховатого заполнителя с цементным камнем.
От плотности заполнителей зависит плотность бетона.
Для производства тяжелого бетона используют заполните-
ли, изготовляемые из горных пород со средней плотностью
1,8...2,8 г/см Заполнители, у которых рс< 1,8 г/см , отличаются
заметной пористостью, тем большей, чем меньше их средняя
плотность. Такие пористые заполнители используют для приго-
товления легких бетонов.
221
Прочность - важнейшая характеристика заполнителя. Ее
оценивают по пределу прочности исходной горной породы в
насыщенном водой состоянии. Марки породы по прочности -
М20 ..М140. Марка означает минимальный предел прочности
породы при сжатии, выраженный в МПа. Породы, у которых
предел прочности меньше 20 МПа, относят к слабым разностям.
Содержание слабых разностей в щебне ограничивается стандар-
тами.
Прочность щебня и гравия характеризуют маркой, опреде-
ляемой по дробимости щебня (гравия) при сжатии (раздавлива-
нии) пробы зерен в стальном цилиндре.
Чем слабее заполнитель, тем больше оказывается после тако-
го испытания раздробленных зерен. Их отсеивают сквозь сито с
размером отверстий 5 мм и определяют марку по дробимости из
выражения
^1Л^2..1Оо, (10.1)
где тхпроба щебня (гравия), кг; т2 - масса остатка на кон-
трольном сите после просеивания раздробленной в цилиндре
пробы щебня (гравия), кг. Марки гравия и щебня из гравия по
дробимости - 200, 300, 400, 600, 800, 1000,1200 и 1400.
10.2. Мелкие заполнители
К мелким заполнителям относятся пески, которые могут
быть природными или искусственными.
Природный песок - это неорганический сыпучий материал,
состоящий из зерен размером до 5 мм, образовавшийся в резуль-
тате естественного разрушения скальных горных пород и полу-
чаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных место-
рождений. По минеральному составу различают пески кварце-
вые, полевошпатные. карбонатные. Кварцевые пески лучше по
качеству Их чаще применяют для изготовления бетонов и
строительных растворов.
222
По условиям образования различают речные, морские, ов-
ражные (горные) пески. Зерна речных и морских песков имеют
округлую форму и гладкую поверхность, так как истираются
при переносе водой. У овражных и горных песков зерна пре-
имущественно угловатые. В таких песках содержится больше
глинистых и органических примесей.
Искусственный песок получают дроблением твердых гор-
ных пород, попутных продуктов промышленности (например,
шлаков) или специально изготовляют (например, вспученный
перлитовый песок). Форма зерен дробленых песков остроуголь-
ная, поверхность шероховатая Эти пески не содержат вредных
примесей, которые встречаются в природных песках. В качестве
заполнителей для теплоизоляционных и акустических растворов
применяют специально изготовленные искусственные пористые
пески: вспученный перлитовый - марок по плотности 100, 150 и
200, керамзитовый марки 500...700 и аглопоритовый марки по
плотности до 600.
Для определения зернового состава песка используют стан-
дартный набор сит с отверстиями, мм: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и
0,16, через которые просеивают навеску песка массой 1 кг. Сна-
чала определяют частные остатки в процентах на каждом сите
(«-2,5, «1,25, «0 63 И т. д.), а затем полные остатки Л2,5; ^1,25; ^о.бз
и т. д.). Полный остаток на любом сите равен сумме частных
остатков на этом сите и всех вышерасположенных. Например,
^о,бз = «о,бз + «1,25 + «2,5- Величины полных остатков являются
характеристикой зернового состава песка.
На основании результатов ситового анализа песка можно
рассчитать модуль крупности зерен Мк по формуле
А/к ~ (Д-2,5 + ^1,25 + ^0,63 + ^0,315 + Ло,1б)/ЮО. (10.2)
В зависимости от зернового состава и содержания глинистых
и пылевидных частиц песок делят на три класса’ высшего, пер-
вого и второго. В свою очередь по зерновому составу различают
песок очень крупный, повышенной крупности крупный, средний,
мелкий, очень мелкий, тонкий и очень тонкий (табл. 7).
223
Зерновой состав песка
Таблица 7
Группа песка Полный остаток на сите с размером отверстий 0,63 мм, % по массе Модуль круп- ности Л/к
Очень крупный Более 75 Более 3,5
Повышенной крупности Более 65 до 75 Более 3,0 до 3,5
Крупный Более 45 до 65 Более 2,5 до 3,0
Средний Более 30 до 45 Более 2,0 до 2,5
Мелкий Более 10 до 30 Более 1,5 до 2,0
Очень мелкий До ю Более 1,0 до 1,5
Тонкий Не нормируется Более 0,7 до 1,0
Очень тонкий Не нормируется Менее 0,7
Зерновой состав песка для изготовления бетона определяют
также по графику (рис. 40). Для этого по горизонтали отклады-
вают размеры отверстий контрольных сит (мм), по вертикали -
полные остатки на ситах (%). Полученные точки соединяют
ломаной линией, которую называют кривой зернового состава
песка.
Рис. 40. График зернового состава песка: 1 - допустимая нижняя граница песка
(Л/к = 1,5); 2 - рекомендуемая нижняя граница крупности для бетонов класса
В15 и выше (Мк - 2,0); 3 - рекомендуемая нижняя граница крупности для
бетонов класса В25 и выше (Л/к = 2,5); 4 - допустимая верхняя граница круп-
ности песка (Л/к = 3,25)
224
Если кривая лежит в пределах заштрихованной области стан-
дартного графика, то песок пригоден для работы - приготовления
раствора, бетона, мозаичной смеси. Если же кривая выходит за пре-
делы заштрихованной области, то песок нужно обогатить, отсеивая
ненужные фракции, или промыть. Как и промывку, обогащение
песка производят на дробильно-сортировочном заводе.
Для приготовления тяжелого бетона рекомендуются крупные
и средние пески с модулем крупности 2. ..3,25. Использовать для
бетона мелкие и тем более очень мелкие пески допускается
только после технико-экономического обоснования целесооб-
разности этого.
Для песка высшего класса содержание зерен размером бо-
лее 10 мм не допускается, зерен размером более 5 мм и менее
0,16 мм должно быть не более 3 %, глинистых и пылевидных
частиц - не более 1 %. Для песка первого класса допускается
содержание зерен размерами: больше 10 мм — не более 0,5 %,
больше 5 мм - не более 5 %, пылевидных и глинистых частиц в
природном песке - не более 3 %.
Для монтажных и кладочных тяжелых растворов применяют
песок с размером зерен не более 5 мм с модулем крупности
1,5...2 5£для штукатурных растворов используют природный
песок групп «очень мелкий», «мелкий» и «средний» (модуль круп-
ности до-2,5 .
Максимально допустимый размер зерен песка для подгото-
вительных слоев обрызга и грунта не должен превышать 2,5 мм,
для отделочного слоя (накрывки) - 1,25 мм.
Присутствие в природном песке пылеватых и особенно гли-
нистых примесей снижает прочность и морозостойкость бето-
нов и растворов. Глинистые и илистые частицы обволакивают
зерна песка тонким слоем, препятствуя их сращиванию с це-
ментным камнем. Количество таких примесей определяют от-
мучиванием (многократной промывкой водой).
Присутствие в песке органических примесей (в виде остатков
корней растений, органических кислот) замедляет схватывание
и твердение цемента и тем самым снижает прочность бетона и
раствора. Для оценки количества органических примесей пробу
песка обрабатывают раствором едкого натра NaOH и сравнива-
15. Зак. 508
225
ют цвет раствора с эталоном. Если цвет раствора темнее этало-
на, песок нельзя использовать в качестве заполнителя.
Песок обладает способностью изменять свой объем и соот-
ветственно насыпную плотность при изменении влажности в
пределах от 0 до 20...25 %. При влажности 3...10 % плотность
песка резко снижается по сравнению с насыпной плотностью
сухого песка (рис. 41), потому что каждая песчинка покрывается
тонким слоем воды и общий объем песка возрастает. При даль-
нейшем увеличении влажности вода входит в межзерновые пус-
тоты песка, вытесняя воздух, и насыпная плотность песка снова
увеличивается. Изменения насыпной плотности песка при изме-
нении влажности необходимо учитывать при дозировке песка по
Рис. 41. Изменение насыпной плот-
ности песка рнас при изменении его
влажности W
10.3. Крупные заполнители
В качестве крупного заполнителя для бетона используют ще-
бень, гравий и щебень из гравия. В зависимости от плотности
зерен крупного заполнителя различают плотные (тяжелые) за-
полнители (р > 2,0 г/см3), используемые для тяжелого бетона,
и пористые (р < 2,0 г/см3), применяемые для легкого бетона.
Гравий - это неорганический зернистый сыпучий материал
с зернами размерами свыше 5 мм, получаемый рассевом при-
родных гравийно-песчаных смесей. В гравий входит некоторое
количество песка. При содержании песка 25...40 % материал
называют песчано-гравийной смесью
Щебень получают дроблением массивных плотных горных
пород на куски размерами 5...70 мм. Зерна щебня угловатой
226
формы и с более развитой, чем у гравия, шероховатой поверхно-
стью. Благодаря этому сцепление с цементным камнем у щебня
выше, чем у гравия. Для высокопрочного бетона предпочти-
тельно применять щебень, для бетонов средней прочности
15.. .30 МПа - более дешевый местный гравий.
Щебень из гравия изготовляют дроблением гравия, гальки
или валунов. В этом щебне содержится не менее 80 % дробле-
ных зерен, т. е. таких, поверхность которых околота более чем
наполовину. По свойствам щебень из гравия занимает промежу-
точное положение между щебнем и гравием.
Зерновой состав крупного заполнителя характеризуют его
наибольшей и наименьшей крупностью. Наибольшая крупность
заполнителя D соответствует размеру отверстий стандартного
сита, на котором полный остаток еще не превышает 10 % по
массе. Наименьшая крупность d определяется размером отвер-
стий первого из сит, полный остаток на котором превышает
95 %, т. е. через него проходит не более 5 % просеиваемой про-
бы. Наименьшая крупность обычно равна 5 мм.
Полные остатки на контрольных ситах при рассеве щебня и
гравия должны соответствовать данным табл. 8.
Таблица 8
Полные остатки на ситах для щебня и гравия
Диаметр отверстий контрольных сит, мм d 0,5 (d + D) D 1,252?
Полные остатки на ситах. % по массе От 90 до 100 От 30 до 80 До 10 До 0,5
Наибольшая крупность заполнителя должна соответствовать
размерам бетонируемой конструкции и расстоянию между
стержнями арматуры. Это позволяет равномерно, без зависаний
распределять бетонную смесь в опалубке или форме.
При изготовлении бетонных плит наибольшая крупность зе-
рен заполнителя должна быть не более половины толщины пли-
ты, для тонкостенных конструкций - не более 1/3 - 1/2 толщины
изделия. В железобетонных конструкциях применяют заполни-
тели с наибольшей крупностью не более 3/4 наименьшего рас-
стояния в свету между стержнями арматуры.
15*
227
При транспортировании смесей по бетоноводу наибольшую
крупность заполнителей устанавливают в зависимости от его
внутреннего диаметра. Для гравия она должна быть не более
0,4 диаметра бетоновода, для щебня - не более 1/3. Крупность
заполнителей в бетонных смесях, подаваемых по хоботам и виб-
рохоботам, принимают равной не более 1/3 их диаметра.
Щебень и гравий применяют, как правило, фракционирован-
ными. Зерновой состав каждой фракции заполнителя или смеси
фракций назначают таким, чтобы обеспечить минимальный рас-
ход цемента в бетоне. Содержание отдельных фракций в круп-
ном заполнителе в составе бетона приведено в табл. 9.
Таблица 9
Требования к фракционному составу крупного заполнителя для бетона
Наибольшая крупность заполнителя, мм Содержание фракций в крупном заполнителе, %
от 5 (3) до 10 мм свыше 10 до 20 мм свыше 20 до 40 мм свыше 40 до 80 мм свыше 80 до 120 мм
10 100 - - - —
20 25...40 60...75 - - -
40 15.. .25 20...35 40...65 — —
80 10... 20 15...25 20...35 35...55 —
120 5...10 10...20 15...25 20...30 30...40
Содержание зерен лещадной формы для щебня 1-й группы
должно быть не более 15 %, 4-й группы - 35...50 % по массе.
Содержание пылевидных и глинистых частиц для щебня из из-
верженных и метаморфических пород должно быть не более 1 %
по массе, для щебня из гравия, валунов и осадочных пород - не
более 3 % и зависит от марки по дробимости.
Прочность заполнителей влияет на прочность бетона. Тре-
бования по прочности устанавливают только для крупного за-
полнителя, поскольку чаще всего применяемые в качестве мел-
кого заполнителя кварцевые пески заведомо прочнее бетона.
Прочность крупного заполнителя нормируют с учетом проч-
ности бетона. Так, марка щебня из естественного камня должна
превышать прочность бетона не менее чем в 1,5...2 раза. Во всех
случаях щебень из изверженных горных пород должен иметь
228
прочность не ниже 80 МПа, из метаморфических - не ниже
60 МПа, из осадочных - не ниже 30 МПа. Содержание в щебне и
гравии зерен слабых и выветренных пород - нс более 10 % по
массе.
Прочность исходной горной породы определяют испытанием
образцов выпиленных в виде цилиндра или куба с размером
ребра 40...50 мм на сжатие в насыщенном водой состоянии.
Прочность крупного заполнителя определяют косвенно путем
определения дробимости при сжатии (раздавливании) в сталь-
ном цилиндре.
Содержание зерен слабых пород в крупном заполнителе в за-
висимости от марки по дробимости для гравия и щебня из гравия
должно быть не более 10... 15 % по массе, для щебня - 5... 15 %.
Морозостойкость щебня и гравия должна обеспечивать по-
лучение проектной марки бетона по морозостойкости. Опреде-
ляют морозостойкость щебня и гравия попеременным замора-
живанием и оттаиванием в насыщенном водой состоянии, а так-
же ускоренным методом - замораживанием в растворе серно-
кислого натрия. По степени морозостойкости гравий и щебень
разделяют на марки: F15, 25, 50, 100, 150, 200, 300 и 400.
Пористые заполнители бывают природные и искусствен-
ные. Природные заполнители получают путем дробления гор-
ных пород, например вулканического туфа, пемзы, известняка-
ракушечника. Они относятся к местным материалам и исполь-
зуются для строительства в районах, незначительно удаленных
от месторождения. Более распространены искусственные по-
ристые заполнители, которые подразделяют на специально из-
готовляемые и полученные из отходов промышленности.
К специально изготовляемым пористым заполнителям отно-
сят керамзит, аглопорит, вспученный перлит и вермикулит,
шлаковую пемзу, зольный гравий. Из отходов промышленности
используют топливные шлаки и золы.
Керамзит - продукт обжига вспучивающихся глин. Его по-
лучают в виде гранул округлой формы размером 5...40 мм (ке-
рамзитовый гравий) с пористой сердцевиной и плотной спек-
шейся оболочкой. Благодаря такому строению прочность керам-
зита сравнительно высокая (до 6 МПа) при небольшой средней
229
плотности (250...600 кг/м3). Получают керамзит быстрым обжи-
гом во вращающихся печах легкоплавких глинистых пород
(в виде сырцовых гранул) с большим содержанием окислов же-
леза и органических примесей до их вспучивания. Гранулы ке-
рамзита напоминают в изломе структуру застывшей пены. При-
меняют керамзит для изготовления легкобетонных конструкций
и теплоизоляционных засыпок.
Керамзитовый песок получают дроблением некондиционных
зерен керамзитового гравия до размеров 0,16...5 мм либо путем
обжига сырья во взвешенном состоянии.
Аглопорит выпускают в виде пористого щебня, гравия или
песка и получают спеканием (агломерацией) сырьевой ших-
ты из глинистых пород, топливных зол или шлаков с добавкой
8... 10 % топлива (каменного угля) или топливосодержащих от-
ходов. Высокая температура, развивающаяся -при сгорании угля,
приводит к спеканию шихты, а образующиеся газы вспучивают
массу, что способствует получению пористого материала. Полу-
ченный корж разламывают, охлаждают до температуры 80...
...120 °C, дробят и сортируют на щебень и песок. Средняя плот-
ность аглопоритового щебня - от 500 до 900 кг/м3, песка - от
600 до 1100 кг/м3.
Шлаковая пемза - пористый щебень, получаемый в резуль-
тате вспучивания расплавленных металлургических шлаков пу-
тем их быстрого охлаждения водой или паром. Это один из са-
мых дешевых пористых заполнителей, но не самый эффек-
тивный: шлаковая пемза сравнительно тяжелый заполнитель
(марки от 300 до 1000).
Зерновой состав пористого гравия и щебня каждой фракции
должен удовлетворять требованиям, указанным в табл. 10.
Таблица 10
Требования к зерновому составу
крупного пористого заполнителя для бетона
Диаметр отверстия кон- трольного сита, мм d D 2D
Полный остаток на сите, % по массе От 85 до 100 До Ю Не нормируется
Примечание: D и d - соответственно наибольший и наименьший номи-
нальный диаметры контрольных сит
230
Пористый песок в зависимости от зернового состава делят на
три группы: 1-я - для конструкционно-теплоизоляционных бе-
тонов; 2-я - для конструкционных; 3-я - для теплоизоляционных
бетонов. Зерновой состав песка (керамзитовый дробленый, аг-
лопоритовый, шлакопемзовый) должен удовлетворять требова-
ниям, указанным в табл. 11.
Таблица 11
Требования к пористому песку для бетона
Размер отвер- стий контрольного сита, мм Полный остаток на контрольном сите, % по объему, для групп песка
1-я 2-я 3-я
5 0...10 0...10 Не нормируется
1,25 20...60 30...50
0,315 45...80 65...90
0,16 70...90 90... 100
Менее 0,16 10...30 0...10
Вспученные перлитовые песок и щебень — пористые зерна
белого или светло-серого цвета - получают путем быстрого
(1...2 мин) нагрева до температуры 1000... 1200 °C вулканиче-
ских стеклообразных горных пород (таких, как перлиты, обси-
дианы, витрофиры, пехштейны), содержащих 1...10 % химиче-
ски связанной воды. Обжиг дробленого материала ведут в шахт-
ных или вращающихся печах. Вспучивание породы с увели-
чением объема в 5... 15 раз происходит в момент перехода в пи-
ропластическое состояние при нагревании за счет воздействия
водяного пара при удалении химически связанной воды. Полу-
ченные песок и щебень (плотностью от 80 до 500 кг/м3) приме-
няют в качестве теплоизоляционных засыпок, для производства
теплоизоляционных изделий и легких бетонов.
Топливные шлаки образуются в топках при спекании и час-
тичном вспучивании неорганических примесей, содержащихся в
угле. Этот материал характеризуется значительной неоднород-
231
ностью свойств, что ограничивает его применение. В качестве
крупного заполнителя в легких бетонах могут использоваться
плотные шлаки, не подверженные самораспаду с ограничен-
ным содержанием частиц несгоревшего топлива и других при-
месей.
Пылевидная зола ТЭС образуется при сжигании размолотого
каменного угля. Ее используют как мелкий заполнитель в бето-
нах и растворах при условии, что содержание частиц несгорев-
шего топлива не превышает установленных пределов.
Основная характеристика пористого заполнителя - средняя
плотность в сухом состоянии. В зависимости от средней плотно-
сти (кг/м3) гравий, щебень и песок делят на марки: 250, 300, 350,
400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 и 1100. Крупные пористые
заполнители поставляют раздельно по фракциям: 5... 10; 10...20
и 20...40 мм.
В зависимости от прочности, определенной при испытании
сдавливанием в цилиндре, гравий и щебень подразделяют на
марки по прочности от П15 (прочность при сдавливании в ци-
линдре - до 0,5 МПа) до П400 (прочность при сдавливании в
цилиндре - более 10 МПа). У керамзитового гравия, например,
она составляет 0,6.. .2,5 МПа.
Морозостойкость пористых заполнителей должна соответст-
вовать марке не ниже F15 при потере массы не более 8 %.
Благодаря развитой системе пор заполнители способны по-
глощать значительное количество воды затворения, причем ско-
рость водопоглощения особенно велика в первые 15...20 мин,
т. е. в момент приготовления и укладки бетонной смеси. Интен-
сивное впитывание воды в первоначальные сроки обусловлено
поглощением воды крупными порами заполнителя. В дальней-
шем постепенно насыщаются тонкие поры и капилляры.
Быстрый отсос воды зернами заполнителя и развитая шеро-
ховатая поверхность делают легкобетонные смеси недостаточно
удобоукладываемыми. Поэтому при изготовлении легких бето-
232
нов особенно эффективно применение гидрофобно-пластифи-
цирующих добавок.
В пористых заполнителях для армированных бетонов содер-
жание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений в
пересчете на SO3 должно быть не более 1 % по массе.
Структура аглопоритового и шлакопемзового щебня должна
быть устойчивой против силикатного распада.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
I. Какую роль играют заполнители в бетоне?
2. Чем различаются мелкие и крупные заполнители, природные и искусст-
венные?
3. Чем характеризуют зерновой состав заполнителей и как он влияет на
свойства бетонной смеси?
4. Каким должен быть зерновой состав мелкого заполнителя? Назовите ви-
ды песка в зависимости от зернового состава.
5. Назовите вредные примеси в заполнителях. Как влияют эти примеси на
свойства бетона?
6. В чем различие между гравием и щебнем? Сопоставьте свойства бетон-
ной смеси и затвердевшего бетона, изготовленных на этих заполнителях.
7. Как оценивают прочность заполнителей, влияет ли она на прочность
бетона?
8. Почему ограничивают в песке содержание глинистых примесей?
9. Какое соотношение принимают между наибольшей крупностью запол-
нителя и размерами бетонируемой конструкции?
10. Как оценивают зерновой состав крупного заполнителя?
11. Какие требования предъявляют к крупным заполнителям для бетона -
щебню и гравию?
12. Назовите виды пористых заполнителей для изготовления легкого
бетона.
13. Какие виды пористых заполнителей используют в тепловой изоляции?
14 В чем заключаются особенности структуры пористых заполнителей и
как отражаются эти особенности на свойствах бетонной смеси и затвердевшего
раствора?
233
Глава 11. БЕТОНЫ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
11.1. Определение и общая классификация бетонов
и растворов
Трудно сказать, когда впервые в строительной практике поя-
вился бетон, так как начало его использования человеком ухо-
дит в глубь веков. Наиболее раннее применение бетона, обнару-
женное археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Этот
бетон был найден в одной из хижин древнего поселения ка-
менного века на берегу Дуная в Югославии. Из него был сделан
пол толщиной 25 см. В состав того бетона входили гравий и из-
весть красноватого цвета. К этому же периоду относится мате-
риал, из которого выполнены конструкции «египетского лаби-
ринта» и который также был приготовлен строителями древно-
сти на известковом вяжущем веществе. Однако бетон тех времен
мало походил на современный. Поэтому материал, подобный
бетону, называли по-разному: «эмплектон», «радус», «опус це-
ментум», «псевдо- или квази- (якобы) бетон» и др. В тепе-
решнем виде бетон начали применять лишь в начале XIX в.,
когда был изобретен портландцемент. И все же наибольшее
применение этот материал получил лишь в XX ст., преобразив-
шем мир.
Бетон создан специально для нужд строительства и произво-
дится только для строительных целей. И состав его тоже исклю-
чительно прост: цемент, вода, мелкий и крупный заполнитель
типа песка, гравия или щебня. Вместо цемента может быть ис-
пользовано другое вяжущее. Вода вступает в химическую реак-
цию с цементом, в результате которой вязкопластичная вначале
масса постепенно превращается в прочный цементный камень.
Он и связывает в единую систему (конгломерат) заполнители.
При необходимости в состав бетона вводят добавки различного
назначения.
Бетоном называют искусственный каменный материал, по-
лучаемый в результате затвердевания правильно подобранной,
тщательно перемешанной и уплотненной смеси вяжущего веще-
ства, воды, заполнителей и в необходимых случаях - специаль-
234
ных добавок. Смесь из указанных выше компонентов до начала
ее затвердевания называют бетонной смесью.
Строительным раствором называют искусственный камен-
ный материал, получаемый в результате твердения правильно
подобранной смеси, состоящей из вяжущего, мелкого заполни-
теля, воды и добавок. До начала затвердевания ее называют рас-
творной смесью.
Классифицируют бетоны по следующим основным призна-
кам: назначению, средней плотности, виду вяжущего, виду за-
полнителей, структуре и условиям твердения.
По основному назначению различают следующие бетоны:
конструкционные и специальные (жаростойкие, коррозионно-
стойкие, декоративные, теплоизоляционные, радиационно-за-
щитные, бетонополимеры, полимербетоны и др.). Конструкци-
онные бетоны - это бетоны несущих и ограждающих конструк-
ций зданий и сооружений, определяющими требованиями к ка-
честву которых являются требования по физико-механическим
характеристикам. Конструкционные бетоны делят на обычные,
гидротехнические, дорожные и др.
Обычным называют бетон, к которому не предъявляются
особые требования.
К гидротехническим относят бетоны, применяемые для воз-
ведения гидротехнических сооружений (плотин, водорегули-
рующих, водозаборных и других сооружений).
Дорожным называют бетон, применяемый в покрытиях до-
рог, аэродромов и других подобных сооружений.
Жаростойкие бетоны применяют для изготовления конст-
рукций, которые в условиях эксплуатации подвергаются посто-
янному или периодическому воздействию температур от 200 до
1800 °C.
Конструкционно-теплоизоляционные бетоны предназначены
для железобетонных конструкций, к которым предъявляются
требования как по несущей способности, так и по теплоизоля-
ционным свойствам.
Коррозионностойкими называют бетоны, способные в усло-
виях эксплуатации противостоять действию агрессивных сред.
235
В зависимости от средней плотности различают особо
тяжелые, тяжелые, легкие и особо легкие бетоны.
Особо тяжелые бетоны со средней плотностью более
2500 кг/м3 изготовляют на особо тяжелых заполнителях (магне-
тит, лимонит, барит, чугунная дробь, обрезки стали). Эти бето-
ны применяют для изготовления специальных конструкций, на-
пример при сооружении зданий атомных электростанций для
защиты от радиоактивного излучения.
Тяжелые бетоны со средней плотностью 2000.. 2500 кг/м3
изготовляют на плотном песке и крупном заполнителе из плот-
ных горных пород и используют во всех несущих конструкциях.
Легкие бетоны со средней плотностью 500...2000 кг/м вы-
пускают на пористом крупном заполнителе и пористом или
плотном мелком заполнителе. Их используют в основном для
производства ограждающих или несущих конструкций.
Особо легкие бетоны (ячеистые) со средней плотностью ме-
нее 500 кг/м3 изготовляют на основе вяжущего вещества, крем-
неземистого компонента и порообразователя. Они применяются
в качестве теплоизоляционного материала в виде плит, скорлуп,
стеновых изделий (мелких блоков и панелей).
По виду вяжущего бетоны подразделяют следующим обра-
зом: бетоны на цементных вяжущих', бетоны на известковых
вяжущих', бетоны на гипсовых вяжущих; бетоны на шлаковых
и бетоны на специальных вяжущих.
По виду заполнителей различают: бетоны на плотных за-
полнителях; бетоны на пористых заполнителях; бетоны на
специальных заполнителях.
По крупности зерен заполнителей различают бетоны мел-
козернистые и крупнозернистые.
Мелкозернистым считается бетон, в котором размеры зерен
крупного заполнителя менее 10 мм
В зависимости от характера структуры различают сле-
дующие виды бетонов:
• бетоны плотной (слитной) структуры, в которых про-
странство между зернами заполнителей полностью занято за-
твердевшим вяжущим веществом;
236
• крупнопористые бетоны (беспесчаные или малопесчаные),
в которых значительная часть объема межзерновых пустот оста-
ется не занятой мелким заполнителем и затвердевшим вяжущим
веществом;
• поризованные бетоны, в которых пространство между зер-
нами заполнителей занято вяжущим веществом, поризованным
пенообразующими или газообразующими добавками;
• ячеистые бетоны - бетоны с искусственно созданными
ячейками-порами, состоящие из смеси вяжущего вещества, тон-
кодисперсного кремнеземистого компонента и порообразующеи
добавки.
По условиям твердения бетоны подразделяются на:
• бетоны естественного твердения, твердеющие при темпе-
ратуре 15 ..20 °C и атмосферном давлении;
• бетоны, подвергнутые с целью ускорения твердения тепло-
вой обработке (70.. 90 °C) при атмосферном давлении;
• бетоны, твердеющие в автоклавах при температуре
175 . .200 °C и давлении пара 0,9 .. 1,6 МПа.
Строительные растворы классифицируют по плотности, виду
вяжущего, составу и назначению.
По средней плотности различают растворы тяжелые плот-
ностью более 1500 кг/м3 п легкие плотностью менее 1500 кг/м3.
По виду вяжущего растворы бывают известковые, гипсо-
вые, цементные и на основе смешанных вяжущих В зависимо-
сти от свойств вяжущего раствори подразделяют на воздушные,
твердеющие в воздушно-сухих условиях (например, известко-
вые, гипсовые), и гидравлические, начинающие твердеть на воз-
духе и продолжающие твердеть в воде или во влажных условиях.
По степени готовности растворы делят на: сухие смеси и
растворные смеси, готовые к применению.
По составу растворы делят на простые и сложные (смешан-
ные). Растворы, приготовленные на одном вяжущем, заполните-
ле и воде, называют простыми. Составы простых растворов
обозначают двумя числами. Например, известковый раствор со-
става 1 4 означает, что в растворе на одну часть извести прихо-
дится четыре части заполнителя (песка). Растворы, приготов-
237
ленные на нескольких вяжущих, заполнителе и воде, называют
сложными или смешанными. Составы сложных растворов обо-
значают тремя числами. Например, состав известково-це-
ментного раствора 1:1:9 обозначает, что на одну часть извести
в растворе приходится одна часть цемента и девять частей за-
полнителя.
По назначению строительные растворы различают: кладоч-
ные - для каменной кладки фундаментов, стен, столбов, сводов
и др.; отделочные - для оштукатуривания стен, потолков, за-
щитно-декоративные — для отделки наружных поверхностей
зданий и сооружений и декоративные — для отделки внутри по-
мещений; монтажные — для заполнения и заделки швов между
крупными элементами при монтаже зданий и сооружений из го-
товых сборных конструкций и деталей; специальные - водоне-
проницаемые, кислотостойкие, жаростойкие, акустические, теп-
лоизоляционные, инъекционные, рентгенозащитные и перекачи-
ваемые по трубопроводам..
11.2. Бетоны
11.2.1. Определение состава бетона
Состав должен обеспечивать заданные свойства бетонной
смеси и затвердевшего бетона при минимальном расходе_цемен-
та как наиболее дорогостоящего компонента.
Исходные данные для определения состава содержатся в
техническом проекте строительства и включают следующие
требования: проектную марку или класс бетона по прочности,
заданную условиями работ удобоукладываемость бетонной сме-
си, требования по водонепроницаемости, морозостойкости или
коррозионной стойкости бетона, данные по наибольшей крупно-
сти заполнителя, длительности и режиму твердения и другим
условиям производства работ.
Определение состава бетона начинают с выбора материалов
для его приготовления. После этого устанавливают их характе-
ристики, необходимые для расчета состава бетонной смеси: ак-
238
тивность и плотность цемента, плотность заполнителей в сухом
состоянии, крупность зерен заполнителей, показатель пустотно-
сти крупного заполнителя.
Выбор цемента для бетона. Для получения связанной струк-
туры цементного теста в бетоне активность цемента должна
быть в пределах 0,7...2 от требуемой прочности бетона. При
значениях отношения активности цемента к прочности бетона
меньше 0,7 и больше 2 цементное тесто теряет связность, что в
свою очередь приводит к резкому ухудшению физико-
механических свойств цементного камня и бетона. Для вибри-
рованного бетона указанное отношение активности цемента к
прочности бетона должно быть в пределах 1,2...2, вибрирован-
ного с пригрузом - 1,0... 1,2, а величина отношения 0,7... 1,0 ре-
комендуется для бетонов, уплотняемых прессованием, трамбо-
ванием.
Цементы, имеющие величину активности выше значения
требуемой прочности бетона (раствора) в два и более раз, при
отсутствии агрессии должны применяться с тонкомолотыми ак-
тивными минеральными добавками или микронаполнителями,
снижающими активность цемента, но увеличивающими общее
количество вяжущего. Оптимальное содержание добавок следу-
ет устанавливать на основании лабораторных испытаний.
В соответствии с «Типовыми нормами расхода цемента для
приготовления бетонов сборных и монолитных бетонных, желе-
зобетонных изделий и конструкций» (СНиП 5.01.23-83), марка
цемента может быть выбрана в зависимости от средней прочно-
сти бетона при сжатии и условий его твердения по табл. 12.
Для мелкозернистых бетонов марку цемента рекомендуется
выбирать по табл. 13.
Для неармированных конструкций (бетонных) минимальный
расход цемента должен составлять не менее 170 кг на м3 бето-
на, а для железобетонных конструкций - не менее 220 кг.
Максимальный расход цемента в бетоне не должен превышать
600 кг/м3.
239
Таблица 12
Рекомендуемые и допустимые марки цемента
для тяжелых бетонов на крупном заполнителе
Проектная марка бетона Марка цемента для тяжелого бетона при твердении в условиях
естественных тепловой обработки при отпускной прочности бетона
70 % проектной и менее 80... 100 % проектной
рекомен- дуемая допусти- мая рекомен- дуемая допусти- мая рекомен- дуемая допусти- мая
М100 300 - 300 - - -
М150 300 400 300 400 400 300, 500
М200 400 300, 500 400 300, 500 400 500
М250 400 300, 500 400 300, 500 400 500
М300 400 500 400 500 500 400
М350 400 500 400 500 500 400
М400 500 550, 600 500 550, 600 550 500, 600
М450 550 500, 600 550 500, 600 600 500, 550
М500 600 550,500 600 550,500 600 550
М600 600 550 600 550 - -
Таблица 13
Рекомендуемые и допустиемые марки цемента
для мелкозернистых бетонов
Проектная марка бетона Марка цемента
рекомендуемая допустимая
М100 300 400
М150 400 500
М200 400 500
М250 500 400
М300 500 400
М350 500 400
М400 500 -
Выбор мелкого и крупного заполнителей в первую очередь
зависит от требуемого класса бетона, т. е. от его нормативной
240
прочности. Чем выше класс бетона, тем выше должны быть тре-
бования к качеству заполнителей для него. При этом стремятся
использовать, как правило, местные заполнители или заполни-
тели из близко расположенных карьеров, но отбирают из них те,
которые позволяют получать бетон с заданными свойствами при
минимальном расходе цемента. Так, для бетонов класса до
В10...В12,5 наряду с рядовыми заполнителями среднего качест-
ва можно использовать в отдельных случаях и заполнители по-
ниженного качества, т. е. крупный заполнитель низкой прочно-
сти, например щебень из карбонатных горных пород и мелкий
песок.
Для бетонов класса В15...В20 можно использовать рядовые
заполнители среднего качества в том числе и гравий, для бето-
нов класса В25 и выше необходимо применять высококачест-
венные чистые фракционные заполнители из плотных и проч-
ных горных пород. Однако при окончательном выборе заполни-
телей для бетона необходимо учитывать также их стоимость.
Назначение добо кладываемости бетонной смеси. Удобо-
укладываемость бетонной смеси назначают в соответствии со
способом формования и типом конструкций по СНиП 5.01.23-83
и указывают в проектной документации.
Состав бетона выражают в виде расхода цемента, мелкого и
крупного заполнителя и воды на 1 м3 уплотненного бетона. Что-
бы определить эти данные, используют различные зависимости,
предложенные и апробированные научными организациями.
В странах СНГ широкое применение нашел расчетно-экспе-
риментальный метод НИИЖБа.
Методика расчета.
1. Определение водоцементного отношения бетонной смеси
(В/Ц)б = (0,23Лц + 10)/(Яб +8), (11.1)
где R д и R6 - соответственно активность цемента и марка бетона,
МПа.
2. Расход воды определяют по табл. 14.
16. Зак. 508
241
Таблица 14
Ориентировочный расход воды для бетонной смеси
Удобоукладываемость смеси Ориентировочный расход воды (кг) при наибольшей крупности (мм)
Осадка конуса, см Жесткость, с гравия щебня
10 20 40 70 10 20 40
10...12 - 215 195 185 175 225 205 195
5...7 - 205 180 175 160 215 195 185
1...3 - 190 165 160 145 200 180 170
- 8...12 175 155 145 135 185 165 155
- 15...20 160 145 140 130 170 155
- 22...30 155 140 135 125 165 150
Примечание. Если искомый расход цемента окажется более 400 кг/м3, то
расход воды повышают из расчета 10 кг на каждые его 100 кг.
3. По расходу воды на 1 м3 бетона и водоцементному отно-
шению бетонной смеси определяют расход цемента на 1 м бе-
тона
Ц = В/(В/Ц)б. (11.2)
Если расход цемента окажется меньше допустимого норма-
ми, то следует применять минимально допустимый для данных
условий эксплуатации конструкций. При этом следует увели-
чить и расход воды с учетом увеличенного расхода цемента, со-
хранив расчетное значение В/Ц.
4. Суммарный расход заполнителей (песка и щебня (гравия),
кг) на 1 м3 бетонной смеси определяют из условия, что сумма
всех составляющих компонентов бетонной смеси равна 1 м3, при
этом межзерновые пустоты в крупном заполнителе должны
быть заполнены цементно-песчаным раствором:
З = рб.см-Ц-В, (11.3)
где 3 = П + К.
Среднюю плотность бетонной смеси рб.см следует принимать
при заполнителе из карбонатных пород 2350 кг/м3, а из более
плотных пород - 2400 кг/м3.
242
5. Расход песка (кг) на 1 м2 3 4 5 бетонной смеси находят с учетом
массовой доли песка г, зависящей от вида и крупности зерен за-
полнителей, а также от расхода цемента (табл. 15).
Таблица 15
Массовая доля песка в смеси заполнителей
Расход цемента в бетоне, кг/м3 Массовая доля песка в смеси заполнителей при крупности, мм
гравия щебня
20 40 70 20 40 70
200 0,4 0,39 0,37 0,42 0,41 0,40
250 0,39 0,37 0,36 0,41 0,40 0,39
300 0,37 0,35 0,35 0,40 0,39 0,38
350 0,35 0,34 0,34 0,38 0,37 0,36
400 и более 0,36... ...0,38 0,35... ...0,38 0,32... ...0,38 0,37... ...0,42 0,35... ...0,42 0,34... ...0,40
Пример 1. Рассчитать состав бетона марки 200 естественного твердения.
Подвижность бетонной смеси, требуемая условиями работ, должна составить
2...5 см. Вяжущее - портландцемент ОАО «Красносельскстройматериалы»
активностью 40,0 МПа. Крупный заполнитель - гравий речной плотных пород
с предельной крупностью 20 мм. Мелкий заполнитель - песок овражный.
Решение.
1. Рассчитаем необходимое водоцементное отношение бетонной смеси
(В/Ц)6, °-23/г- + |0 = ^23 x 40+10 5
Яе+8 20+8
2. Определим расход воды по табл. 14. Для бетонной смеси с ОК = 2...5 см
расход воды в среднем составит 170 кг.
3. Расход цемента на 1 м3 бетонной смеси
Ц = 170/0,685 = 248 кг.
Среднюю плотность бетонной смеси принимаем равной 2400 кг/м3.
4. Суммарный расход заполнителей для приготовления 1 м3 бетонной
смеси
3 = 2400 - 248 - 170 = 1982 кг.
5. Массовая доля песка в смеси заполнителей с использованием гравия с
размером зерен 20 мм и при расходе цемента 248 кг составит 0,39.
Расход песка на 1 м3 бетона
П = 1982 x 0,39 = 773 кг.
1б*
243
6. Расход гравия на 1 м3 бетона
К = 1982-773 = 1209 кг.
7. Готовят пробный замес бетонной смеси, проверяют ее подвижность и
при удовлетворительном значении делают контрольные образцы для определе-
ния прочности. Если удобоукладываемость оказывается меньше требуемой, то
добавляют 5... 10 % воды от массы, использованной на пробный замес. Чтобы
не изменилось В/Ц, одновременно добавляют такой же процент цемента. Если
удобоукладываемость выше заданной, то добавляют одновременно 5... 10 %
песка и щебня от их расхода на пробйый замес. Если полученная при испыта-
нии прочность бетона отличается от заданной более чем на 15 %, то изменяют
В/Ц в большую или меньшую сторону.
Окончательно определенный лабораторный состав бетона, полученный для
сухих материалов, пересчитывают на рабочий состав, в котором учтена влаж-
ность заполнителей. Для этого рассчитывают количество воды, содержащейся
во влажных заполнителях.
Пример 2. В лабораторном составе расход сухого гравия равен 1209 кг,
песка - 773 кг, воды - 170 кг. Определить расход заполнителей, если их влаж-
ность по массе составляет: гравия - 2 %, песка - 4 %.
Масса воды, содержащейся в гравии, равна 1209 х 0,02 = 24 кг, в песке -
773 х 0,04 = 31 кг. Следовательно, расход влажного гравия составит 1209 +
+ 24 = 1233 кг, а песка - 773 + 31 = 804 кг. При этом надо сократить расход
воды с учетом того, что часть ее содержится в заполнителях: 170 - (24 + 31) =
= 115 кг.
Иногда состав бетона выражают в относительных единицах,
деля расходы всех компонентов бетонной смеси на массовый
расход цемента. Если, например, для изготовления 1 м бе-
тонной смеси требуется (кг): цемента - 300, воды - 200, песка -
800, щебня — 1100, то состав в относительных единицах будет
Ц : П : В : Щ = 1 : 0,67 : 2,67 : 3,67.
11.2.2. Технологические свойства бетонной смеси
Бетонная смесь состоит из цементного теста, мелкого и
крупного заполнителя. Каждый из этих компонентов влияет на
вязкопластичные свойства смеси.
По физическому состоянию бетонная смесь занимает особое,
промежуточное, положение между жидкостями и твердыми те-
лами. Подобно твердому телу смесь, находящаяся в состоянии
покоя, обладает упругостью и прочностью структуры. Когда
прочность структуры преодолевается, бетонная смесь подобна
вязкой жидкости.
244
Эти особенности проявляются в процессе транспортирова-
ния, укладки и уплотнения смеси. Под влиянием внешних меха-
нических усилий - силы тяжести, давления в бетононасосе, виб-
рирования - нарушается взаимодействие между составляющими
бетонной смеси, что приводит к уменьшению ее структурной
прочности. Бетонная смесь разжижается и приобретает способ-
ность перемещаться по трубопроводам и заполнять опалубку
под действием силы тяжести. Явление разжижения бетонной
смеси обратимо: после прекращения механического воздействия
прочность структуры вновь возрастает. Свойство бетонной сме-
си разжижаться при механическом воздействии и вновь загусте-
вать в спокойном состоянии, называемое тиксотропией, ис-
пользуют при перекачивании бетононасосами, виброуплотне-
нии бетона, формовании изделий способом немедленной распа-
лубки.
В практике производства бетонных работ для оценки свойств
бетонной смеси используют технические характеристики. Самая
важная характеристика - удобоукладываемость, т. е. способ-
ность бетонной смеси заполнять форму и образовывать в ре-
зультате уплотнения плотную, однородную массу. Для оценки
удобоукладываемости используют три показателя: подвиж-
ность, жесткость и связность смеси.
Подвижность бетонной смеси определяют по осадке стан-
дартного конуса (рис. 42). Усеченный конус изготовляют из
тонкой листовой стали следующих размеров: высота - 300 мм,
диаметр нижнего основания - 200, верхнего - 100 мм. Конус
устанавливают на горизонтальной площадке, не впитывающей
влагу, и наполняют бетонной смесью в три приема, каждый раз
уплотняя смесь 25 ударами металлического стержня-штыковки.
Поверхность смеси заглаживают, затем конус снимают и уста-
навливают рядом. Под действием силы тяжести бетонная смесь
деформируется и оседает. Разность высот металлической фор-
мы-конуса и осевшей бетонной смеси, выраженная в сантимет-
рах, характеризует подвижность смеси и называется осадкой
конуса (ОК). С помощью этого показателя оценивают подвиж-
ность пластичных бетонных смесей.
245
Рис. 42. Определение удобоукладываемости бетонной смеси по осадке конуса:
1 - опоры; 2 - ручки; 3 - конус; ОК - осадка конуса
Жесткость смесей, у которых ОК = 0...1 см, характеризуют
показателем жесткости, определяемым на приборе (рис. 43).
Рис. 43. Схема определения жесткости бетонной смеси: а - прибор в исходном
состоянии; б - после окончания вибрирования; 1 - виброплощадка; 2 - ци-
линдр; 3 - конус с бетонной смесью; 4 - диск с отверстиями; 5 - втулка;
6 - штанга; 7 - штатив
Прибор представляет собой металлический цилиндр диамет-
ром 240 мм и высотой 200 мм. Цилиндр устанавливают на лабо-
раторную виброплощадку со стандартными характеристиками
частоты (50 Гц) и амплитуды колебаний (0,5 мм в ненагружен-
ном состоянии). Затем в цилиндр вставляют конус и заполня-
ют его бетонной смесью так же, как и при определении подвиж-
246
ности. После этого конус снимают и, поворачивая штатив,
опускают стальной диск с отверстиями на бетонную смесь.
Включив виброплощадку, смесь подвергают вибрации до тех
пор, пока цементное тесто не начнет выделяться из всех отвер-
стий диска. В этот момент вибратор выключают. Время, необ-
ходимое для уплотнения смеси в приборе, называют показате-
лем жесткости бетонной смеси (Ж) и выражают в секундах.
В зависимости от удобоукладываемости по СТБ 1035-96
различают смеси сверхжесткие, жесткие, низкопластичные, пла-
стичные и литые (табл. 16).
Таблица 16
Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости
Марка по удобо- укладываемости Норма удобоукладываемости по показателю Водоотделение, %
жесткости, с осадка конуса, см
Сверхжесткие смеси
СЖЗ Более 100 - 0,1
СЖ2 51...100 - 0,1
СЖ1 41...50 - о,1
Жесткие смеси
Ж4 31...40 - 0,2
ЖЗ 21...30 - 0,2
Ж2 11...20 - 0,2
Ж1 5...10 — 0,2
Низкопластичные
П1 4 и менее 1...4 0,4
П2 - 5...9 0,4
Пластичные
ПЗ - 10...15 0,8
П4 - 16...20 0,8
Литые
П5 - 21 и более 0,8
Жесткие бетонные смеси содержат небольшое количество
воды При их уплотнении требуется сильное механическое воз-
действие, например прессование, вибрирование под пригрузом,
247
вибротрамбование. Такие смеси характеризуются также не-
большим расходом цемента. Жесткие смеси обычно используют
при изготовлении сборных железобетонных изделий и конст-
рукций на заводах и домостроительных комбинатах, оборудо-
ванных мощными уплотняющими устройствами. На стройпло-
щадке жесткие смеси применяют редко.
В подвижных смесях воды содержится больше, чем в жест-
ких. Бетонные смеси марок ПЗ...П5 способны заполнять форму
под действием силы тяжести, не требуя значительных механиче-
ских усилий. Подвижные смеси легко поддаются транспортиро-
ванию по трубопроводам с помощью бетононасосов.
Связность - это способность бетонной смеси сохранять од-
нородную структуру, т. е. не расслаиваться в процессе транспор-
тирования, укладки и уплотнения. В результате уплотнения сме-
си частицы сближаются, а часть воды как наиболее легкого
компонента отжимается вверх, образуя капиллярные ходы и по-
лости под зернами крупного заполнителя. Крупный заполнитель,
плотность которого отличается от плотности растворной части
(смеси цемента, песка и воды), также перемещается в теле бе-
тонной смеси. Если заполнитель плотный и тяжелый, например
гранитный щебень, то его частицы оседают (рис. 44а, б), а лег-
кие пористые заполнители - керамзит, аглопорит - всплывают.
Все это ухудшает структуру бетона, делает его неоднородным,
увеличивает водопроницаемость и снижает морозостойкость.
Чтобы повысить связность и предотвратить расслоение бетон-
ной смеси, необходимо правильно назначать количество мелко-
го заполнителя в составе бетона, а также сокращать расход воды
затворения, используя пластифицирующие добавки.
।
б
Рис. 44. Схема возможного расслое-
ния бетонной смеси: а - в процессе
транспортирования и уплотнения;
б - после уплотнения; 1 - направле-
ние, по которому отжимается вода;
2 - вода; 3,4- мелкий и крупный
заполнители
248
Применение пластифицирующих добавок - наиболее эффек-
тивный способ регулирования удобоукладываемости бетонных
смесей и раствора. Добавки значительно сокращают расход во-
ды, что позволяет увеличивать плотность, прочность и морозо-
стойкость бетона. Если необходимо сохранять прочность бетона
на заданном уровне, то пластифицирующий эффект используют
для уменьшения расхода цемента. Добавки увеличивают связ-
ность бетонных смесей, предотвращая их расслоение.
Качество приготовленной бетонной смеси на стройплощадке
можно определить по ее внешнему виду. Хорошо перемешанная
и правильно подобранная смесь однородна, а зерна крупного
заполнителя покрыты раствором, т. е. смесью цемента, песка
и воды. Пластичная смесь не должна расслаиваться. Жест-
кая смесь похожа на влажную землю и плохо уплотняется
штыкованием.
11.2.3. Способы приготовления и укладки бетонной смеси
Бетонные смеси на предприятиях сборного железобетона го-
товят в бетоносмесительных цехах. Для выпуска товарных бе-
тонных смесей предназначены бетонные заводы и инвентарные
бетоносмесительные установки. Производство бетонных смесей
может быть организовано как в стационарных, так и в перебази-
руемых или мобильных установках. Последние применяют в
основном в начальный период строительства объектов, при зна-
чительном удалении их от стационарных заводов.
В состав бетоносмесительных цехов или бетонных заводов
входят склады цемента и заполнителей, установки для приго-
товления добавок, расходные бункера для образования опера-
тивного запаса материалов, транспортное оборудование, аппара-
тура для дозирования компонентов, смесительное оборудование
и устройства для выдачи бетонной смеси.
Приготовление бетонной смеси осуществляют в бетоносме-
сителях периодического и непрерывного действия. Бетоносме-
сители периодического действия бывают двух типов: свободно-
го падения (гравитационные) и принудительного перемеши-
вания.
249
В бетоносмесителях свободного падения (загрузочная вмес-
тимость - 100...4500 л) материал перемешивается в медленно
вращающихся вокруг горизонтальной или наклонной оси смеси-
тельных барабанах, оборудованных внутри короткими коры-
тообразными лопастями (рис. 45а). Лопасти захватывают мате-
риал, поднимают его и при переходе в верхнее положение сбра-
сывают. В результате многократного подъема и падения
обеспечивается его перемешивание. В таких смесителях готовят пла-
стичные бетонные смеси с крупным заполнителем из плотных пород.
а
б
Рис. 45. Бетоносмесители: а - свободного падения; б - принудительного пере-
мешивания; 1 - смесительный барабан; 2 - привод вращения барабана; 3 - ста-
нина; 4 - загрузочная воронка; 5 - смесительные лопатки; 6 - выгрузочное
отверстие
При перемешивании мелкие компоненты бетонной смеси
входят в межзерновые пустоты более крупных (песок в пустоты
крупного заполнителя, цементное тесто в пустоты песка), по-
этому объем перемешанной бетонной смеси составляет лишь
0,6...0,7 от объема исходных сухих компонентов. Этот показа-
тель, называемый коэффициентом выхода бетонной смеси р,
рассчитывают по формуле
Р = Гбс/(Гц+Гп+Гк), (11.4)
где Гбс, Гц, Гп, Гк - объемы бетонной смеси, цемента, песка и
крупного заполнителя соответственно.
250
Так, для бетона с коэффициентом выхода 0,65 за один замес
в бетоносмесителе вместимостью 500 л получается 500 л х 0,65 =
= 325 л = 0,325 м3 бетонной смеси.
Время перемешивания зависит от подвижности бетонной
смеси и вместимости бетоносмесителя. Чем меньше подвиж-
ность смеси и больше вместимость бетоносмесителя, тем боль-
ше времени необходимо для перемешивания. Например, для бе-
тоносмесителя вместимостью 500 л оно составляет 1...2 мин, а
для бетоносмесителя 2400 л - 2,5...3 мин и более.
Бетоносмесители принудительного перемешивания (рис. 456)
представляют собой стальные чаши, в которых смешивание
компонентов производится вращающимися лопастями, наса-
женными на вертикальные валы. Продолжительность переме-
шивания в бетоносмесителях принудительного действия в
1,5...2 раза меньше, чем в гравитационных. Используют их для
приготовления жестких бетонных смесей на мелких песках и с
повышенным содержанием цемента и бетонных смесей на по-
ристых заполнителях.
Бетоносмеситель непрерывного действия корытообразной
формы имеет рабочий орган - вал с лопастями, который одно-
временно перемешивает и перемещает бетонную смесь от загру-
зочного отверстия к выгрузочному. Его производительность
больше, чем бетоносмесителей периодического действия, одна-
ко точность дозирования компонентов меньше и переход от од-
ной марки бетона к другой сложнее. Поэтому их используют
лишь на строительных объектах с большим объемом строитель-
ных работ (например, на строительстве гидроэлектростанций,
автомобильных дорог). Бетоносмесители могут быть передвиж-
ные, установленные на автомашинах, и стационарные.
Автобетоносмеситель представляет собой комбинирован-
ный агрегат, включающий бетоносмесительную и транспортную
машины. На базе автомобиля МАЗ или КамАЗ монтируют бето-
носмеситель гравитационного действия с наклонной осью вра-
щения барабана. Загрузку компонентов и выгрузку бетонной
смеси производят через заднее торцевое отверстие. Объем при-
готовляемой смеси - 4 м3 и более, подвижность смеси при вы-
грузке - не менее 5 см. Дальность перевозки зависит от качества
251
автодороги, температуры и подвижности бетонной смеси. На-
пример, максимальная продолжительность транспортирования
затворенной тяжелой бетонной смеси марок ПЗ.. ,П4 по дороге с
асфальтобетонным покрытием в автобетоносмесителе составля-
ет 90 мин, автосамосвалом - 30 мин; то же по грунтовой доро-
ге - соответственно 30 и 20 мин.
Транспортирование. Обязательное требование ко всем спо-
собам транспортирования бетонной смеси - сохранение ее од-
нородности и подвижности. Бетонные смеси от бетоносмеси-
тельного завода перевозят на стройку на автомашинах-бето-
новозах или автосамосвалах, внутри строительных объектов или
заводов сборного железобетона - вагонетками, конвейерами и
бетононасосами.
Укладка бетонной смеси. Качество и долговечность бетона
во многом зависят от правильности укладки, а методы укладки и
уплотнения определяются видом бетонной смеси (пластичная
или жесткая, тяжелый или легкий бетон) и типом конструкции.
Укладка должна обеспечивать максимальную плотность бетона
(отсутствие пустот и однородность состава).
Литые и пластичные смеси уплотняют под действием силы
тяжести или путем штыкования, жесткие смеси - вибрировани-
ем или другими способами.
Вибрирование - наиболее эффективный метод укладки, осно-
ванный на использовании тиксотропных свойств бетонной сме-
си. При вибрировании частицам бетонной смеси передаются бы-
стрые колебательные движения от источника колебаний - виб-
ратора. Применяют главным образом электромеханические
вибраторы, основная часть которых - электродвигатель. На валу
электродвигателя эксцентрично установлен груз - дебаланс, при
вращении которого возникают колебательные импульсы.
При вибрировании жесткая (или пластичная) бетонная смесь
как бы превращается в тяжелую жидкость, которая плотно за-
полняет все части формы, а воздух, содержащийся в бетонной
смеси, при этом поднимается вверх и уходит. Бетонная смесь
приобретает плотную структуру. При недостаточном времени
вибрирования бетонная смесь уплотняется не полностью, при
слишком долгом - она может расслоиться
252
В зависимости от вида и формы бетонируемой конструкции
применяют различные типы вибраторов. При бетонировании
конструкций большой площади и небольшой толщины (до
200...300 мм), например бетонных покрытий дорог, полов про-
мышленных предприятий и других, используют поверхностные
вибраторы (рис 46а), массивных элементов значительной тол-
щины - глубинные вибраторы (рис. 466) с наконечниками раз-
личной формы и размеров. Часто применяют одновременно не-
сколько вибраторов, которые собирают в пакеты. Тонкостенные
бетонные конструкции, насыщенные арматурой (колонны, не-
сущие стены), уплотняют наружными вибраторами, прикреп-
ляемыми к поверхности опалубки (рис 46в). В заводских усло-
виях при изготовлении бетонных камней, крупных блоков, пане-
лей и других изделий пользуются виброплощадками (рис. 46г), на
которые устанавливают формы с бетонной смесью.
Рис. 46. Вибраторы: а - поверхностный; б - глубинный; в - навесной;
г - стационарная виброплощадка
Мелкозернистый бетон обычно укладывают методами тор-
кретирования с помощью цемент-пушки или пневмобетониро-
вания. В первом случае в цемент-пушку засыпают сухую смесь
мелкозернистого бетона, которая сжатым воздухом подается по
гибкому шлангу к месту укладки бетона К выходному отвер-
стию гибкого шланга по другому шлангу под давлением посту-
253
пает в нужном количестве вода. При выходе из отверстия сопла
сухая смесь смачивается водой и в готовом виде наносится на
бетонируемую поверхность. При таком способе укладки получа-
ется мелкозернистый бетон высокой плотности, прочности, мо-
розостойкости и водонепроницаемости.
Твердение бетона. Нормальный рост прочности бетона про-
исходит при положительной температуре (15...25 °C) и постоян-
ной влажности. Соблюдение этих условий особенно важно в
первые 10... 15 сут. твердения, когда бетон интенсивно набирает
прочность (рис. 47). Чтобы поверхность бетона предохранить от
высыхания, ее покрывают песком, опилками, периодически ув-
лажняя их. Эффективной является защита поверхности бетона
от испарения влаги полимерными пленками, битумными и по-
лимерными эмульсиями.
Рис. 47. Изменение прочности бетона во времени (/?28 - марочная
прочность бетона; п - время твердения)
В зимнее время твердеющий бетон предохраняют от замер-
зания различными методами: методом термоса, когда подогре-
тую бетонную смесь защищают теплоизоляционными материа-
лами, и подогревом бетона во время твердения (в том числе и
электропрогревом).
На заводах сборного железобетона для ускорения тверде-
ния бетона применяют тепловлажностную обработку - про-
паривание.
254
11.2.4. Физико-механические свойства бетонов
Затвердевший бетон относится к материалам составного
(конгломератного) типа, так как включает в себя заведомо раз-
нородные компоненты - зерна заполнителей, скрепленные це-
ментным камнем. Поэтому к важнейшим свойствам, опреде-
ляющим качество цементного камня, относятся прочность и ад-
гезия, т. е. способность к сцеплению с зернами заполнителя.
Основными показателями качества тяжелого бетона являют-
ся прочность на сжатие и растяжение, морозостойкость и водо-
непроницаемость .
Прочность бетона в проектном возрасте характеризуют
классами прочности на сжатие и осевое растяжение. Отличи-
тельная особенность бетонных работ - значительная неоднород-
ность получаемого бетона. Чем выше культура строительства,
лучше качество приготовления и укладки бетона в конструкции,
тем меньше колебания прочности. Следовательно, важно не
только получить бетон заданной средней прочности, но и обес-
печить ее во всем объеме изготовляемых конструкций.
Показателем, который учитывает возможные колебания ка-
чества, является класс бетона. Класс бетона - численная харак-
теристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантиро-
ванной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что уста-
новленное классом свойство, например прочность бетона, до-
стигается не менее чем в 95 случаях из 100.
Понятие «класс бетона» позволяет назначать прочность с
учетом ее фактической или возможной вариации. Чем меньше
изменчивость прочности, тем выше класс бетона при одной и
той же его средней прочности.
ГОСТ 26633—91 устанавливает следующие классы тяжелого
бетона по прочности на сжатие: В3,5; В5; В7,5; BIO; В12,5; В15;
В20; В25; ВЗО; В35; B4Q; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75
и В80. Класс бетона по прочности на сжатие обозначают ла-
тинской буквой В1, справа от которой приписывают его пре-
1 Необходимо заметить, что в СНБ 5.03.01-02 «Бетонные и железобетон-
ные конструкции» принято другое обозначение класса бетона по прочности,
12
например С— , при этом гарантированная прочность в МПа указывается под
15
тертой.
255
дел прочности в МПа. Так, у бетона класса В15 предел прочно-
сти при сжатии - не ниже 15 МПа с гарантированной обеспе-
ченностью 0,95.
В необходимых случаях устанавливают также классы бетона
по прочности на осевое растяжение, обозначаемый индексом В,,
и на растяжение при изгибе - В,/?.
На растяжение бетон работает намного хуже, чем на сжатие:
предел прочности при растяжении в 10...20 раз меньше предела
прочности при сжатии. Для повышения несущей способности, в
особенности при изгибе и растяжении, бетон сочетают со сталь-
ной арматурой, изготовляя железобетонные конструкции.
В соответствии со стандартом СЭВ 1406-78, класс - основ-
ной показатель прочности бетона. Для изделий и конструкций,
запроектированных без учета требований этого стандарта, проч-
ность бетона характеризуют маркой. Марка бетона - это чис-
ленная характеристика какого-либо его свойства, рассчитывае-
мая как среднее значение результатов испытания образцов. При
определении марок по прочности, морозостойкости, водонепро-
ницаемости принимают нижнее предельное значение свойств, а
марку по средней плотности определяют по верхнему предель-
ному значению. В отличие от класса марка бетона не учитыва-
ет колебаний прочности во всем объеме бетонируемой конст-
рукции.
Марка по прочности на сжатие - наиболее распространенная
характеристика бетона. Марку определяют испытанием на осе-
вое сжатие (рис. 14) бетонных образцов-кубов размерами
15x15x15 см в установленном проектном возрасте (обычно 28 сут.).
Полученный при испытании предел прочности при сжатии как
среднее арифметическое значение по двум наибольшим (в серии
из трех образцов), выраженный в кгс/см2, является численной
характеристикой марки.
Установлены следующие марки тяжелого бетона по прочно-
сти на сжатие: М50; М75; Ml00; Ml50; М200; М250; М300;
М350; М400; М450; М500; М550; М600; М700; М800; М900
и Ml000. В обозначении используют индекс «М». Например,
марка бетона М200 означает, что его предел прочности при сжа-
тии - не менее 200 кгс/см2.
256
По прочности на осевое растяжение тяжелый бетон мо-
жет быть следующих марок (кгс/см2): Р,5; РДО и далее через
5 кгс/см2 до Pt50.
Бетон для изготовления изгибаемых железобетонных конст-
рукций дополнительно характеризуют марками по прочности на
растяжение при изгибе: Ptb5; Ptb\0 и далее через 5 кгс/см до
Р1Ь90; ЛД00.
Соотношение между классами и марками бетона неодно-
значно и зависит от однородности бетона, оцениваемой с помо-
щью коэффициента вариации. Чем меньше коэффициент вариа-
ции, тем однороднее бетон. Класс бетона одной и той же марки
существенно увеличивается, если снижают коэффициент вариа-
ции. Например, при марке по прочности на сжатие М300 и ко-
эффициенте вариации 18 % получают бетон класса В15, а при
коэффициенте вариации 5 % - класса В20, т. е. на целую ступень
выше. Это подчеркивает необходимость тщательного выполне-
ния всех технологических рекомендаций, повышения техниче-
ского уровня и культуры производства бетонных работ. Соот-
ношение между классами бетона по прочности на сжатие и рас-
тяжение и его марками при нормативном коэффициенте
вариации, равном 13,5 % и характеризующем технологию бе-
тонных работ как удовлетворительную, приведено в табл. 17.
Связь между гарантированной прочностью бетона (клас-
сом В) и средней прочностью R (маркой бетона М) определя-
ется выражением
В= A(l-l,64v), (11.5)
где R - средняя прочность бетона,
R = lMn; (И-6)
v - коэффициент вариации бетона, равный отношению среднего
квадратичного отклонения прочности к среднему значению;
ТДб - сумма единичных значений прочности, МПа; п - число
образцов.
Прочность - основная характеристика бетона как конструк-
ционного материала. Числовое значение прочности определяет-
17. Зак. 508
257
ся действием многих факторов. К важнейшим из них относятся
качество применяемых материалов и пористость бетона.
Бетон на портландцементе набирает прочность постепенно.
При нормальной температуре и постоянном сохранении влажно-
сти рост прочности бетона продолжается длительное время, но
скорость набора прочности со временем затухает (рис. 23).
Таблица 17
Соотношение между марками и классами тяжелого бетона по прочности
Класс бетона Средняя прочность бетона данного клас- . са, кгс/см2 Ближайшая марка бетона Отклонение средней прочности бетона дан- ного класса от марки, %
Сжатие
В3,5 45,8 М50 -9,2
В5 65,5 М75 -14,5
В7,5 98,2 М100 -1,8
В10 131,0 М150 -14,5
В12,5 163,7 МИО +8,4
В15 196,5 М200 -1,8
В20 261,9 М250 +4,5
В25 327,4 М350 -6,9
ВЗО 392,9 М400 -1,8
В35 458,4 М450 +1,6
В40 523,9 М500 +5,0
В45 589,4 М600 -1,8
В50 654,8 М700 -6,9
В55 720,3 М700 +2,8
В60 785,8 М800 -1,8
В65 851,5 М900 -5,7
В70 917,0 М900 +1,8
В75 932,5 Ml 000 -1,8
В80 1048,0 Ml 000 +4,9
Осевое растяжение
ВД4 5,2 Р,5 +3,8
ВД8 10,5 Р,10 +4,8
В,1,2 15,7 Р,15 +4,5
В, 1,6 20,9 Р,20 +4,3
ВДО 26,2 Pf25 +4,6
В/2,4 31,4 Р,30 +4,5
В,2,8 36,7 Р,35 +4,6
В,3,2 41,9 Р,40 +4,5
258
Для расчета прочности бетона на сжатие Rq (средних и
низких марок) используют формулу проф. Б. Г. Скрамтаева
7?б = ЛАЦ (Ц/В - 0,5), (11.7)
где А - коэффициент, учитывающий качество заполнителей; 7?ц -
марка (активность) цемента, МПа; Ц и В - соответственно рас-
ход цемента и воды в бетонной смеси.
Эта формула выражает основной закон прочности бетона.
В ней учитываются важнейшие факторы, влияющие на проч-
ность бетона: качество заполнителей А, качество цемента Ru и
качество цементного камня, т. е. его пористость (Ц/В). Проч-
ность бетона тем выше, чем лучше заполнители, выше марка
цемента и больше значение Ц/В. При постоянном расходе це-
мента прочность бетона с увеличением расхода воды снижается,
а с уменьшением расхода воды - увеличивается. Формула спра-
ведлива для расчета прочности плотно уложенного бетона,
твердеющего в нормальных температурно-влажностных услови-
ях и испытанного по стандартной методике в возрасте 28 сут.
Коэффициент А в формуле (11.7) принимают равным 0,65
для высококачественных заполнителей, например мытого фрак-
ционированного щебня из гранита и других плотных пород;
0,6 - для рядовых заполнителей, в частности гравия; 0,55 - для
заполнителей пониженного качества (например, известнякового
щебня, мелкого песка).
Для бетонов с В/Ц менее 0,4 (высокопрочных) формула име-
ет вид
R6 = А^(Ц/В + 0,5), (11.8)
где Ах - 0,43 - для высококачественных заполнителей; 0,4 - ря-
довых и 0,37 - пониженного качества.
Марка бетона по морозостойкости F определяется числом
циклов попеременного замораживания и оттаивания испыты-
ваемых в возрасте 28 сут. в насыщенном водой состоянии об-
разцов, при котором допускается снижение прочности бетона на
сжатие не более чем на 15 %.
Марку по морозостойкости назначают и контролируют для
бетона гидротехнических сооружений, мостовых и дорожных
17*
259
покрытий и др. Установлены следующие марки тяжелого бетона
по морозостойкости в циклах: F50, F75, F100, F150, F200, F300
F400, F500, F600, F800, F1000.
Для приготовления морозостойких бетонов рекомендуется
применять портландцемент и его разновидности: пластифициро-
ванный, гидрофобный, быстротвердеющий и сульфатостойкий.
Допустимое количество трехкальциевого алюмината С3А в
клинкере для портландцемента в зависимости от марки бетона
по морозостойкости должно составлять, %: для бетона марки
F300 и выше - не более 5 %, для F200 - не более 7 %, для F100 -
не более 10 %.
В цемент не рекомендуется вводить активные минеральные
добавки, которые повышают водопотребность вяжущего в бето-
не. Для сокращения водопотребности бетонной смеси и умень-
шения доли микропор в бетоне следует использовать добавки
поверхностно-активных веществ, оказывающих воздухововле-
кающее, микрогазообразующее, гидрофобизирующее или пла-
стифицирующее действие на бетонную смесь. Для гидротехни-
ческих сооружений с нормируемой морозостойкостью F200 и
выше объем вовлеченного воздуха при максимальной крупности
заполнителя 20 мм и В/Ц = 0,41...0,5 должен быть 2...4 %.
Морозостойкий бетон может быть получен при обеспечении
точной дозировки составляющих материалов, тщательного пе-
ремешивания, уплотнения и надлежащего ухода за твердеющим
бетоном. При этом необходимо следить, чтобы не возникали
деструктивные процессы при тепловой обработке бетона, кото-
рые связаны с тепловым расширением составляющих, а также
воды и воздуха в свежеуложенном бетоне.
При изготовлении бетонных и железобетонных конструкций
повышенной морозостойкости (F200) для твердения бетона
предпочтительны естественные условия при положительной
температуре и сохранение одновременно его влажностного со-
стояния в течение 10 дней.
Марку по водонепроницаемости назначают для бетона
конструкций, которые должны обладать ограниченной прони-
цаемостью при одностороннем давлении воды. За марку по во-
донепроницаемости принимают наибольшее давление воды
260
(кгс/см2), которое выдерживают бетонные образцы диаметром и
высотой 150 мм при испытании по установленной методике. Ут-
верждены следующие марки бетона по водонепроницаемости
(кгс/см2): W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20.
Необходимо разделять факторы, определяющие водонепро-
ницаемость бетона на стадии приготовления смеси, укладки и
твердения бетона, и способы повышения водонепроницаемости
затвердевшего материала.
Активность цемента. Замена цемента, имеющего актив-
ность 400 кгс/см2, цементом с активностью 500 кгс/см позволя-
ет получить бетон с высокой степенью водонепроницаемости
даже при увеличении на 15...20 % значения В/Ц и снижении на
7... 10 % расхода цемента.
Водоцементное отношение. С увеличением значения В/Ц
качество цементного теста снижается, в твердеющем бетоне
создается развитая система пор и капиллярных каналов. Так, при
повышении В/Ц от 0,4 до 0,8 коэффициент фильтрации цемент-
ного камня увеличивается в 10...20 раз.
На величину В/Ц при данной подвижности влияет расход
цемента. Согласно СНиП 5.01.23-83, для бетона водонепрони-
цаемостью W8 при формовании из бетонной смеси ОК = 5...9 см
расход цемента должен составлять 475 кг/м3; В/Ц такого бетона
не должно превышать 0,45.
Коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя. Зна-
чения коэффициента а раздвижки зерен для водонепроницаемо-
го бетона значительно выше соответствующих значений а, оп-
ределенных из условия получения бетонов наибольшей прочно-
сти. Это означает, что оптимальный по условию наибольшей
водонепроницаемости состав бетона должен содержать меньше
крупного заполнителя и больше растворной части, чем обычный
бетон. Например, для обычных пластичных бетонов а = 1,3... 1,4,
для водонепроницаемых а = 1,6.. .2,0.
Условия твердения. Для водонепроницаемого бетона на
обычных цементах наилучшие условия создаются при водном
твердении, наихудшие - при воздушно-сухом. При этом способ-
ность бетона пропускать воду может изменяться в сотни раз.
261
Возраст бетона. С увеличением возраста бетона изменяется
характер его пористости: постепенно уменьшается объем мак-
ропор, которые как бы зарастают продуктами гидратации це-
мента. Например, в возрасте 90 сут. водонепроницаемость бето-
на возрастает в два раза по сравнению с маркой в 28 сут. Для
гидротехнических сооружений в зависимости от условий работы
марку бетона по водонепроницаемости определяют в возрасте
60, 90 или 180 сут.
Применение химических добавок. Добавка дивинилстироль-
ного латекса СКС-65гп в количестве 5 % от массы цемента по-
вышает водонепроницаемость бетона в 1,5...2 раза. Добавка
азотнокислого кальция в количестве 1 % от массы цемента,
хлорного железа FeCl3 в таком же количестве увеличивает водо-
непроницаемость бетона на 2.. .3 марки.
Основным способом повышения водонепроницаемости за-
твердевшего бетона является пропитка бетона мономером с по-
следующей его полимеризацией.
Деформативность бетона. Бетон под нагрузкой ведет себя
не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруго-
вязко-пластичное тело (рис. 13). При небольших напряжениях
(не более 0,2 от предела прочности) бетон деформируется как
упругий материал. При этом его начальный модуль упругости
зависит от пористости и прочности и составляет для тяжелых
бетонов (2,2...3,5) • 104 МПа (у высокопористых ячеистых бето-
нов модуль упругости - около 1 • 104 МПа).
При больших напряжениях начинает проявляться пластиче-
ская (остаточная) деформация, развивающаяся в результате рос-
та микротрещин и пластических деформаций гелевой состав-
ляющей цементного камня.
Усадка бетона. При твердении на воздухе происходит усад-
ка бетона - сокращение линейных размеров до 0,3...0,5 мм на
1 м длины. Большие усадочные деформации - одна из причин
образования трещин в бетоне. Особенно значительна усадка
в начальный период твердения: в первые сутки она достигает
70 % от месячного значения.
Усадка бетона вызвана усадкой цементного камня, которая
в свою очередь является следствием меньшего объема веществ,
262
образовавшихся в результате гидратации цемента, чем началь-
ный суммарный объем цемента и воды; сжатия цементного кам-
ня капиллярным давлением, возникающим при испарении воды
из бетона; уменьшения объема геля при его обезвоживании.
Усадка бетона увеличивается при повышении содержания
цемента и воды, применении высокоалюминатных цементов,
мелкозернистых и пористых заполнителей.
Огнестойкость. Под огнестойкостью бетона понимают его
способность сохранять прочность при кратковременном воздей-
ствии высоких температур, например при пожаре. При кратко-
временном нагреве благодаря малой теплопроводности бетон
прогревается на небольшую глубину, причем содержащаяся в
нем вода (в том числе и кристаллизационная) испаряется, пони-
жая температуру бетона. При длительном воздействии высоких
температур в бетоне происходят необратимые химические изме-
нения, сопровождающиеся потерей им прочности.
Для устройства конструкций топок, печей и промышленных
труб применяют специальный жароупорный бетон на глинозе-
мистом цементе и жаростойких заполнителях.
11.2.5. Специальные бетоны
Высокопрочные бетоны - это бетоны с пределом прочно-
сти при сжатии 50 МПа и более. Однако пределы прочностных
характеристик таких бетонов чисто условны, поскольку больше
связаны с уровнем развития науки и техники в области произ-
водства цемента, бетона и химических добавок. Уже сегодня
возможно получение бетонов прочностью более 150 МПа.
Достигается высокая прочность бетонов различными прие-
мами. Основными условиями получения высокопрочных бето-
нов являются применение высокоактивных цементов, низких
водоцементных отношений (0,20...0,30), использование плот-
ных высокопрочных заполнителей, химических добавок пла-
стификаторов и, в частности, суперпластификаторов и ком-
плексных добавок, тщательное перемешивание и уплотнение
бетонной смеси, создание наиболее благоприятных условий
твердения и др. Способствует повышению прочности бетона
263
также высокий предельно допустимый расход цемента, макси-
мально возможное насыщение его крупным заполнителем за
счет подбора оптимального зернового состава и уменьшения
доли песка. Высокая прочность таких бетонов часто достигается
за счет применения специальных технологических приемов, на-
пример сухого бетонирования, сущность которого заключается в
укладке в опалубку или форму сухой смеси вяжущего и запол-
нителей с последующим ее увлажнением.
Таким способом на рядовых материалах возможно получить
бетон прочностью до 100 МПа. Основу подобного уровня харак-
теристик бетона составляют повышенная плотность его струк-
туры и низкое (0,15...0,25) водоцементное отношение, которое
соотносится с теоретически необходимым для реакций гидрата-
ции цемента количеством воды.
Поскольку высокопрочные бетоны получают на цементе вы-
сокой активности и при низких значениях В/Ц, они одновремен-
но являются и быстротвердеющими. Это позволяет значительно
сократить длительность тепловой обработки или вовсе отказать-
ся от нее. Такие бетоны отличаются высокой плотностью и яв-
ляются более долговечными и стойкими к агрессивным средам,
что увеличивает срок их службы и позволяет применять в тяже-
лых условиях эксплуатации. В настоящее время возможно полу-
чение супердолговечных бетонов со сроками службы до 500 лет.
Применение высокопрочных бетонов способствует также
уменьшению массы конструкций.
Особо тяжелые бетоны называют еще гидратными (из-за
большого содержания в них химически связанной воды) и бето-
нами для защиты от радиоактивного воздействия. Применяют их
в качестве защитных экранов ядерных реакторов.
Из всех радиоактивных излучений наибольшей проникаю-
щей способностью обладают у-лучи и нейтроны. Способность
материала поглощать у-лучи пропорциональна его плотности.
Для ослабления потока нейтронов в материале наоборот должны
присутствовать элементы с малой атомной плотностью, как, на-
пример, водород. Бетон является как раз эффективным материа-
лом для биологической защиты ядерных реакторов, поскольку
в нем удачно сочетаются при сравнительно низкой стоимости
264
высокая плотность и содержание достаточно большого количе-
ства водорода в химически связанной воде.
Характерным свойством таких бетонов является большая
средняя плотность, которая составляет 2500...6000 кг/м. Они
отличаются также повышенным количеством химически связан-
ной воды - более 30 % по массе, а следовательно, и ядер водо-
рода. Вследствие этого водород, обладая малой молекулярной
массой, способствует захвату потока горячих нейтронов, у-лучей
и др.
В качестве вяжущего в особо тяжелых бетонах используют
портландцемент, глиноземистый и гипсоглиноземистый цемент,
расширяющийся, напрягающий и др. Все они в той или иной
мере способствуют максимальному химическому и адсорбцион-
ному удержанию воды в цементном камне и бетоне.
Заполнителями в таких бетонах служат весьма тяжелые
(с высокой плотностью) породы: ильменит, магнетит, гематит,
барит, металлический скрап, обрезки железа и т. п. Мелкий за-
полнитель обычно составляют дробленный бурый железняк,
кварцитовые «хвосты», чугунная дробь и др. Например, насып-
ная плотность ильменитового песка составляет 4620 кг/м3, щеб-
ня - 4760 кг/м3, а средняя плотность бетона на таких заполните-
лях превышает 4000 кг/м3.
Для улучшения защитных свойств особо тяжелых бетонов от
нейтронного потока в них вводят также добавки, содержащие
легкие элементы, например карбид бора, хлористый литий, сер-
нокислый кадмий и др.
При производстве бетонных работ необходимо соблюдать
следующие условия:
1. Время перемешивания бетонной смеси в бетоносмесителе
должно составлять не менее 2 мин.
2. Объем замеса бетоносмесителя уменьшается обратно про-
порционально плотности бетона: например, при плотности осо-
бо тяжелого бетона 4000 кг/м3, а обычного 2300 кг/м3 объем за-
меса для бетоносмесителя на 500 л не должен превышать
500 х 2300/4000 = 285 л.
3. Для уплотнения бетонной смеси следует применять только
вибраторы.
265
Бетон «сухого» формования. Сухие бетонные смеси (па-
раграф 11.4) как цементно-песчаные, так и трехкомпонентные
(содержащие крупный заполнитель) могут быть использованы
для получения конструкционного бетона по нетрадиционной
технологии «сухого» формования, разработанной в Белорусском
национальном техническом университете. В этом случае в опа-
лубке, форме или матрице формующего устройства уплотняют
сухую бетонную смесь, а затем к ней разнообразными приемами
подводят воду либо водные растворы химических добавок для
обеспечения реакций гидратации цемента. Разработан вариант
влагонасыщения сухих смесей нагнетанием под давлением во-
дяного пара, чем обеспечивается одновременный разогрев бе-
тона, даже если сухая смесь была охлаждена до отрицательной
температуры.
Дополнительная обработка особо плотного бетона заключа-
ется в его повторном вибрировании с пригрузом после влагона-
сыщения сухой бетонной смеси. При этом устраняются дефекты
структуры цементного камня, возникающие в виде каналов
фильтрации жидкости под давлением, повышается качество
сцепления цементного камня с заполнителями. Кроме того, виб-
рация водонасыщенной смеси способствует дезагрегации це-
ментных флокул, вовлечению в реакцию с водой его дополни-
тельных реакционноспособных поверхностей, т. е. вызывает ак-
тивизацию вяжущих свойств цемента.
Затем следует немедленная частичная или полная распалуб-
ка изделий и организация твердения бетона. Твердение изде-
лий из бетона «сухого» формования рационально осуществлять
без дополнительного подвода теплоты, т. е. по методу «холодно-
го» термоса, а в случае использования разогретых при сушке
заполнителей или паронасыщения сухой смеси - «горячего»
термоса.
Характерной особенностью бетона «сухого» формования яв-
ляется его схватывание в процессе влагонасыщения вследствие
низкого (0,25...0,30) водоцементного отношения и значитель-
ной плотности укладки зерен твердой фазы (р® «2500 кг/м3)-
Прочность свежеотформованного повторно вибрированного бе-
тона - до 2 МПа; за 12...24 ч твердения бетон «сухого» формо-
266
вания на рядовых цементах с раходом 360...380 кг/м3 достигает
прочности 15...50 МПа в зависимости от температурного режи-
ма выдержки.
Технологию сухого формования с водонасыщением и по-
вторным вибрированием целесообразно использовать для изго-
товления мелкоштучных изделий с повышенными прочностны-
ми характеристиками и эксплуатационной надежностью (разно-
образных элементов благоустройства, дорожных плит,
элементов обделки тоннелей метро и др.).
Мелкозернистый цемент и армоцемент. Для производства
крупноразмерных пространственных конструкций (таких, как
своды, оболочки, купольные и складчатые конструкции) с тол-
щиной стенок 20...30 мм и других тонкостенных изделий необ-
ходимо применять мелкозернистый бетон с наибольшей крупно-
стью заполнителя, не превышающей 10 мм (в среднем 5...7 мм).
Для армоцементных конструкций крупность заполнителя не
превышает даже 3 мм.
Бетоны мелкозернистого строения характеризуются более
высокой удельной поверхностью заполнителя, а иногда повы-
шенным объемом межзерновой пустотности, и поэтому нужда-
ются в увеличенном содержании цементного теста (на 20.. .40 %)
по сравнению с обычным крупнозернистым бетоном. Вместе с
тем мелкозернистые бетоны отличаются более однородным
строением
Для сокращения расхода цемента необходимо применять вы-
сококачественные пески, пластифицирующие добавки, супер-
пластификаторы, производить хорошее уплотнение смеси.
Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью на
изгиб, хорошими водонепроницаемостью и морозостойкостью.
Армоцемент как разновидность мелкозернистого бетона
представляет собой особо мелкозернистый бетон, армированный
по всему сечению расположенными в несколько рядов по тол-
щине ткаными металлическими сетками. Он обладает высокой
прочностью не только на сжатие, но и на растяжение. Армоце-
мент используется в весьма тонкостенных пространственных
конструкциях сложного очертания и благодаря жесткости сече-
ния элементов обладает высокой несущей способностью.
267
Гидротехнический бетон должен обеспечить длительную
эксплуатацию конструкций, постоянно или периодически омы-
ваемых водой По условиям эксплуатации делится на следую
щие разновидности: подводный - постоянно находящийся в во-
де; надводный - подвергаемый лишь периодическому воздейст-
вию воды и расположенный в зоне переменного горизонта воды.
Кроме того, различают массивный и немассивныи бетон и бетон
напорных и безнапорных конструкций, поэтому в зависимости
от условий эксплуатации к гидротехническому бетону помимо
требований прочности предъявляются также требования по во-
донепроницаемости, морозостойкости и др.
Прочность на сжатие и водонепроницаемость гидротехниче-
ского бетона определяется в возрасте 180 сут. По прочности на
сжатие он подразделяется на классы В10 .В40; по водонепро-
ницаемости - на марки W2...W8. Требования по морозостойко-
сти предъявляются к тем гидротехническим бетонам, конструк-
ции из которых подвергаются совместному действию воды и
мороза. По морозостойкости такие бетоны делят на пять марок:
F50, F100, F150, F200 и F300.
В зависимости от условий эксплуатации для приготовления
гидротехнического бетона допускается применение портланд
цемента, пластифицированного и гидрофобного цементов, пуц-
цоланового и шлакового, а в некоторых случаях и сульфато-
стойкого цемента. Так, для зоны сооружений на уровне пере-
менного горизонта воды в суровых климатических условиях
используется пластифицированный или обычный портландце-
мент. Они позволяют получить водонепроницаемые и морозо-
стойкие бетоны, а также несколько уменьшить расход цемента и
тем самым тепловыделение бетона при твердении в случае мас-
сивных конструкций. Для особо тяжелых условии при наличии
агрессивной среды применяют сульфатостойкие цементы.
Для повышения водонепроницаемости и морозостойкости
такого бетона применяют химические добавки и в первую оче-
редь СДБ и СНВ. Для уменьшения расхода цемента, а следова-
тельно, тепловыделения и объемных деформаций бетона при
сохранении необходимой подвижности бетонной смеси и плот-
ности бетона в него вводят различные микронаполнители, на-
пример золу-унос и др.
268
Заполнители для гидротехнического бетона должны обеспе-
чивать его водостойкость и морозостойкость. Допускается при-
менение только крупных и средних песков, а зерновой состав
заполнителей подбирается таким образом, чтобы получался ми-
нимальный объем пустот при возможно большей крупности
максимальных по размеру зерен. Применение таких заполните-
лей снижает расход цемента и уменьшает выделение теплоты
при твердении бетона. Расход цемента должен быть больше ми-
нимальных значений, обеспечивающих получение плотного
бетона, и в то же время по условиям тепловыделения его не
должно быть для массивных конструкций более 350 кг/м3,
а немассивных - 400 кг/м Для получения требуемой водоне-
проницаемости такого бетона содержание песка в смеси запол-
нителей должно быть несколько увеличено по сравнению с
обычными значениями.
Бетонную смесь необходимо укладывать с максимальным
уплотнением, а за твердеющим бетоном наладить тщательный
уход, обеспечивающий необходимый влажностный и темпера-
турный режимы, при которых предотвращаются объемные де-
формации
Декоративные бетоны. В зависимости от состава и назна-
чения декоративные бетоны можно подразделить на цветные и
бетоны, имитирующие природные камни или сами по себе обла-
дающие выразительной структурой. При необходимости по-
верхность бетона подвергают специальной обработке или фор-
муют изделия с рельефной поверхностью.
Для получения цветных бетонов применяют белые и цветные
цементы, различные минеральные и органические пигменты.
Пигменты должны обладать высокой свето-, атмосфере- и ще-
лочестойкостью. В качестве пигментов используют: мел при-
родный молотый, известь гашеную (белый цвет), охру су-
хую’(желтый цвет), сурик железный (красно-коричневый цвет),
марганцевый черный, белила титановые, ультрамарин (синий
цвет), оксид хрома (зеленый цвет) и др. В качестве дробленого
декоративного материала применяют щебень и гравий из плот-
ных горных пород, цветные шлаки, цветное кусковое стекло
(эрклез).
269
Наиболее часто применяют минеральные пигменты и вводят
их в количестве 1...5 % от массы цемента в зависимости от их
укрывистости, плотности и других свойств.
Расход цемента в цветных бетонах по сравнению с обычны-
ми следует принимать несколько выше. При крупности заполни-
теля до 10 мм он составляет 450...500 кг/м3. Это позволяет по-
высить плотность и улучшить цветовую выразительность по-
верхности бетона. Целесообразно в этом случае использовать
мелкозернистые бетоны. Оптимальными с точки зрения получе-
ния хороших декоративных качеств являются составы 1:2... 1:3.
Расход воды в цветных бетонах определяется, как правило,
предварительным испытанием и затем постоянно контролирует-
ся, поскольку даже небольшие изменения в расходе воды влекут
за собой заметные изменения цвета бетона. Для формования из-
делий используются достаточно пластичные, жирные бетонные
смеси, которые хорошо формуются и мало подвержены рас-
слоению.
В цветных бетонах следует использовать чистые кварцевые
пески светлых оттенков без примесей, окрашивающих их в се-
рый цвет. В качестве крупных и мелких заполнителей могут
применяться светлый известняк и доломит, отходы камнедроб-
ления, дробленые пески и щебень из мрамора, высевки гранита,
туфа и др. Крупный заполнитель, как правило, не придает опре-
деленный цвет бетону. Больше всего на цвет бетона влияют мел-
кие частицы заполнителя - до 0,3 мм.
Марка декоративного бетона должна быть не менее Ml50
(В 10), морозостойкость - F50.
Для повышения художественной выразительности декора-
тивных бетонов применяют специальные приемы, позволяющие
обнажить заполнители и выявить структуру бетона. Для выявле-
ния структуры бетона его поверхность подвергают шлифовке и
полировке, обрабатывают бучардой или пневматическим молот-
ком, с помощью пескоструйного аппарата и т. п. Для обнажения
заполнителя используют различные замедлители твердения.
Декоративные бетоны применяются в ограждающих конст-
рукциях общественных и жилых зданий, для изготовления эле-
ментов фасада, декоративных плит для наружных и внутренних
270
стен зданий, для лестничных маршей и деталей малых архитек-
турных форм, для барельефов, скульптур и других изделий спе-
циального назначения.
Жаростойкий бетон. Жаростойкий бетон изготовляют из
вяжущего, тонкомолотой минеральной добавки, жаростойких
заполнителей и воды (или другого затворителя, например орто-
фосфорной кислоты).
В качестве вяжущих в жаростойком бетоне применяют порт-
ландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент или
жидкое стекло. Жидкое стекло должно иметь модуль от 2,4 до
3,0 и плотность от 1,36 до 1,38 г/см3 и применяется вместе с от-
вердителем - кремнефтористым натрием. Для улучшения струк-
туры цементного камня и сохранения прочности при нагреве в
вяжущее вводят минеральные добавки (хромитовую руду, бой
шамотного, магнезитового или обычного кирпича, андезит, пем-
зу, лессовидный суглинок, гранулированный доменный шлак,
топливный шлак и золу-унос). Тонкость помола добавок должна
быть такой, чтобы через сито № 008 проходило не менее 70 %
добавок для бетонов на портландцементе и не менее 50 % - для
бетонов на жидком стекле.
В качестве мелкого и крупного заполнителей в жаростойком
бетоне применяют следующие дробленые материалы: бой маг-
незитового, шамотного и обыкновенного глиняного кирпича,
кусковый шамот, доменный отвальный шлак, базальт, диабаз,
лом и бой жаростойких бетонов или огнеупорных изделий. Мак-
симальная крупность щебня составляет обычно 20 мм, а мелких
частиц размером менее 0,14 мм в заполнителях должно быть не
более 15 % по массе.
Материалы и состав жаростойкого бетона выбирают в зави-
симости от требуемой марки по прочности, температуры и усло-
вий службы в конструкции. Смеси готовят в бетоносмесителях
принудительного действия; укладку ведут при температуре не
ниже +15 °C. Время твердения жаростойкого бетона зависит от
вида вяжущего и составляет 0,5... 1 сут. для бетона на ортофос-
форной кислоте и 3...7 сут. - для бетонов на глиноземистом и
портландцементе.
271
Жаростойкий бетон на портландцементе и цементном клин-
кере в качестве заполнителя может использоваться при тем-
пературе до 250 °C Он применяется, например, для футеровки
холодного конца вращающихся печей по производству цемента
и извести по мокрому способу. Бетон на глиноземистом цементе
используется в условиях более высоких температур - порядка
1200 °C (например, для изготовления стеновых панелей тун-
нельных печей для обжига керамического кирпича). Еще более
высокой огнеупорностью (до 1350 °C) при одновременно высо-
кой термостойкости обладает бетон на фосфатных связующих -
фосфорной кислоте, алюмофосфатной и алюмохромфосфатной
связках. Указанные значения огнеупорности соответствуют тем-
пературе деформации под нагрузкой, которая всегда на
200...300 °C ниже так называемой конусной или просто огне-
упорности.
11.2.6. Вода и добавки к бетонам и растворам
Вода. В технологии бетонных работ воду используют для
приготовления бетонных смесей и раствора, поливки бетона в
процессе твердения, промывки заполнителей. Во всех случаях
допускается к применению не любая вода, а лишь отвечающая
техническим требованиям СТБ 1114-98. Качество воды оцени-
вают по содержанию вредных примесей, которые могут препят-
ствовать нормальному схватыванию и твердению вяжущего ве-
щества либо вызывают появление в структуре бетона новообра-
зований, снижающих его прочность и долговечность, а также
коррозию стальной арматуры.
Технические требования к воде для затворения и поливки бе-
тона следующие. Водородный показатель воды pH должен на-
ходиться в пределах от 4 до 12,5, т. е. для затворения является
пригодной вода с нейтральной средой, слабокислой или слабо-
щелочной.
Вредными примесями в воде считаются органические веще-
ства, растворимые соли, в особенности содержащие ионы SO42
и СГ1, а также взвешенные частицы глины, пыли и почвы, со-
держание которых не должно превышать норм, указанных в
табл. 18.
272
Таблица 18
Требования по содержанию вредных примесей в воде
для бетонов и растворов
Назначение воды Предельное содержание, мг/л
раствори- мых солей ионов SO42 ионов С1 1 взве- шенных частиц
Для затворения бетонной сме- си при изготовлении преднапря- женных ж/б конструкций и нагне- таемого раствора 3000 2000 600 200
Для затворения бетонной сме- си при изготовлении бетонных и ж/б конструкций с ненапрягаемой арматурой, штукатурных раство- ров и растворов для армирован- ной каменной кладки 5000 2000 2000 200
Для затворения бетонной сме- си при изготовлении бетонных нсармированных конструкций, к которым не предъявляются тре- бования по ограничению образо- вания высолов, а также строи- тельных растворов для неармиро- ванной кладки 10000 2000 4500 300
Для поливки наружных по- верхностей бетонных и ж/б кон- струкций 5000 2700 2000 500
Особую опасность представляет присутствие в воде солей,
сульфат-ионов и хлор-ионов. Они могут вызвать неконтроли-
руемое изменение сроков схватывания и скорости твердения
бетона. Но самое главное - возникает опасность коррозии це-
ментного камня и стальной арматуры в железобетоне. При
большом количестве сульфат-ионов в бетоне начинается суль-
фатная коррозия, которая разрушает цементный камень и конст-
рукцию в целом. Хлор-ионы вызывают коррозию стальной ар-
матуры.
При большом содержании растворимых в воде солей на по-
верхности бетона появляются высолы, портящие внешний вид
сооружений.
273
18. Зак. 508
Органические вещества, в особенности содержащие сахар и
фенолы, замедляют нормальное протекание процесса гидрата-
ции цемента и тем самым снижают прочность бетона. При
большом содержании сахара схватывание бетонной смеси мо-
жет вообще отодвинуться на неопределенное время. Поэтому
в воде затворения количество сахаров должно быть не более
100 мг/л. Содержание полифосфатов, сульфидов и цинка должно
быть не более 100 мг/л каждого, нитратов - не более 500 мг/л.
При большем содержании необходимо определять их влияние
на прочность бетона в возрасте 7 и 28 сут., морозостойкость и
водонепроницаемость (допускается изменение не более чем на
10 %), коррозионное состояние арматуры и сроки схватывания
цементного теста (изменение - не более 25 %).
Вода, содержащая пенообразующие вещества, является при-
годной для применения при стойкости пены не более 2 мин.
Недопустимо применять воду, на поверхности которой име-
ется пленка из нефтепродуктов, масел, жиров. Эти вещества мо-
гут осаждаться на поверхности цементных частиц и замедлять
их гидратацию. Попадая на зерна заполнителей, такие примеси
препятствуют образованию прочного контакта с цементным
камнем и тем самым снижают прочность бетона.
Таким образом, для затворения бетонной смеси и поливки
твердеющего бетона можно без предварительной проверки при-
менять питьевую воду, а также речную, озерную или воду из
искусственных водоемов, не загрязненную сточными выброса-
ми, солями и маслами.
Болотные, торфяные и сточные воды не разрешается приме-
нять без их очистки.
Добавки к бетонам и растворам. В тяжелых, мелкозерни-
стых и легких бетонах добавки применяются с целью:
• улучшения технологических свойств бетонной (раствор-
ной) смеси: повышения удобоукладываемости, перекачиваемо-
сти, снижения водо- и раствороотделения;
• регулирования потери подвижности смеси во времени, ско-
рости процессов схватывания, твердения и тепловыделения;
• сокращения продолжительности тепловой обработки бето-
на, ускорения сроков распалубки и загрузки конструкций при
естественном твердении;
274
• повышения прочности, водо- и газонепроницаемости бетона;
• увеличения, морозостойкости, стойкости бетона и железо-
бетона в различных агрессивных средах;
• повышения защитных свойств бетона по отношению к
стальной арматуре;
• придания гидрофобных свойств поверхности бетона;
• уменьшения расхода цемента;
• экономии топливно-энергетических ресурсов.
В зависимости от назначения (основного эффекта действия)
добавки для бетонов подразделяют на регулирующие:
• свойства бетонных смесей;
• твердение бетона;
• свойства затвердевшего бетона.
Добавки для регулирования свойств бетонных смесей ши-
роко применяют при изготовлении бетона и строительного рас-
твора. Важнейшее свойство этих смесей - удобоукладывае-
мость. Удобоукладываемые смеси способны равномерно запол-
нять заданный объем бетонируемой конструкции под действием
силы тяжести либо прикладываемых внешних сил - вибрации,
штыкования, трамбования. При транспортировании бетонной
смеси по бетоноводам, укладке в опалубку смесь может рассло-
иться. Чтобы этого не произошло, необходимо обеспечить за-
данные характеристики пластичности и вязкости смесей. Реоло-
гические свойства бетонной смеси и раствора могут быть изме-
нены путем введения добавок. К группе таких веществ относят
пластифицирующие, стабилизирующие, водоудерживающие и
улучшающие перекачиваемость добавки.
Пластифицирующие добавки увеличивают подвижность (или
уменьшают жесткость) бетонных смесей без снижения прочно-
сти бетона. Подвижность бетонных смесей характеризуется
осадкой стандартного конуса в сантиметрах. Для определения
пластифицирующего эффекта добавки изготовляют бетонную
смесь с осадкой конуса 1...4 см. При введении добавки осадка
конуса возрастает. В зависимости от полученного результата
добавку относят к од ной.из следующих групп:
I группа - суперпластификаторы, увеличивающие осадку ко-
нуса с 1...4 до 21 см и более;
1Ь*
275
II группа - сильнопластифицирующие, повышают осадку ко-
нуса до 16...20 см;
III группа - среднепластифицирующие, осадка конуса -
10...15 см;
IV группа - слабопластифицирующие, осадка конуса - 5...9 см.
Добавки-суперпластификаторы представляют собой синте-
тические полимерные продукты. Их вводят в бетонную смесь в
количестве 0,5...2 % от массы цемента в расчете на сухое веще-
ство. В отличие от традиционных веществ суперпластификато-
ры обладают гораздо более сильным разжижающим действием и
не замедляют твердение бетона.
Наиболее распространен суперпластификатор С-3, получае-
мый на базе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и
формальдегида. Кроме того, применяют суперпластификаторы
Дофен, 10-03, 40-03, СМФ и др. Действие суперпластификато-
ров основано на адсорбции их молекул на частицах цемента и
гидратных новообразованиях, что способствует их лучшему
скольжению относительно друг друга. Одновременно происхо-
дит пептизация флокул (агрегатов) цементных частиц с умень-
шением толщины сольватных оболочек вокруг них. Резко уве-
личивая подвижность бетонных смесей, суперпластификаторы
облегчают их транспортирование и укладку. Если нербходимо
сохранить подвижность, сокращают расход воды в бетонной
смеси, а это позволяет повысить прочность бетона на 25...45 %
(получать бетоны классов В70...В80 и выше из бетонных смесей
подвижностью 2...4 см) или получать быстротвердеющие бето-
ны классов В15...В45 через 24 ч твердения в нормальных усло-
виях в комплексе с ускорителями твердения на рядовых состав-
ляющих бетонной смеси при водоцементном отношении
0,23...0,30.
Сильнопластифицирующие добавки (пластификаторы СПС,
Аплассан) и среднепластифицирующие (лигносульфонаты тех-
нические модифицированные ЛСТМ-2, ПЛС-1 и ЛМГ) приме-
няют для приготовления пластичных смесей, а также для полу-
чения бетонов классов В30...В40.
Добавки на основе технических лигносульфонатов вводятся
в бетонную смесь в количестве 0,2...0,7 % от массы цемента.
276
При этом на пластичных смесях в возрасте 28 сут. допускается
снижение прочности бетона до 10 %. При снижении расхода во-
ды (сохранении прежней удобоукладываемости) добавки позво-
ляют повысить прочность бетона на 15...20 %, а морозостой-
кость и водонепроницаемость бетона - на 1.. .2 ступени.
Добавки Г/ группы оказывают на бетонную смесь пласти-
фицирующе-воздухововлекающее действие (ЩСПК, ГКЖ-10 и
ГКЖ-11, мылонафт). Их рекомендуется применять в тощих бе-
тонах и растворах, отличающихся малым расходом цемента.
Добавки снижают на 5... 10 % расход воды и вовлекают в бетон-
ную смесь 2...5 % воздуха, некоторые дополнительно гидрофо-
бизируют (придают водоотталкивающие свойства) стенки пор
материала. В результате сильно уменьшается водопоглощенис
бетона, одновременно возрастают морозостойкость и водоне-
проницаемость (на 1,5...2 ступени). Применение таких доба-
вок — эффективный способ повышения долговечности бетонных
и железобетонных конструкций.
В процессе приготовления строительных растворов приме-
няют, кроме названных органических веществ, также неоргани-
ческие пластификаторы - известь и известесодержащие отхо-
ды, тонкомолотые добавки - золу и цементную пыль, активные
минеральные добавки.
Марки растворов по прочности обычно значительно ниже
марки цемента. Поэтому, чтобы получить раствор заданной
прочности, требуется немного цементного вяжущего. Однако
растворная смесь должна быть пластичной и обладать высокой
водоудерживающей способностью. Это, наоборот, может быть
достигнуто только при большом содержании в растворе вяжу-
щего. Чтобы разрешить это противоречие, применяют смесь вя-
жущих, одно из которых придает раствору прочность, а другое -
пластичность, или вводят в раствор органические пласти-
фикаторы.
Строительная воздушная известь при гашении в известковое
тесто образует чрезвычайно малые частицы, которые обволаки-
ваются водой. Водные пленки облегчают взаимное скольжение
частиц, играя роль смазочного материала на их поверхности.
Именно этим и обусловлено пластифицирующее действие воз-
277
душной извести. Ее добавляют в растворные смеси в виде теста
плотностью 1400 кг/м3.
Пластификация бетонных и растворных смесей при введении
минеральных добавок обусловлена адсорбцией дополнительных
пленок воды на поверхности частиц добавок, что выражается в
увеличении водоцементного отношения смеси и росте ее вязко-
сти. Исключение составляет зола-унос ТЭС, при введении кото-
рой водоцементное отношение остается обычно неизменным.
Пластифицирующее действие золы объясняется шарообразной
формой и гладкой (остеклованной) поверхностью ее зерен.
Тонкомолотые добавки применяют при необходимости ис-
пользования высокомарочных цементов (М400 и более) для рас-
творов М75 и ниже. При этом золу-унос от сжигания твердых
видов топлива рекомендуют применять для кладочных раство-
ров, используемых при среднесуточной температуре воздуха не
ниже плюс 5 °C и в количестве не более 20 % от массы цемента.
В отличие от органических пластификаторов, используемых
в чрезвычайно малых дозах (0,1... 1 % от массы цемента) и, как
правило, для растворов Ml00 и выше, добавки неорганических
пластификаторов вводят в большом количестве (20...200 % от
массы цемента).
Для уменьшения водоотделения бетонных и растворных сме-
сей и расслоения бетонных смесей можно использовать водо-
удерживающие и стабилизирующие добавки. При транспорти-
ровании и укладке может возникнуть расслоение смесей. Если
подбором состава не удается достичь заданной стабильности и
водоудерживающей способности смесей, то в их состав вводят
органические добавки, например метилцеллюлозу в количестве
0,1...0,2 % от массы цемента или тонкодисперсные минераль-
ные добавки. Для сокращения водоотделения литых смесей
добавляют бентонитовую глину (в виде порошка в количестве
3...10 % от массы воды), обладающую свойством удерживать в
своей структуре большое количество воды.
В практике применения бетонных смесей нередки случаи,
когда схватывание бетонной или растворной смеси намеренно
ускоряют или замедляют, например при перевозке в автосамо-
свалах, перекачивании бетононасосами, укладке бетона в жар-
278
кую погоду. В этих случаях вводят добавки, ускоряющие либо
замедляющие потерю подвижности смесей.
Из замедлителей схватывания лучше всего применять до-
бавки, уменьшающие одновременно водопотребность бетонных
и растворных смесей. В этом отношении хорошие результаты
дает применение добавки ЛСТ в повышенных дозировках
(0,3...0,6 % от массы цемента), кормовой патоки (КП) в количе-
стве 0,05...0,25 %, в том числе в сочетании с суперпластифика-
торами (СП) в количестве 0,3...0,7 % СП + 0,1...0,3 % КП.
В некоторых случаях требуется ускорить схватывание и со-
ответственно потерю подвижности смеси, например при нанесе-
нии на вертикальные поверхности. В этом случае применяют
добавки - ускорители твердения или ускорители схватывания,
например поташ или жидкое стекло в количестве 1...5 % от мас-
сы цемента.
Группа добавок, регулирующих твердение бетона, включа-
ет добавки ускоряющие и замедляющие твердение и противомо-
розные. Эффект добавок - ускорителей твердения бетона за-
ключается в повышении темпа роста его прочности в началь-
ный период твердения от 1 до 3 сут. Сравнительная эф-
фективность добавок - ускорителей твердения для бетона есте-
ственного твердения приведена в табл. 19.
Таблица 19
Эффективность добавок - ускорителей твердения
для бетона естественного твердения <
Вид добавки Прочность бетона с добавками - ускорителями твердения, %, по сравнению с бетоном без добавок (100 %) в возрасте
1 сут. 3 сут. 28 сут. )
ХК 150...200 150...190 ПО...120
СН 130...160 120...160 105...110
ннхк 130...160 120...150 110...120
ннк 120...140 120...140 105...110
пвк 140...180 120... 140 105...110
На практике чаще используют следующие ускорители твер-
дения бетона-, хлорид кальция (ХК), сульфат натрия (СН), нит-
рат кальция (НК) и нитрат натрия (НН), а также многокомпо-
279
нентные добавки: нитрит-нитрат кальция (ННК), нитрит-нитрат-
хлорид кальция (ННХК) и полиметаллический водный концен-
трат (ПВК). Количество добавок составляет от 1 до 3 % от мас-
сы цемента. Концентрацию добавок в бетонной смеси, установ-
ленную строительной лабораторией опытным путем, обязатель-
но необходимо выдерживать при изготовлении бетонной смеси.
Добавки обычно оказывают побочное действие, например, на
состояние арматуры в бетоне, высолообразование и т. д., причем
изменение дозировки существенно влияет на ее эффективность.
Добавки ХК и ПВК в большом количестве вызывают коррозию
арматуры. Поэтому при изготовлении железобетонных конст-
рукций их количество ограничивают 1 % от массы цемента.
Противоморозные добавки обеспечивают твердение бетона и
раствора зимой. При отрицательной температуре вода замерзает
и гидратация цемента прекращается. Образовавшийся лед раз-
рыхляет еще слабую структуру цементного камня, что вызывает
большую потерю прочности бетона. Чтобы обеспечить тверде-
ние бетона на морозе, в бетонные и растворные смеси вводят
вещества, снижающие температуру замерзания воды. Вода
остается в жидком состоянии даже при температуре минус
15. ..20 °C, и процесс гидратации цемента продолжается.
В качестве противоморозных добавок применяют следующие
соли: хлорид натрия в сочетании с хлоридом кальция, нитрит
натрия, поташ, смесь нитрата кальция с мочевиной.
Группа добавок, регулирующих свойства бетона, включает
кольматирующие, воздухововлекающие, газообразующие, гид-
рофобизирующие и повышающие защитные свойства бетона по
отношению к стальной арматуре.
Кольматирующие добавки - это вещества, способствующие
заполнению пор в бетоне водонерастворимыми продуктами и,
как следствие, повышающие водо- и газонепроницаемость и
коррозионную стойкость материала. Сюда относят водораство-
римые смолы, битумную эмульсию, сульфат алюминия, сульфат
и хлорид железа, нитрат кальция.
Воздухововлекающие добавки - это поверхностно-активнее
органические вещества, снижающие поверхностное натяжение
жидкости на границе вода-воздух и обеспечивающие вовлече-
280
ние воздуха в бетонную смесь при ее перемешивании. Насыще-
ние цементного теста тонкодисперсными пузырьками воздуха
увеличивает его объем, повышая подвижность бетонных и рас-
творных смесей, однако понижает прочность материала. Содер-
жание вовлеченного воздуха обычно составляет 4...5 %.
Среди этих добавок чаще используют смолу древесную омы-
ленную (СДО), смолу нейтрализованную воздухововлекающую
(СНВ) и сульфонол.
Газообразующие добавки обеспечивают газообразование в
смеси за счет химического взаимодействия с продуктами гидра-
тации цемента. В результате в бетоне создается пористость в
виде тонкодисперсных равномерно распределенных замкнутых
пор-ячеек. К газообразователям относят алюминиевую пудру и
пасту, гидрофобизирующую кремнийорганическую жидкость
ГКЖ-94.
Воздухововлекающие и газообразующие добавки повышают
на 3.. .4 ступени морозостойкость бетона и на 1,5...2 ступени его
водонепроницаемость.
Гидрофобизирующие добавки придают бетону гидрофобные
свойства (уменьшают смачивание поверхности) и снижают во-
допоглощение. Сюда относят гидрофобизирующие жидкости
ГКЖ-10,11 и ГКЖ-94, мылонафт (MJ, этилгидросесквиоксан
(ПГЭН). Применяют их как в процессе приготовления бетонной
смеси, так и для поверхностной защиты затвердевшего бетона и
железобетона от увлажнения (наносят на конструкцию распыле-
нием). Таким образом защищают от разрушения памятники,
создают защитно-декоративные слои в конструкциях и др.
Добавки, повышающие защитные свойства бетона по от-
ношению к стальной арматуре (ингибиторы коррозии), улуч-
шают коррозионное состояние арматуры в агрессивных средах,
например содержащих хлор-ионы. Последние вводятся в смесь
как ускорители твердения либо проникают в бетон конструкций
из окружающей среды. Наибольшее распространение получил
нитрит натрия, повышающий в несколько раз критическое со-
держание агрессивных ионов в приарматурной зоне.
Добавки полифункционалъного действия (комплексные) по-
зволяют одновременно изменять несколько свойств бетонной
281
смеси и затвердевшего бетона, например повышать удобоукла-
дываемость смеси и увеличивать прочность бетона. Применение
добавок в комплексе позволяет резко уменьшить или полностью
устранить нежелательное побочное действие каждой состав-
ляющей комплексной добавки. Например, комплексная добавка
ЛСТ+ХК (хлорид кальция) пластифицирует смесь и ускоряет
твердение бетона. При этом хлорид кальция компенсирует за-
медляющее действие ЛСТ. Одновременно эта добавка сокраща-
ет расход цемента.
Многие из применяемых добавок могут оказывать вредное
воздействие на работающих. Добавки нитрата кальция (НК),
ННК и ННХК вызывают покраснение, зуд и изъязвление кожи,
поражают участки кожи, на которых имеются хотя бы незначи-
тельные ранки, царапины и другие нарушения ее целостности.
Для избежания указанных раздражений кожи необходимо при-
менять резиновые перчатки или мази.
Пластифицирующие добавки 1-й группы относятся к веще-
ствам умеренно опасным. Их пары и взвешенные в воздухе час-
тицы высохшего вещества (пыль) вызывают раздражение, воз-
действуют на слизистую оболочку глаз и на незащищенную ко-
жу. Рабочие, занятые приготовлением растворов добавок,
должны пользоваться индивидуальными средствами защиты.
Лицам, не достигшим 18-летнего возраста, работать с хими-
ческими веществами не разрешается.
11.3. Строительные растворы
В составе растворов нет крупного заполнителя, поэтому
в сущности они представляют собой мелкозернистые бетоны.
Общие закономерности, характеризующие свойства бетона в
принципе применимы и к растворам. Однако при использовании
растворов надо учитывать две особенности. Во-первых, их укла-
дывают тонкими слоями (1...2 см), не применяя механического
уплотнения. Во-вторых, растворы часто наносят на пористые
основания (кирпич, бетон, легкие камни и блоки из пористых
горных пород), способные сильно отсасывать воду. В результате
этого изменяются свойства раствора, что необходимо учитывать
при определении его состава.
282
11.3.1. Подбор состава, приготовление
и транспортирование растворов
Составы растворных смесей выбирают или подбирают в за-
висимости от назначения раствора, требуемой марки и подвиж-
ности и условий производства работ. Подобранный состав рас-
творных смесей должен иметь необходимую подвижность (без
расслоения и водоотделения при укладке) при минимальном
расходе вяжущего вещества и обеспечить получение требуемой
прочности в затвердевшем состоянии.
Составы строительных растворов подбирают по таблицам и
расчетным путем, в обоих случаях они уточняются эксперимен-
тально применительно к конкретным материалам.
Расчетно-экспериментальный метод подбора состава раство-
ра основан на выполнении предварительного расчета расхода
составляющих (вяжущего, заполнителей, воды и добавок) на
основе научно обоснованных и экспериментально проверенных
зависимостей, приведенных ниже. Он применяется для подбора
состава тяжелых кладочных и монтажных растворов.
Состав растворов марок 25...200 подбирают следующим об-
разом.
Предварительно устанавливают ориентировочное количество
цемента (<2Ц, кг на 1 м3 песка), необходимое для получения рас-
твора заданной прочности:
830/?
<2 =------" + 45,
(11.9)
где Кп - коэффициент, учитывающий качество песка: для круп-
ного песка (Мк > 2,5) Кп = 1; для песка средней крупности (Мк =
= 2...2,5) Кп = 0,8 и для мелкого песка (Мк < 2) Кп= 0,б7..0,7.
Затем определяют число объемных частей песка (Пч), кото-
рое приходится на одну объемную часть цемента:
Пч Рн/£?ц>
(11.10)
где рн - плотность цемента в рыхлонасыпанном состоянии,
кг/м3. Для вяжущего марок 300...500 плотность принимают
1200 кг/м3, а для марок 150.. .200 - 1100 кг/м3.
283
Расход неорганического пластификатора Va (известкового
теста в кг на 1 м песка) определяют по формуле
Г 20 А
К = 0,17 1—. (11.11)
д t 1000) 7
Минимальное количество объемных частей известкового
теста (Ич), приходящееся на одну объемную часть цемента и не-
обходимое для получения удобоукладываемого раствора, рас-
считывают по выражению
( 0,340, >
И = 0,17—П. (11.12)
4 1000 J 4 7
Это количество неорганического пластификатора является
ориентировочным; его уточняют опытной проверкой подвижно-
сти растворной смеси.
Состав раствора в частях по объему будет следующим:
цемент : известь : песок =1 : Ич: Пч.
Расход воды для получения раствора заданной подвижности
зависит от состава раствора, вида вяжущего и заполнителя и ус-
танавливается на опытных замесах. Для цементно-известковых
растворов подвижностью 9... 10 см расход воды В на 1 м3 песка
приближенно определяют по формуле
£=о,5(2ц+ед), (плз)
где
2д=^рд. (11.14)
Расчету состава раствора должно предшествовать определе-
ние активности (марки) и средней насыпной плотности цемента,
зернового состава и модуля крупности песка, средней плотности
неорганического пластификатора (извести или глины).
Приготовление растворов. Растворы выпускаются в виде
готовых к применению или сухих смесей, затворяемых перед
использованием водой.
Процесс приготовления растворной смеси состоит из дозиро-
вания исходных материалов, загрузки их в барабан растворосме-
284
сителя и перемешивания до получения однородной массы в рас-
творосмесителях периодического действия с принудительным
перемешиванием. По конструкции различают растворосмесите-
ли с горизонтальным (рис. 48а) или вертикальным (рис. 486) ло-
пастным валом. Последние называются турбулентными смеси-
телями.
а
б
Рис. 48. Лопастной СО-46А (а) и турбулентный СБ-43Б (б) растворЬсмесители:
1 - рама; 2 - барабан; 3 - решетка; 4 - лопасть; 5 - привод; 6 - разгрузочное
устройство; 7 - бак
Растворосмесители с горизонтальным лопастным валом вы-
пускают вместимостью по готовому замесу 30; 65; 80; 250
и 900 л. Все эти смесители, за исключением последнего, - пере-
движные. Вместимость по готовому замесу турбулентных сме-
сителей, рабочим органом которых служат быстровращающиеся
роторы, - 65; 500 и 800 л.
Чтобы раствор обладал требуемыми свойствами, необходимо
добиться однородности его состава. Для этого ограничивают
минимальное время перемешивания. Средняя продолжитель-
ность цикла перемешивания для тяжелых растворов должна
быть не менее 3 мин. Легкие растворы перемешивают дольше.
Для облегчения данного процесса известь и глину вводят в рас-
твор в виде известкового или глиняного молока. Известковое
тесто и комовую глину для смешанных растворов использовать
285
нельзя, так как в этом случае практически невозможно добиться
однородности растворной смеси.
Для приготовления цементных растворов с неорганическими
пластификаторами в растворосмеситель заливают известковое
(глиняное) молоко такой консистенции, чтобы не нужно было
дополнительно заливать воду, а затем засыпают заполнитель и
цемент. Органические пластификаторы сначала перемешивают в
растворосмесителе с водой в течение 30.. 45 с, а затем загружа-
ют остальные компоненты.
Растворы, как правило, приготовляют на централизованных
бетонорастворных заводах или растворных узлах, что обеспечи-
вает получение продукции высокого качества.
Зимой для получения растворов с положительной температу-
рой составляющие раствора - песок и воду - подогревают до
температуры не более 60 °C. Вяжущее подогревать нельзя.
Транспортирование. Растворные смеси с заводов перевозят
автосамосвалами или специально оборудованным транспортом,
исключающим потери цементного молока, загрязнение окру-
жающей среды, увлажнение атмосферными осадками, снижение
температуры. Дальность перевозки зависит от вида раствора,
состояния дороги и температуры воздуха. Чтобы предохранить
раствор от переохлаждения и замерзания зимой, кузова автома-
шин утепляют или обогревают отработанными газами дви-
гателя.
На стройках растворную смесь подают к месту использова-
ния по трубам с помощью растворонасосов.
Сроки хранения растворных смесей зависят от вида вяжуще-
го и ограничиваются сроками его схватывания. Известковые
растворы сохраняют свои свойства долго (пока из них не испа-
рится вода), а в высохший известковый раствор можно добавить
воду и вторично его перемешать. Цементные растворы необхо-
димо использовать в течение 2...4 ч; разбавление водой и по-
вторное перемешивание схватившихся цементных растворов не
допускается, так как это приводит к резкому снижению его ка-
чества, т. е. падению марки раствора.
286
11.3.2. Свойства растворных смесей и затвердевших растворов
Естественно, что свойства свежеприготовленной растворной
смеси и затвердевшего раствора совершенно различны. Пра-
вильный выбор области применения растворов всецело зависит
от их свойств.
Свойства растворных смесей. Удобоукладываемость -
способность растворной смеси легко распределяться по поверх-
ности основания сплошным тонким слоем, хорошо сцепляясь
с ней. Удобоукладываемая растворная смесь даже при укладке
на неровной поверхности заполняет все впадины и плотно при-
мыкает к камням кладки. Жесткий, неудобоукладываемый рас-
твор контактирует с основанием лишь частично, что снижает
прочность кладки в 1,5...2 раза. Удобоукладываемость оценива-
ют подвижностью смеси.
Подвижность растворной смеси характеризуется глубиной
погружения в нее эталонного конуса (рис. 49) массой 300 г, вы-
сотой 150 мм и с углом при вершине 30°. Конус сделан из жести,
внутри него помещен груз (свинцовая дробь). На поверхности
конуса нанесены деления в сантиметрах. В зависимости от на-
значения растворы должны иметь различную подвижность.
Рис. 49. Приборы для определения
подвижности растворной смеси в ла-
боратории (а) и на рабочем месте (б):
1 - штатив; 2 - сосуд для раствора;
3 - конус; 4 - трубка; 5 - стрелка;
6 - шкала
а б
И
Один из способов повышения подвижности растворной сме-
си - увеличение содержания в ней воды, но при этом, чтобы со-
хранить марку раствора и водоудерживающую способность сме-
287
си, увеличивают расход вяжущего. Более рациональный способ
увеличения подвижности - введение в раствор пластифицирую-
щих добавок.
Водоудерживающая способность - это способность рас-
творной смеси удерживать воду при нанесении на пористое ос-
нование или при транспортировании. Если растворную смесь
с малой водоудерживающей способностью нанести, например,
на кирпич, то она быстро обезводится в результате отсасывания
воды в поры кирпича. В этом случае затвердевший раствор
будет пористым и непрочным. Такая смесь при транспортирова-
нии способна расслоиться: песок осядет вниз, а вода окажется
вверху.
Водоудерживающую способность увеличивают путем введе-
ния в растворную смесь неорганических дисперсных минераль-
ных добавок и органических пластификаторов. Смесь с такими
добавками отдает воду пористому основанию постепенно, при
этом раствор становится плотнее, хорошо сцепляется с основа-
нием, повышается его прочность.
Расслаиваемостъ - способность растворной смеси разде-
ляться на твердую и жидкую фракции при транспортировании и
перекачивании ее по трубам и шлангам. Смесь разделяется на
воду (жидкая фаза), песок и вяжущее (твердая фаза), в результа-
те чего в трубах и шлангах могут образоваться пробки, устране-
ние которых связано с большими потерями труда и времени.
Если состав растворной смеси подобран правильно и водо-
вяжущее отношение назначено верно, то растворная смесь будет
подвижной, удобоукладываемой, она будет обладать хорошей
водоудерживающей способностью и не будет расслаиваться.
Свойства затвердевших растворов. Затвердевшие строи-
тельные растворы должны обладать определенной плотностью,
заданной прочностью, водонепроницаемостью и морозостойко-
стью, которые гарантируют их безотказную работу в течение
всего периода эксплуатации конструкции.
Плотность раствора зависит от вида и марки по плотности
заполнителя. Истинная плотность обычных цементно-песчаных
растворов составляет 2600...2700 кг/м3. По средней пдотности
строительные растворы подразделяют на тяжелые и легкие. Рас-
288
творы средней плотностью - 1500 кг/м3 и более относят к тяже-
лым; для их приготовления используют плотные заполнители с
насыпной плотностью не менее 1500 кг/м3; легкие растворы
приготовляют на пористых заполнителях с насыпной плотно-
стью менее 1200 кг/м3.
Прочность строительного раствора характеризуют маркой,
которую определяют по пределу прочности при сжатии стан-
дартных образцов-кубов размером 70,7x70,7x70,7 мм (для кла-
дочных и растворов стяжек, облицовочных и штукатурных рас-
творов с допустимой толщиной нанесения более 5 мм), изготов-
ленных из рабочей растворной смеси и испытанных в возрасте
28 сут. (первые 3 сут. для растворов на гидравлических вяжу-
щих - в камере нормального твердения, оставшееся время - на
воздухе при температуре (20 ± 5) °C и относительной влажности
(65 ± 10) %). Для кладочных растворов используют формы без
дна, установленные на пористое основание. Прочность на сжа-
тие растворов для самонивелирующихся стяжек, облицовочных
и штукатурных с допустимой толщиной нанесения менее 5 мм
определяют испытанием образцов-балочек 40x40x160 мм по
ГОСТ 310.4. По пределу прочности при сжатии (кгс/см2) для
растворов установлены марки'. 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150 и 200.
Малопрочные растворы марок 4, 10 и 25 получают из местных
вяжущих и извести; растворы более высоких марок - на цемент-
но-известковом и цементном вяжущих.
Прочность строительных растворов зависит от марки вяжу-
щего и его количества. Однако водовяжущее отношение в дан-
ном случае не имеет существенного значения,-так как пористое
основание, на которое наносят раствор, отсасывает из него воду
и количество воды в разных растворах становится приблизи-
тельно одинаковым.
Марки наиболее часто применяемых кладочных и штукатур-
ных растворов значительно ниже марок бетонов. Это объясняет-
ся тем, что прочность кладочных растворов не влияет сущест-
венно на прочность кладки из камней правильной формы, а
штукатурные растворы практически не несут никакой нагрузки.
Более высокие требования предъявляются к прочности раство-
ров для омоноличивания несущих сборных конструкций.
19. Зак. 508
289
Водонепроницаемость строительного раствора важна для
наружных штукатурок зданий, стяжек на балконах, для специ-
альных гидроизоляционных растворов, штукатурок и т. д. За-
твердевший раствор содержит поры, следовательно, абсолютно
водонепроницаемых растворов нет.
Для повышения водонепроницаемости при приготовлении в
растворную смесь вводят добавки - кольматирующие (жидкое
стекло, битумную эмульсию, нитрат кальция) и гидрофобизи-
рующие (кремнийорганические жидкости ГКЖ-10, ГКЖ-11).
Морозостойкость характеризует долговечность строитель-
ного раствора. В зависимости от числа циклов попеременного
замораживания и оттаивания, которые выдержат образцы-кубы с
ребром 70,7 мм в насыщенном водой состоянии, различают сле-
дующие марки раствора по морозостойкости: F10, F15, F25, F35,
F50, F100, F150, F200 и F300. В значительной степени морозо-
стойкость раствора зависит от его плотности и водонепрони-
цаемости, вида вяжущего, водовяжущего отношения, введенных
добавок и условий твердения. Для повышения морозостойкости
растворов применяют воздухововлекающие добавки: смолу дре-
весную омыленную (СДО) и смолу древесную воздухововле-
кающую (СНВ).
Для штукатурных и защитно-отделочных слоев покрытий
важное значение имеет прочность сцепления с основанием.
Прочность сцепления штукатурных и облицовочных растворов в
проектном возрасте должна быть не менее 0,2 МПа для внут-
ренних работ и 0,5 МПа - для наружных работ.
11.3.3. Виды, составы и область применения
растворов в строительстве
В зависимости от вида конструкции (стена, фундамент и др.)
и условий, в которых она будет работать, на основании требова-
ний СНиПа устанавливаются основные требования к растворам
(марка, водонепроницаемость, морозостойкость) для возведения
или монтажа этой конструкции.
Кладочные растворы используют в зависимости от расчет-
ных напряжений и условий эксплуатации кладки. Кладку над-
290
земных конструкций, работающих при небольшом напряжении,
рекомендуется выполнять на растворах, содержащих дешевые
местные вяжущие вещества: известково-шлаковое, известково-
пуццолановое, известь. В растворах для кладки фундаментов
при агрессивных сульфатных водах применяют сульфатостой-
кие цементы, для монтажа крупноблочных и крупнопанельных
стен - портландцемент, шлакопортландцемент, а также порт-
ландцементы с органическими добавками. Подвижность рас-
творной смеси выбирают с учетом назначения раствора. При
кладке стен из пустотелого кирпича или керамических кам-
ней подвижность назначается 7...8 см, при бутовой кладке - '
4...6 см, для кладки из полнотелого кирпича и бетонных
камней - 8... 12 см, монтаже стен из панелей и крупных блоков -
5...7 см, для заливки пустот в кладке и подачи растворонасосом
- 12...14 см.
Примерные составы смешанных растворов приведены в
табл. 20.
Монтажные растворы. При монтаже стен горизонтальные
швы между панелями из тяжелого бетона заполняют раствором
марки не ниже Ml00; из легкого бетона - не ниже М50. При
монтаже стен из крупных блоков марки раствора для заполнения
горизонтальных швов указываются в проекте (обычно
М10...М50). Для расшивки вертикальных швов панельных и
крупноблочных стен марка раствора должна быть не ниже М50.
Для монтажа несущих железобетонных конструкций марка
цементного раствора должна быть не ниже марки бетона этой
конструкции.
В качестве заполнителя для тяжелых кладочных и монтаж-
ных растворов применяют кварцевый песок по ГОСТ 8736-93,
который не должен содержать частиц крупнее 5 мм, а модуль
крупности должен быть 1,5.. .2,5.
При кладке растворов зимой скорость твердения замедляет-
ся. Например, в возрасте 28 сут. прочность растворов, твердею-
щих при температуре 1 °C, вдвое ниже, чем при температуре
твердения 20 °C. Поэтому зимой для каменной кладки и замоно-
личивания швов в сборных элементах применяют раствор с мар-
кой на одну-две ступени выше, чем для раствора, используемого
19*
291
для этих же целей летом. Растворы для зимних работ могут вы-
пускаться подогретыми. Температура раствора в момент его
применения должна быть не менее 10 °C при температуре на-
ружного воздуха минус 10... 15 °C и не менее 20 °C - при темпе-
ратуре воздуха ниже минус 20 °C.
Таблица 20
Цементно-известковые и цементные растворы
для каменных конструкций
Марка вяжуще- го Соотношение компонентов для растворов марок
200 150 100 75 50 25 10 4
Составы цементно-известковых растворов для надземных конструкций (це-
мент: известь: песок) при относительной влажности воздуха помещений
до 60 % и для фундаментов в маловлажных грунтах
500 1:0,2:3 1:0,3:4 1:0,5:5,5 1:0,8:7 - — — —
400 1:0,1:2,5 1:0,2:3 1:0,4:4,5 1:0,5:5,5 1:0,9:8 - - -
300 - 1:0,1:2,5 1:0,2:3,5 1:0,3:4 1:0,6:6 1:1,4:10,5 — -
200 - - — 1:0,1:2,5 1:0,3:4 1:0,8:7 — —
150 — — — — - 1:0,3:4 1:1,2:9,5 —
100 - - - - — 1:0,1:2 1:0,5:5 —
50 - - - - - — 1:0,1:2,5 1:0,7:6
25 - - - - - - - 1:0,2:3
Составы цементно-известковых растворов для надземных конструкций (це-
мент: известь: песок) при относительной влажности воздуха помещений
более 60 % и для фундаментов во влажных грунтах
500 1:0,2:3 1:0,3.4 1:0,5:5,5 1:0,8:7 — - — -
400 1:0,1:2,5 1:0,2:3 1:0,4:4,5 1:0,5:5,5 1:0,9:8 — — —
300 - 1:0,1:2,5 1:0,2:3,5 1:0,3:4 1:0,6:6 1:1:10,5 — -
200 ~| - - 1:0,1:2,5 1:0,3:4 1:0,8:7 — -
150 - - - - - 1:0,3:4 1:1:9 -
100 - - - - - 1:0,1:2 1:0,5:5 -
Составы цементных растворов для фундаментов и других конструкций
(цемент: песок), расположенных в водонасыщенных грунтах и ниже уровня
грунтовых вод
500 1:3 1:4 1:5,5 1:6 — — — —
400 1:2,5 1:3 1:4,5 1:5,5 — - — —
300 - 1:2,5 1:3 1:4 1:6 — - —
200 - - - 1:2,5 1:4 - - -
292
Температура смесей для монтажа конструкций должна быть
на 10 °C выше, чем для кладочных.
Штукатурные растворы. В строительстве наиболее часто
применяется монолитная штукатурка, получаемая из штукатур-
ных растворов. Штукатурное покрытие состоит из двух или бо-
лее слоев. Сцепление с поверхностью основания обеспечивается
подготовительным слоем, или обрызгом, толщиной не более
5 мм по кирпичным и бетонным поверхностям и 9 мм - по дере-
вянным. Основной слой (грунт) толщиной 5...7 мм служит для
получения ровной поверхности. Улучшенный вид достигается за
счет накрывочного слоя толщиной не более 2 мм.
В качестве заполнителя для штукатурных растворов приме-
няют природный песок групп «очень мелкий», «мелкий» и
«средний» (модуль крупности — до 2,0).
Максимально допустимый размер зерен песка для подгото-
вительных слоев обрызга и грунта не должен превышать 2,5 мм,
для отделочного слоя (накрывки) -1,2 мм.
Свойства различных слоев штукатурной системы должны
быть согласованы между собой таким образом, чтобы на по-
верхностях раздела между слоями и основанием не возникали
напряжения вследствие усадки и температурного расширения.
Для этого необходимо, чтобы прочность верхнего слоя была
меньше прочности нижнего или оба слоя имели одинаковую
прочность.
Растворы для обычных штукатурок подразделяют на це-
ментные, известковые, гипсовые, цементно-известковые, из-
вестково-гипсовые, гипсовые и глино-известковые. Вяжущее
для растворов обычных Штукатурок выбирают в зависимости от
влажностных условий эксплуатации.
Цементные растворы применяют для наружных штукату-
рок, подвергающихся систематическому увлажнению (наруж-
ные стены, карнизы и т. п.), и внутренних - в помещениях с от-
носительной влажностью воздуха свыше 60 %. Для повышения
их водостойкости желательно применять гидрофобизирующие
добавки, например кремнийорганические жидкости.
Цементно-известковые растворы применяют при оштука-
туривании как фасадов зданий (конструкций, не подвергающих-
ся систематическому увлажнению), так и внутренних помеще-
293
ний. Введение извести резко повышает пластичность растворов.
Содержание известкового теста зависит от назначения слоя.
Растворы на основе воздушной извести и гипса применяют
для оштукатуривания поверхностей внутри помещений с отно-
сительной влажностью воздуха до 60 %. Основной недостаток
известковых растворов - медленное твердение. Для ускорения
их твердения добавляют строительный гипс. Наиболее удобны
известково-гипсовые растворы при оштукатуривании деревян-
ных поверхностей внутри помещений. Для повышения их водо-
стойкости в раствор вводят гидравлические добавки: трепел,
диатомит, шлаки, золы и др. Составы штукатурных растворов
для различных условий эксплуатации приведены в табл. 21.
Таблица 21
Штукатурные растворы
Условие эксплуатации Вид ошту- катури- ваемой поверх- ности Наимено- вание слоя штука- турки Вид и состав раствора (Ц:П:(И, Г))
цементный цемент- но-из- вестко- вый известко- вый известко- во-гип- совый
Наружная штука- турка стен, цоколей, карнизов, подвергае- мая систематическо- му увлажнению, и внутри - в помеще- ниях с относитель- ной влажностью бо- лее 60 % Каменная и бетонная Обрызг Грунт Накрыв- ка 1:2,5...4 1:0,3... 0,5:3... 5 - -
1:2...3 1:0,7...!: 2,5...4 - -
1:1...1,5 1:1... 1,5:1,5...2 - -
Наружная штука- турка стен, не под- вергающихся систе- матическому увлаж- нению, и внутри - в помещениях с отно- сительной влажно- стью воздуха до 60 % Каменная и бетонная Деревянные и гипсовые Обрызг Грунт Обрызг Грунт Накрывка - 1:0,5... 0,7:4...6 1:2,5.-.4 -
- 1:0,7... 1:3...5 1:2...3 -
- - - 1:0,3... 1:2...3
- . - - 1:0,5... 1,5:1,5...2
- 1:1... 1,5:2...3 1:1...2 1:1...1,5:0
Все виды штукатурных растворов должны обладать заданной
подвижностью (9... 14 см - для обрызга при механизированном
294
нанесении, 7...8 см - для грунта и накрывки); не расслаиваться в
процессе производства; обеспечивать заданные прочность и
сцепление с основанием.
Защитно-декоративные растворы и составы предназначе-
ны для наружной и внутренней отделки различных пористых
поверхностей, выполнения штукатурных и шпатлевочных работ.
В зависимости от вида различают сухие и растворные смеси, а
также ластовые составы, а в зависимости от состава входя-
щих компонентов - минеральные, полимерминералъные и по-
лимерные составы.
Защитно-отделочные штукатурки должны удовлетворять це-
лому ряду специфических требований, связанных с их назначе-
нием и условиями эксплуатации. Наиболее важными являются
прочность сцепления с основанием и морозостойкость. Основ-
ные показатели качества защитно-отделочных штукатурок по
СТБ 1263-2001 приведены в табл. 22.
Стабильность этих показателей во времени зависит в основ-
ном от свойств компонентов растворов. К вяжущим для декора-
тивных растворов и составов, наносимых на наружные поверх-
ности зданий, относятся белый и цветные портландцементы,
портландцементы с органическими добавками. Кроме того, для
защитного покрытия часто используют растворы на полимерном
связующем. Для отделки интерьеров чаще применяют известь,
гипс, гипсополимерцементное и полимерцементное вяжущее.
Красящие добавки - это свето-, щелоче- и кислотостойкие
пигменты природного или искусственного происхождения, на-
пример оксид хрома, железный сурик, графит, ультрамарин, ох-
ра. Из белых пигментов наиболее употребительны известь, мра-
морная мука, белый портландцемент, двуокись титана.
Заполнителями декоративных растворов служат мытые при-
родные и искусственные пески, крошка керамическая, стеклян-
ная, пластмассовая и дробленых горных пород с размером час-
тиц 2...5 мм. В необходимых случаях для получения искрящихся
поверхностей в состав раствора вводят слюду или дробленое
стекло.
)
295
Таблица 22
Свойства защитно-отделочных штукатурок
Наименование показателя Штукатурка
Минеральная Полимерная Полимерми- неральная
внут- ренняя наруж- ная внут- ренняя наружная внут- ренняя наруж- ная
Водоудерживающая способность смеси, %, не менее 95 95 — — 95 95
Цвет покрытия Должен соответствовать образцу - эталону изгото- вителя или эталону цвета картотеки
Условная светостой- кость покрытия (измене- ние коэффициента диф- фузного отражения), %, не более 5 5 5
Прочность сцепления покрытия с основанием, МПа, не менее 0,2 0,5 0,4 0,8 0,4 0,8
Водопоглощение по- крытия при капиллярном подсосе, кг/м2, не более 3,0 1,0 2,0
Коэффициент паропро- ницаемости покрытия, мг/(м • ч Па), не менее 0,05 0,04 0,02 0,01 0,03 0,02
Морозостойкость по- крытия, марки — 35, 50 — 50, 75, 100 — 75, 100
Атмосферостойкость покрытия, циклы, не менее — 50 — 100 — 100
Высокими физико-механическими свойствами, сравнимыми
с зарубежными аналогами, обладает полимерная защитно-
отделочная акриловая штукатурка, производимая предприятием
«Апимикс». Декоративные штукатурки «Апимикс-Ш» произво-
дятся на основе 100%-го сополимера акрила, кварцевого песка
или мраморной крошки и добавок (антистатическая, антигриб-
ковая и анти плесенная) и окрашиваются неорганическими пиг-
ментами. Акриловые штукатурки не содержат цемента и имеют
повышенную водонепроницаемость по сравнению с минераль-
296
ными или полимерминеральными штукатурками, обладая при
этом паропроницаемостью в требуемых пределах; могут нано-
ситься на любое подготовленное основание. Штукатурки «Апи-
микс-Ш» весьма устойчивы к истиранию, стойки к ударам и ца-
рапанью, трудно воспламенимы. Они рекомендуются для отдел-
ки поверхностей стен на лестничных клетках, в вестибюлях,
кассовых залах, для престижной отделки офисных здании и ук-
рашения фасадов.
Растворы специального назначения. Гидроизоляционные
(водонепроницаемые) растворы - обычные жирные растворы
состава 1 : 1-1 : 3,5, в которые вводят уплотняющие (сульфат
алюминия, нитрат кальция, хлорид железа, битумную эмульсию,
водорастворимые смолы) или водоредуцирующие (пластифици-
рующие) добавки. Растворы с добавкой растворимого стекла
или алюмината натрия быстро схватываются, что позволяет ис-
пользовать их для заделки трещин, из которых сочится вода.
Для гидроизоляционных растворов применяют портландце-
мент, пуццолановый, сульфатостойкий и гидрофобный порт-
ландцементы, глиноземистый и расширяющийся цементы марок
не менее М400. В качестве мелкого заполнителя в гидроизоля-
ционных растворах для стяжек применяют песок с модулем
крупности 2...3.
Особенно надежно служат нанесенные методом торкретиро-
вания гидроизоляционные растворы, модуль крупности песка
которых должен составлять 2,5...3,5. Такие растворы применяют
для покрытия стен бассейнов, трубопроводов, туннелей, подва-
лов, подвергающихся действию агрессивных сред
Теплоизоляционные и акустические растворы применяют
вместо обычных штукатурных растворов с целью повышения
теплозащитных свойств ограждающих конструкций или прида-
ния им звукопоглощающих свойств.
В качестве заполнителей для теплоизоляционных и акусти-
ческих растворов применяют пористые пески: перлитовый - ма-
рок 100, 150 и 200, керамзитовый - марок 500...700 и аглопори-
товыи - марки по плотности до 600 При этом перлитовый песок
должен содержать фракции дисперсностью менее 0,16 и крупнее
2,5 мм - не более 15 %, аглопоритовый и керамзитовый песок -
соответственно менее 0,16 и крупнее 5 мм - не более 5 %.
297
Для акустических растворов применяют однофракционные
пески с размером зерна 3... 5 мм.
Ориентировочные составы теплоизоляционных растворов
приведены в табл. 23.
Таблица 23
Теплоизоляционные растворы
при соотношении компонентов по объему
Вид вяжущего Вид заполнителя Соотношение вяжущее: за- полнитель Насыпная плотность су- хой смеси, кг/м3 Средняя плотность раствора, кг/м3
Гипсовое Перлитовый 1:4...1:8 300...400 400...500
Цемент Песок 1:4... 1:8 400...500 500...600
Цемент Керамзитовый песок 1:6...1:8 700... 1000 800... 1100
Цемент Аглопоритовый песок 1:8 1200... 1300 1400...1500
Рентгенозащитные растворы. Это тяжелые растворы с
плотностью более 2200 кг/м3, применяемые для оштукатурива-
ния рентгеновских кабинетов и помещений, в которых ведутся
работы, связанные с рентгеновским или у-излучением. Такая
штукатурка заменяет обшивку свинцовыми листами. В качестве
вяжущих материалов используется портландцемент или шлако-
портландцемент и специальные тяжелые заполнители (барит),
железные руды (магнезит, лимонит) и другие в виде песка и пы-
ли с размером частиц не более 1,25 мм. Может быть рекомендо-
ван такой состав баритового раствора (мае. ч.): молотый барито-
вый концентрат - 4, быстротвердеющий портландцемент - 1;
поливинилацетатная дисперсия - 0,1; вода - до требуемой
подвижности.
Кислотоупорные растворы. Это растворы на кислотоупор-
ном жидкостекольном вяжущем, применяемые для устройства
антикоррозионных покрытий конструкций, которые в процессе
эксплуатации подвергаются воздействию кислот.
298
В качестве вяжущего в этих растворах применяют жидкое
стекло: натриевое с силикатным модулем 2,4...2,8 и плотностью
1,38... 1,40 г/см3 и калиевое с силикатным модулем 3...3,2 и плот-
ностью 1,30...1,32 г/см3 (параграф 9.6). Заполнителем служит
природный кварцевый или искусственный песок, получаемый
дроблением кислотостойких горных пород (андезита, бештауни-
та, гранита). В песке не должно быть глинистых примесей, зерен
карбонатных пород и примесей органических веществ.
В кислотоупорные растворы кроме песка вводят тонкомоло-
тый наполнитель - порошок из кислотостойких пород (андезита,
диабаза). В наполнителе должно быть не менее 70 % зерен раз-
мером до 0,075 мм.
Для повышения водостойкости используют специальные
тонкомолотые добавки, содержащие реакционноспособный
кремнезем - силикагель, диатомит, трепел, аглопорит, кислую
золу ТЭС. Кислотостойкость наполнителей должна быть не ни-
же 96 %, при этом активного кремнезема (способного взаимо-
действовать со щелочью) должно быть 84...97 %. Расход актив-
ной добавки составляет примерно 5...22 % от массы тонкомоло-
того наполнителя.
Для повышения водонепроницаемости кислотоупорных рас-
творов применяют полимерные добавки, например фурило-
вый спирт. Составы кислотоупорных растворов приведены в
табл. 24.
Таблица 24
Составы кислотоупорных растворов
Наименование компонентов Расход материалов для составов, мае. ч.
1 2 3
Жидкое стекло 1 1 1
Кремнефтористый натрий 0,15 0,15 0,17
Тонкомолотый наполнитель 1,1 1,04 1,74
Кварцевый песок 3,3 3,27 1,74
Добавка, содержащая активный кремнезем - 0,05 -
Фуриловый спирт - - 0,03
299
11.4. Сухие смеси и их применение в строительстве
Сухие товарные смеси для изготовления защитно-отде-
лочных покрытий и растворов являются полуфабрикатами и со-
стоят из вяжущих (цемент, известь, гипс или смешанное), фрак-
ционированного кварцевого песка (или минерального наполни-
теля) и полимерных модифицирующих добавок.
В качестве вяжущего в растворах для наружных работ при-
меняется обычно портландцемент, в том числе белый и цвет-
ной. Вместо кварцевого песка может использоваться декоратив-
ная крошка. Для повышения пластичности и удобоукладываемо-
сти смесей вводят добавки-пластификаторы в сухом виде, для
увеличения атмосферостойкости - гидрофобизирующие. Кроме
того, могут вводиться водоудерживающие и улучшающие проч-
ность сцепления покрытия с основанием добавки.
Основными операциями при изготовлении сухих смесей яв-
ляются* сушка и классификация песка, дозирование компонен-
тов, смешение и фасовка. Статус общепризнанного стандарта в
производстве сухих смесей принадлежит одновальным горизон-
тальным смесителям, работающим в центрифужном режиме. Их
главные особенности: простота конструкции, высокая интенсив-
ность. отсутствие мертвых зон и возможность разгрузки без ос-
татков
В отличие от технологий изготовления традиционных рас-
творных смесей технологии изготовления сухих смесей позво-
ляют получать их со строго оптимизированным фракционным
составом наполнителей и точным дозированием исходных ком-
понентов. Точное соблюдение требований по подготовке исход-
ного сырья, его дозированию и перемешиванию обеспечивает
получение сухих смесей и конечной продукции на их основе
(растворов и бетонов) стабильно высокого качества.
Влажность сухих смесей не должна превышать 1 %.
Сухие смеси затворяют на месте применения согласно инст-
рукции, прикладываемой к каждой упаковке.
По сравнению с традиционными растворными смесями мо-
дифицированные сухие смеси имеют следующие преимущества:
• существенно повышается качество строительных работ
вследствие стабильности их составов и эффективного переме-
шивания;
300
• в зависимости от вида работ и уровня механизации в 1,5...
...3 раза повышается производительность труда;
• в 3.. .4 раза снижается материалоемкость работ;
• упрощаются снабжение и складские операции.
Сухие смеси, выпускаемые в Беларуси, различают по сле-
дующим признакам:
• по виду вяжущего — цементные (цементосодержащие) и
бесцементные;
• по дисперсности наполнителя - крупнозернистые (размер
зерен наполнителей - не более 2,5 мм) и тонкодисперсные (раз-
мер зерен наполнителей - не более 0,315 мм);
• по основному назначению'.
кладочные - для кладки ячеистобетонных блоков, кирпича,
камня;
монтажные - для монтажа крупных панелей и перегородок;
клеевые - для укладки облицовочной плитки, приклеивания
теплоизолирующих материалов и армирующей сетки в штука-
турных теплоизоляционных системах;
затирочные (фуги) - для заполнения швов между облицо-
вочными плитками;
гидроизоляционные - для устройства вертикальной и го-
ризонтальной гидроизоляции цоколей, подвалов, фундамен-
тов и др.;
штукатурные защитно-отделочные - для устройства внут
ренней и наружной декоративной отделки зданий;
самонивелирующиеся - для устройства стяжек и оснований
полов,
шпатлевочные - для заделки раковин и неровностей на ос-
нованиях из бетона и штукатурки;
окрасочные - для внутренней и наружной отделки зданий;
штукатурные - для выравнивания стен и потолков;
грунтовочные - для улучшения сцепления отделочных сло-
ев с основанием.
Сухие растворные смеси производит завод сухих смесей
ОАО «Забудова» по технологии финской фирмы «Partek Con-
crete Engineering Ltd». Оборудование завода позволяет выпус-
кать более 200 видов сухих смесей, в том числе для наружной
отделки стен и фасадов, внутренней штукатурки, кладки стен из
кирпича, ячеистобетонных блоков, приклеивания керамических
301
плиток и др. Для улучшения свойств в сухие смеси вводят хими-
ческие добавки (например, в качестве водоудерживающих - до-
бавки на основе метиловых эфиров целлюлозы - метилцеллюло-
зу, Metocel, Walocel М; для улучшения адгезии покрытия к
основанию - полимерные дисперсионные порошки Vinnapas
и др.). Важнейшее качество этих смесей заключается в том, что
при добавлении воды к сухой смеси редиспергация полимер-
ного порошка (превращение порошка в дисперсию) проис-
ходит без коагуляции.
Предприятие «Апимикс» - отечественный производитель ак-
риловых декоративных штукатурок, грунтовок, клеев для уклад-
ки плитки и крепления минераловатных и полистирольных плит,
водно-дисперсионных красок и полимерминеральных составов,
в том числе для наливных полов.
Грунтовочные материалы «Апимикс-П» используются для
усиления основания и окрашивания поверхности в соответст-
вующий цвет перед нанесением декоративных штукатурок
«Апимикс-Ш». Грунт укрепляющий «Апимикс-ГУ» применяется
для предварительной подготовки оснований под тонкослойные
штукатурки и фасадные краски. Грунтовка глубоко проникает в
основание (бетон, штукатурку, гипсокартонные и древесно-
стружечные плиты) и укрепляет его.
Воднодисперсионная краска «Апимикс-люкс» на основе со-
полимерной акрилатной дисперсии производится: белая - для.
окраски потолков, моющаяся - для интерьерной отделки, с по-
вышенной адгезией и атмосферостойкостью - для внутренней и
наружной отделки. Кроме водо- и атмосферостойкости покры-
тие характеризуется диффузной паропроницаемостью и устой-
чивостью против щелочей.
Клей для плитки «Апимикс-К, Кф» представляет собой одно-
родную сухую смесь, состоящую из домолотого цемента, фрак-
ционированного кварцевого песка и модифицирующих добавок,
улучшающих водоудерживающие и технологические свойства
готового раствора. Он применяется для крепления плиток полов
и стен, в том числе на деформируемых основаниях, в бассейнах
и т. д., характеризуется быстрой (через несколько часов по полу
можно передвигаться) и повышенной фиксацией.
302
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Как классифицируют бетоны? Какие виды бетонов наиболее часто ис-
пользуют в строительстве?
2. Как классифицируют строительные растворы по средней плотности и
назначению?
3. Назовите исходные данные для назначения состава бетона.
4. Как правильно выбрать марку цемента для бетона и назначить удобоук-
ладываемость бетонной смеси?
5. Каковы основные формулы для расчета состава бетона по методу НИИЖБа?
б. Почему необходимо подбирать состав с минимальным расходом цемента?
7. Как определяется удобоукладываемость бетонной смеси? Какие факторы
влияют на удобоукладываемость?
8. Что такое связность бетонной смеси и чем она определяется?
9. Назовите способы приготовления бетонной смеси. Что такое коэффици-
ент выхода бетона?
10. В чем отличия укладки смесей различной удобоукладываемости?
11. В чем сущность способа пневмобетонирования?
12. Что такое класс и марка бетона? Назовите марки и классы бетона по
прочности на сжатие.
13. Какими факторами определяется рост прочности бетона во времени?
14 Что такое марка бетона по морозостойкости и чем она определяется?
15. Что такое марка бетона по водонепроницаемости? Назовите факторы,
которые ее определяют.
16. Как получают бетон для радиационной защиты и жаростойкий?
17. Что такое декоративный бетон?
18. Какими добавками регулируют свойства бетонных смесей?
19. В чем заключается эффект пластифицирующих добавок?
20. Какие пластификаторы применяют для растворов?
21. Назовите типы добавок, регулирующих твердение бетона.
22. Какие добавки являются ускорителями твердения, а какие - противо-
морозными? С какой целью их применяют?
23. Какие добавки регулируют свойства бетона?
24. В каких количествах вводятся органические и неорганические добавки?
25. Какой порядок подбора состава кладочных и монтажных растворов?
26. Какие способы приготовления и транспортирования растворов?
27. Как оценивается удобоукладываемость растворных смесей?
28. Чем определяется водоудерживающая способность и расслаиваемость
растворных смесей?
29. Как определяется марка растворов?
30. Какими параметрами определяется состав кладочного раствора?
31. Чем отличаются штукатурные растворы от кладочных и монтажных?
32. Как получают защитно-отделочные растворы и каков состав?
33. Чем характеризуются водонепроницаемые, теплоизоляционные растворы?
34. Что такое сухие смеси и как их готовят? Расскажите об их назначении
и применении в строительстве.
303
Глава 12. СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
К стеновым безобжиговым материалам и изделиям относят:
силикатный кирпич и силикатобетонные изделия, ячеистобетон-
ные изделия, гипсовые и гипсобетонные изделия, бетонные
стеновые камни и блоки.
В отличие от керамических такие изделия получают при
сравнительно низких температурах. Так, температура изготов-
ления силикатного кирпича составляет 170... 180 °C, а время
термообработки - 10... 14 ч, тогда как керамический кирпич
обжигают при 900...1100 °C в течение 24...30 ч. Таким образом,
затраты топлива на производство силикатного кирпича гораздо
меньшие, чем керамического. Другие виды безобжиговых сте-
новых материалов требуют еще меньше затрат. Например,
удельные капитальные вложения в организацию производства
ячеистого бетона в 2...3 раза меньше, а энергоемкость в 3...5 раз
ниже, чем керамического кирпича. Однако, как правило, кера-
мические материалы более долговечны и стойки к воздействию
воды, агрессивных растворов и высоких температур.
Мелкоштучные стеновые изделия, включая керамический
кирпич, занимают в общем объеме стеновых материалов более
60 %. Структура выпуска их меняется таким образом, что рас-
ширяется производство ячеистобетонных блоков, стеновых кам-
ней из местного сырья, блоков и панелей из гипсобетона и дру-
гих укрупненных изделий, что снижает в 3...6 раз расход кла-
дочного раствора и до 10 раз трудоемкость работ по сравнению
с возведением стен из кирпича.
12.1. Силикатный кирпич и силикатобетонные изделия
Долгое время известь не использовали для получения проч-
ных и водостойких искусственных каменных изделий, так как в
естественных условиях она твердеет очень медленно и изделия
получаются небольшой прочности (1...2 МПа), легко размокают
при воздействии воды. Однако в 1880 г. немецким ученым Ми-
хаэлисом было установлено, что при автоклавной обработке
(твердении в среде насыщенного водяного пара при давлении
304
0,8 МПа и температуре более 170 °C) извести и кремнеземистого
компонента (песка) могут быть получены очень прочные, водо-
стойкие и долговечные изделия. Растворимость Са(ОН)2 пада-
ет с повышением температуры (1,3 г/л при 25 °C и 0,15 г/л при
174 °C), a SiO2 - резко возрастает (0,006 г/л при 25 °C; 0,01 г/л
при 150 °C и 0,18 г/л при 175 °C). Таким образом, при темпера-
туре 150...200 °C и давлении 0,9...1,3 МПа твердение происходит
за счет образования между зернами кремнезема реакционной
прослойки из гелевидных низко- и высокоосновных гидросили-
катов кальция:
Са(ОН)2 + SiO2 + Н2О -> «СаО • SiO2 /иН2О.
Изобретение Михаэлиса было использовано для производст-
ва так называемого силикатного (известково-песчаного) кир-
пича.
Силикатный кирпич - искусственный безобжиговый сте-
новой материал, изготовляемый из смеси кварцевого песка и
гашеной извести прессованием с последующим затвердеванием
в автоклаве под действием пара высокого давления и темпера-
туры.
Технология производства кирпича включает следующие тех-
нологические переделы: приготовление вяжущего (помол из-
вести с частью песка); дозирование компонентов: вяжущего -
15...25 %, кварцевого песка - 75...85 %; смешивание компонен-
тов с добавлением воды, гашение извести и растирание компо-
нентов смеси; прессование кирпича под давлением 30...40 МПа;
укладка на вагонетку и автоклавная обработка.
Расход вяжущего зависит от марки кирпича. Смешивание
вяжущего и немолотого кварцевого песка производят в двух-
вальном смесителе. Гашение извести и усреднение смеси осу-
ществляют в аппаратах периодического или непрерывного дей-
ствия. Прессование кирпича производится на револьверных
прессах. Последний выполнен в виде карусели; имеет зоны для
заполнения прессформы смесью, прессования, выпрсссовки и
съема сырца. Формовочная влажность смеси составляет 5...7 %.
Кирпич на вагонетке направляют для твердения в автоклав, ко-
торый представляет собой толстостенный стальной цилиндр
20. Зак. 508
305
диаметром и длиной 2x19; 2,6x19 или 3,6x27 м с герметически
закрывающимися крышками. В атмосфере насыщенного пара
при давлении 0,8 МПа и температуре 175 °C кирпич твердеет
8... 12 ч.
Выпускают одинарный (250x120x65 или 250x88x54 мм) и
утолщенный (250x120x88 мм) силикатный кирпич, а также си-
ликатные камни (250x120x138 мм) и др. Одинарный кирпич
может быть полнотелым и пустотелым, утолщенный кирпич и
силикатные камни - только пустотелыми.
Цвет кирпича - от молочно-белого до светло-серого, выпус-
кают также кирпич цветной, окрашенный в массе или по лице-
вым поверхностям щелочестойкими пигментами в голубой, зе-
леноватый, желтый и другие светлые цвета.
Для силикатного кирпича и камней установлены марки: в за-
висимости от предела прочности при сжатии - 300, 250, 200,
175, 150, 125, 100 и 75; по морозостойкости - F50, F35, F25 и
F15. Марка по прочности лицевого кирпича и камней должна
быть не менее 125, по морозостойкости - не менее F35. Водопо-
глощение изделий должно быть не менее 6 %.
Марку камня устанавливают по пределу прочности при сжа-
тии, а кирпича - по значению пределов прочности при сжатии и
изгибе.
Силикатный кирпич применяют наравне с керамическим для
кладки стен надземных частей зданий и сооружений. Вследствие
недостаточной водостойкости его нельзя использовать для фун-
даментов и цоколей зданий ниже гидроизоляционного слоя. Не
допускается применять его также для зданий с мокрым режимом
эксплуатации (бани, прачечные, градирни) без специальных мер
защиты стен от увлажнения, а также в условиях воздействия вы-
соких температур (кладка печей, труб и т. п.). Более высокая
плотность (1600... 1800 кг/м3) силикатного кирпича по сравне-
нию с керамическим обусловливает и более высокую теплопро-
водность стен.
Кроме известково-песчаного силикатного кирпича выпуска-
ют известково-шлаковый и известково-зольный, в которых вме-
сто песка частично или полностью используют промышленные
306
отходы: золы ТЭС и шлаки. Свойства этих видов кирпича ана-
логичны свойствам известково-песчаного.
Силикатобетонные изделия получают в результате авто-
клавного твердения рационально подобранной смеси известко-
во-кремнеземистого вяжущего и заполнителей.
Преимущественно применяются мелкозернистые силикатные
бетоны. Технология производства силикатобетонных изделий
заключается в приготовлении известково-кремнеземистого вя-
жущего путем совместного помола извести и песка с добавкой
гипса, дозирования компонентов смеси (вяжущего, мелкого за-
полнителя и воды), перемешивания бетонной смеси, формова-
ния изделий и их автоклавной обработки.
Помол компонентов вяжущего производят в шаровых бара-
банных мельницах до удельной поверхности 4500...5500 см2/г.
Содержание извести в вяжущем составляет 31...47 %, песка -
68...51, гипса - 2 %. После помола вяжущее выдерживают в си-
лосах-реакторах для гашения извести и усреднения свойств.
Минимальное количество вяжущего в бетонной смеси при
использовании в качестве заполнителя крупного песка составля-
ет 200 кг/м3, мелкого - 280 кг/м3. Компоненты смеси загружают
в смеситель с принудительным перемешиванием в следующей
последовательности: мелкий заполнитель (карьерный песок),
вяжущее - перемешивание 30 с и вода. Для ускорения процесса
гидратации извести и повышения прочности уложенного бетона
воду подогревают до температуры 40'.. .80 °C.
Изделия формуют из жестких силикатобетонных смесей с
температурой 20...25 °C с помощью бетоноукладчика и вибро-
площадки и направляют на автоклавную обработку по режиму:
подъем давления - до 1,2 МПа (за 2...3 ч), выдержка - 4...6 ч,
спуск давления - 2...2,5 ч. При изготовлении армированных из-
делий арматуру предварительно защищают от коррозии окуна-
нием каркаса в емкость с антикоррозийной мастикой.
По основным строительным свойствам силикатные бетоны
близки к цементным. Для них справедливы и основные зависи-
мости свойств от технологических параметров, установленные
для цементных бетонов. Существуют марки бетона по прочно-
сти от М75 до М700, средняя плотность - от 2000 до 2400 кг/м3.
20*
307
В настоящее время из плотного автоклавного силикатного
бетона изготовляют в основном несущие панели внутренних
стен и крупные блоки (для наружных и внутренних стен), а так-
же панели перекрытий. Организован выпуск панелей размером
на комнату и других изделий.
Стойкость силикатных бетонов в воде ниже, чем цементных.
Для повышения водостойкости этого материала применяют раз-
личные способы, главными из которых являются: дополнитель-
ная обработка (пропитка битумом, карбонизация, покрытие
кремнийорганическими водоотталкивающими соединениями);
создание водостойкой гидросиликатной связи из малораствори-
мых силикатов кальция введением добавки доменного шла-
ка и др.
12.2. Ячеистобетонные изделия
Ячеистый бетон - это искусственный пористый материал на
основе минеральных вяжущих и кремнеземистого компонента,
содержащий равномерно распределенные поры и капилляры.
Пористость ячеистого бетона составляет до 85.. .90 % объема.
Ячеистые бетоны классифицируют по следующим при-
знакам.
По назначению бетоны подразделяют на теплоизоляционные
(средней плотностью 250...400 кг/м3), теплоизоляционно-
конструкционные (средней плотностью 500...900 кг/м3), конст-
рукционные (средней плотностью 1000... 1200 кг/м3) и специ-
альные (звукоизоляционные, жаростойкие и др.).
По прочности при сжатии ячеистые бетоны выпускают сле-
дующих классов: i
• теплоизоляционные - ВО,5; ВО,75; В 1,0;
• теплоизоляционно-конструкционные - В 1,0; В 1,5; В2,0;
В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10;
• конструкционные-В7,5; В10; В 12,5; В15.
По морозостойкости ячеистые бетоны бывают марок от F15
до F100.
По условиям твердения различают автоклавные бетоны,
твердеющие в среде насыщенного водяного пара под давлением
308
выше атмосферного и температуре свыше 170 °C, и неавтоклав-
ные, твердеющие в среде насыщенного водяного пара при тем-
пературе 80.. .90 °C или естественного твердения.
По виду вяжущего различают ячеистые силикаты (газоси-
ликат, пеносиликат), если в качестве вяжущего используется
известь или ее больше 50 % в составе смешанного вяжущего, и
ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), если используется в
качестве вяжущего цемент или его больше 50 % в составе сме-
шанного вяжущего, а также бетоны на основе шлаковых вяжу-
щих, высокоосновных зол и др.
Цемент не является обязательным компонентом ячеистого
бетона. Добавка цемента повышает прочность ячеистого бетона,
морозостойкость и ускоряет схватывание ячеистой смеси.
По виду парообразователя различают газобетоны, пенобето-
ны и аэрированные бетоны. В первых вспучивание бетонной
смеси осуществляют введением газообразователя, во-вторых -
смешиванием минеральной композиции со специально приго-
товленной пеной и в последнем случае - вовлечением в мине-
ральную композицию воздуха при перемешивании. Образовав-
шиеся поры представляют собой замкнутые ячейки диаметром
1...2 мм, разделенные тонкими стенками затвердевшей бетонной
смеси.
Пенобетон приготовляют смешиванием минеральной компо-
зиции (вяжущего, кремнеземистого компонента и воды) со спе-
циально приготовленной пеной. После затвердевания пенобе-
тонной смеси образуется бетон ячеистой структуры. В качестве
пенообразователей применяют клееканифольный пенообразова-
тель, сапониновый (вытяжка из растительного мыльного корня)
и синтетические ПАВы - продукты нефтепереработки и нефте-
химического синтеза (сульфонолы, алюмосульфонафтеновый,
вещество «Прогресс» и др.). Пенобетон приготовляют в двух-
или трехбарабанной пенобетономешалке. При этом раствор пе-
ны тонкой струей при перемешивании вливают в минеральную
композицию. Затем смесь разливают в металлические формы и
направляют в пропарочные камеры или автоклавы.
В автоклаве при температуре 175... 190 °C и давлении пара
0,8... 1,2 МПа гидроксид кальция интенсивно взаимодействует
309
с кремнеземистым компонентом. При этом образуется гидроси-
ликат кальция, обладающий довольно высокими прочностью и
долговечностью.
Газобетон готовят путем смешивания воды, кремнеземисто-
го компонента и вяжущего с введением в уже перемешанную
смесь газообразователя - алюминиевой пудры, пергидроля (вод-
ный раствор перекиси водорода Н2О2) и др. Наиболее распро-
страненным газообразователем является алюминиевая пудра
ПАП-1, ПАП-2 (ГОСТ 5494-95) или смесь пудры с ПАВ (алю-
миниевая паста). Процесс газообразования происходит в резуль-
тате химического взаимодействия алюминия с гидроксидом
кальция по реакции
2А1 + ЗСа(ОН)2 + 6Н2О = ЗСаО • А12О3 • 6Н2О + ЗН2 Т.
Выделяющийся водород вспучивает минеральную компози-
цию, которая, затвердевая, сохраняет ячеистую структуру.
Расход алюминиевой пудры на 1 м3 готового газобетона со
средней плотностью 500...800 кг/м3 составляет 500.л.200 г. Чем
больше вводят алюминиевой пудры, тем больше выделяется во-
дорода и более пористым получается газобетон.
Алюминиевая пудра покрыта слоем парафина, поэтому ее
вводят в смесь в виде водно-алюминиевой суспензии: на 1 м. ч.
алюминия берут 0,05 м. ч. ПАВ и 15...20 м. ч. воды.
Исходные компоненты газобетона - цемент, известь-
пушонку, молотый песок и воду - тщательно смешивают в виб-
рогазобетоносмесителе, затем добавляют водно-алюминиевую
суспензию и после повторного перемешивания разливают газо-
бетонную смесь в металлические формы с таким расчетом, что-
бы после окончания процесса вспучивания форма была заполне-
на доверху.
Вспучивание смеси, как правило, производят на ударных виб-
роплощадках, что позволяет снизить водотвердое отношение
смеси, повысить прочность ячеистого бетона и сократить время
предварительной выдержки до автоклавной обработки.
Формование изделий производят в индивидуальных формах
или заливают ячеистобетонные массивы, которые после схваты-
вания сырца разрезают на отдельные элементы (резательная
технология').
310
Во всех случаях необходима операция по удалению горбуш-
ки. Обычно горбушку удаляют после схватывания смеси и в ви-
де шлама добавляют в виброгазобетоносмеситель.
После вызревания в формах (удаления горбушки, разрезки и
приобретения прочности более 35 кПа) ячеистобетонный сырец
подают в автоклав на тепловую обработку (рис. 50).
Рис. 50. Загрузка изделий в автоклавы
В качестве кремнеземистого компонента в ячеистых бето-
нах используют природный кварцевый песок или кремнеземи-
стые отходы промышленности (золы ТЭС). Песок подвергают
мокрому помолу в шаровых мельницах до удельной поверхно-
сти 1500...2500 см2/г.
Бетоны на основе портландцемента или шлаковых вяжущих
с кремнеземистым компонентом золой-уноса в процессе их
твердения подвергают тепловой обработке при атмосферном
давлении (в пропарочных камерах) или естественному твер-
дению.
Добавки вводят в бетонную смесь для регулирования струк-
турообразования, нарастания пластической прочности, ускоре-
ния твердения, пластификации бетонной смеси.
311
Свойства ячеистых бетонов в основном зависят от их сред-
ней плотности и влажности. Снижение средней плотности ячеи-
стого бетона на 100 кг/м3 уменьшает теплопроводность бетона
на 20 %. И наоборот, с каждым процентом увеличения влажно-
сти теплопроводность возрастает на 7...8,5 %. Для уменьшения
поглощения влаги из воздуха наружные поверхности изделий из
ячеистых бетонов защищают фактурным слоем плотного штука-
турного раствора, покрывают перхлорвиниловыми, акриловыми
или цементными красками или пропитывают гидрофобизирую-
щими составами.
На каждый вид изделия установлена максимально допусти-
мая влажность ячеистого бетона при отпуске изделия с завода.
Эти значения во всех случаях должны быть не более 25 % для
бетонов на песке и не более 35 % - для бетонов на золе-уносе.
Для теплоизоляционных плит из ячеистого бетона в зависимости
от марки по плотности установлена отпускная влажность: для
марки 250 - 40 %, 300 - 33, 350 - 29 и 400 - 25 % по массе.
Из ячеистого бетона производят различные стеновые и теп-
лоизоляционные изделия для жилищного и гражданского строи-
тельства. Мелкие стеновые блоки - наиболее распространенный
вид продукции из него. Блоки выпускаются плотностью от 350
до 1100 кг/м3, классов от В1,0 до В12,5. Их используют для воз-
ведения стен и перегородок, а также как утеплитель для стен из
силикатного кирпича (тяжелого бетона). Блоки позволяют заме-
нять силикатный и глиняный кирпич. При этом более чем в два
раза уменьшается масса стены. Для утепления стен, кровли и
оборудования из ячеистого бетона выпускают теплоизоляцион-
ные плиты средней плотностью 300...400 кг/м3. Из крупнораз-
мерных изделий производят навесные панели для наружных
стен зданий, панели перекрытия и др.
Ячеистые бетоны хорошо поддаются сверлению и распили-
ванию, в них можно легко забивать гвозди.
При использовании ячеистого бетона в ограждающих конст-
рукциях его наружную поверхность необходимо защищать от
контакта с водой или гидрофобизировать. Для стен подвалов,
цоколей и других частей зданий, где возможно сильное увлаж-
нение бетона, применение ячеистого бетона запрещается.
312
12.3. Гипсовые и гипсобетонные изделия
Изделия на основе гипса получают как из гипсового тес-
та (т. е. из смеси гипса и воды), так и из смеси гипса, воды и за-
полнителей. В первом случае изделия называют гипсовыми, во
втором — гипсобетонными. Иногда вместо гипса применяют бо-
лее водостойкое гипсоцементно-пуццолановое вяжущее.
В качестве заполнителей при изготовлении гипсобетонных
изделий используют кварцевый песок, пористые заполнители
(керамзит, шлаковую пемзу), опилки, стружки, льняную костру,
макулатуру и т. п. Для уменьшения плотности к гипсовым сме-
сям добавляют вспенивающие вещества.
Гипс - воздушное вяжущее, поэтому гипсовые и гипсобетон-
ные изделия применяют в основном для внутренних частей зда-
ний, не несущих больших нагрузок. Изделия из гипса могут
быть сплошными и пустотелыми, армированными и неармиро-
ванными.
Гипсовые изделия имеют невысокую плотность (1100...
...1400 кг/м3), несгораемы, хорошо изолируют от шума, подда-
ются механической обработке и легко пробиваются гвоздями.
Изготовлять гипсовые изделия несложно, так как гипс твердеет
быстро.
Наряду с перечисленными положительными свойствами у
гипсовых изделий есть и существенные недостатки: низкая во-
достойкость, гигроскопичность, хрупкость и малая прочность
при изгибе. Изделия из гипса нельзя применять в помещениях с
влажностью воздуха более 60 %. Чтобы увеличить прочность
при изгибе, гипсовые изделия армируют, применяя для этой це-
ли деревянные рейки или органические волокна.
На основе строительного гипса получают бетон марок
25... 100, а на основе гипсоцементно-пуццоланового вяжущего
(ГЦПВ)-марок 35...200.
Гипсовые бетоны - быстротвердеющие. Так, предел прочно-
сти при сжатии бетонов на ГЦПВ через 2 ч составляет 20.. .30 %
от 28-суточной прочности. Это позволяет распалубливать изде-
лия вскоре после формования.
313
Из гипсобетонов изготовляют различные строительные изде-
лия - от мелких камней до крупных панелей. Мелкие стеновые
камни выпускают из чистого гипса плотной или ячеистой струк-
туры и из легких гипсовых бетонов. Широко применяются кам-
ни с тремя рядами щелевидных пустот по ширине, расположен-
ных в шахматном порядке. Гипсовые камни выпускают разме-
рами 250x120x140 мм, 390x190x140 мм и др. Средняя плотность
гипсобетонных пустотелых камней - 1000... 1350 кг/м3, влаж-
ность - не более 8 %, морозостойкость - не менее 10... 15 циклов.
Гипсобетонные панели выпускают размером на комнату (вы-
сотой - до 3 м, длиной - до 6 м, толщиной - 60... 100 мм),
сплошными и с проемами для дверей и фрамуг. Панели, предна-
значенные для помещений с влажностью не более 60 %, изго-
товляют из бетона на строительном гипсе прочностью при сжа-
тии не менее 3,5 МПа, для санузлов и вентиляционных комму-
никаций - на ГЦПВ прочностью 7 МПа и более.
К панелям предъявляются в основном требования по прочности
и звукоизоляции. Этим требованиям отвечает гипсобетон состава
1:1:1 (гипс : песок : опилки). Средняя плотность гипсобетона па-
нелей в высушенном состоянии составляет 1100... 1400 кг/м3.
Получают гипсобетонные панели методами непрерывного
проката или вертикального формования в кассетах. Панели ар-
мируют каркасом из деревянных реек, а по контуру панели вы-
полняют обвязку из деревянных брусков. Весь цикл производст-
ва занимает 30...60 мин.
Гипсовые панели хранят и транспортируют в вертикальном
положении. В панели с проемами при транспортировании и
монтаже устанавливают укрепляющие раскосы.
Плиты для перегородок могут быть гипсовыми, гипсобетон-
ными и гипсоволокнистыми. Большей частью плиты имеют паз
и гребень, что облегчает монтаж перегородок. Технология их
изготовления состоит из следующих операций: дозирования
компонентов, перемешивания смеси, формования плит и вы-
сушивания. Плиты изготовляют в разборных формах или на ка-
русельных машинах. Их размер: гипсовых и гипсобетонных -
800x400 мм, армированных камышом - 1500x400 мм; толщина
плит - 90... 100 мм. Средняя плотность плит зависит от состава
смеси и способа уплотнения и равна 1100... 1300 кг/м3, проч-
ность на сжатие - не менее 5 МПа.
314
Для отделочных работ и устройства перегородок в помеще^
ниях с влажностью не более 60 % применяют гипсокартонные
листы (сухую штукатурку). Они состоят из затвердевшего гип-
сового сердечника, прочно соединенного с картонной оболоч-
кой. Технологический процесс производства гипсокартонных
листов включает приготовление формовочной массы, подготов-
ку картона, формование непрерывной ленты штукатурки, разре-
зание ее на отдельные листы после схватывания гипса и сушку в
многоярусных туннельных сушилках. В гипсовое тесто при пе-
ремешивании вводят пенообразующие добавки для снижения
плотности, органические волокна с целью армирования гипсово-
го камня и другие добавки. Размеры листов: по длине - 2500,
2700, 3000 мм, по ширине - 920, 1200, 1290 мм, по толщине -
12, 14, 16 мм. Средняя плотность гипсокартонных листов -
800...900 кг/м3, влажность их - не более 1 %. Гипсоволокнистые
плиты без оболочки размерами 1000x1200x10 (12) мм исполь-
зуют для устройства полов (вместо стяжки).
12.4. Стеновые бетонные камни и мелкие блоки
На основе вяжущих и различных заполнителей изготовляют
бетонные камни и мелкие блоки. Применение их для кладки
стен вместо кирпича дает существенный экономический эффект,
так как благодаря большому размеру камней и блоков достига-
ется высокая производительность труда каменщика, а стоимость
1 м3 камней и блоков ниже стоимости такого же количества
кирпича.
Бетонные стеновые камни для несущих и ограждающих
конструкций всех типов зданий выпускают размерами, по длине,
толщине и ширине кратными 100 мм, массой - не более 30 кг.
Они производятся из тяжелых и легких бетонов на цементном,
силикатном и гипсовом вяжущих. Применяют камни в наруж-
ных несущих и ограждающих конструкциях, во внутренних сте-
нах и перегородках гражданских и промышленных зданий, а
также в архитектурных элементах и малых формах. Для фунда-
ментов камни изготовляют только из тяжелого бетона без пус-
тот. Лицевые камни могут быть окрашены пигментами, с деко-
ративным заполнителем или с фактурой под рваный камень.
Качество камней и блоков регламентировано СТБ 1008 -95.
Камни подразделяются на семнадцать марок: от М25 до М800.
315
Камни марок М25 и М3 5 получают из легких бетонов на порис-
тых заполнителях. Марка по морозостойкости лицевых камней
для наружных элементов зданий должна быть не менее F100,
рядовых - F50.
Технологии производства стеновых камней различаются как
видом используемого оборудования и степенью механизации
процессов, так и видом используемого сырья. Керамзитобетон-
ные блоки изготовляют пустотелыми на установках типа вибро-
пресс. Из керамзитобетонной смеси следующего состава: цемен-
та - 230 кг, песка - 170 кг, керамзита — 520 кг и воды - 170...
...200 л - формуют блоки, укладывают на стеллажи и направля-
ют на тепловую обработку в напольные щелевые пропарочные
камеры. Для сокращения энергозатрат смесь подогревают до
40 °C, отформованные блоки выдерживают на стеллажах под
колпаком в цеху трое суток в естественных условиях. Плотность
блоков - 1300... 1600 кг/м’, марки по прочности - до М200.
Полностью автоматизированные линии по производству
блоков французской фирмы «Dernier» работают в ПО «Лида-
стройконструкция» и на ССК, г. Слуцк.
Цементно-песчаные блоки на оборудовании американской
фирмы «Besser» выпускает СП «Бессер-Бел». Технологиче-
ская линия включает: формовочный конвейер с вибропрессом,
конвейер распалубки, конвейер возврата поддонов, перегружа-
тель, камеры тепловлажностной обработки, ленточный конвейер
подачи бетонной смеси из бстоносмесительного цеха. Марки по
прочности готовых блоков - от Ml50 до М300, средняя плот-
ность - 1700...2200 кг/м3. Изготавливают 18 типов блоков, в том
числе окрашенные, колотые, полнотелые и пустотелые, а также
облицовочные плиты размерами от 190x90x56 до 390x190x190 мм
(рис. 51).
Термоблок содержит оболочку из мелкозернистого бетона,
воспринимающую нагрузку, и заполнение из пеноцемента, вы-
полняющее роль теплоизоляции. Свежеотформованный пусто-
телый блок заливают пеноцементом (пеногипсом) и подают на
тепловлажностную обработку. Предварительно в турбулентном
растворосмесителе готовят пену на основе раствора СДО и из-
вести, а затем вводят цемент. Средняя плотность пеноцемента
р = 350.. .400 кг/м3; Асж = 0,3.. .0,4 МПа.
Опилкогипсоцементные блоки формуют из смеси пример-
ного состава: цемента - 180 кг, гипса - 500 кг, опилок -
100... 130 кг (в зависимости от влажности), воды - 650 л, добав-
316
ка ЛСТ - 9 л. Производство блоков организовано на передвиж-
ной установке. Одновременно формуют восемь пустотелых бло-
ков объемом по восемь кирпичей каждый. Формовочную смесь
заливают в гнезда формующей установки, выравнивают поверх-
ность, дают 10-минутную выдержку и гидроцилиндрами вытал-
кивают блоки. Средняя плотность блоков - 800 кг/м3, марка по -
прочности М20. При использовании блоков для возведения на-
ружных стен их защищают от увлажнения слоем плотного це-
ментно-песчаного раствора.
Освоено производство и других стеновых блоков и камней:
опилкобетонных (арболит), стружкоцементных, из листотраво-
лита, соломенных плит.
Мелкие стеновые блоки и камни применяют для возведения
стен промышленных, сельскохозяйственных, жилых и общест-
венных зданий и сооружений. При этом блоки и камни с исполь-
зованием органического заполнителя или воздушных вяжущих
для наружных стен необходимо защищать от увлажнения. Наи-
большее распространение нашли керамзитобетонные и цемент-
но-песчаные блоки и камни производства СП «Бессер-Бел». С
применением последних разработаны конструкции стен жилых
и общественных зданий.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Чем объясняется водостойкость силикатных и силикатобетонных
изделий?
2. Каковы свойства и технология производства силикатного кирпича?
3. Какие изделия относят к силикатобетонным?
4. Как готовят вяжущее, каковы состав смеси и технология производства
силикатобетонных изделий?
5. По каким признакам классифицируют ячеистые бетоны? Назовите виды
изделий и область их применения.
6 Какими свойствами характеризуются ячеистые бетоны?
7. Чем различаются технологии производства газо- и пенобетонных изде-
лий?
8. Какие изделия называют гипсовыми и гипсобетонными? Чем различа-
ются их свойства? Назовите виды изделий и поясните технологию изготов-
ления.
9. Какие свойства характерны для стеновых камней и блоков? Где их ис-
пользуют?
10. Как производят стеновые блоки из местного сырья?
318
Глава 13. ЖЕЛЕЗОБЕТОН И СБОРНЫЕ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
13.1. Общие сведения о железобетоне
и его классификация
Бетон имеет существенный недостаток, присущий почти
всем искусственным и природным материалам: он хорошо рабо-
тает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению.
Прочность бетона на растяжение составляет всего около ’/ю-.’Лз
его прочности на сжатие. Это затрудняет его применение в ряде
строительных конструкций - плитах перекрытий, прогонах, бал-
ках. В сечениях таких конструкций возникают не только сжи-
мающие, но и растягивающие напряжения (рис. 52а). Если в
растянутую зону поместить стальную арматуру (рис. 526),
то несущая способность конструкции увеличится в 10...20 раз.
Сталь значительно превосходит бетон по прочности не только
на растяжение, но и на сжатие. Поэтому армируют и элементы,
работающие на сжатие, например колонны. Железобетоном на-
зывают комплексный строительный материал, в котором бетон и
стальная арматура замоноличены взаимным сцеплением и со-
вместно работают под нагрузкой как единое целое.
Материалы в железобетоне работают совместно благодаря
прочному сцеплению бетона с арматурой и близости значений
температурных коэффициентов расширения обоих компонен-
тов1. Кроме того, плотный бетон (с достаточным содержанием
цемента) защищает стальную арматуру от коррозии, а также от
непосредственного действия огня при пожаре. Это делает желе-
зобетонные конструкции весьма стойкими и долговечными.
Каменные конструкции, армированные металлом, были из-
вестны давно, но в современном виде железобетон появился
лишь во второй половине XIX в., когда было освоено промыш-
ленное производство портландцемента. В настоящее время
это - основной конструкционный материал и в жилищном, и в
1 Более точные интервалы этих коэффициентов: для бетона - (0,7...
... 1,48) • 10 5 град-1, для стали - 1,1 • 10-5 град-1.
319
промышленном строительстве. Из железобетона выполняют
разнообразные строительные конструкции и изделия. Их клас-
сифицируют по способу производства, виду применяемого бе-
тона, виду напряженного состояния.
Рис. 52. Балка прямоугольного сечения под нагрузкой: а - бетонная;
б — железобетонная; 1 — сжатая зона; 2 - нейтральный слой; 3 — рас-
тянутая зона; 4 - арматура; 5 - трещины
По способу производства различают монолитные, сборные и
сборно-монолитные конструкции. Монолитные конструкции
изготовляют непосредственно на месте строительства, уклады-
вая бетонную смесь в опалубку. Сборные изделия и конструкции
производят в виде крупноразмерных элементов на специализи-
рованных заводах, транспортируют к месту строительства и за-
тем монтируют в сооружение. Сборно-монолитные конструкции
представляют собой сочетание сборных элементов с монолит-
ным бетоном.
По виду применяемого бетона различают конструкции из
тяжелого и легкого бетонов на пористых заполнителях. Кроме
того, изготовляют конструкции из ячеистого и специальных бе-
тонов, например жаростойкого.
В зависимости от вида напряженного состояния конструк-
ции могут быть обычными и предварительно напряженными.
320
В обычных железобетонных конструкциях стальная арматура и
бетон не испытывают заметных напряжений до начала прило-
жения к конструкции расчетных нагрузок. После нагружения
внешними силами в бетоне растянутой зоны железобетонных
элементов образуются трещины, поскольку сталь удлиняется
намного больше, чем бетон. При этом растягивающие напряже-
ния воспринимает стальная арматура, обеспечивая заданную
несущую способность конструкции. Поэтому в ряде случаев до-
пускается раскрытие трещин в бетоне до нормируемой величи-
ны, не препятствующее нормальной эксплуатации конструкций.
В обычном ненапрягаемом железобетоне применяют в качестве
арматуры сталь невысокой или средней прочности.
В железобетонных конструкциях для хорошего сцепления
арматуры с бетоном каждый стержень должен быть окружен
бетоном и находиться на определенном расстоянии один от дру-
гого. Поэтому сечение бетона в растянутой зоне оказывается
сильно развитым, что увеличивает массу конструкций.
На практике часто необходимо предотвращать образование
трещин. Это относится к конструкциям резервуаров для хране-
ния жидкостей и газов, к частям сооружений, подверженных
агрессивному влиянию окружающей среды. Кроме того, эконо-
мически целесообразно использовать в железобетонных конст-
рукциях высокопрочную сталь. Чтобы сократить расход стали и
повысить несущую способность изделий, применяют предвари-
тельное напряжение железобетона.
Предварительно напряженными называют железобетонные
конструкции, в которых бетон заранее, до приложения внешней
нагрузки, подвергнут интенсивному обжатию. Поэтому в таких
конструкциях под воздействием эксплуатационных нагрузок
растягивающие напряжения либо совсем не возникают, либо
появляются настолько небольшие, что трещины не образуются.
Предварительное напряжение позволяет свести к минимуму
раскрытие трещин в конструкциях.
Сжимающие напряжения в конструкциях создают путем на-
тяжения арматуры. Для этой цели применяют высокопрочную
арматурную сталь в виде стержней, проволоки, канатов или
пучков. Вначале арматуру растягивают до напряжений, не пре-
21. Зак. 508
321
восходящих предела упругости стали. Далее укладывают бетон,
который, затвердевая, прочно сцепляется с арматурой. После
того как бетон достигнет проектной прочности, снимают на-
грузку. В результате стержни стремятся вернуться к первона-
чальной (до натяжения) длине и обжимают прочно сцепленный
с ними бетон. Таким образом, после передачи предварительного
напряжения бетон оказывается сжатым, а арматура - растяну-
той.
Применяют два способа создания предварительного напря-
жения: натяжение арматуры на упоры и натяжение на бетон.
В первом случае арматуру помещают в форму, один конец ее
закрепляют в упоре, а другой натягивают домкратом до заданно-
го напряжения (рис. 53а). Затем производят бетонирование. По-
сле приобретения бетоном заданной прочности арматуру осво-
бождают из упора; происходит так называемый отпуск натяже-
ния. В результате усилие натяжения арматуры передается на
бетон (рис. 536).
Рис. 53. Способы создания предварительного напряжения: а - принципиальная
схема натяжения на упоры; б, г - готовые элементы; в - принципиальная схема
натяжения на бетон; 1 - форма; 2 - арматура; 3 - упоры; 4 - домкрат; 5 - ан-
кер; 6 - канал; 7 - инъекционный раствор для омоноличивания элемента
322
Стержневую арматуру можно натягивать на упоры не только
механическим, но и электротермическим способом. Для этого
разогревают стержни до температуры 300...500 °C, пропуская
через них электрический ток, заводят в форму и закрепляют в
упорах. В процессе остывания длина стержней сокращается, что
приводит к возникновению в арматуре необходимого натя-
жения.
При натяжении на бетон сначала изготовляют бетонную или
слабоармированную железобетонную конструкцию, в которой
предусмотрены каналы или пазы для напрягаемой арматуры
(рис. 52в). После того как бетон наберет необходимую проч-
ность, в каналы вводят арматуру и натягивают ее непосредст-
венно на бетон конструкции (рис. 52г). Затем под давлением в
каналы вводят цементное тесто или цементно-песчаный раствор,
который после затвердевания создает необходимое сцепление
арматуры с основным массивом бетона в конструкции.
Защитный слой бетона создают размещением арматуры на
некотором удалении от поверхности конструкций. Он обеспечи-
вает совместную работу арматуры с бетоном на всех стадиях
изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций, предохра-
няет арматуру от агрессивной среды, высокой температуры.
Толщину защитного слоя бетона назначают в зависимости от
вида и диаметра арматуры, размера сечения конструкции и клас-
са по условиям эксплуатации. В частности, при изготовлении
конструкций, эксплуатируемых внутри помещений без воздей-
ствия агрессивных сред (класс по условиям эксплуатации Х0 по
СНБ 5.03.01), толщина защитного слоя бетона должна быть не
менее 20 мм. Для ненапрягаемой арматуры конструкций, под-
вергающихся попеременному увлажнению, высушиванию и
карбонизации, толщина защитного слоя составляет 30 мм,
а для напрягаемой - 35 мм; для конструкций, подвергающихся
попеременному увлажнению и высушиванию (замораживанию и
оттаиванию), а также воздействию хлоридов, - соответственно
40 и 50 мм.
Железобетонные изделия и конструкции значительно пре-
восходят бетонные по несущей способности и другим механиче-
ским свойствам. Особенно эффективны предварительно напря-
21*
323
женные конструкции. В сравнении с обычными они обладают
более высокой трсщиностойкостью, лучше сопротивляются ди-
намическим нагрузкам, хорошо противостоят коррозионным
воздействиям.
Более 85 % всех железобетонных конструкций, применяе-
мых в гражданском и промышленном строительстве, состав-
ляют типовые унифицированные конструкции, при разработке
которых в качестве одного из основных учтено требование за-
водской технологичности изделий. Это обусловливает предель-
ную массу, размеры, форму и сечение элементов, их армирова-
ние и др.
Сборные железобетонные элементы выполняют в основном
линейными, плоскостными или блочными. К линейным элемен-
там относятся колонны, фермы, ригели, балки, прогоны; к пло-
скостным - плиты покрытий и перекрытий, панели стен и пере-
городок, стенки бункеров и резервуаров, подпорные стенки и
другие; к блочным - массивные изделия фундаментов, стен под-
валов и др. Для ряда сооружений изготовляют также элементы
пространственного типа', санитарные кабины, блок-комнаты,
кольца колодцев, коробчатые элементы силосов и др.
По условиям транспортного и грузоподьемного оборудова-
ния длина элементов, как правило, не превышает 25 м, ширина -
3 м и масса - 25 т.
Для устройства стыков элементов конструкций широко при-
меняют выпуск из бетона концов арматурных стержней. Такие
выпуски арматуры, за исключением выпусков по верхней от-
крытой поверхности изготавливаемого изделия, пересекают
торцевые и боковые стенки или днище формы, что приводит к
необходимости использования специальных устройств для
обеспечения сборки форм и съема с них изделий.
Допускаемые отклонения от номинальных размеров типовых
сборных конструкций устанавливаются стандартами, рабочими
чертежами и техническими условиями на отдельные виды изделий.
Сборный железобетон используют при возведении различ-
ных каркасных зданий и сооружений. В последние годы в Рес-
публике Беларусь возводят каркасные многоэтажные жилые
дома (рис. 54) с плоскими дисками перекрытий.
324
Рис. 54 Возведение каркасного жилого дома улучшенной
планировки с высокими энергосберегающими свойствами
Применен сборно-монолитный пространственный каркас с пло-
скими дисками перекрытий и поэтажно опирающимися на перекры-
тия наружными стенами. Каркас состоит из монолитных или
сборных колонн прямоугольного сечения и многопустотных
плит, объединенных железобетонными несущими и связевыми
ригелями. Все конструкции разделены на несущие, утепляющие и
ограждающие, без совмещения их функций. Внутренние объемы
325
разделены перегородками, которые размещаются произвольно.
Эти особенности дают возможность уменьшить материалоем-
кость и массу здания (по сравнению с КПД) примерно вдвое и,
как следствие, на 25...30 % сократить себестоимость строитель-
ства. Конструкция здания обеспечивает сокращение потерь теп-
лоты при эксплуатации на 45...60 % по сравнению с крупнопа-
нельным домом. Не ограничено разнообразие объемно-плани-
ровочных решений, учитывается конкретная градостроительная
ситуация, и может быть реализован любой стиль архитектуры.
13.2. Виды арматурных сталей и изделий
для армирования железобетонных конструкций
По функциональному назначению арматура подразделяет-
ся на рабочую, конструктивную (распределительную) и монтаж-
ную. Рабочая арматура воспринимает усилия, возникающие
под действием нагрузок на конструкцию и ее собственной мас-
сы. Количество арматуры рассчитывают в соответствии с этими
нагрузками. В зависимости от ориентации в железобетонной
конструкции рабочая арматура может быть продольной или по-
перечной.
Продольная рабочая арматура воспринимает усилия растя-
жения или сжатия, действующие по продольной оси элемента.
Например, в изображенной на рис. 55 балке, опирающейся по
концам, продольная рабочая арматура выполнена из стержней
2, 3, 5, которые сопротивляются растягивающим усилиям в
нижней зоне конструкции. Для восприятия усилий, действую-
щих при изгибе под углом 45° к продольной оси балки, стержни
2 и 3 отгибают. В колоннах продольную арматуру устанавлива-
ют для повышения сопротивляемости усилиям сжатия.
Поперечная арматура воспринимает усилия, действующие
поперек оси балки. Такую арматуру выполняют в виде хомутов
4 либо расположенных поперечно отрезков стержней в сварных
каркасах и сетках.
Конструктивная (распределительная) арматура 1 обеспе-
чивает цельность конструкции, учитываемой при расчете проч-
ности, а также в распределении действия сосредоточенных сил
326
или ударной нагрузки на большую площадь. Стержни рабочей и
распределительной арматуры сваривают либо связывают в еди-
ный пространственный каркас или плоские сетки. Иногда рас-
пределительную арматуру используют для того, чтобы придать
арматурному каркасу необходимую жесткость.
Рис. 55. Армирование балки: 1 - распределительная арматура; 2, 3, 5 - про-
дольные рабочие арматурные стержни; 4 - поперечная арматура (хомуты);
6 - монтажные петли
Конструктивная арматура служит для восприятия таких
усилий, на которые конструкцию не рассчитывают. В частности,
сюда относятся усилия от усадки бетона, температурных дефор-
маций. Конструктивную арматуру обязательно устанавливают в
местах резкого изменения сечения конструкций, где происходит
концентрация напряжений.
Монтажную арматуру устанавливают в зависимости от
конструктивных и технологических требований, она не имеет
непосредственного статического значения. Монтажная арматура
необходима для создания из рабочих и конструктивных стерж-
ней жесткого транспортабельного каркаса. Рабочая и конструктив-
ная арматура одновременно могут выполнять функции монтажной.
По способу изготовления стальную арматуру железобетон-
ных конструкций подразделяют на горячекатаную стержневую,
холоднотянутую проволочную и проволочную обыкновенную
катаную.
327
Стержневую арматуру железобетонных конструкций изго-
товляют следующих видов: горячекатаную - диаметром 6...80 мм;
термически или термомеханически упрочненную - диаметром
6...40 мм; упрочненную вытяжкой - диаметром 20...40 мм.
Стержневую горячекатаную арматуру в зависимости от
механических характеристик подразделяют на шесть классов,
условно обозначаемых A-I (А240), А-П (А300), А-Ш (А400),
A-IV (А600), A-V (А800), А-VI (А 1000). Арматуру класса
A-I (А240) выпускают гладкого профиля, остальных классов -
периодического. В арматурных стержнях класса А-П (А300) про-
филь образован двумя диаметрально расположенными продоль-
ными ребрами и многочисленными поперечными выступами,
идущими по винтовым линиям с одинаковым заходом (рис. 56а).
В арматуре остальных классов поперечные выступы расположе-
ны «в елочку» (рис. 566).
Термическому и термомеханическому упрочнению подвер-
гают стержневую арматуру десяти классов; в ее обозначении
упрочнение отмечается дополнительным индексом т: Ат400С,
Ат500С, АтбОО, АтбООС, АтбООК, Ат800, Ат800К, Ат1000,
АтЮООК и Ат1200. Буква С указывает на возможность стыкова-
ния стержней сваркой, К - на повышенную стойкость арматуры
против коррозионного растрескивания. Арматурную сталь изго-
товляют с периодическим профилем согласно ГОСТ 5781-82
или ГОСТ 10884-94.
Стержневую арматуру, упрочненную вытяжкой, произво-
дят на предприятиях строительной индустрии. Ее выпускают
классов А-Пв и А-Шв (что соответствует Ат400 и Ат500).
Характеристики стержневой арматурной стали приведены в
табл. 25.
Сортамент арматуры составлен по номинальным диаметрам
стержней <7Н. Для стержней гладкого профиля (класса A-I
(А240)) номинальный диаметр равен фактическому. В стержнях
периодического профиля dH соответствуют диаметрам одинако-
вых с ними по площади поперечного сечения круглых гладких
стержней. В условном обозначении арматуры указывают номер
профиля, класс арматуры и номер стандарта, регламентирующего
ее качество. Например, обозначение 16Ат600С ГОСТ 10884-94
следует расшифровывать так: 16 - номинальный диаметр арма-
туры, мм, АтбООС - арматура термически упрочненная свариваемая.
328
a
Рис. 56. Арматурная сталь классов: а - А-П (А300); б - А-Ш (А400);
б, в - A-IV (А600), A-V (А800), A-VI(AIOOO); г-Bp-I; д-Bp-II;
е - семипроволочный арматурный канат
329
Таблица 25
Классификация и механические характеристики
стержневой арматуры
Класс арматуры Марки сталей Диаметр армату- ры 4, мм Предел текуче- сти, МПа, не менее Времен- ное сопро- тивление разрыву, МПа, не менее Относи- тельное удлине- ние, %, не менее
A-I (А240) СтЗкп; СтЗпс; СтЗсп 6...40 235 373 25
А-П (А300) ВСт5сп2; ВСт5пс2 10...40 294 490 19
18Г2С 40...80
Ас-П (АЗ 00) 10ГТ 10...32 294 441 25
А-Ш (А400) 35ГС; 25Г2С 6...40 392 590 14
32Г2Рпс 6...22
A-IV (А600) 80С 10...18 590 883 6
20ХГ2Ц 10...32
A-V (А800) 23Х2Г2Т 10...32 785 1030 7
20Х2Г2СР *
А-VI (А 1000) 22Х2Г2АЮ 10...22 980 1230 б
22Х2Г2Р
Ат400 СтЗсп, СтЗпс 6...40 400 550 16
Ат500 БСт5пс; БСт5сп; 6...40 500 590 14
ВСт5пс; ВСт5сп
АтбООС 25Г2С; 35ГС; 28С; 27ГС 10...40 600 800 12
АтбОО 20ГС 10...40 600 800 12
АтбООК 08Г2С; 25С2Р; 10ГС2
08Г2С; 25Г2С; 28С 10...32 590 785 11
Ат800 20ГС; 10ГС2; 22С 18...32 800 1000 8
35ГС; 25С2Р; 20ГС2
Ат800К 35ГС; 25С2Р 18...32 785 980 7
АтЮОО 20ГС; 20ГС2; 25С2Р 10...32 1000 1250 7
Ат1200 30ХС2 10...32 1200 1450 б
С повышением класса арматуры возрастает ее прочность, ха-
рактеризуемая пределом текучести и временным сопротивлени-
ем разрыву. Одновременно уменьшается относительное удлине-
ние после разрыва. Наибольшее удлинение наблюдается в арма-
туре класса A-I (А240) - не менее 25 %.
ззо
Арматурную сталь классов A-I (А240) и А-П (АЗ 00) диамет-
ром до 12 мм и класса А-Ш (А400) диаметром до 10 мм включи-
тельно поставляют в мотках или прутках, а сталь этого же клас-
са больших диаметров и остальных классов - только в прутках.
Арматура класса A-I (А240) - гладкая, отличается наиболее
высокой пластичностью. Из нее изготовляют только ненапря-
гаемую арматуру (преимущественно монтажную, конструктив-
ную и поперечную рабочую). Сталь хорошо сваривается. Из ста-
ли класса A-I (А240) марок ВСтЗсп2; ВСтЗпс2 производят мон-
тажные (подъемные) петли железобетонных элементов, а также
закладные детали.
Арматура класса А-П (АЗОО) обладает более высокими ме-
ханическими свойствами. Область ее применения та же, что
и арматуры класса A-I (А240). Периодический профиль улучша-
ет сцепление арматуры с бетоном, и это позволяет считать же-
лезобетонные конструкции, армированные сталью класса
А-П (АЗОО), более эффективными.
Арматуру класса А-Ш (А400) наиболее часто применяют
при изготовлении конструкций, не подвергаемых предваритель-
ному напряжению. Арматура данного класса бывает как рабо-
чей, так и конструктивной. Кроме того, из арматуры класса
А-Ш (А400) диаметром 6 и 8 мм выполняют поперечные стерж-
ни сварных сеток.
Арматуру класса A-IV (А600) выпускают того же периоди-
ческого профиля, что и арматуру класса А-Ш (А400). Чтобы их
различить, концы арматурных стержней класса А-ГУ (А600) на
участке 30...40 см окрашивают в красный цвет. Стержни класса
A-IV (А600) используют для изготовления продольной рабочей
арматуры сварных и вязаных каркасов и сеток. Допускается
применять их также в качестве напрягаемой арматуры предва-
рительно напряженных железобетонных элементов длиной до
12 м, эксплуатируемых под воздействием агрессивной среды.
Стержневую арматуру класса A-IV (А600) часто используют
для армирования предварительно напряженных конструкций из
легкого бетона классов В7,5...В12,5 (марок 100...150).
Арматура классов A-V (А800) и A-VI (А1000) - наиболее
прочная, поэтому используется в основном для армирования
331
предварительно напряженных конструкций. Ее применяют так-
же в конструкциях, подвергающихся действию динамической и
многократно повторяющейся нагрузки, например в пролетных
строениях мостов, эстакад, подкрановых балок.
Профиль стержней арматуры классов A-V (А800) и A-VI (А1000)
такой же, как и у арматуры классов А-Ш (А400) и A-IV (А600).
При поставке на стройку или завод железобетонных изделий
концы стержневой арматуры класса A-V (А800) окрашивают в
красный и зеленый, класса А-VI (А 1000) - в красный и синий
цвета.
Термически и термомеханически упрочненную арматуру
классов Ат400...Ат1200 периодического профиля применяют в
основном для изготовления предварительно напряженных кон-
струкций. Термическое упрочнение арматуры заключается в за-
калке стали с последующим высокотемпературным отпуском.
Так упрочняют арматуру классов Ат600...Ат1200. Для арматуры
класса Ат400 и Ат500 применяют термомеханическое упрочне-
ние. Оно заключается в том, что арматурные стержни быстро
охлаждают струями воды после прохождения через валок про-
катного стана. Тем самым фиксируется состояние наклепа, при
котором сталь приобретает повышенную прочность.
Нельзя сваривать стали, упрочненные термически юн/ вы-
тяжкой, так как в результате сварки эффект упрочнения утрачи-
вается: в термически упрочненной стали происходят отпуск и
потеря закалки, а в проволоке, упрочненной вытяжкой, - отжиг
и потеря наклепа.
Арматуру класса Ат400С диаметром 6 и 8 мм поставляют в
мотках, а арматуру этого же класса диаметром 10 мм и более и
классов Ат600...Ат1200 - только в стержнях. Арматурные
стержни изготовляют длиной 5,3...13,5 м.
Класс прочности арматурной стали обозначается числом по-
перечных выступов и окраской концов стержней: Ат400 - 3 вы-
ступа (белый цвет), Ат500 - 1 (белый и синий цвет), АтбОО - 4
(желтый цвет), Ат800 - 5 (зеленый), АтЮОО - 6 (синий) и
Ат1200 - 7 (черный цвет).
Проволочная арматура. Арматурную проволоку в зависи-
мости от механических свойств подразделяют на обыкновенную
332
и высокопрочную, а по форме поверхности - на гладкую и пе-
риодического профиля (рис. 56в, г).
Обыкновенную арматурную проволоку изготовляют из низ-
коуглеродистой стали. Диаметр проволоки - 3; 4 и 5 мм. Она
может быть двух классов: В-1 - гладкая; Вр-1 - периодического
профиля. Проволока хорошо сваривается, что позволяет исполь-
зовать ее в составе арматурных изделий. Гладкую проволоку
класса В500 (диаметром 3; 3,5; 4; 4,5; 5 мм) в Беларуси произво-
дят по СТБ 1341-2002.
Периодический профиль проволоки класса Вр-I образован
диаметрально расположенными на ее поверхности вмятинами.
Размеры рифов (вмятин) зависят от диаметра проволоки. Глуби-
на вмятин h = 0,15...0,25 мм, шаг s = 2...3 мм, длина выступа
b = 0,6... 1 мм.
Из проволоки класса Вр-I изготовляют сварные сетки и кар-
касы, которые используют в качестве ненапрягаемой рабочей
арматуры, из гладкой проволоки класса В-1 - только конструк-
тивную арматуру.
Высокопрочную арматурную проволоку изготовляют из уг-
леродистой стали путем многократного волочения и низкотем-
пературного отпуска. Ее также подразделяют на классы: В-П -
гладкая; Вр-П - профилированная. Диаметр проволоки - 3...8 мм
с градацией через 1 мм. Профиль проволоки класса Вр-П не-
сколько отличается от профиля проволоки класса Вр-I. Расстоя-
ние между центрами вмятин s в зависимости от диаметра прово-
локи составляет 6,5...7 мм, а глубина вмятин h = 0,15...0,4 мм.
Радиус цилиндрической поверхности вмятин R не зависит от
диаметра проволоки и равен 8 мм.
По механическим свойствам высокопрочная проволока зна-
чительно превосходит обыкновенную. Например, предел теку-
чести проволоки диаметром 3 мм класса В-I составляет 3500 Н,
а класса В-П - 10600 Н. Проволоку классов В-П и Вр-П не свари-
вают, так как в результате высокотемпературного нагрева проч-
ность ее может сильно понизиться. Допускается лишь сваривать
стыки конструктивной (монтажной) арматуры, используя специ-
альные приемы сварки.
Из проволоки классов В-П и Вр-П изготовляют напрягаемую
арматуру железобетонных элементов большой протяженности -
свыше 12 м. Особенно эффективна такая проволока в предвари-
ззз
тельно напряженных конструкциях, испытывающих в процессе
эксплуатации постоянное давление жидкостей, газов или сыпу-
чих тел, например в силосах.
Основной механической характеристикой обыкновенной ар-
матурной проволоки служит ее временное сопротивление раз-
рыву (предел прочности), а высокопрочной - условный предел
текучести. Эти характеристики возрастают с уменьшением диа-
метра проволоки (табл. 26).
Таблица 26
Характеристики стальной арматурной проволоки
Класс Диаметр, мм Предел текуче- сти, МПа Временное сопро- тивление, МПа Относительное удлинение, %
В-I, Вр-1 3...5 — 550...525 2...3
В-П, Вр-П 3...8 1500...1230 1780...1470 4...б
Арматурные канаты состоят из нескольких проволок, сви-
тых так, чтобы было исключено их раскручивание. Вокруг цен-
тральной проволоки по спирали в одном или в нескольких кон-
центрических слоях располагают проволоки одного диаметра. В
процессе изготовления каната проволоки деформируются и
плотно прилегают одна к другой. Благодаря периодическому
профилю создается надежное сцепление канатов с бетоном.
Канаты выпускают в основном двух классов - К-7 и К-19.
В семипроволочных стальных канатах класса К-7 применяют
углеродистую проволоку. Канаты класса К-7 изготовляют номи-
нальных диаметров 6... 15 мм с градацией в 3 мм. Прочностные
характеристики канатов примерно такие же, что и у проволоки
класса Вр-П.
Сечение 19-проволочных канатов класса К-19 представляет
собой семипроволочную прядь, на которую навиты 12 соприка-
сающихся проволок. Номинальный диаметр канатов этого клас-
са - 14 мм.
Выпускают также многопрядные канаты класса К-и. Их из-
готовляют из большого числа тонких проволок диаметром
1...3 мм. Такие канаты обладают повышенной деформативно-
стью, поэтому перед применением их подвергают предвари-
тельной обтяжке.
Арматурные канаты - наиболее эффективная напрягаемая
арматура. Их используют в крупноразмерных конструкциях, на-
334
пример в балках длиной свыше 12 м, а также для армирования
предварительно напряженных элементов, находящихся под дав-
лением газов, жидкостей и сыпучих тел.
Канаты поставляют намотанными на деревянные барабаны
или в бухтах. Длина отрезка каната по стандарту должна быть
не менее 1000 м. В процессе армирования конструкций допуска-
ется сваривать канаты только по особому режиму с применени-
ем опрессовываемых гильз.
Действующие нормы проектирования бетонных и железобе-
тонных конструкций СНБ 5.03.01 «Бетонные и железобетонные
конструкции» вводят новые требования к обозначению и приме-
нению арматуры.
Согласно СНБ 5.03.01-02, класс арматуры - показатель, ха-
рактеризующий ее механические свойства согласно требовани-
ям соответствующих стандартов, обозначаемый буквой S (за-
главная буква английского слова Steel) и числом, соответст-
вующим нормативному сопротивлению арматуры в МПа. В
отличие от СНиП 2.03.01-84*, в действующих нормах принято
всего шесть классов арматуры по прочности: три класса напря-
гаемой и три класса ненапрягаемой. Данная классификация ис-
ключает применение в конструкциях рабочей арматуры упроч-
ненной вытяжкой класса по прочности 400 МПа (ранее обозна-
чаемую как А-Шв). Соответствие обозначений классов арма-
туры по СНиП 2.03.01 и СНБ 5.03.01 приведено в табл. 27.
Кроме стальной арматуры, в последние десятилетия получи-
ла распространение неметаллическая арматура, в которой при-
меняют углеродные, борные и другие виды волокон. В Беларуси
в основном используется стеклопластиковая арматура, изготов-
ляемая из алюмоборосиликатных волокон и применяемая в
предварительно напряженных конструкциях взамен высоко-
прочной проволоки Вр-П и канатов. Связующее вещество склеи-
вает волокна в монолитный стержень, работающий как единый
элемент, защищенный от механических повреждений, влаги и
агрессии.
К арматурным изделиям относят сварные сетки и каркасы,
а также проволочные пучки и отдельные мерные стержни.
335
Таблица 27
Соответствие обозначений классов арматуры
Класс арматуры по СНБ 5.03.01 Обозначение согласно СНиП 2.03.01 Документ, регламентирующий каче- ство арматуры
Ненапрягаемая арматура
S240 A-I (А240) ГОСТ 5781-82
S400 ' А-Ш (А400) ГОСТ 5781-82 ГОСТ 10884-94 ТУ РБ 400074854.001 ТУ РБ 190266671.001
S500 ГОСТ 10884-94 ТУ РБ 400074854.001 ТУ РБ 400074854.047 ТУ РБ 400074854.025 ТУРБ 190266671.001
Вр-1 ГОСТ 6727-80 СТБ 1341-2002
Напрягаемая арматура
S800 A-V (А800) ГОСТ 5781-82 ГОСТ 10884-94 ТУРБ 400074854.001 ТУ РБ 400074854.025 ТУ РБ 400074854.037
07, 08 В-П ГОСТ 7348-81
06, 07, 08 Вр-П
S1200 А-VI (А 1000) ГОСТ 10884-94 ТУ РБ 400074854.025 ТУРБ 400074854.037
05, 06 В-П ГОСТ 7348-81
04, 05 Вр-П
09, 012, 015 К-7 ГОСТ 13840-68
S1400 03, 04 В-П ГОСТ 7348-81
03 Вр-П
06 К-7 ГОСТ 13840-68
К-19 ТУ 14-4-22
Сварные сетки изготовляют из обыкновенной арматурной
проволоки класса Вр-I диаметром 3...5 мм и стержневой армату-
ры класса А-Ш диаметром 6... 10 мм. Сетки бывают плоские и
рулонные. Наибольший диаметр продольных стержней в рулон-
ных сетках - 5 мм (рис. 57).
336
Рис. 57. Виды арматурных изделий: а, и - плоские сетки;
б, в - плоские каркасы; г - з - пространственные каркасы
Сварные каркасы могут быть плоскими и пространственны-
ми. Плоские каркасы состоят из одного или двух продольных
рабочих стержней, монтажного стержня и привариваемых к ним
поперечных стержней.
Пространственные каркасы получают путем сварки плоских
каркасов. Иногда для этой цели применяют специальные соеди-
нительные стержни. Размеры арматурных изделий выдерживают
в строгом соответствии с рабочими чертежами.
Арматурные проволочные пучки состоят из параллельно рас-
положенных проволок класса В-П или Вр-П. В одном пучке мо-
жет быть 14, 18 или 24 проволоки, расположенные по окружно-
сти. Диаметр пучка в зависимости от числа проволок может
быть в пределах 30...50 мм. В конструкции пучков предусмотре-
ны зазоры между соседними проволоками, через которые в про-
за. Зак. 508
337
цессе бетонирования конструкции цементный раствор проника-
ет внутрь пучка, создавая надежное сцепление арматуры с бето-
ном. Применяют пучки для армирования большепролетных кон-
струкций, например мостов, путепроводов.
Закладные детали служат для соединения сборных элемен-
тов при монтаже конструкций. Изготовляют эти детали из сор-
товой прокатной стали ВСтЗкп2; ВСтЗпсб; ВСтЗГпс5; ВСтЗсп5.
Устанавливаемые по конструктивным соображениям, т. е. не
рассчитываемые на силовые воздействия, закладные детали до-
пускается изготовлять из прокатной стали БСтЗкп2.
Закладные детали приваривают к арматуре железобетонного
элемента или заанкеривают в бетоне, а при монтаже конструк-
ций соединяют между собой болтами, скобами, но чаще всего
сваривают.
13.3. Технология монолитного железобетона
Монолитным называют железобетон, изготовляемый непо-
средственно на строительной площадке. На месте возведения
конструкции устанавливают опалубку, куда укладывают и уп-
лотняют бетонную смесь. Назначение опалубки - придать бе-
тонной смеси при ее укладке форму будущей конструкции. Опа-
лубку выполняют из дерева, фанеры или стали. Обычно приме-
няют разборно-переставную опалубку из мелких или крупных
металлических щитов.
Для возведения высоких сооружений (монолитных зданий,
труб, башен) применяют скользящую или подъемно-пере-
ставную опалубку. Когда бетон, уложенный в скользящую опа-
лубку, достаточно затвердеет, опалубку вместе с рабочими под-
мостями двигают вверх и цикл повторяют.
Арматуру заготовляют в арматурно-сварочных цехах желе-
зобетонных заводов и доставляют на место установки в опалуб-
ку. Бетонную смесь приготовляют на механизированных бетон-
ных заводах и в виде «товарного бетона» (бетонной смеси) дос-
тавляют на место ее укладки. Для большинства монолитных
железобетонных изделий и конструкций удобоукладываемость
бетонной смеси, характеризуемая осадкой стандартного конуса,
338
находится в пределах от 1...3 см (фундаменты, подпорные стен-
ки, блоки массивов и др.) до 6...8 см (конструкции, насыщенные
арматурой, плиты, колонны и др.).
В опалубку укладывают арматуру, а затем бетонную смесь.
Уплотняют бетонную смесь вибраторами: глубинными или по-
верхностными, навешиваемыми на опалубку. Монолитные кон-
струкции бетонируют непрерывно или участками, блоками. Не-
прерывную укладку бетонной смеси производят в том случае,
когда необходимо получить повышенную монолитность и одно-
родность бетона в конструкции или изделии. При бетонирова-
нии конструкций большой площади (железобетонные перекры-
тия) работы ведут участками, предусматривая устройство рабо-
чих швов в местах минимальных напряжений.
В летний период бетонирования поверхность свежеуложен-
ной бетонной смеси предохраняют от высыхания, а в первые
часы твердения - и от дождя. Для этого открытые горизонталь-
ные поверхности конструкции покрывают слоем влажного пес-
ка, опилок или увлажненной тканью грубого переплетения
(мешковиной). В жаркую погоду предохраняющее покрытие
поддерживают во влажном состоянии до приобретения бетоном
не менее 70 % проектной прочности. Для сохранения влаги в
бетоне могут применяться различные пленкообразующие соста-
вы или полимерные пленки.
Бетон твердеет обычно в естественных условиях, зимой воз-
можен его подогрев. Опалубку снимают по достижении бетоном
прочности 4...5 МПа и более. Прочность бетона зависит от вы-
соты здания, темпа и температуры условий бетонирования.
Монолитные железобетонные конструкции применяют глав-
ным образом в зданиях и сооружениях, не поддающихся члене-
нию на элементы, при нестандартности и малой повторяемости
элементов зданий и сооружений, при особенно больших нагруз-
ках на элементы зданий или сооружений (фундаменты и карка-
сы многоэтажных зданий, гидротехнические и другие сооруже-
ния). Во всех этих случаях монолитный бетон и железобетон,
как правило, экономичнее сборного. Эффективно его примене-
ние и в сборно-монолитных конструкциях, например в жилищ-
ном строительстве, где в последнее время он успешно вытесняет
сборный железобетон.
22*
339
13.4. Производство сборных железобетонных изделий
и конструкций
Сборные железобетонные конструкции (сборный железобе-
тон) представляют собой крупноразмерные железобетонные
элементы, изготовляемые на заводах ЖБИ или КПД. Основное
преимущество таких конструкций - высокомеханизированные и
автоматизированные методы их производства при надлежащем
контроле за качеством; на строительной площадке эти элементы
только монтируют, что резко сокращает сроки строительства,
повышает производительность труда и позволяет широко при-
менять новые эффективные материалы (легкие и ячеистые бето-
ны, отделочную керамику, пластмассы и др.).
Основные операции при производстве железобетонных
изделий: приготовление бетонной смеси, изготовление арма-
турных изделий, армирование и формование изделий и их уско-
ренное твердение.
Бетонную смесь приготовляют в бстоносмесителЪном цехе
завода по технологии, описанной в 11.2.3, арматуру - в арматур-
ном цехе. Поступающую на завод арматурную сталь (в бухтах
или прутках) на специальных станках очищают от ржавчины,
правят и режут на стержни заданной длины. Необходимую
форму стержням придают на гибочных станках. Отдельные
стержни и проволоку соединяют в сетки и каркасы контактной
сваркой на сварочных станках-автоматах. Готовые сетки и кар-
касы передают в формовочный цех, где их укладывают в формы.
Напрягаемую арматуру натягивают на анкеры форм с помощью
домкратов или методом термического натяжения.
Формование изделий - один из важнейших технологиче-
ских переделов. Он состоит из сборки форм, установки армату-
ры, укладки бетонной смеси в форму и уплотнения.
Качество железобетонных изделий в значительной степе-
ни зависит от прочности и жесткости форм, которые должны
обеспечить получение изделий точно заданных размеров с пра-
вильными очертаниями и с гладкой лицевой поверхностью.
При массовом изготовлении применяют только металлические
формы.
340
Перед укладкой арматуры и бетона формы очищают и по-
крывают смазочным материалом, препятствующим сцеплению
бетона с металлом формы. Бетонная смесь из бетоносмеситель-
ного цеха поступает в приемный бункер бетоноукладчика, кото-
рый подает ее в форму и разравнивает.
Бетонную смесь уплотняют на виброплощадках или посред-
ством поверхностных, глубинных и наружных вибраторов. Реже
используют приемы уплотнения центрифугированием, вибро-
прессованием и прокатом.
Для ускорения твердения изделия подвергают тепловлаж-
ностной обработке. Сущность тепловлажностной обработки за-
ключается в нагреве бетонной смеси до температуры 40...90 °C
таким образом, чтобы она не теряла влагу. Применяют следую-
щие виды тепловлажностной обработки: пропаривание при нор-
мальном давлении и температуре 40...90 °C, контактный нагрев
и электропрогрев до 100 °C. Пропаривание в автоклавах приме-
няют для риликагобетонных изделий (параграф 12.1).
Наиболее распространено пропаривание при нормальном
давлении в камерах непрерывного или периодического дейст-
вия, где изделия нагревают насыщенным паром.
Камеры непрерывного действия представляют собой тун-
нель, в котором изделия в формах, установленных на вагонет-
ках, проходят последовательно зоны подогрева, изотермической
выдержки и охлаждения. Эти камеры (горизонтальные или вер-
тикальные) используются главным образом при конвейерной
технологии.
В камеры периодического действия изделия загружают кра-
ном и устанавливают в несколько рядов по высоте. Затем камеру
закрывают крышкой и подают насыщенный пар. Из камер про-
паривания периодического действия широкое применение име-
ют камеры ямного типа глубиной до 2 м. Наиболее рациональ-
ный размер камер пропаривания в плане должен соответство-
вать кратным размерам изделий, которые подаются в камеру в
формах или на поддонах. Пар в камеру подают так, чтобы обес-
печить скорость подъема температуры не более 20...35 °C в час
до максимальной 70...85 °C. При этой температуре изделие про-
гревается на всю толщину и выдерживается в таком состоянии
341
6...8 ч. После изотермической выдержки начинают постепенное
охлаждение изделия. Продолжительность пропаривания зависит
от разновидности бетона, свойств цемента и составляет около
12... 15 ч для пластичных и 4. ..8 ч - для жестких бетонных сме-
сей. За это время бетон набирает отпускную (не менее 70 % ма-
рочной) или распалубочную прочность. Применение быстро-
твердеющих цементов, добавок ускорителей твердения и другие
приемы позволяют сокращать продолжительность изотермиче-
ской выдержки и уменьшать общее время пропаривания.
После извлечения из форм изделия проходят технический
контроль на соответствие требованиям ГОСТа или ТУ. Качест-
во железобетонных изделий контролируют работники ОТК за-
вода, проверяя внешний вид, форму и размеры изделий, факти-
ческую прочность. От каждой партии изделий отбирают образ-
цы и испытывают на прочность.
Изделия, удовлетворяющие требованиям стандарта, марки-
руют несмываемой краской. В маркировке указывают: марку
изделия, прочность (класс) бетона, наименование завода-изго-
товителя и др. На каждую партию изделий составляют паспорт в
двух экземплярах: для потребителя и завода-изготовителя.
Способы производства железобетонных изделий. Железо-
бетонные изделия изготовляют способами: стендовым, агрегат-
но-поточным, конвейерным и вибропрокатным.
При стендовом способе изделия изготовляют в неподвиж-
ных формах (на стенде). Механизмы (бетоноукладчики, вибра-
торы и др.) поочередно подают к стенду для выполнения необ-
ходимых операций. Изделие, находясь в стационарной форме в
течение всего производственного цикла (до мом.ента затверде-
вания бетона), остается на месте. В то же время технологическое
оборудование для выполнения отдельных операций по укладке
арматуры, бетонной смеси и уплотнению перемещается после-
довательно от одной формы к другой. Этим способом изготов-
ляют, как правило, крупногабаритные изделия (фермы, колонны,
балки) на полигонах.
Кассетный способ - вариант стендового способа, основой
которого является формование изделий в стационарно установ-
ленных кассетах, состоящих из нескольких вертикальных ме-
342
таллических форм-отсеков. В форму закладывают арматурный
каркас и заполняют ее бетонной смесью. Тепловую обработку
производят контактным обогревом через стенки форм. После
тепловой обработки стенки форм раздвигают и изделия выни-
мают мостовым краном. Кассетным способом изготовляют пло-
ские изделия (панели перекрытий, стеновые панели и др.).
При агрегатно-поточном способе формы с изделиями пе-
ремещаются от одного технологического агрегата к друго-
му краном, а при конвейерном — на вагонетках, движущихся
по рельсовому пути. Все операции по изготовлению изделия
(распалубка, чистка и смазка форм, укладка арматуры и бетон-
ной смеси, твердение) выполняются на специализированных по-
стах, образующих определенную поточную технологическую
линию.
Основное преимущество агрегатно-поточного способа про-
изводства заключается в универсальности основного технологи-
ческого оборудования. Так, при незначительной затрате средств
на изготовление новых форм можно быстро переходить на вы-
пуск другого вида изделий. Этот способ производства железобе-
тона получил в нашей стране наибольшее распространение.
Конвейерный способ производства представляет собой более
совершенную поточную технологию и позволяет максимально
механизировать и автоматизировать основные операции. Техно-
логическая линия работает по принципу замкнутого пульси-
рующего конвейера. Тепловлажностную обработку изделий в
этом случае осуществляют в камерах непрерывного действия.
Конвейерный способ - высокопроизводительный, но на каждой
нитке конвейера можно выпускать изделие только одного типо-
размера.
При вибропрокатном способе процессы получения железо-
бетонного изделия происходят на одной установке непрерывно-
го действия - вибропрокатном стане. Вибропрокатный стан -
это конвейер из стальной обрезиненной формующей ленты,
движущейся вдоль постов укладки арматуры и бетона, виброуп-
лотнения бетона и контактной тепловой обработки. Вибропро-
катным способом получают плиты перекрытий, легкобетонные
панели наружных стен, перегородочные панели. Этот способ -
343
самый производительный, но переход с выпуска одного вида
изделий на другой затруднен, так как связан с полной переосна-
сткой стана.
13.5. Маркировка, транспортирование и складирование
железобетонных изделий
Каждое железобетонное изделие, выпускаемое заводом и
удовлетворяющее требованиям ГОСТа или ТУ, маркируется не-
смываемой краской. Марка содержит обозначения основных
характеристик изделия. Она состоит из трех групп знаков, раз-
деленных дефисом: в первой группе указывается тип изделия
(например, ФБ - фундаментный блок, К - колонна, ПС - панель
стеновая), во второй - несущая способность изделия, класс ар-
матуры, вид бетона (Т - тяжелый, Я - ячеистый и т. п.) и в треть-
ей - специальные свойства, соответствующие условиям приме-
нения изделия. Марка должна быть хорошо видна при хранении
и монтаже конструкций, по ее расположению судят о рабочем
положении изделия. В некоторых случаях верх изделия помеча-
ют специальным знаком
Кроме марки, на изделии ставятся паспортный номер, в ко-
тором указываются номер партии и дата изготовления, а также
заводская марка (штамп ОТК), указывающая на то, что изделие
соответствует требованиям ГОСТа или ТУ. Дату изготовления
конструкции наносят одной строкой в следующей последова-
тельности: день месяца, месяц, год. Например, дату 10 февраля
2003 г. и вторую смену обозначают: 10 02 03-2.
Транспортируют железобетонные изделия с завода на строи-
тельную площадку автомобильным транспортом: малогабарит-
ные изделия — на обычных грузовых машинах; крупноразмерные
и тяжелые изделия (сваи, колонны, балки) - на тягачах с прице-
пом; стеновые панели, фермы - на специальных панелевозах,
фермовозах.
При поставке на стройплощадку каждая партия конструкций,
группа конструкций из разных партий или поставляемые по-
штучно конструкции сопровождаются документом о качестве.
Последний должен содержать: наименование и адрес предпри-
ми
ятия-изготовителя; номер и дату выдачи документа; номер
партии или конструкции; наименование и марку конструкции;
класс или марку бетона по прочности; дату изготовления; от-
пускную прочность и обозначение стандарта или ТУ, число
конструкций каждой марки.
Укладывают железобетонные изделия на приобъектных
складах согласно рекомендациям ГОСТа или ТУ на эти изделия.
Изделия складируют в штабеля так, чтобы была видна их заво-
дская марка, а монтажные петли были обращены вверх. Поло-
жение железобетонных изделий должно воспроизводить условия
их работы в здании: стеновые панели устанавливают почти вер-
тикально (отклонение от вертикали 8... 12°); плиты перекрытий,
лестничные марши, балки, перемычки - горизонтально. Исклю-
чение составляют лишь колонны и сваи, которые хранят в гори-
зонтальном положении.
При хранении изделий в штабелях нижний ряд укладывают
на деревянные бруски-подкладки сечением не менее 100x100 мм,
а каждый последующий ряд прокладывают брусками или дос-
ками толщиной не менее 30 мм.
13.6. Защита от коррозии бетона и железобетона
На бетонные и железобетонные конструкции, эксплуатируе-
мые в промышленных, гражданских, жилых и сельскохозяйст-
венных зданиях, могут воздействовать агрессивные среды. Дол-
говечность конструкций определяется стойкостью как бетона,
так и арматуры при воздействии на них агрессивной среды. Сте-
пень агрессивного воздействия среды на бетон определяется
специальными нормами по антикоррозионной защите строи-
тельных конструкций (СНиП 3.04.03-85 «Защита строительных
конструкций и сооружений от коррозии»).
При воздействии на бетон воды-среды может происходить
разрушение бетона, характеризующееся I, II или III видом кор-
розии. Разрушение конструкции в данном случае наступает
вследствие недостаточной стойкости бетона. При проектирова-
нии конструкции необходимо учитывать состав агрессивной
среды, условия службы конструкции, правильно выбрать мате-
345
риалы и назначить плотность бетона, чтобы обеспечить задан-
ную долговечность конструкции.
В железобетонных конструкциях необходимо рассматривать
также вопрос сохранности арматуры в бетоне. При воздействии
на бетон жидких сред, не содержащих агрессивных по отноше-
нию к стали ионов (СГ1, SO^2 и др.), в первую очередь, как пра-
вило, разрушается бетон, т. е. процесс коррозии бетона является
ведущим. В условиях газовоздушной среды (при повышении
относительной влажности воздуха более 60 %), а также при воз-
действии на конструкцию жидких или твердых сред, содержа-
щих агрессивные по отношению к стали ионы (например, СГ1),
возможно развитие коррозии арматуры. Разрушение железобе-
тонной конструкции в данном случае может наступить вследст-
вие коррозии арматуры. Продукты ржавчины накапливаются на
арматуре, оказывают давление на бетон из-за увеличения в объ-
еме, вызывают появление трещин, а затем и отслоение защитно-
го слоя. Наибольшую опасность вызывает применение высоко-
прочных арматурных сталей, подверженных коррозионному
растрескиванию. В этом случае возможен обрыв напряженной
арматуры.
Защита бетонных и железобетонных конструкций от корро-
зии должна предусматриваться, начиная со стадии проектирова-
ния сооружений и конструкций. Создавая проект сооружения,
необходимо разработать мероприятия, которые обеспечат тре-
буемую долговечность строительным конструкциям, т. е. необ-
ходимо осуществить проектирование защиты конструкций от
коррозии. Проектирование защиты бетонных и железобетонных
конструкций от коррозии следует начинать .с определения вида
агрессивной среды, степени ее агрессивности и длительности
воздействия, а затем на основании анализа установить вид защи-
ты, произвести выбор материалов для ее осуществления, выра-
ботать конструктивные решения по защите и подобрать требуе-
мые способы ее осуществления.
Различают два вида защиты бетонных и железобетонных
конструкций от коррозии: первичная и вторичная.
Первичная защита от коррозии заключается в придании
способности бетону и железобетону сопротивляться воздейст-
346
вию агрессивных сред посредством обеспечения оптимального
их состава и структуры при изготовлении конструкций.
Вторичная защита от коррозии заключается в создании ус-
ловий, ограничивающих или исключающих воздействие агрес-
сивных сред на бетонные или железобетонные конструкции по-
сле их изготовления.
Первичную защиту следует проектировать путем выбора
стойких составляющих бетона и железобетона, необходимых
технологических параметров приготовления, уплотнения и
твердения бетона, геометрической конфигурации конструкции,
препятствующей образованию или уменьшению скопления аг-
рессивных веществ на их поверхности, толщины защитного слоя
бетона, обеспечения трещиностойкости конструкции и допусти-
мого раскрытия трещин при эксплуатационных нагрузках. Пер-
вичная защита включает также нанесение защитного металличе-
ского, пленочного или лакокрасочного покрытия на поверхность
арматуры. Металлические покрытия для защиты стальной арма-
туры, стальных закладных деталей и соединительных элементов
железобетонных конструкций должны образовывать слой тол-
щиной от 0,05 до 0,2 мм. В качестве материалов для покрытий
следует применять алюминий или цинк. Защитные свойства ме-
таллических покрытий могут быть усилены посредством после-
дующего нанесения на них лакокрасочных покрытий или поли-
мерных материалов.
В качестве вяжущего вещества при создании железобетон-
ных конструкций для газовой и твердой агрессивных сред необ-
ходимо применять:
• портландцемент с большим содержанием трехкальциевого
силиката (например, портландцемент для производства асбес-
тоцементных изделий и т. п.) - при возможном проявлении кор-
розии II вида;
• сульфатостойкий портландцемент и его разновидности -
при коррозии Ш вида.
Для жидких агрессивных сред необходимо использовать:
347
• портландцемент с большим содержанием трехкальциевого
силиката - при коррозии II вида;
• шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент -
при коррозии I вида;
• сульфатостойкий портландцемент и его разновидности -
при коррозии III вида.
В качестве добавок используют материалы, повышающие
плотность и стойкость бетона. К ним относятся минеральные и
органические пластифицирующие и гидрофобизирующие до-
бавки. Введение ускорителей твердения в виде хлористых солей
не допускается в конструкциях:
• с напрягаемой арматурой;
• с арматурой класса В-I диаметром, равным и менее 5 мм;
• эксплуатируемых вблизи источников постоянного тока;
• изготовляемых с автоклавной обработкой;
• для замоноличивания швов конструкций с напрягаемой ар-
матурой;
• для инъецирования каналов в железобетонных конструкциях.
В качестве арматуры для железобетонных конструкций ис-
пользуют все разновидности арматурной стали, за исключением
сильноагрессивных сред, где недопустимо применение термиче-
ски упрочненной стали.
Вторичную защиту от коррозии следуез проектировать в за-
висимости от требуемой химической стойкости, проницаемости,
адгезии с защищаемой поверхностью, трещиностойкости и
прочности путем выбора вида покрытий для защиты, материа-
лов для защитной обработки или пропитки бетона, способов ее
выполнения. Вторичную защиту от коррозии осуществляют пу-
тем пропитки бетона или нанесения лакокрасочного, пленочно-
го, облицовочного или футеровочного защитного покрытия на
поверхность бетонной или железобетонной конструкции с це-
лью уплотнения поверхностного слоя бетона толщиной от 3 до
30 мм.
Пленочные покрытия в виде изолирующего рулонного или
листового материала образуют на поверхности конструкции не-
348
проницаемый слой толщиной более 0,2 мм. Пленочное покрытие
может быть приклеено к поверхности, прикреплено анкерным
соединением или может свободно лежать на защищаемой по-
верхности. Для создания непроницаемого подслоя используют
полиизобутиленовые пластины, поливинилхлоридный пласти-
кат, полимерные пленки, изол, бризол, стеклорубероид и др.
В особо жестких условиях создают гуммировочные покрытия на
основе жидких резиновых и эбонитовых смесей.
Лакокрасочные покрытия образуют химически стойкий не-
проницаемый слой толщиной 0,1... 1 мм и более, прочно сцеп-
ленный с основанием. При необходимости получения высокой
механической прочности покрытие дополнительно армируют.
Для защиты железобетонных конструкций от коррозии широко
применяют эмали на основе хлорсульфированного полиэтилена,
эпоксидные, перхлорвиниловые, поливинилхлоридные, поли-
уретановые и наиритовые красочные составы.
Облицовочные или футеровочные покрытия образуют на по-
верхности конструкции слой толщиной 3...15 мм, предохра-
няющий поверхность не только от коррозии, но и от механиче-
ских повреждений. Для облицовки строительных конструкций
применяют изделия из каменного литья, шлакоситаллы, керами-
ческие кирпич и плитки кислотоупорные, фенолитовые плитки и
углеграфитовые изделия. Для крепления этих материалов при-
меняют в зависимости от вида агрессивной среды серные, би-
тумные мастики, -арзамитовые замазки. В качестве вяжущего
вещества при облицовочных и футеровочных работах исполь-
зуют фурановые, эпоксидные и полиэфирные смолы.
Защитные покрытия строительных конструкций производят
в строгой технологической последовательности: подготовка за-
щищаемой поверхности; грунтовка (для окрасочных, мастич-
ных, наливных и оклеенных покрытий); нанесение покрытия;
сушка или термообработка покрытия с подъемом температуры
не более 30 °C в час.
349
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Для чего армируют бетонные конструкции?
2. По каким признакам классифицируют железобетонные конструкции?
3. Что представляют собой предварительно напряженные конструкции?
В чем их эффективность?
4. Почему важно обеспечить заданную толщину защитного слоя бетона?
5. Как классифицируют стальную арматуру?
6. С какой целью на поверхности арматуры создают периодический профиль?
7. Какими методами упрочняют арматурную сталь?
8. Какие существуют классы арматуры?
9. Арматуру каких классов подвергают упрочнению?
10. Для каких целей применяют арматуру классов A-I и А-П?
11. По каким внешним признакам можно отличать арматуру класса А-Ш от
арматуры класса А-П?
' 12. Почему не рекомендуется сваривать стали, упрочненные термически
или вытяжкой?
13. Чем различаются свойства и области применения стержневой и прово-
лочной арматуры?
14 Что представляют собой арматурные канаты? В каких конструкциях их
применяют?
15. Для чего изготовляют сварные арматурные изделия - сетки и каркасы?
16. В каких случаях используют арматурные проволочные пучки?
17. Какую сталь используют в закладных деталях? Для чего они служат?
18. Что вы знаете о монтажных петлях?
19. В чем состоят особенности изготовления монолитного железобетона?
20. В чем состоит преимущество сборного железобетона по сравнению с
монолитным?
21. Назовите операции и последовательность изготовления сборных желе-
зобетонных изделий.
22. Какие существуют способы изготовления железобетонных конструкций?
23. Какие сборные изделия и конструкции применяют?
24 Какие изделия используют для возведения каркасных зданий?
25. Как производят маркировку изделий и как их складируют?
26. Что является причиной коррозии и разрушения железобетонных изделий?
27. В чем сущность первичной защиты железобетона от коррозии?
28. Как производят вторичную защиту железобетона от коррозии?
350
Глава 14. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
ИЗ ПОЛИМЕРОВ
И ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС
14.1. Общие сведения о полимерах
Полимеры и композиционные материалы на их основе - пла-
стмассы - сравнительно новая разновидность строительных ма-
териалов и изделий. Например, широко известный в настоящее
время полиэтилен впервые был получен в 1939 г. в Англии.
А само понятие «полимер» возникло лишь в первой половине
XIX в. Слово «полимер» греческого происхождения: polys -
многочисленный, meros - часть, доля. Термин «полимеры» вве-
ден И. Я. Берцелиусом в 1833 г.
В современном представлении полимеры - это высокомоле-
кулярные вещества, молекулы которых состоят из многократно
повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры.
Эти элементарные звенья соединены между собой ковалентны-
ми связями в длинные цепи различного строения (линейные,
разветвленные) или же образуют жесткие и пластичные про-
странственные решетки. Молекулы полимерных соединений,
состоящие из очень большого числа элементарных звеньев, на-
зывают макромолекулами.
К высокомолекулярным соединениям принято относить ве-
щества, молекулярная масса которых превышает 5000, к низко-
молекулярным - вещества с молекулярной массой менее 500.
Соединения с промежуточными значениями молекулярной мас-
сы, т. е. продукты синтеза с молекулярной массой до 1000 еди-
ниц, имеющие линейное строение молекул и способные к даль-
нейшему укрупнению, называют олигомерами. Чаще всего это
вязкие жидкости, например эпоксидные или полиэфирные смо-
лы до их отверждения.
В настоящее время большинство полимеров получают путем
синтеза из простых низкомолекулярных веществ, причем в обра-
зовании их может принимать участие не один, а несколько типов
элементарных звеньев В зависимости от состава звеньев и вида
351
химической связи в молекулах различают органические, элемен-
тоорганические и неорганические полимеры.
Органическими полимерами называют соединения, содержа-
щие в главной цепи и боковых радикалах атомы углерода, водо-
рода, кислорода, азота, серы и галогенов. Это могут быть также
вещества, в состав молекул которых входят и другие элементы,
если атомы их не образуют главную цепь и не соединены непо-
средственно с атомами углерода.
К элементоорганическим полимерам относят соединения,
цепи которых построены из атомов углерода и элементов, не
входящих в состав природных органических соединений (атомы
кремния, алюминия, титана, олова и др.), например кремнийор-
ганические полимеры.
Неорганическими полимерами называют высокомолекуляр-
ные соединения, нс содержащие атомов углерода.
Простые низкомолекулярные соединения, из которых по-
строены цепи полимеров, а также исходные вещества, образую-
щие полимеры при различных реакциях, называют мономерами.
Высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых
содержат несколько типов мономерных звеньев, т. е. которые
получают совместной полимеризацией нескольких мономеров,
называют сополимерами. Если же соединения построены из
одинаковых мономеров, то такие полимеры называют еще гомо-
полимерами.
По структуре полимеры и сополимеры имеют обычно
аморфное строение. Однако существуют также полимеры с кри-
сталлической и аморфно-кристаллической структурой, т. е. со-
стоящие как из ориентированных (кристаллических) участков,
так и неориентированных (аморфных).
По способу соединения мономерных звеньев различают по-
лимеры линейные, разветвленные и сетчатые.
Линейные полимеры - это соединения, макромолекулы кото-
рых представляют длинные цепи:
...-А-А-А-А-А-А-...
Разветвленные полимеры образованы цепями с боковыми
ответвлениями. Число ответвлений и их длина различны:
352
A
A
...-A-A-A-A-A-A-... главная цепь
A
I
А боковая цепь
Сетчатые или пространственные полимеры построены из
длинных цепей, соединенных друг с другом в трехмерную сетку
поперечными химическими связями:
...-А-А-А-А-А-А-А-А-А —...
I ' I I
А А А
...-А-А-А-А-А-А-А-А-А-...
Различают также природные, искусственные и синтетические
полимеры.
Природные полимеры - это в основном биополимеры (белко-
вые вещества, природные смолы, целлюлоза и др.). Однако в
строительстве используются в основном искусственные и синте-
тические полимеры.
Искусственными называют полимеры, полученные путем
химической модификации природных. Например, ацетилцеллю-
лоза (ацетатный шелк), нитроцеллюлоза и карбоксиметилцел-
люлоза - продукты химических превращений природного поли-
мера - целлюлозы, резина и эбонит - продукты вулканизации
природного каучука.
Синтетические полимеры (полиэтилен, поливинилхлорид,
полистирол и др.) получают синтезом из низкомолекулярных
сравнительно простых по химическому составу веществ. Пер-
вый синтетический полимер - фенолоформальдегидная смола -
появился в начале XX в.
В зависимости от отношения к нагреванию и растворителям
полимеры делят на термопластичные и термореактивные.
Термопластичными называют вещества, которые при нагре-
вании переходят из твердого состояния в жидкое (плавятся),
23. Зак. 508
353
а при охлаждении вновь затвердевают; причем такие переходы
могут повторяться много раз. Термопластичность объясняется
линейным строением молекул и невысоким межмолекулярным
взаимодействием. По этой же причине большинство термопла-
стов способны растворяться в соответствующих растворителях.
К термопластам относятся битумы, смолы, многие широко рас-
пространенные полимеры - полиэтилен, поливинилхлорид, по-
листирол и др.
Термореактивные - вещества, у которых переход из жидкого
состояния в твердое происходит необратимо. При этом у них
меняется молекулярная структура: линейные молекулы соеди-
няются в пространственные сетки - гигантские макромолекулы.
Такое необратимое твердение (этот процесс называют также
«отверждение», «сшивка», «вулканизация») происходит под
действием не только нагрева (отсюда пошел термин «терморе-
активные вещества»), но и веществ-отвердителей, УФ- и у-из-
лучения и других факторов. Отвержденные термореактив-
ные полимеры, как правило, более теплостойки, чем термо-
пластичные.
К термореактивным полимерам относят фенолоальдегидные,
карбамидные, эпоксидные и полиэфирные олигомеры (смолы),
олифы, каучуки в смеси с вулканизаторами и др.
В строительстве полимеры используют главным образом в
виде пластмасс, полимерных материалов и изделий, а также кон-
струкций из них.
Основным сырьем для производства полимеров являются уг-
леводороды, получаемые из нефти, природный газ, продукты
углепереработки, целлюлоза и др.
По химическому характеру реакций, лежащих в основе полу-
чения синтетических полимеров, их разделяют на полимериза-
ционные и поликонденсационные.
Полимеризационные полимеры получают методом полимери-
зации. При этой реакции происходит объединение молекул од-
ного и того же вещества в одну большую молекулу высокомоле-
кулярного вещества - полимера без выделения побочных про-
дуктов. При этом вещество приобретает новые свойства,
сохраняя прежний химический состав. Так получают полиэти-
354
лен, поливинилхлорид, полиизобутилен, полистирол, полиакри-
латы и некоторые другие полимеры, нашедшие широкое приме-
нение в технологии строительных материалов.
Поликонденсационные полимеры получают в процессе реак-
ции поликонденсации двух или нескольких низкомолекулярных
веществ. В этом случае наряду с основным продуктом поликон-
денсации - полимером образуются побочные соединения (вода,
спирты, хлористый водород и др.). Масса получаемого полимера
меньше массы исходных веществ, а его химический состав от-
личается от химического состава исходных продуктов. В отли-
чие от полимеризации поликонденсация происходит только ме-
жду веществами, содержащими функциональные группы. Мето-
дом поликонденсации получают полиэфирные, фенолоальдегид-
ные, эпоксидные, кремнийорганические и другие полимеры.
Особую группу составляют полимеры, получаемые методом
химической модификации природных полимеров (целлюлоза,
казеин, каучуки, растительные масла) с целью улучшения их
свойств. Под модификацией в данном случае понимают целена-
правленное изменение структуры полимера путем изменения
состава его функциональных групп, образования дополнитель-
ных боковых цепей и сшивок, изменения полярности и фазового
состава. Этот метод получения полимеров используется при пе-
реработке целлюлозы (нитроцеллюлоза, карбоксиметилцеллю-
лоза) и растительных масел (олифы).
14.2. Термопластичные полимеры
Термопластичные полимеры способны многократно размяг-
чаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и
многие другие свойства термопластичных полимеров объясня-
ются линейным строением их макромолекул. При нагревании
взаимодействие между молекулами ослабевает и они могут
сдвигаться одна относительно другой, полимер размягчается,
превращаясь при дальнейшем нагревании в вязкую жидкость. На
этом свойстве базируются различные способы формования из-
делий из термопластов, а также соединение их сваркой.
23*
355
Однако на практике не все термопласты так просто можно
перевести в вязко-текучее состояние, так как температура начала
термического разложения некоторых полимеров ниже темпера-
туры их текучести (поливинилхлорид, фторопласты и др.). В та-
ком случае используют различные технологические приемы,
снижающие температуру текучести (например, вводя пластифи-
каторы) или задерживающие термодеструкцию (введением ста-
билизаторов, переработкой в среде инертного газа).
Линейным строением молекул объясняется также способ-
ность термопластов не только набухать, но и хорошо раство-
ряться в правильно подобранных растворителях. Тип раствори-
теля зависит от химической природы полимера. Растворы поли-
меров даже очень небольшой концентрации (2...5 %) отли-
чаются довольно высокой вязкостью. Причиной этого являются
большие размеры полимерных молекул по сравнению с молеку-
лами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения
растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние. На
этом основано использование растворов термопластов в качест-
ве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и
по л имеррастворах.
К недостаткам термопластов относятся; низкая теплостой-
кость (обычно не выше 80... 120 °C), низкая поверхностная твер-
дость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при
высоких, склонность к старению под действием солнечных лу-
чей и кислорода воздуха.
Наибольшее применение в строительстве имеют следующие
термопластичные полимеры; полиэтилен, полипропилен, поли-
стирол, поливинилхлорид, перхлорвинил, поливинилацетат и
поливиниловый спирт, полиизобутилен и полиакрилаты.
Полиэтилен, (-СН2-СН2-)Л, - продукт полимеризации эти-
лена, значительную часть которого получают при термической
переработке нефтяных газов (этана, пропана, бутана) и гидроли-
зе нефтепродуктов. Реакции полимеризации протекают при вы-
соких давлении (до 250 МПа) и температуре 240...280 °C в при-
сутствии кислорода, а каталитической полимеризации - при
среднем или низком давлении.) 2
Полимеризация этилена при высоком давлении производится
в трубчатых реакторах и отличается сложностью технологиче-
356
ского оборудования. В Республике Беларусь такое производство
организовано на Новополоцком ОАО «Полимир».
Полиэтилен высокого давления - химически стойкий про-
дукт плотностью 0,92...0,95 г/см3. Он обладает повышенной
эластичностью, что объясняется наличием в нем 45 % аморфной
фазы. Выпускается в виде гранул.
Полиэтилен низкого давления получают при температуре не
выше 80 °C и давлении 0,05...0,6 МПа в среде растворителя
(бензина) и в присутствии катализаторов. Он более хрупок и бо-
лее склонен к старению, чем полиэтилен высокого давления.
Физико-механические свойства полиэтилена в значительной
мере зависят от степени полимеризации, т. е. от молекулярной
массы. Его предел прочности при растяжении в зависимости от
молекулярной массы колеблется от 18 до 45 МПа, плотность -
920.. .960 кг/м3, температура плавления - 110... 125 °C. При дли-
тельном действии нагрузки, составляющей более 50...60 % от
предельной, у полиэтилена начинает проявляться свойство теку-
чести. Он сохраняет эластичность до температуры минус 70 °C,
легко перерабатывается в изделия и хорошо сваривается. Его
недостатки - низкие теплостойкость и твердость; горючесть и
быстрое старение под действием солнечного света. Для большей
стойкости к окислительным процессам и атмосферным воздей-
ствиям в полиэтилен вводят различные стабилизаторы. Напри-
мер, при введении в полиэтилен 2 % сажи срок службы его в ат-
мосферных условиях увеличивается в 30 раз.
Из полиэтилена делают пленки (прозрачные и непрозрач-
ные), трубы, электроизоляцию; вспененный полиэтилен в виде
листов и труб используется для целей тепло- и звукоизоляции,
а также в качестве герметизирующих прокладок.
Полипропилен, [-СН2-СН-]„, является продуктом полиме-
I
СНз
ризации газа пропилена в растворителе. При синтезе полипро-
пилена образуется несколько различных по строению полиме-
ров: изотактический, атактический и синдиотактический. Так-
тичность - это способ, которым выстроены боковые группы
вдоль основной цепи молекулы полимера.
В основном применяется изотактический полипропилен, ко-
гда все метильные группы расположены с одной стороны мак-
357
ромолекулы. Он отличается от полиэтилена большей твердостью
прочностью и теплостойкостью (температура размягчения - около
170 °C), но переход в хрупкое состояние происходит уже при ми-
нус 10...20 °C. Плотность полипропилена - 920...930 кг/м3; проч-
ность при растяжении - 25...30 МПа Применяют полипропилен
практически для тех же целей, что и полиэтилен, но изделия из
него более жесткие и формоустойчивые.
Атактический полипропилен (АПП) (в АПП метильные
группы расположены случайным образом по обеим сторонам
основной цепи макромолекулы) получается при синтезе пропи-
лена как неизбежная примесь, но легко отделяется от изотакти-
ческого пропилена экстракцией (растворением в углеводород-
ных растворителях). АПП - мягкий эластичный продукт плотно-
стью 840...845 кг/м3 с температурой размягчения 30.. 80 °C.
Применяют АПП как модификатор битумных композиций в кро-
вельных материалах
Используя специальные металлоценовые катализаторы полу-
чают синдиотактический полипропилен, когда метильные груп-
пы расположены упорядоченно с обеих сторон основной цепи
макромолекулы. Этот полимер похож на резину и является хо-
рошим эластомером.
Полиизобутилен - каучукоподобный термопластичный по-
лимер (параграф 17.5).
Полистирол, (-СН2-СН-)„, - прозрачный жесткий полимер
С6Н5
плотностью 1050... 1080 кг/м3; при комнатной температуре он -
жесткий и хрупкий, размягчается при нагревании до 80.. .100 °C.
Прочность при растяжении - 35...50 МПа Полистирол хорошо
растворяется в ароматических углеводородах, сложных эфирных
и хлорированных углеводородах; горюч и хрупок; стоек к дейст-
вию многих агрессивных веществ: щелочей, серной и других
кислот; светопроницаем, светостоек.
Сырьем для получения служит стирол - прозрачная желтая
воспламеняющаяся жидкость, вырабатываемая при гидролизе
нефти или сухой перегонке угля. Стирол легко полимеризуется
под действием солнечного света и теплоты. Полистирол выпускают
в виде прозрачных листов, гранул, бисера или белого порошка.
358
В строительстве полистирол применяют для изготовления
теплоизоляционного материала - пенополистирола плотностью
10.. .50 кг/м3, облицовочных плиток и мелкой фурнитуры. Раствор
полистирола в органических растворителях - хороший клей.
Блок - сополимер бутадиена и стирола (СБС) - это твердая ре-
зина, которая используется для модификации битума покровного
слоя в гидроизоляционных материалах.
Поливинилацетат, (-СН2-СН-)„, получают полимеризацией
I
ОСОСНз
винилацетата. Это прозрачный, жесткий при комнатной темпе-
ратуре полимер плотностью 1190 кг/м3. Поливинилацетат рас-
творим в ацетоне, сложных эфирах, хлорированных и аромати-
ческих углеводородах, набухает в воде. Его положительное
свойство - высокая адгезия к каменным материалам, стеклу и
древесине.
В строительстве поливинилацетат применяют в виде поливи-
нилацетатной дисперсии (ПВАД) — сметанообразнои массы бе-
лого или светло-кремового цвета, хорошо смешивающейся с во-
дой. ПВАД получают полимеризацией жидкого винилацетата, на-
ходящегося в виде мельчайших частиц (менее 5 мкм) в воде. При
этом капельки винилацетата превращаются в твердые частицы по-
ливинилацетата. Стабилизатором эмульсии является поливини-
ловый спирт. Содержание полимера в дисперсии-около 50 %.
Поливинилацетатная дисперсия выпускается средней (С),
низкой (Н) и высокой (В) вязкости в пластифицированном и не-
пластифицированном видах. Пластификатором служит дибу-
тилфталат, содержание которого указывается в марке индексом.
В грубодисперсной ПВАД, обычно применяемой в строительст-
ве, содержание пластификатора следующее (% от массы поли-
мера): 5.. 10 (индекс 4), 10 ..15 (индекс 7) и 30...35 (индекс 20).
Необходимо помнить, что пластифицированная дисперсия
неморозостойка и при замораживании необратимо разрушается с
осаждением полимера. Поэтому в зимнее время пластификатор
поставляют в отдельной упаковке. Для пластификации пласти-
фикатор перемешивают с дисперсией и выдерживают 3...4 часа
для его проникновения в частицы полимера. Непластифициро-
ванная дисперсия выдерживает не менее четырех циклов замо-
359
раживания-оттаивания при температуре до минус 40 °C. Срок
хранения ПВАД при температуре 5.. .20 °C - 6 месяцев.
Поливинилацетат широко применяют в строительстве. Нали-
чие полярной группы приводит к тому, что молекулы ПВАД об-
ладают высокой адгезией к полярным поверхностям, в том числе
и к компонентам бетона. На его основе делают клеи, водно-
дисперсионные краски, моющиеся обои. ПВАД применяют для
устройства наливных мастичных полов и для модификации це-
ментных растворов (полимерцементные растворы и бетоны рас-
смотрены в 14.13). Дисперсией, разбавленной до 5... 10%-й кон-
центрации, грунтуют бетонные поверхности перед приклеивани-
ем облицовки на полимерных мастиках и перед нанесением
полимерцементных растворов.
Недостаток материалов на основе дисперсий поливинилаце-
тата - гидролиз в щелочной среде с образованием поливинило-
вого спирта и кислоты. Поскольку образующиеся продукты гид-
ролиза хорошо растворимы в воде, материалы набухают и на
них могут появиться высолы. Это объясняется наличием в дис-
персиях заметного количества водорастворимого стабилизатора
и способностью самого полимера набухать в воде. Так как дис-
персия имеет слабокислую реакцию (pH 4,5...6), при ее нанесе-
нии на металлические изделия возможна коррозия металла.
2. Поливинилхлорид, (-СН2-СНС1-)„, - самый распространен-
ный полимер в строительстве. Он представляет собой твердый
материал без запаха, бесцветный или желтоватый (при перера-
ботке в результате термодеструкции может приобрести светло-
коричневый цвет). Сырьем для получения поливинилхлорида
(ПВХ) служит винилхлорид (хлористый винил) - бесцветный газ
с эфирным запахом и наркотическим действием.
Плотность ПВХ - 1400 кг/м3, предел прочности при растяже-
нии - 40...60 МПа. Благодаря высокому содержанию хлорида
поливинилхлорид не воспламеняется и практически не горит.
Температура текучести поливинилхлорида - 180...200 °C, но
уже при нагревании выше 160 °C он начинает разлагаться с вы-
делением хлористого водорода Это обстоятельство затрудняет
переработку поливинилхлорида в изделия.
Поливинилхлорид хорошо совмещается с пластификаторами.
Это облегчает переработку и позволяет получать пластмассы с
самыми разнообразными свойствами: жесткие листы и трубы,
эластичные погонажные изделия, мягкие пленки. Поливинил-
360
хлорид хорошо сваривается; склеивается он только некоторыми
видами клеев, например перхлорвиниловым. Положительное
качество поливинилхлорида - высокие химическая стойкость,
диэлектрические показатели и низкая горючесть.
В строительстве поливинилхлорид применяют для изготов-
ления материалов для полов (различные виды линолеума, плит-
ки) и отдельных декоративных пленок и пенопластов.
Перхлорвинил - продукт хлорирования поливинилхлорида,
содержащий 60...70 % по массе хлора (вместо 56 % в поливи-
нилхлориде). Плотность перхлорвинила - около 1500 кг/м3. Он
характеризуется очень высокой химической стойкостью к ки-
слотам, щелочам, окислителям; трудносгораем. В отличие от
поливинилхлорида перхлорвинил легко растворяется в хлориро-
ванных углеводородах, ацетоне, толуоле, ксилоле и других рас-
творителях. Положительное качество перхлорвинила - высокая
адгезия к металлу, бетону, древесине, коже и поливинилхлори-
ду. Сочетание высокой адгезии и хорошей растворимости по-
зволяет использовать перхлорвинил в клеях и окрасочных соста-
вах. Перхлорвиниловые краски благодаря высокой стойкости
этого полимера используются для отделки фасадов зданий.
Полиакрилаты получают полимеризацией акриловой и
метакриловой кислот и их производных. Наиболее широкое при-
менение из полиакрилатов получили полиметилметакрилат, по-
лиметилакрилат, полиэтилакрилат и полибутилакрилат. Это бес-
цветные, светостойкие, прозрачные полимеры. Полиметилме-
такрилат, например, называют еще органическим стеклом.
По сравнению с обычным оно менее хрупко и легко обрабатыва-
ется. Изделия из органического стекла имеют относительно вы-
сокую прочность; предел прочности на сжатие достигает
160 МПа, при изгибе - 80... 140 МПа и растяжении - до
100 МПа. Оно отличается исключительной прозрачностью и
способно пропускать до 74 % ультрафиолетовых лучей. Исполь-
зуют органическое стекло для остекления зданий специального
назначения, витрин магазинов, оранжерей, фонарей производст-
венных цехов и т. п. Однако высокая стоимость этого полимера
и недостаточная абразивостойкость ограничивают его примене-
ние в строительстве.
Акриловые полимеры широко используют в производстве
лаков и красок как добавки при производстве сухих смесей.
361
14.3. Термореактивные полимеры
Молекулы термореактивных полимеров до их отверждения
имеют линейное строение, такое же, как молекулы термопла-
стичных полимеров, но размер молекул реактопластов намного
меньше.
В отличие от термопластов, у которых молекулы химически
инертны и не способны соединяться друг с другом, молекулы
термореактивных олигомеров химически активны. Они содер-
жат либо двойные (ненасыщенные) связи, либо химически ак-
тивные группы. Поэтому при определенных условиях (нагрева-
нии, облучении или добавлении веществ-отвердителей) молеку-
лы термореактивных олигомеров соединяются друг с другом,
образуя сплошную пространственную сетку, как бы одну ги-
гантскую макромолекулу.
После отверждения свойства полимеров изменяются: они пе-
рестают размягчаться при нагревании, не растворяются, а только
набухают в растворителях, становятся более прочными, тверды-
ми и термостойкими.
К термореактивным полимерам, используемым в строитель-
стве, относятся фенолоальдегидные, карбамидные, полиэфир-
ные, эпоксидные и полиуретановые.
Фенолоальдегидные полимеры - первые синтетические
полимеры, которые в начале XX в. начали получать методом
поликонденсации фенолов с альдегидами. В качестве фенольно-
го сырья применяют фенол, крезол, ксиленол и резорцин, а аль-
дегидного - формальдегид, фурфурол, уротропин и лигнин.
Фенолоформалъдегидные полимеры - наиболее распростра-
ненные полимеры этого класса. Их получают поликонденсацией
фенола с формальдегидом. Фенол представляет собой бесцвет-
ные кристаллы с характерным сильным запахом; токсичен. Вды-
хание его приводит к отравлению, а попадание на кожу вызыва-
ет ожоги. Формальдегид - газ, тоже с резким удушливым запа-
хом. Следует помнить, что отрицательные свойства, присущие
исходным компонентам, в значительной степени передаются и
полимеру. В зависимости от соотношения исходных продуктов
поликонденсации и характера катализаторов получают различ-
362
ные виды фенолоформальдегидных полимеров. При избытке
фенола и конденсации в кислой среде получают новолачные
(термопластичные) полимеры. При избытке формальдегида и
конденсации в щелочной среде образуются жидкие резольные
(термореактивные) полимеры.
Новолачные смолы отверждаются только при добавлении
веществ-отвердителей (например, уротропина), а без них ведут
себя как термопластичные полимеры (при нагревании плавятся и
затвердевают при охлаждении).
Резольные смолы способны к отверждению при нагревании
без добавления отвердителей. Они сначала плавятся, потом в
расплавленном состоянии начинают густеть и постепенно необ-
ратимо переходить в твердое состояние.
До отверждения фенолоформальдегидные смолы хорошо
растворяются в спиртах, ацетоне и других растворителях. Фено-
лоформальдегидные полимеры имеют хорошую адгезию к тка-
ням, древесине и другим материалам и хорошо совмещаются с
наполнителями. Отвержденные полимеры обладают высокой
химической стойкостью; они прочны, но хрупки. Для повыше-
ния эластичности и улучшения клеящих свойств их модифици-
руют другими полимерами. Например, совмещая фенолофор-
мальдегидную смолу резольного типа с поливинилбутиралем
получают водостойкие и прочные клеи типа БФ. Такие клеи мо-
гут склеивать материалы при обычной температуре, но при го-
рячем отверждении имеют большую прочность. Фенолофор-
мальдегидные смолы используют для производства древесно-
волокнистых, древесно-стружечных плит, слоистых пластиков,
водостойкой фанеры, 2минераловатных и стекловатных плит,
спиртовых лаков и т. п.
Резорциноформалъдегидные смолы аналогичны по свойствам
фенолоформальдегидным. Так как резорцин значительно актив-
нее фенола, отверждение резорциноформальдегидных смол мо-
жет происходить без нагревания. Поэтому резорциновые смолы
используют для получения замазок, мастик и клеев холодного
отверждения.
Фенолоальдегидные смолы и полимеры токсичны, поэтому
при работе с ними необходимо соблюдать правила техники
безопасности. Для связывания фенола и снижения токсичности в
смолу добавляют нейтрализатор фенола.
363
I ГЬ л
Карбамидные полимеры - продукты поликонденсации мо-
чевины и ее производных с формальдегидом; к ним относятся
мочевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные поли-
меры. По своим свойствам карбамидные полимеры имеют много
общего с фенолоформальдегидными. Особенностью карбамид-
ных полимеров является их бесцветность, светостойкость, от-
сутствие запаха и меньшая токсичность.
Мочевиноформальдегидные полимеры — один из самых деше-
вых полимеров, что объясняется доступностью и простотой син-
теза. В строительстве мочевиноформальдегидные полимеры ши-
роко применяют в качестве полимерного связующего. Для этих
целей используют главным образом водные растворы мочеви-
ноформальдегидных смол. Отверждение смол производится с
помощью кислотных отвердителей при обычной температуре
или при нагревании.
Недостаток мочевиноформальдегидных полимеров - боль-
шая усадка при отверждении и недостаточная водостойкость
отвержденного полимера.
Большинство мочевиноформальдегидных полимеров исполь-
зуют для склеивания древесины и изготовления древесно-
стружечных плит.
Меламиноформальдегидные полимеры — более дорогостоя-
щие, так как для их синтеза применяют более дорогое сырье -
меламин. В отвержденном состоянии они имеют лучшие, чем
мочевиноформальдегидные полимеры, свойства и характеризу-
ются высокой твердостью и водостойкостью.
Из меламиноформальдегидных полимеров получают клеи
для склеивания древесины, бумаги. Пример материала, получае-
мого на таких клеях, - декоративный бумажно-слоистый пла-
стик и ламинированные покрытия для полов (ламинат).
Большое количество карбамидных полимеров после соответ-
ствующей модификации используют для получения высококаче-
ственных лаков и красок, например для окраски автомашин.
Ненасыщенные полиэфиры - олигомерные продукты в ви-
де вязких жидкостей, способные переходить в твердое состояние
при введении отвердителей. В строительстве применяют поли-
эфирные смолы двух типов: полиэфирмалеинаты и полиэфирак-
рилаты.
364
Полиэфирмалеинатные смолы представляют собой раствор
линейного ненасыщенного, т. е. способного к сшивке, полиэфи-
ра в стироле. Если в эту смолу ввести инициирующую пару: пе-
рекисный инициатор (например, гипериз) и ускоритель разложе-
ния перекиси (например, нафтенат кобальта), то перекись, рас-
падаясь, инициирует химическую активность стирола и он
сшивает молекулы полиэфира по ненасыщенным связям в про-
странственную сетку. При этом жидкая смола превращается в
твердый прочный материал. Обычно принимают соотношение
смолы, инициатора и ускорителя 100 : 3 : 8. При температуре
20 °C процесс отверждения длится 20...60 ч, но смола теряет
текучесть (желируется) через 0,5...2 ч.
Полиэфиракрилаты - олигомерные смолы, но не содержа-
щие стирола и отверждаемые перекисными отвердителями в со-
четании с ускорителями.
В отвержденном виде полиэфирные полимеры характеризу-
ются высокой прочностью и химической стойкостью. Для сни-
жения хрупкости и получения высокопрочных конструкционных
материалов их армируют стекловолокном. Такие материалы на-
зывают стеклопластиками.
В строительных отделочных работах полиэфирные смолы
используют для устройства наливных бесшовных полов, изго-
товления полимербетона, замазок и шпатлевок. Большое коли-
чество полиэфирных смол применяют для лакирования и поли-
рования поверхности древесины.
Эпоксидные полимеры - большая группа олигомерных
продуктов (от низковязких жидкостей до твердых смол), полу-
чивших свое название по эпоксидным группам, входящим в мо-
лекулу олигомеров. По этим эпоксидным группам линейные мо-
лекулы олигомерных смол можно сшивать отвердителями, глав-
ным образом аминными соединениями, например полиэтилен-
полиамином (ПЭПА). В связи с высокими эксплуатационными
свойствами эпоксидные полимеры нашли широкое применение в
различных областях техники.
Характерные особенности эпоксидных полимеров - высокая
адгезия к большинству материалов, универсальная химическая
стойкость, водостойкость и водонепроницаемость. Прочность на
сжатие отвержденных смол - до 100.. Л 50 МПа.
365
В строительстве чаще применяют эпоксидные смолы марок
ЭД-16, ЭД-20, представляющие собой жидкости желтого цвета
различной вязкости. При введении отвердителя уже при нор-
мальной температуре смола через 2...4 ч желируется, а через
8... 12 ч - необратимо затвердевает. Нагревание ускоряет твер-
дение и увеличивает степень отверждения. Положительное каче-
ство эпоксидных смол - малая усадка при твердении, что по-
вышает прочность и трещиностойкость изделий на их основе.
Для повышения эластичности в смолы можно вводить пласти-
фикаторы, например дибутилфталат, растительные масла. Для
снижения вязкости композиций вводят растворители или ма-
ловязкие алифатические эпоксидные смолы (ДЭГ-1, ТЭГ-1,
МЭГ-1 и др.). Последние используют также в качестве коль-
матирующих добавок в бетоны.
Эпоксидные полимеры применяют для устройства наливных
бесшовных полов высокой износо- и химической стойкости, из-
готовления конструкционных строительных клеев (для склеива-
ния и ремонта металлических и бетонных конструкций), приме-
няют также в красках и шпатлевочных составах, в герметиках,
полимеррастворах и полимербетонах специального назначения.
Полиуретановые полимеры в главной цепи макромолекулы
содержат уретановую группу (-NH-CO-O-). Промышленное
производство полиуретанов с каждым годом увеличивается. Они
обладают высокой прочностью и очень высокой стойкостью к
истиранию, поэтому их применяют при изготовлении шин, кон-
вейерных лент, подошв для обуви, покрытий полов обществен-
ных и промышленных зданий и спортивных площадок. Большое
количество полиуретанов используют для получения пенопла-
стов, эластичных материалов (поролона) и жестких строитель-
ных пенопластов. Одна из интереснейших разновидностей пено-
полиуретанов - пенополиуретаны, наносимые напылением (жид-
кую полиуретановую смолу разбрызгивают из распылителя на
изолируемую поверхность, на которой в течение 10...30 с поли-
уретан вспенивается и отвердевает). Отвердителем одного из
типов полиуретановых смол служит вода, поэтому лаками, изго-
товленными на основе этих смол, можно покрывать и влажные
поверхности.
Кремнийорганические полимеры относятся к группе эле-
ментоорганических соединений, т. е. в их составе наряду с орга-
366
нической частью присутствует и кремний. Получают такие по-
лимеры в результате конденсации алкилхлорсиланов (RSiCl3,
R2SiCl2, R3SiCl) или замещенных эфиров ортокремниевой кисло-
ты (RSi(OR)3, R2Si(OR)2, R3SiOR). Состав и свойства образую-
щихся продуктов зависят в значительной степени от условий
реакции: кислотности среды, присутствия растворителя, его по-
лярности и т. п. В результате продуктами реакции могут быть:
низкомолекулярные жидкие полиорганосилоксаны; высокомо-
лекулярные линейные полиорганосилоксаны, обладающие свой-
ствами каучуков; высокомолекулярные жидкие или твердые по-
лиорганосилоксаны, образующие в конечной стадии полимеры
пространственного строения (термореактивные полимеры).
I
Полиорганосилоксаны благодаря связи -Si-O- в главной це-
пи по многим свойствам превосходят органические высокомоле-
кулярные вещества. Для полиорганосилоксанов характерна
стойкость к термической и термоокислительной деструкциям.
При термическом разрушении этих полимеров происходит от-
щепление органических радикалов, а остаточным продуктом яв-
ляется полимер (SiO2)„, не проводящий электрический ток и спо-
собный сохранять некоторую механическую прочность, тогда
как продуктами разложения органических полимеров являются
летучие вещества или кокс.
Органические боковые радикалы, связанные с атомами крем-
ния в полиорганосилоксанах, придают им водостойкость, эла-
стичность и другие полезные свойства. Если, например, боковые
радикалы содержат метильные группы, теплостойкость полиме-
ра равна 200 °C, фенильные - 250, этильные - 140 °C. Все крем-
нийорганические полимеры обладают невысокой механической
прочностью, но их отличает морозостойкость, высокие диэлек-
трические свойства, стойкость к действию слабых кислот и ще-
лочей, органических растворителей, минеральных масел и топ-
лива. При нанесении на твердую поверхность эти полимеры
проявляют свойства гидрофобизирующих веществ. Это проис-
ходит в результате взаимодействия активных групп кремнийор-
ганических полимеров с гидроксильными группами, входящими
в состав материала, на который наносится кремнийорганический
367
полимер, или с водой, адсорбированной на поверхности мате-
риала. Происходит ориентация кремнийорганических молекул
в пленке, органический радикал ориентирован в сторону окру-
I
жающей среды, а связь -Si-O-к поверхности материала, в ре-
зультате чего образуется защитная пленка.
Для изготовления жаростойких лаков, эмалей, красок ис-
пользуют полиорганосилоксаны разветвленного или циклоли-
нейного строения, обладающие в зависимости от соотношения
исходных веществ свойствами термопластичных или термореак-
тивных полимеров. Полифенилсилоксаны, модифицированные
каучуками, эпоксидными или фенолоформальдегидными поли-
мерами, применяют как конструкционные клеи, способные ра-
ботать при температуре от минус 60 до плюс 1200 °C. Кремний-
органические каучуки используют для уплотнительных мастик и
герметиков Они устойчивы к старению, работоспособны в тем-
пературном интервале от -70 до +250 °C, обладают адгезией к
бетону. Низкомолекулярные полиорганосилоксаны (этилсилико-
нат натрия ГКЖ-10, метилсиликонат натрия ГКЖ-11, этилгидроси-
локсановую жидкость 136-41) применяют как гидрофобно-пласти-
фицирующие и газообразущие добавки к бетонам и растворам.
14.4. Каучуки и каучукоподобные полимеры
Каучук и каучукоподобные полимеры в отличие от обыкно-
венных полимеров при приложении растягивающей силы могут
удлиняться в 2... 10 раз, а при прекращении действия этой си-
лы - восстанавливать свои первоначальные размеры. Это свой-
ство объясняется особенностью строения каучуков: во-первых,
их молекулы не вытянуты в линию, а как бы свернуты в спи-
раль; во-вторых, взаимодействие между молекулами ниже, чем
внутримолекулярные связи; в-третьих, молекулы соединены
(«сшиты») между собой в небольшом количестве мест.
Большинство каучуков из-за больших размеров молекул пло-
хо растворяются, но сильно набухают в органических раствори-
телях. Улучшить растворимость каучуков можно с помощью
термомеханическои деструкции их молекул, интенсивно пере-
мешивая или перетирая материал на валках при повышенной
температуре.
368
При сшивке молекул каучука (этот процесс называют вулка-
низацией) число связей между ними увеличивается. У образо-
вавшегося продукта - резины - по сравнению с каучуком не-
сколько снижается эластичность и совершенно пропадает спо-
собность растворяться. При очень большом количестве сшивок
образуется твердый прочный материал - эбонит.
Каучуки выпускают в виде твердого эластичного продукта,
вязкой жидкости (жидкие каучуки), водных дисперсий - каучу-
ковых латексов. Латексы содержат 30 ..60 % каучука в виде
мельчайших частиц средним диаметром 0,1...0,5 мкм, взвешен-
ных в воде. Слиянию частиц препятствует находящаяся на их
поверхности тончайшая оболочка из поверхностно-активных
веществ - стабилизаторов. Латексы имеют преимущества перед
другими формами синтетического каучука: они относительно
легко совмещаются с другими материалами (цементом, напол-
нителями), легко распределяются на поверхности тонкой плен-
кой, абсолютно негорючи и в них отсутствуют дорогостоящие и
токсичные органические растворители.
В строительстве каучук и каучукоподобные полимеры ис-
пользуют главным образом для изготовления эластичных клеев
и мастик, модификации битумных и полимерных материалов,
изготовления материалов для полов и герметиков, а также мо-
дификации бетонов.
Чаще других в строительстве применяют бутадиен-сти-
рольный, полихлоропреновый, тиоколовыи и бутилкаучук; кро-
ме того, используют каучукоподобные полимеры: полиизобути-
лен и хлорсульфированный полиэтилен.
Бутадиен-стирольные каучуки получают обычно совмест-
ной полимеризацией дивинила со стиролом (каучук СКС) Это -
основной вид (более половины производимых) синтетических
каучуков. Выпускают большое число марок бутадиен-стироль-
ных каучуков с различным соотношением стирола и бутадиена:
от СКС-10 до СКС-65 (цифра показывает процентное содержа-
ние по массе стирола в каучуке).
Наиболее широко используется каучук марки СКС-30. Он
хорошо растворяется в бензине, бензоле и хлорированных угле-
водородах. Клеящая способность каучуков СКС невысокая. Для
ее повышения в них добавляют канифоль, кумароноинденовую
24. Зак. 508
369
смолу или природный каучук. Бутадиен-стирольные каучуки
достаточно морозо- и атмосферостойки.
В строительстве широко применяют бутадиен-стирольные
латексы (в основном латекс СКС-65). Содержание каучука
в латексе - около 47 %. При смешивании с цементом и другими
минеральными порошками латекс СКС-65 может коагулировать.
Поэтому для строительных целей промышленность выпускает
стабилизированный латекс СКС-65Б. Обычный латекс можно
стабилизировать, добавив около 10 % стабилизатора - поверхно-
стно-активного вещества ОП-7 (ОП-Ю) или смеси ОП-7 (ОП-Ю)
с казеинатом аммония (1 : 1).
На основе латекса СКС-65 получают клеящие мастики (на-
пример, клей «Бустилат»), латексно-цементные краски, составы
для наливных полов. Латексом модифицируют строительные
растворы.
Полихлоропреновый каучук (наирит) - синтетический кау-
чук, получаемый сополимеризацией хлоропрена с добавкой
5...30 % других мономеров (стирола, изопрена и др.). Выпуска-
ют твердые высокомолекулярные каучуки молекулярной массой
100000...500000, жидкие олигомерные каучуки, используемые
для пластификации и антикоррозионных покрытий, и латексы.
Плотность твердого каучука - 1230 кг/м3. Он хорошо растворя-
ется в ароматических и хлорированных углеводородах, частич-
но - в кетонах и эфирах. Хлоропреновый каучук обладает хоро-
шими клеящими свойствами (наиритовый клей), поэтому его
используют в клеящих мастиках (например, кумарононаирито-
вых КН). Вулканизированные полихлоропреновые каучуки (вул-
канизуются окислами металлов при 90... 100 °C) обладают высокой
масло-, бензо-, свето- и теплостойкостью.
Бутилкаучук - продукт полимеризации изобутилена с не-
большим количеством (1...5 %) изопрена. Бутилкаучук - один
из самых ценных видов каучуков. Он обладает высокой морозо-
стойкостью, эластичностью, стойкостью к воздействию кисло-
рода и озона и исключительно высокой газонепроницаемостью.
Бутилкаучук растворяется в бензине, ароматических углеводо-
родах и сложных эфирах. К положительным качествам бутил-
каучука относится и его хорошая клеящая способность.
370
Несмотря на малое содержание двойных связей, бутилкаучук
способен к вулканизации, и тем лучше, чем больше изопрена
вошло в реакционную смесь при полимеризации. Вулканизиро-
ванный бутилкаучук отличается высокой термостойкостью, тем-
пература деструкции составляет 160... 165 °C. Он - химически
инертен (не растворяется, а лишь набухает в углеводородных
растворителях; животные и растительные масла не оказывают на
него никакого влияния).
Бутилкаучук широко применяют в автомобильной промыш-
ленности (автомобильные камеры), для получения прорезинен-
ных тканей, гуммирования химической аппаратуры, в пищевой
промышленности и для многих других целей. В строительстве
бутилкаучук используют для получения клеящих мастик и гер-
метизирующих материалов, а также для модификации битумных
и полимерных материалов.
Тиоколовые (полисульфидные) каучуки - синтетические
каучуки, в молекулах которых в основной цепи содержатся ато-
мы серы (40...80 % по'массе). Особенность тиоколовых каучу-
ков - высокая стойкость к атмосферному старению и действию
растворителей. Выпускают твердые и жидкие каучуки и латексы
каучуков. В строительстве их применяют для изоляционных по-
крытий, стойких к солнечному свету и растворителям, гермети-
зации стыков крупнопанельных зданий и в качестве пластифи-
цирующего компонента в химически стойких мастиках и компа-
ундах. Недостаток тиоколового каучука - стойкий неприятный
запах.
СНз
Полиизобутилен, (- СН2 - С - ),;, - термопластичный каучу-
СН3
коподобный полимер, в зависимости от молекулярной массы
представляющий собой вязкие клейкие жидкости (молекулярная
масса - ниже 50000) или эластичный каучукоподобный материал
(молекулярная масса - 100000...200000). Полиизобутилен хоро-
шо растворяется в алифатических ароматических и хлорирован-
ных углеводородах и хорошо смешивается с различными на-
полнителями. Это - один из самых легких полимеров; его плот-
24*
371
ность - 910...930 кг/м3. Полиизобутилен щелоче- и кислотосто-
ек. По химической стойкости и диэлектрическим свойствам он
уступает только полиэтилену и фторопласту. Полиизобутилен
сохраняет эластичность до температуры -50 °C. Поэтому его
применяют для модификации полимерных и битумных материа-
лов с целью улучшения их свойств при низких температурах.
Низкомолекулярный поли изобутилен и растворы высокомо-
лекулярного полиизобутилена обладают очень высокими адге-
зионными свойствами к большинству строительных материалов
(дереву, бетону, штукатурке и т. п.). Из низкомолекулярного по-
лиизобутилена изготовляют невысыхающие клеи и мастики для
приклеивания полимерных отделочных материалов из поливи-
нилхлорида, полиэтилена и других полимеров с плохой адгези-
ей. На основе полиизобутилена получают также нетвердеющие
мастики для герметизации стыков в сборном строительстве.
Из высокомолекулярного полиизобутилена формуют листы
для защиты химической аппаратуры от коррозии, для гидро-
и электроизоляционных целей, а также его используют как пла-
стификатор в пластмассах.
Хлорсульфированный полиэтилен - каучукоподобный
продукт, получаемый при взаимодействии полиэтилена с хлором
и сернистым ангидридом SO2. Обработанный таким образом по-
лиэтилен проявляет способность к вулканизации.
Хлорсульфированный полиэтилен хорошо растворим в аро-
матических растворителях (толуоле, ксилоле) и хлорированных
углеводородах, хуже - в ацетоне и совсем не растворим в арома-
тических углеводородах. Отличительная черта хлорсульфиро-
ванного полиэтилена - высокая атмосфере- и химическая стой-
кость; он хорошо противостоит действию кислот, щелочей и
сильных окислителей, разрушающе действуют на него лишь ук-
сусная кислота, а также ароматические и хлорированные уг-
леводороды.
Вулканизированный хлорсульфированный полиэтилен ха-
рактеризуется высокой термостойкостью. Изделия из него спо-
собны длительно работать при температуре от -60 до +180 °C.
Хлорсульфированный полиэтилен хорошо совмещается с каучу-
ками, повышая их износо-, тепло- и маслостойкость. Применяют
хлорсульфированный полиэтилен и резины на его основе для
372
получения износо- и коррозионностойких покрытий полов. На
его основе получают атмосфере- и коррозионностойкие лаки и
краски для защиты металла, бетона и других материалов от ат-
мосферных и химических агрессивных воздействий. Хлорсуль-
фированный полиэтилен применяют также для получения клеев
и герметиков, а также для модификации других полимеров.
14.5. Природные полимерные продукты
К природным олигомерным и полимерным продуктам, при-
меняемым в строительстве и других отраслях хозяйства, отно-
сятся природные смолы, ненасыщенные (высыхающие) масла,
целлюлоза и некоторые белковые вещества. Для получения свя-
зующих веществ природные продукты, как правило, модифици-
руют с целью улучшения их свойств.
Природные смолы - продукты растительного происхож-
дения, содержащиеся в жидкостях, которые выделяются на по-
верхности коры деревьев самопроизвольно или в результате
ранения. Смолы состоят из смеси органических высоко- и низ-
комолекулярных веществ. Различают молодые (свежие) смо-
лы, собираемые непосредственно с деревьев (например, живи-
ца - сосновая или еловая смола), и ископаемые смолы — про-
дукты жизнедеятельности давно погибших деревьев (янтарь,
копалы). Молодые смолы содержат много низкомолекулярных
летучих веществ, ископаемые смолы - твердые, хрупкие мате-
риалы. В строительстве чаще применяют продукты, получае-
мые при переработке смолы хвойных деревьев, - канифоль и
скипидар.
Канифоль - остаток от отгонки скипидара из смолистого сока
хвойных деревьев (живицы); хрупкая стекловидная масса желто-
го цвета, состоящая в основном из смоляных кислот (до 90 %),
одной из которых является абиетиновая (С^Н^СООН). Кани-
фоль растворяется почти во всех органических растворителях,
хорошо совмещается с растительными маслами. Ее в основном
применяют для модификации других пленкообразующих ве-
ществ с целью повышения адгезионных свойств.
Скипидар (терпентинное масло) применяют как растворитель
для масляных и глифталсвых красок.
373
Олифы (от греческого aleipha - мазь, масло) - пленкообра-
зующие вещества на основе жидких растительных масел или
алкидных полимеров (глифталевых или пентафталевых), моди-
фицированных растительными маслами. Все олифы - олигомер-
ные продукты. Для олиф используют ненасыщенные масла, т. е.
имеющие двойные связи в углеводородной цепи. Благодаря
двойным связям олифы могут отвердевать (а не высыхать) за
счет окислительной полимеризации, т. е. сшивки кислородом
воздуха. Образующиеся эластичные пленки со временем, осо-
бенно под действием УФ-излучения, становятся хрупкими и
растрескиваются. Процесс отвердевания необратимый, т. е. вы-
сохшая масляная краска не растворяется повторно.
По составу и технологии приготовления олифы могут быть:
натуральные, полунатуральные (олифы-оксоль) и алкидные
(табл. 28).
Таблица 28
Составы и области применения олиф
Тип олифы Содержание масла, % Область применения
Натуральная 100 Приготовление грунтовок, шпатле- вок, густотертых и готовых к употреб- лению красок, пропитка пористых по- верхностей
Полунатуральная (олифа-оксоль) 50...55 Разбавление масляных красок
Алкидная 30 Приготовление густотертых и го- товых к употреблению масляных кра- сок и грунтовок
Примечание. Под названием «олифа» выпускаются и другие пленкообра-
зующие жидкие продукты, отличающиеся, однако, худшими свойствами.
Натуральную олифу получают из ненасыщенных раститель-
ных масел (льняного и конопляного) двумя способами: окисле-
нием - продувкой воздуха через подогретое до 150... 160 °C мас-
ло или полимеризацией - нагревом масла до температуры
270...280 °C. При этом происходит частичная полимеризация
молекул масел благодаря наличию в них двойных связей, т. е.
натуральная олифа - олигомерный продукт. Для ускорения от-
вердевания олифы в нее вводят сиккативы (латинское siccati-
374
vus - высушивающий) - соли жирных кислот РЬ, Мп, Со, ката-
лизирующие окислительную полимеризацию ненасыщенных
масел. Количество вводимого сиккатива - 0,01...0,1 % (по сухо-
му веществу) от массы масел. При отсутствии кислорода про-
цесс полимеризации практически не идет. Например, краска,
залитая водой, не отвердевает.
Полунатуральную олифу (олифу-оксоль) получают более глу-
бокой окислительной полимеризацией растительных масел до
образования вязкой жидкости. Ее растворяют уайт-спиритом
в соотношении 1:1. Данный вид олифы производится как из
льняного или конопляного масла (марка В), так и из подсолнеч-
ного, соевого (марки ПВ, СМ) и др.
Краски на олифе марки В используют для наружных и внут-
ренних работ; марки ПВ - только для внутренних работ. Краски
на олифе-оксоль менее долговечны и дают более хрупкую плен-
ку, чем краски на натуральной олифе.
Алкидные олифы представляют собой растворы низковязких
жирных алкидных смол (60...65 % масла) в уайт-спирите. Их
выпускают двух типов: глифталевая (ГФ) и пентафталевая (ПФ).
Получают их путем олигомеризации глицерина (или пентаэрит-
рита), фталевого ангидрида и ненасыщенных растительных ма-
сел. Последние являются внутренними пластификаторами, при-
дающими пленке эластичность.
По атмосферостойкости алкидная олифа почти не уступает
натуральной, а по физико-механическим показателям пленки во
многом превосходит ее. При этом расход пищевых масел в таких
олифах минимальный.
В строительстве в основном используют алкидные олифы
для красок и в качестве пластификатора в мастиках и замазках.
Целлюлоза (от латинского cellula - клетка) - полисахарид;
самый распространенный природный полимер, образующий
стенки растительных клеток. В чистом виде в качестве органи-
ческого вяжущего целлюлозу не применяют. Она практически
не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях.
Обычно используют простые и сложные эфиры целлюлозы: нит-
роцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу и др.
375
Нитроцеллюлозу (коллоксилин) получают, обрабатывая
целлюлозу азотной кислотой (до содержания азота 10... 12 %).
Она легко растворяется в ацетоне, этилацетате; хорошо пласти-
фицируется дибутил фтал атом, камфорой. Нитроцеллюлозу при-
меняют для получения лаков, нитроэмалей, шпатлевок и клеев.
В смеси с камфорой из нитроцеллюлозы получают целлулоид.
Существенным недостатком нитроцеллюлозы является то, что
она - легкогорючий материал.
Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) - порошкообразный или
волокнистый продукт белого цвета, хорошо растворяющийся в
воде. Образующийся с водой вязкий раствор используют в каче-
стве клея для обоев, а также в отделочных композициях для
улучшения связности и реологических свойств смеси. Карбок-
симетилцеллюлоза биостойка, не токсична, стойка к действию
жиров, масел и органических растворителей. Ее в больших ко-
личествах используют в строительстве, нефтедобывающей и
горнообогатительной промышленности для повышения вязкости
воды, в текстильной промышленности как аппретирующее ве-
щество и в полиграфии.
Белковые вещества применяют в строительстве все в мень-
ших объемах из-за их пищевой ценности и недостаточной водо-
и биостойкости. В ограниченных количествах находят примене-
ние казеин и глютин.
Казеин - порошкообразный продукт, получаемый обра-
боткой кислотой обрата (обезжиренного молока). Казеин пло-
хо растворяется в воде, но хорошо - в щелочных водных раство-
рах. Его применяют для приготовления клеев и мастик, а также
после растворения в аммиачной воде (т. е. в виде казеината ам-
мония) для стабилизации латексов в полимерцементных ком-
позициях.
Глютин (столярный клей) получают вывариванием из кос-
тей, соединительных тканей и кожи животных с последующим
упариванием раствора. Поставляют глютин в виде твердых,
хрупких плиток или гранул. Для приготовления клея плитки или
гранулы заливают холодной водой; при этом они размягчаются
и сильно набухают. В набухший глютин добавляют воду и на-
гревают до образования вязкого раствора - клея. При охлажде-
нии и испарении воды клей переходит в студнеобразное состоя-
376
ние (желируется), а затем затвердевает. Применяют глютеновый
клей в столярных (отсюда название - столярный клей) и маляр-
ных работах, для приклеивания облицовочных материалов,
а также в качестве замедлителя схватывания гипсовых вяжущих.
14.6. Компоненты пластмасс
Органические связующие вещества в чистом виде применяют
очень редко. В большинстве случаев в них добавляют различные
вещества, облегчающие работу со связующими либо улучшаю-
щие их эксплуатационные свойства. К таким добавкам относятся
растворители, наполнители, пластификаторы, отвердители, ини-
циаторы отверждения и др.
Пластическими массами называют композиционные мате-
риалы, изготовляемые разнообразными технологическими прие-
мами на базе органических связующих, наполнителей и моди-
фикаторов. Первой промышленной пластмассой был эбонит,
полученный в 1843 г. вулканизацией натурального каучука серой.
По составу пластмассы разделяют на ненаполненные (поли-
этиленовая пленка, органическое стекло), наполненные (содер-
жат порошкообразные, листовые, волокнистые и другие напол-
нители) и газонаполненные (пено- и поропласты).
В зависимости от вязкоупругих свойств различают жесткие,
полужесткие, мягкие и эластичные пластмассы.
Жесткие пластмассы - это твердые, упругие материа-
лы аморфной структуры, имеющие модуль упругости более
1000 МПа. Они хрупко разрушаются с незначительным удлине-
нием при разрыве. Примерами жестких пластмасс являются фе-
нопласты, аминопласты, глифталевые полимеры.
Полужесткие пластмассы - это твердые вязкоупругие мате-
риалы кристаллической структуры, имеющие модуль упругости
более 400 МПа и высокое относительное удлинение при разры-
ве. Остаточные деформации их обратимы и полностью исчезают
при нагревании. Примерами служат полипропилен и полиамиды.
Для мягких пластмасс характерны низкий модуль упругости
(20... 100 МПа) и высокое относительное удлинение при разры-
ве. Остаточные деформации обратимы и медленно исчезают при
377
нормальной температуре. К таким пластмассам относятся поли-
винилацетат, полиэтилен и др.
Эластичные пластмассы - это мягкие гибкие материа-
лы, имеющие модуль упругости менее 20 МПа и характеризуе-
мые большими деформациями при растяжении, причем все де-
формации обратимы. К ним относятся каучуки, полиизобути-
лен и др.
В производстве пластических масс используют наполнители-.
порошкообразные (молотое кварцевое стекло, тальк, мел, окись
алюминия, цемент, алюминиевую пудру и др.), волокнистые (ас-
бестовые, древесные и стеклянные волокна) и слоистые (бумагу,
стеклоткань, древесный шпон и др). Они уменьшают расход
полимера и изменяют свойства пластмасс в нужном направле-
нии (повышают теплостойкость, механическую прочность, дол-
говечность, придают тиксотропные свойства). Наполнители на-
много дешевле полимеров, поэтому введение их в состав пла-
стических масс значительно снижает стоимость материалов и
изделий.
Эффект наполнителя в части повышения прочности напол-
ненных пластмасс объясняют ориентацией макромолекул поли-
меров в силовом поле вокруг частиц наполнителя и эффектом
микроармирования, проявляющимся при усадке и нагружении
полимеров (частицы наполнителя сдерживают развитие микро-
трещин).
Пластификаторы применяют для придания пластичности,
улучшения формовочных свойств и эластичности пластмасс.
Молекулы пластификатора, не связываясь с полимером химиче-
ски, ослабляют энергию межмолекулярного взаимодействия и
таким образом облегчают скольжение макромолекул относи-
тельно друг друга. Пластификаторы не улетучиваются из поли-
мера, однако способны экстрагироваться растворителями.
В строительстве применяют низко- и высокомолекулярные
пластификаторы. Из низкомолекулярных пластификаторов ис-
пользуют эфиры фталевой (дибутилфталат, диоктилфталат) и
фосфорной (трикрезилфосфат) кислоты. Например, диоктилфта-
лат - прозрачная маслянистая жидкость плотностью 980 кг/м3,
хорошо совмещается с многими полимерами (поливинилхлори-
дом, поливинилацетатом, эпоксидными смолами и др.).
378
Высокомолекулярные пластификаторы отличаются хорошей
эластичностью. В них в качестве пластификаторов используют
эпоксидированные масла и олигомерные полиэфиры; битумные
материалы пластифицируют добавками эластомеров, например
каучука. Преимущество полимерных пластификаторов состоит в
том, что они не летучи и не экстрагируются из материала рас-
творителями
Растворители — органические летучие жидкости, снижаю-
щие вязкость полимеров и композиций и образующие со свя-
зующими истинные растворы, стабильные во времени. Разбави-
тели - это тоже органические жидкости, но способные раство-
рять полимеры только в смеси с активным растворителем или
образующие с ним устойчивые смеси (суспензии или эмульсии).
Одновременно растворители и разбавители улучшают смачи-
вание поверхности, облегчают ориентировку полимера от-
носительно наполнителя, однако замедляют процесс отверде-
вания, снижают прочность, повышают пористость конечного
продукта.
Способность растворителя растворять связующее (раство-
ряющая способность) зависит от его молекулярного строения и
определяется в основном соотношением полярностей раствори-
теля и связующего. Здесь действует закономерность «подобное
растворяется в подобном». Так, алкидные связующие, имеющие
в своих молекулах бензольные кольца, хорошо растворимы в
ароматических растворителях (бензоле, толуоле) и не растворя-
ются в кислородсодержащих растворителях (спирте, ацетоне);
краски на олифе, молекулы которой имеют длинные углеводо-
родные цепи, хорошо растворяются в алифатических углеводо-
родах (пентан, гексан). При этом растворители для одних поли-
меров являются лишь разбавителями для других. В связи с этим
для большей универсальности применяют смеси двух и более
соединений, называемые комплексными растворителями. Про-
мышленность выпускает такие растворители под условными но-
мерами.
Отвердители придают способность термореактивным оли-
гомерам полимеризоваться и способствуют переходу пластично-
вязкой композиции в твердое состояние. При этом происходит
укрупнение молекул исходных продуктов с образованием про-
379
странственных сеток с помощью низкомолекулярных веществ.
В ряде случаев отвердителями могут быть кислород или влага,
содержащиеся в воздухе.
Направленное изменение физических, механических или хи-
мических свойств полимеров под воздействием различных фак-
торов называют модификацией. Вещества, способные видоизме-
нить полимер с целью устранения или ограничения тех или
иных недостатков, например хрупкости, горючести, плохой рас-
творимости и т. п., называют модификаторами.
Стабилизаторы и антиоксиданты тормозят старение пла-
стмасс под действием солнечного света и кислорода воздуха,
повышают долговечность пластмассовых изделий. $
Красящие вещества включают пигменты - тонкодисперсные
цветные порошки, минеральные или органические, не раствори-
мые в пленкообразующих веществах и органических раствори-
телях, и красители - синтетические продукты, хорошо раство-
римые в жидких компонентах пластмасс, j S
В составе пластмасс могут быть специальные добавки,
влияющие на их свойства. Например, для получения ячеистых
пластмасс к полимерам добавляют порофоры (порообразовате-
ли) - твердые, жидкие или газообразные вещества, вспениваю-
щие пластмассу.
14.7. Основные свойства полимеров и пластмасс
В полимере имеется широкий набор межатомных связей.
Вдоль молекулярной цепи полимеров атомы соединены кова-
лентными связями; так же связаны боковые атомы водорода и их
заместители с атомами основной полимерной цепи. Энергия
этих связей - около 330 кДж/моль1. Между макромолекулами в
термопластичных полимерах образуются либо водородные связи
(10...40 кДж/моль ’), либо еще более слабые межмолекулярные
ван-дер-ваальсовы связи (энергия - до 10 кДж/моль”’). В реакто-
пластах часть межмолекулярных связей заменена на прочные
химические. Межмолекулярное взаимодействие фиксирует эле-
менты полимерной структуры, подавляет гибкость цепных мо-
лекул и способствует повышению жесткости полимера, в итоге
повышаются его плотность, температура плавления и уменьша-
ется коэффициент линейного термического расширения.
380
Повысить энергию межмолекулярной связи можно разными
способами. Во-первых, этого добиваются путем увеличения по-
лярности полимерных звеньев. Например, полярность винил-
хлорида больше, чем этилена, следовательно, энергия межмоле-
кулярных связей в поливинилхлориде (ПВХ) больше, чем в по-
лиэтилене (ПЭ), что и подтверждается большей прочностью
ПВХ. Второй путь заключается в создании трехмерной про-
странственной структурной сетки из ковалентных химических
связей. На практике это может быть достигнуто введением в по-
лимер химически активных компонентов (отвердителей) или
радиационным облучением. Действительно, вулканизованный
каучук прочнее исходного, а после облучения (в малых дозах)
полиэтилен также прочнее исходного. В-третьих, можно ввести
в полимер высокодисперсный наполнитель, активно взаимодей-
ствующий с макромолекулами. Например, при введении сажи
в резину прочность ее возрастает.
Другое направление изменения свойств полимеров заключа-
ется в ориентации макромолекул в направлении предполагаемо-
го воздействия внешней силы. Она осуществляется вытягивани-
ем полимерного материала в заданном направлении или другими
способами. При этом увеличивается количество линейных моле-
кул полимера, для разрыва которых необходимо преодолеть
энергию межатомных связей. Например, пленка полиэтиленте-
рефталата (лавсана), ориентированная во взаимно-перпенди-
кулярных направлениях, не уступает по прочности алюминиевой
и медной фольге равной толщины.
Пластические массы обладают рядом физико-механических
свойств, которые позволяют им иметь значительные преимуще-
ства перед наиболее распространенными строительными мате-
риалами. Это следующие свойства.
А Плотность пластмасс чаще всего находится в пределах
900... 1800 кг/м3, т. е. они в два раза легче алюминия и в 5.. .6 раз
легче стали. Средняя плотность пластмасс колеблется в широ-
ких пределах и составляет у пористых 15...30 и у плотных -
1800...2200 кг/м3. ^Замена металлов и силикатных материалов
пластмассами значительно снижает массу конструкций, умень-
шает расход материала на их изготовление, сокращает расходы
на транспорт. Наибольший эффект достигается при использова-
381
нии легких пенопластов в комбинированных конструкциях стен
и покрытий.
* | Прочность пластмасс различна. Предел прочности при сжа-
тии пластмасс с порошкообразным наполнителем составляет
100... 150 МПа, данный показатель стекловолокнистых пластмасс
достигает 400 МПа. По прочности пластмассы превосходят мно-
гие традиционные материалы - бетон, кирпич, древесину.
Теплопроводность пластмасс зависит от их пористости: теп-
лопроводность пено- и поропластов составляет 0,03...0,04 Вт/(м °C),
остальных - 0,2...0,7 Вт/(м • °C). Пластмассы, наполненные ми-
неральными или металлическими порошками, графитом, мине-
ральными волокнами, значительно более теплопроводны, чем
пластмассы, наполненные органическими наполнителями (дре-
весной мукой, лигнином) или газами.
Ь Пластмассы обладают высокой химической стойкостью по
отношению к воде, кислотам, растворам солей и органическим
растворителям. Особенно стойки к коррозии пластмассы на ос-
нове политетрафторэтилена, полиэтилена, полиизобутилена, по-
листирола, эпоксидных полимеров. Химическая стойкость пла-
стмасс позволяет использовать их для защиты от коррозии
строительных конструкций, технологического оборудования, а
также для изготовления коррозионностойких деталей и изделий,
труб, насосов, емкостей и др.
Ценным качеством многих пластмасс является их низкая ис-
тираемость. Это свойство особенно важно в случае применения
пластмасс для устройства полов. Коэффициент истираемости
полимерных материалов для пола составляет 0,06...0,12 г/см2 при
испытании на машине Грассели.
Пластмассы хорошо окрашиваются в массе в любые цвета.
Хорошая окрашиваемость пластмасс по всей толще изделия ис-
ключает необходимость дополнительных декоративных отделок
изделий. Некоторые ненаполненные пластмассы прозрачны и
обладают высокими оптическими свойствами. Так, прозрачность
органических стекол определяется в пределах 83...94 по сравне-
нию с алмазом, прозрачность которого принята за 100 %.
Пластмассы легко обрабатывать: пилить, строгать, свер-
лить. Ценным свойством пластмасс является легкость их техно-
логической переработки - возможность придания им разнооб-
разной формы.
382
Вместе с тем имеются и ограничения по применению пласт-
масс в строительстве, так как им присущи некоторые недостат-
ки, сужающие область их использования (параграф 14.14).
14.8. Способы изготовления изделий
из полимеров и пластмасс
Полимерные материалы могут перерабатываться в изделия
самыми разнообразными методами. При этом параметры пере-
работки (температура и давление) значительно ниже, чем при
переработке таких материалов, как металлы, стекло и керамика.
Способ обработки и ее режим определяются видом полимера и
типом получаемого изделия.
Общая схема производства пластмасс включает традицион-
ные процессы - дозировку и приготовление полимерной компо-
зиции, формование изделий и стабилизацию их формы и физи-
ко-механических свойств.
Приготовление композиций производят на смесителях раз-
личных систем. Для перемешивания сухих композиций обычно
используют турбулентные и шнековые смесители. Специфиче-
ским широко используемым способом приготовления полимер-
ных композиций является вальцевание.
Вальцевание — операция, при которой масса перетирается в
зазоре между обогреваемыми валками, вращающимися в проти-
воположном направлении. Вальцевание позволяет равномерно
перемешать компоненты смеси. При многократном пропускании
массы через валки полимер в результате термомеханических
воздействий переходит в пластично-вязкое состояние. Этот про-
цесс называется пластикацией.
Экструдирование - перемешивание массы в обогреваемом
шнековом прессе (экструдере) с последующим продавливанием
массы сквозь решетку для формования полуфабриката в виде
гранул.
Выбор способа формования зависит в основном от вида по-
лучаемой продукции. Так, листовые материалы формуются
обычно на каландрах, трубы и погонажные профильные изделия
экструдируют, штучные изделия в основном формуют литьем
под давлением.
383
Литье. Получение изделий из термопластичных полимеров
и пластмасс методом литья под давлением в специальных ин-
жекционных машинах производиться по схеме, показанной на
рис. 58а. Термопластичный полимер в виде гранул загружают
в приемный бункер, из которого через воронку они поступают в
цилиндрическую полость инжекционной машины, где электро-
обогревом поддерживается заданная высокая температура. Пе-
риодически приводимый в движение поршень выдавливает раз-
мягченный до пластического состояния материал в разборные
охлажденные прессформы. Отформованные изделия освобож-
дают из форм и направляют на склад. Этим способом изготов-
ляют сплошные изделия небольших размеров, например обли-
цовочные плитки из полистирола.
Рис. 58. Схемы переработки пластмасс в материалы и изделия: а - литье
под давлением (инжекция); б - непрерывное профильное выдавливание (экст-
рузия); в - вальцевание и каландрирование; г - формование под давлением в
прессформах
При простом литье жидкая композиция или расплав зали-
ваются в формы и отвердевают в результате реакций полимери-
зации, поликонденсации или вследствие охлаждения.
Непрерывное профильное выдавливание (экструзия)
(рис. 586). Гранулы термопластичного полимера из загрузочного
бункера поступают в пресс, в котором, нагреваясь, размягчают-
ся Затем материал шнеком подается к головной части машины,
384
где продавливается через мундштук с сечением, соответствую-
щим требуемому профилю изделия.
Методом непрерывного выдавливания изготовляют трубы и
погонажные изделия - лестничные поручни, плинтусы, пленки,
стержни и др.
Переработка на вальцах с последующим каландрирова-
нием. Исходные сырьевые смеси, состоящие из термопластич-
ной смолы, пластификатора и других компонентов, после тща-
тельного перемешивания в обогреваемых механических смеси-
телях пластицируют на горячих вальцах, а затем формуют в
рулонные материалы на специальных машинах - каландрах
(пресс, состоящий из системы валов, рис. 58в). Этим способом
изготовляют одно- и двухслойные рулонные материалы.
Специфическая особенность изделий, отформованных на ка-
ландре, состоит в появлении анизотропии механических
свойств, называемой каландровым эффектом. Этот эффект воз-
никает благодаря ориентации частиц полимера в направлении
каландрирования и оценивается разницей прочности вдоль и
поперек листа.
Пластмассы на основе термореактивных полимеров перера-
батывают в изделия прессованием. При формовании прессова-
нием пресс-порошок, состоящий из порошкообразной терморе-
активной смолы и измельченного наполнителя, подается в обог-
реваемую пресс-форму (рис. 58г). Пресс-порошок при этом
размягчается и под давлением заполняет всю полость формы;
здесь же происходит и отвердевание его в готовые изделия.
В пресс-формах изготовляют детали санитарно- и электротехни-
ческого оборудования, оконные и дверные приборы, фурнитуру,
детали строительных машин и механизмов.
Для плоского прессования строительных листовых пластиков
и панельных изделий применяют многоэтажные (15...20 ярусов)
гидравлические прессы усилием 100...500 кН, обогреваемые пе-
регретой водой или паром. Пакеты для прессования разделяют
металлическими листами и помещают в пресс. При температуре
140... 160 °C в обжатом состоянии происходит склеивание частиц
в изделие. Методом плоского прессования формуют древесно-
стружечные плиты, бумажные слоистые пластики, фанеру.
Методом вспенивания изготовляют пористые теплоизоляци-
онные пластмассы и амортизирующие прокладки.. Пористая
25. Зак. 508
385
структура пластмасс получается в результате вспенивания жид-
ких или вязкотекучих композиций под влиянием газов, выде-
ляющихся при реакции между компонентами или разложении
специальных добавок (порофоров) от нагревания. Вспенивание
также производится механически путем смешивания полимер-
ной композиции с пеной или нагнетания (растворения) в поли-
мере газообразных и легкоиспаряющихся веществ (производство
пенополистирола).
Термоформованием называют переработку нагретых листо-
вых, пленочных, трубчатых пластмассовых заготовок с целью
придания им более сложной формы и получения готовых изде-
лий. Усилие, необходимое для формования, создается механиче-
ски, гидравлически, пневматически, при помощи вакуума или
комбинацией двух из этих способов.
Штампованием нагретых заготовок изготовляют детали ка-
нализационных систем, световые колпаки из оргстекла; вакуум-
формованием нагретых листов - детали санитарно-технического
оборудования из ударопрочного полистирола, виниловых поли-
меров.
14.9. Конструкционные и отделочные материалы
Полимерные строительные материалы, обладающие высокой
прочностью, малой плотностью, стойкостью к действию кислот
и щелочей, а также высокими декоративными свойствами, ши-
роко применяют в качестве конструкционных и отделочных ма-
териалов. Причем одни из них, например стеклопластики и дре-
весно-стружечные плиты, являются конструкционно-отделоч-
ными материалами, другие, например полистирольные облицо-
вочные плитки, - только отделочными.
Конструкционные материалы. В качестве конструкцион-
ных материалов применяют главным образом следующие арми-
рованные пластмассы: стеклопластики, древесно-слоистые пла-
стики, сотопласты, а также органическое стекло и винипласт
листовой.
Стеклопластики представляют собой материалы, состоя-
щие из полимерного связующего и наполнителя - стеклянного
волокна. Стеклянное волокно обеспечивает высокую прочность
386
материала, а смола связывает отдельные волокна, распределяет
усилия между ними и защищает их от внешних воздействий.
По виду и расположению стекловолокнистого наполнителя
стеклопластики делят на три основные группы: стекловолок-
нистый анизотропный материал (СВАМ), стеклопластик на ос-
нове рубленого волокна и стеклопластик на основе стеклоткани
(стеклотекстолит).
Стекловолокнистый анизотропный материал получают ме-
тодом горячего прессования пакета листов стеклошпона. Стек-
лошпон формируют путем наматывания волокон на барабан с
одновременным проклеиванием эпоксидной, фенолоформальде-
гидной или полиэфирной смолой. Стеклошпон содержит 75...80 %
волокна и 20...25 % связующего. При достижении заданной
толщины слой на барабане разрезают, просушивают и форми-
руют пакеты, которые подвергают горячему прессованию. Наи-
большей прочностью обладает СВАМ, изготовленный из воло-
кон диаметром 14... 16 мкм, уложенных в одном направлении.
При таком расположении волокон предел прочности СВАМ при
растяжении достигает 950 МПа, а средняя плотность составляет
1800...2000 кг/м3. Линейные размеры листов СВАМ зависят от
размеров плит горячих прессов. Обычно они имеют длину до
1000 мм, ширину - до 500 мм и толщину - от 1 до 30 мм.
В строительстве из СВАМ изготовляют несущие элементы,
оболочки навесных панелей и пространственных ограждений
конструкций.
Стеклопластики на основе рубленого волокна выпускают в
виде плоских и волнистых листов длиной 1000...6000, шириной
- до 1500 и толщиной - 1...1,5 мм. Методом непрерывного
формования стеклохолст пропитывают полиэфирной смолой,
затем производятся прикатка валками и полимеризация.
Стеклопластики характеризуются плотностью 1400 кг/м3. Их
предел прочности при растяжении - не менее 60 МПа, при
сжатии - не менее 90 МПа, светопропускание - 50...85 %.
Стеклопластики на основе рубленого волокна применяют для
изготовления светопроницаемых ограждений фонарей, свето-
прозрачных перегородок. Полупрозрачные, окрашенные в массе
волнистые стеклопластики используют для отделки балконов и
устройства кровли сооружений малых архитектурных форм -
павильонов, кафе, навесов.
25*
387
Стеклопластик на основе стеклоткани (стеклотекстолит)
получают методом горячего прессования уложенных правиль-
ными слоями в пакеты полотнищ стеклоткани, которую предва-
рительно пропитывают растворами фенолоформальдегидных
смол и подсушивают. Стеклотекстолит выпускают в виде листов
длиной 2400, шириной - 600... 1200 и толщиной - 9...35 мм.
Плотность стекловолокнистых листов - 1850 кг/м3, предел проч-
ности при растяжении - 230, при сжатии - 95 и при изгибе -
120 МПа. Стеклотекстолит, как и другие стеклопластики, обла-
дает высокой тепло- и водостойкостью, хорошей коррозионной
и химической устойчивостью.
Листовой стеклотекстолит предназначен для изготовления
трехслойных панелей, оболочек, волнистой кровли и т. п.
Органическое стекло (полиметилметакрилат) представляет
собой высокопрочный, светоустойчивый, легкий материал. Ор-
ганическое стекло выпускают в виде листов длиной до 1350 мм,
шириной - до 1250 и толщиной - 2. ..6,3 мм. Его применяют для
устройства светопрозрачных ограждений и перегородок, свето-
вых одинарных и двойных вертикальных проемов и куполов
верхнего света общественных и промышленных зданий.
Отделочные материалы - наиболее обширная группа поли-
мерных материалов: листовых, плиточных, рулонных, профиль-
но-погонажных и др. К листовым отделочным материалам отно-
сят декоративные бумажно-слоистые пластики, отделочные дре-
весно-волокнистые и древесно-стружечные плиты и др.
Декоративный бумажно-слоистый пластик — листовой ма-
териал, изготовляемый методом горячего прессования пакетов
из нескольких (15...20) слоев крафтбумаги, предварительно
пропитанной синтетическими смолами. Верхний слой бумажно-
слоистого пластика представляет собой лист одно- или много-
цветной текстурной ненаполненной бумаги или же бумаги с ри-
сунком, отпечатанным типографским способом, пропитанный
бесцветными карбамидными или меламиноформальдегидными
полимерами. Рисунок может имитировать ценные породы дерева
или камня.
Листы бумажно-слоистого пластика имеют длину 400.. .3000 мм,
ширину - 400... 1600 мм и толщину - 1.. .3 мм. Тыльную сторону
пластика делают обычно рифленой, что улучшает сцепление при
388
сплошной наклейке на основание. Плотность бумажно-
слоистого пластика - 1400 кг/м3, предел прочности при изгибе -
не менее 100 МПа. Он не расслаивается, атмосфере- и морозо-
стоек, легко поддается механической обработке (распиловке,
сверлению, строганию и даже гнутью).
Листы декоративного бумажно-слоистого пластика служат
для внутренней отделки культурно-бытовых, торговых и обще-
ственных зданий, а также для изготовления щитов встроенной и
обычной мебели.
Древесно-волокнистые отделочные плиты производят мето-
дом горячего прессования древесно-волокнистых материалов.
Листы формируют по технологии, изложенной в 15.2. При ис-
пользовании сырья с содержанием древесины лиственных пород
более 30 % или при изготовлении сверхтвердых (СТ) и твердых
водостойких (Т-В, Т-СВ) плит плотностью 950... 1100 кг/м3 в
древесно-волокнистую массу вводят упрочняющие добавки -
белковый клей или фенолоформальдегидную смолу СФЖ-3014.
Отделочные древесно-волокнистые плиты имеют длину
2140 (1220)...6100 (5500) мм, ширину - 1220 (610)...2140 (1700)
мм и толщину - 3...6 мм. Они достаточно прочны и обладают
высокими эксплуатационными свойствами. Их применяют для
облицовки стен и встроенной мебели, сверхтвердые плиты - для
устройства полов.
Древесно-стружечные отделочные плиты получают горя-
чим прессованием древесной стружки, смешанной с мочевино-
формальдегидными или фенолоформальдегидными смолами. По
конструкции плиты могут быть одно-, трех- и многослойными.
Древесную стружку сушат, сортируют, смешивают со связую-
щим; на поддонах формируют ковер, который вначале подвер-
гают холодному (1,5... 1,9 МПа в течение 10...30 с), а затем -
горячему прессованию при температуре 140... 165 °C.
Длина древесно-стружечных отделочных плит - 2500.. .3500 мм,
ширина - 1250... 1750 мм и толщина - 10...25 мм. Плотность их
обычно - 600.. .700 кг/м3. Лицевую поверхность плит покрывают
лаками, эмалями и красками, облицовывают шпоном, листовыми
пластиками и другими материалами. Их применяют для устрой-
ства перегородок, отделки встроенной мебели, подвесных по-
толков и др.
389
Существенными недостатками ДСП являются разбухание по
толщине до 20...25 % при контакте с влажной средой и запах
фенольной смолы, который со временем выветривается.
Из термопластичных древеспо-полимерных композиций ме-
тодом экструзии изготовляют плинтусы, наличники, плитки
и панели для облицовки стен (сайдинг), кровельные плитки.
Древесные опилки или другие органические отходы измельчают,
сушат, сортируют, смешивают с ПВХ смолой и гранулиру-
ют. Затем методом непрерывного формования изготовляют из-
делия, которые имеют текстуру древесины и могут быть окра-
шены в любые цвета. Рейки сайдинга легко соединяются друг с
другом.
Полистирольные облицовочные плитки изготовляют методом
литья под давлением на специальных литьевых прессах-авто-
матах из окрашенного минеральными пигментами полистирола.
Размеры полистирольных плиток - 100x100 и 150x150 мм при
толщине 1,25 и 1,35 мм. Тыльная сторона плиток имеет бортик
шириной 6...8 мм и рельефную поверхность, что обеспечивает
прочное приклеивание их к облицовываемой поверхности.
Полистирольные плитки применяют для внутренней обли-
цовки стен и панелей в помещениях с повышенными гигиениче-
скими требованиями и температурно-влажностным режимом
эксплуатации. Не следует использовать их для облицовки стен, к
которым примыкают отопительные приборы.
Декоративные безосновные пленочные материалы - тонкие
полимерные (главным образом поливинилхлоридные) плен-
ки, окрашенные по всей толщине и имеющие с лицевой сторо-
ны рисунок или тиснение, которые имитируют древесину,
ткань, керамическую плитку и т. п. Пленку производят каланд-
рированием, а рисунок наносят способом глубокой печати. Вы-
пускают пленку в рулонах длиной 15 м, шириной 500 мм.
С тыльной стороны наносят слой невысыхающего клея, который
покрывают защитной силиконовой бумагой. Перед применением
бумагу удаляют, а пленку наклеивают на любую гладкую по-
верхность.
390
14.10. Лакокрасочные материалы
Лакокрасочными называют природные или синтетические
материалы, наносимые в жидком состоянии на поверхность из-
делия тонким слоем и образующие после отвердевания покров-
ные пленки. Их наносят на изделия или конструкции с целью
защиты от вредного воздействия атмосферы, пара и газов, пре-
дохранения от коррозии, загнивания и возгорания и главное -
повышения архитектурно-художественной выразительности
фасадов и внутренних помещений жилых и промышленных
зданий.
К лакокрасочным материалам относят: готовые красочные
вещества (строительные краски), которые предназначены для
образования непрозрачного декоративного и защитного покры-
тия заданного колера; связующие вещества, пигменты и краси-
тели, служащие для изготовления красочных веществ; лаки,
применяемые для образования отделочного прозрачного по-
кровного слоя; эмали и вспомогательные материалы - шпатлев-
ки, грунтовки, растворители лаков и красок, пластификаторы и
отвердители полимерных составов и специальные добавки, на-
пример сиккативы.
Пигменты характеризуются химическим составом, дисперс-
ностью, укрывистостью, маслоемкостью, красящей способно-
стью, светостойкостью, химической стойкостью и антикоррози-
онной стойкостью. Химический состав обусловливает цвет, кор-
розионную и химическую устойчивость, термостойкость,
укрывистость - способность краски, приготовленной на олифе
и пигменте, закрывать первоначальный цвет при равномерном
нанесении на поверхность. Укрывистость характеризуется коли-
чеством пигмента в граммах на 1 м2 окрашиваемой поверхности.
Красящая способность (интенсивность цвета) - свойство пиг-
мента передавать свой цвет в смеси с белыми, черными или си-
ними пигментами. Маслоемкость - способность пигмента удер-
живать определенное количество масла. Чем меньше масла
(олифы) требует пигмент для получения красочной пасты, тем
выше стойкость красочного покрытия и больше укрывистость
пигмента. Дисперсность - тонкость помола частиц пигмента -
оказывает значительное влияние на его укрывистость и крася-
391
щую способность. Размеры частиц пигмента не должны превы-
шать толщину пленки красочного покрытия во избежание шеро-
ховатостей и неровностей. Наибольшая укрывистость пигмента
достигается при измельчении его в пределах 0,2... 10 мкм. Све-
тостойкость - способность пигмента сохранять свой цвет под
воздействием света. Атмосферостойкостъ - способность пиг-
мента, не изменяя цвета, противостоять воздействию атмосфер-
ных факторов: кислорода воздуха, сернистых и других газов,
а также попеременному замораживанию и оттаиванию, увлаж-
нению и высыханию. Химическая стойкость - способность не
изменять первоначального цвета под воздействием щелочей и
кислот. Антикоррозионная стойкость — способность пигмента
в красочном составе предохранять от ржавления черные метал-
лы. Некоторые пигменты (свинцовый и железный сурик, свин-
цовые белила и др.) обладают весьма высокими антикоррозион-
ными свойствами.
В целях экономии пигментов и придания краскам повышен-
ной кислото- и огнестойкости в них вводят наполнители - тон-
кодисперсные неорганические вещества обычно белого цвета.
В качестве наполнителей в красочных составах используют
каолин, измельченный тальк, пылевидный кварц, асбестовую
пыль и др.
В настоящее время наибольшее значение приобретают син-
тетические лакокрасочные материалы, эмульсионные краски и
новые минеральные красочные вещества, иногда требующие
перед употреблением введения растворителей или разбавителей.
Красочные вещества в зависимости от связующего компо-
нента разделяют на масляные краски; лаки; эмалевые и эмульси-
онные краски; полимерные, полимерцементные и водоразбав-
ляемые красочные вещества.
Масляные красочные вещества представляют собой суспен-
зии пигментов, иногда с наполнителями, в олифе. Их получают
путем тщательного перетирания пигментов в натуральной или
искусственной олифе на специальных краскотерочных машинах.
Промышленность вырабатывает масляные краски двух типов:
густотертые, требующие перед употреблением разбавления
олифой, и готовые к употреблению. Густотертые краски содер-
жат минимальное количество олифы - 12...20 %, а готовые
392
к употреблению красочные вещества - 30...50 % по массе. Наи-
большей атмосферостойкостью обладают краски, приготовлен-
ные на натуральной олифе.
Масляные краски на олифах из растительных масел приме-
няют для наружной и внутренней окраски по металлу, дереву и
просохшей штукатурке.
Лаками называют растворы синтетических или природных
смол, битумов и других пленкообразующих веществ в летучих
растворителях. После нанесения на обрабатываемую поверх-
ность тонкого слоя лака растворитель испаряется, в результате
чего образуется твердая, блестящая, часто прозрачная пленка.
Дополнительную прочность пленке придает полимеризация
смолы в тонком слое. Кроме двух основных компонентов лаки
содержат еще различные добавки - пластификатор, отвердитель
и другие, улучшающие свойства лакового покрытия. Назначение
лаков — защита изделий от агрессивных агентов и декоративная
отделка поверхности.
В зависимости от пленкообразующих веществ и растворите-
лей лаки разделяют на следующие виды.
Смоляные и масляно-смоляные лаки — растворы алкидных и
других синтетических полимеров (смол) в органических раство-
рителях. Масляно-смоляные лаки дополнительно содержат вы-
сыхающие масла. В строительстве получили распространение
лаки на основе мочевиноформальдегидных, перхлорвиниловых
и поливинилхлоридных композиций. Такие лаки широко приме-
няются для наружной и внутренней отделки по дереву.
Битумные лаки представляют собой растворы битумов в ор-
ганических растворителях. Такие лаки образуют пленки черного
цвета, обладают высокими антикоррозионными свойствами, ат-
мосферостойкостью. Для улучшения свойств, снижения хрупко-
сти при отрицательных температурах в битумный лак вводят
высыхающие растительные масла. Битумные лаки применяют
для защиты металлических конструкций.
Нитроцеллюлозные лаки - растворы нитроцеллюлозы совме-
стно с пластификатором в органических растворителях. Эти ла-
ки быстро отвердевают, образуя блестящую поверхность в виде
пленки коричневого цвета. Их применяют для лакирования ме-
393
бели и различных изделий из древесины. Нитролаки огнеопасны
и при высыхании выделяют вредные пары растворителя.
Силиконовые кремнийорганические лаки получают на основе
кремнийорганических полимеров, модифицированных другими
высокомолекулярными веществами. Они отличаются повышен-
ной температурной устойчивостью и способностью выдержи-
вать кратковременное воздействие высоких температур (до
500 °C). Их применяют обычно для окраски дымовых труб, пе-
чей и других сооружений, испытывающих при эксплуатации по-
вышенные температуры.
Эмалевыми красками (эмалями) называют красочные веще-
ства, получаемые путем тщательного смешения лака с пигмен-
том и наполнителем. В качестве пигментов для эмалевых красок
используют цинковые или титановые белила, кроны различного
колера, ультрамарин, железный сурик и некоторые органические
пигменты. Эмали разделяют на масляные, приготовленные на
масляных лаках; нитроэмали - на нитролаках; глифталевые - на
глифталевых лаках и др.
Строительные эмали на глифталевой основе используют для
внутренних отделочных работ по дереву и штукатурке. Нитро-
глифталевые эмали применяют для внутренней и наружной по-
краски.
Перхлорвиниловые лаки и эмалевые краски водостойки и ис-
пользуются в основном для наружных малярных работ. Их вы-
пускают в виде дисперсии полимера в растворителе.
Эпоксидные эмали получают на основе эпоксидного полиме-
ра и органических растворителей (ацетона, толуола и др.). Их
применяют для защиты металлических конструкций.
Для приготовления красочных составов в настоящее время
широко используют неорганические связующие вещества. К во-
доразбавляемым красочным веществам следует отнести водно-
известковые и водно-цементные краски, силикатные краски,
водно-клеевые и казеино-клеевые составы.
Фасадные краски в зависимости от связующего вещества
разделяют на минеральные (известковые, силикатные и сили-
катно-дисперсионные краски) и полимерные (водно-диспер-
сионные акриловые краски, краски на основе силиконовых смол
и полимеризационной смолы).
394
Водно-известковые краски приготовляют с использованием
воздушной или гидравлической извести и щелочестойких пиг-
ментов. Для предотвращения чрезмерно быстрого высыхания
пленки в состав краски вводят хлористые соли. Красочная плен-
ка образуется благодаря процессу карбонизации извести. Этот
процесс протекает довольно медленно, что необходимо учиты-
вать при обработке материала. Известковые краски не отлича-
ются долговечностью, однако широко используются в строи-
тельстве благодаря их низкой стоимости. Известковые красоч-
ные составы наносят обычно на новые или старые штукатурки,
которые не покрашены или имеют старое минеральное покрытие.
Цементные краски являются более атмосфероустойчивыми
по сравнению с известковыми. В их состав входят белый порт-
ландцемент, известь-пушонка, щелочестойкий пигмент и другие
компоненты, повышающие водостойкость. Образование проч-
ной пленки красочного вещества обусловлено гидратацией це-
мента и затвердеванием суспензии. Они применяются для от-
делки фасадов зданий и стен внутренних помещений.
Силикатные краски представляют собой смеси из раствори-
мого калиевого стекла, щелочестойких пигментов и наполните-
лей (мела, талька, диатомита, трепела и др.). Пленка силикатной
краски становится прочной и малорастворимой в воде вследст-
вие гидролиза силиката калия и образования нерастворимых си-
ликатов кальция и водного кремнезема
K2SiO3 + ЗН2О = 2КОН + SiO2 • 2Н2О.
Образовавшаяся едкая щелочь связывается наполнителем -
диатомитом или трепелом
2КОН + mSiO2 = К2О • mSiO2 + Н2О.
В процессе отвердевания силикатных красок, который обыч-
но называют окременением, для улучшения их качества и проч-
ности необходимо, чтобы активный кремнезем присутствовал в
подложке и в краске (в качестве наполнителя).
Силикатные краски достаточно атмосферостойкие и исполь-
зуются для окраски фасадов зданий^ Наиболее атмосферостой-
кие красочные покрытия получаются при окраске поверхностей
свежего цементного бетона, содержащего свободную гидро-
окись кальция, а также цементной и известковой штукатурки.
395
Немецкая фирма Caparol поставляет на рынок Беларуси дис-
персионные и модифицированные силикатные краски, содержа-
щие дополнительно дисперсии полимеров и гидрофобных ве-
ществ. Такие краски обладают высокой проницаемостью для
водяного пара и СО2, хорошей адгезией к основанию, высокой
водоотталкивающей способностью и атмосферостойкостью. I
Краски на основе силиконовых смол Caparol (AmphiSilan,
ThermoSan) сочетают в себе лучшие свойства силикатных и дис-
персионных красок. В качестве связующего вещества использу-
ются кремнийорганические соединения в виде водных дисперсий.
Силиконовые краски отличает высокая адгезия к основанию,
долговечность и высокая паропроницаемость, в то же время ок-
рашенные ими стены надежно защищены от всех вредных атмо-
сферных воздействий. Особенность силиконовых красок - это
совместимость с практически всеми типами подложек и способ-
ность к самоочищению, т. е. частицы пыли и грязи не прилипа-
ют к поверхности окрашенного фасада и смываются вместе
с дождем, что позволяет фасаду надолго оставаться чистым.
‘о Водно-дисперсионные акриловые краски предназначены для
окраски цементно-известковых и полимерцементных штукату-
рок. В Беларуси широкое применение получила водно-дис-
персионная акриловая краска Muresko-plus производства фирмы
Caporol. Это - модифицированная силоксаном, водоотталкиваю-
щая матовая краска, особо стойкая к старению и воздействию
ультрафиолета.
Краски на основе полимеризационной смолы (Duparol) при-
меняют для нанесения на рыхлые, сильно обветренные поверх-
ности или такие, которые приходилось очищать от высолов, а
также при покраске фасада в зимних условиях. Связующее ве-
щество в этих красках растворено в растворителе, в результате
чего краски отличаются высокой проникающей способностью в
подложку, высокой адгезией на гладких плотных подложках
(бетон, асбестоцементные листы) и возможностью нанесения
при температурах ниже +5 °C.
Краски для внутренних работ не должны выделять вредные
вещества в окружающую среду и должны быть стойкими к бы-
товым дезинфицирующим веществам, а при необходимости -
и к истиранию, мойке или сухой протирке.
Следует отметить, что современные защитно-отделочные со-
ставы наносятся на предварительно подготовленную поверх-
396
ность, которая шпатлюется, шлифуется (при необходимости) и
покрывается грунтовкой. Грунтовка необходима для улучшения
сцепления окрасочного состава с отделываемой поверхностью.
Грунтовкой может быть сама краска, разбавленная растворите-
лем, или специально приготовленная композиция, как правило,
на том же связующем, что и краска.
14.11. Материалы для полов
Среди различных видов материалов полимерные в наиболь-
шей степени отвечают всем требованиям, предъявляемым к по-
крытиям полов. Они - гигиеничны и технологичны, затраты вре-
мени и труда на устройство покрытия пола из полимерных
материалов значительно (в 5... 10 раз) ниже, чем из традицион-
ных (паркет, доски).
Рулонные материалы для полов - это разнообразные виды
линолеума. Предшественником его была клеенка, описанная в
патенте за 1697 г.
Слово «линолеум» произошло от латинских lenum - лен и
oleum - масло, т. е. льняное масло. Оно является одним из ком-
понентов натурального линолеума. Рецепт приготовления был
прост: из масла и смолы варили смесь, в которую добавляли
пробку, древесную муку и мел, после чего смесь раскатывали на
ткани. Так получалось плотное, однородное и не слишком гиб-
кое полотно. Натуральный линолеум используют в основном в
общественных помещениях (больницах, детских садах, школах),
потому что он обладает повышенной износостойкостью. Есть
еще одно отличие натурального линолеума от покрытия из ПВХ:
он бывает только однотонным, без рисунков, разве что с легки-
ми мраморными разводами или вкраплениями.
Основной объем выпускаемого линолеума приходится на до-
лю поливинилхлоридного (ПВХ). Его отличают такие свойства,
как биостойкость, гигиеничность, декоративность, малые себе-
стоимость и трудозатраты на устройство пола.
ПВХ линолеум выпускают как безосновный, так и на основе
(тканевой, бумажной, войлочной, вспененной). Независимо от
наличия основы линолеум может состоять из нескольких поли-
мерных слоев. Верхний — лицевой слой обладает более высокой
397
стойкостью к истиранию, т. е. содержит меньше наполнителей,
более эластичен и декоративно оформлен. Последующий слой
более жесткий, содержит меньше полимерного связующего.
В качестве основы используют льняные, джутовые, хлопча-
тобумажные, стеклянные и другие ткани. Наполнителями слу-
жат обычно тонкоизмельченные минеральные (каолин, мел,
тальк, барит) либо органические (древесная мука) порошки. Для
окрашивания полотна применяют минеральные или органиче-
ские пигменты и красители.
ПВХ линолеум изготовляют промазным, вальцово-каландро-
вым и экструзионным способами. Последними двумя способами
изготовляют безосновный линолеум. Процесс производства ос-
новного линолеума промазным способом включает следующие
основные операции: приготовление пигментной пасты, приго-
товление линолеумной пасты, нанесение пасты на движущуюся
основу, термообработка пасты на валках каландра, охлаждение,
обрезка и намотка в рулоны. В качестве основы используют
льняные, джутовые и кенафные ткани.
Вальцово-каландровый способ основан на получении высо-
конаполненной массы методом пластикации в смесителях и на
вальцах с последующим формированием полотна на каландре.
Сырьем для получения линолеума вальцово-каландровым спо-
собом служит суспензионный поливинилхлорид, который сме-
шивают с порошкообразным наполнителем и добавками пла-
стификаторов и стабилизаторов в обогреваемом роторном сме-
сителе, а затем пластицируют на вальцах. После пластикации
полотно линолеума формируется на четырехвалковом каландре.
При изготовлении многослойного линолеума его дублируют
(склеивают) с отделочной пленкой и теплозвукоизоляционной
основой.
Линолеум выпускают в рулонах шириной 1200...2000 мм,
длиной - не менее 12 м. Толщина в зависимости от вида линоле-
ума- 1,2...6 мм.
К основанию пола линолеум крепят на специальных масти-
ках. От правильности настилки во многом зависит его долговеч-
ность. Это относится и ко всем остальным полимерным мате-
риалам - только при строгом соблюдении правил монтажа
398
и эксплуатации пластмассы в полной мере проявляют свои по-
ложительные свойства.
Рулоны линолеума хранят в вертикальном положении в су-
хом помещении при температуре не ниже 10 °C. Если он был
доставлен с более низкой температуры, его выдерживают в по-
мещении, не распаковывая в течение одних суток. За несколько
суток до настилки линолеум раскатывают, чтобы ликвидировать
волнистость, образовавшуюся при хранении в рулонах.
Резиновый линолеум (релин) - это многослойный материал,
лицевой слой которого изготовлен из цветной резины на синте-
тических каучуках, а нижние - из резиновой смеси с использо-
ванием старой дробленой резины. Часто средний слой делают
пористым. Каждый слой изготовляют отдельно, затем соединя-
ют и вулканизируют каучук. Релин настилают в помещениях с
повышенной влажностью, к которым предъявляются высокие
гигиенические требования (кухни, санитарно-технические узлы,
раздевалки).
Мастичные бесшовные покрытия получают нанесением
путем полива или распыления на бетонные основания полов
вязкотекучих полимерных составов с последующим отвердева-
нием при комнатной температуре. Толщина слоя составляет
5... 10 мм. После затвердевания (обычно 1...3 сут.) образуется
сплошное бесшовное покрытие. Такие покрытия отличаются
достаточной химической и износостойкостью, а также хорошим
сопротивлением ударным нагрузкам.
В зависимости от вида полимерного компонента различают
составы на водных дисперсиях полимеров (например, на поли-
винилацетатной дисперсии или латексах) и на жидких терморе-
активных олигомерах (на полиэфирных и эпоксидных смолах).
Второй тип мастичных составов дает более прочное и химиче-
ски стойкое покрытие. Высокими физико-механическими свой-
ствами характеризуется покрытие состава: смола эпоксидная
алкилрезорциновая ЭИС-1 - 1 мае. ч.; наполнитель (андезитовая
мука) - 4 мае. ч.; модификатор (низкомолекулярный полиэти-
лен) - 20 % от массы смолы, отвердитель (полиэтиленполиа-
мин) - 12 % от массы смолы.
Связующим для поливинилацетатных составов служит пла-
стифицированная водная дисперсия с содержанием поливинил-
399
ацетата не менее 50 %. Наполнителями являются молотые песок,
перлит, золы ТЭС, маршалит и др. Приготовляют мастику в рас-
творомешалках, куда последовательно загружают отдозирован-
ное количество дисперсии, воды, наполнителя и пигмента.
Состав по массе: дисперсия, вода, наполнитель и пигмент —
1 : 0,4 : 1,8 : 0,2. Перемешивание осуществляется до получения
однородной массы и длится 4...5 мин. Мастика наносится в
2 или 3 слоя, причем каждый последующий слой наносится по-
сле высыхания предыдущего. В целом покрытие имеет толщину
2...3 мм. Мастичные поливинилацетатные полы целесообразно
применять в помещениях, где предъявляются повышенные тре-
бования к его чистоте. Не следует их применять там, где ведутся
мокрые процессы, возможны частые ударные нагрузки на пол,
не исключена возможность попадания на пол кислот, щелочей
или их растворов.
Ковровые материалы (ковролины) - это одно- или двух-
слойные ворсовые ковры, верхний слой которых выполнен из
ворсовой пряжи, а нижний - из вспененной поливинилхлорид-
ной пленки или латекса. Верхнее покрытие выполняется из син-
тетических волокон: полиамидных, полиэфирных, полиакрило-
нитрильных, полипропиленовых и др. Полиамидные волокна
являются одними из лучших для формирования ворса. Ворс из
полиамидных волокон весьма устойчив к истиранию и обладает
высокими упругими свойствами.
В зависимости от технологии изготовления ковровые мате-
риалы подразделяются на тканые, ворсово-прошивные (тафтин-
говые), клеевые (нетканые) и иглопробивные (войлочные). Тка-
ный ковролин - самый прочный и дорогой, потому что его де-
лают так же, как обычные ковры. Ковролины могут быть также
беспетлевые, петлевые и с разрезным ворсом. Высота ворса со-
ставляет, как правило, 4...8 мм, а толщина основы - 2...8 мм.
Основа наносится на ворс либо в жидком виде, либо дублируется с
ворсовым полотном. Ворс может быть также наклеен на основу.
Простегивание - наиболее распространенный метод при из-
готовлении ковровых покрытий. Такую технологию называют
тафтингом. Она заключается в прошивке ворсовыми нитями
тканой основы. В 1950 г. была спроектирована машина, которая
вставляет ворсовую пряжу в основу при помощи синхронной
400
работы иголок и крючков для вытягивания петель. Принцип ра-
боты этой машины тот же, что и швейной. Основное отличие
заключается в количестве игл, которые расположены очень
близко друг к другу. Каждая игла простегивает нить сквозь ос-
нову. С изнаночной стороны нить подхватывается крючком, ко-
торый делает петельку, формируя петельчатый ворс. Если это
необходимо, крючок снабжается режущим лезвием, которое раз-
резает петельку, после того как она сформирована. Таким обра-
зом изготовляется стриженый ворс. После этих операций пряжа
закрепляется латексом, а затем наносится вторичная вспененная
основа. Тафтинг позволяет получать различные виды ковровых
покрытий.
Нетканый ворсовый материал ворсолин также состоит из
двух слоев. Верхнее покрытие выполнено из ворсовой пряжи, а
основа - из поливинилхлоридной пленки. Основа может быть
также теплозвукоизоляционной из войлока, пенополиуретана,
пенолатекса и др. Производство ворсолина включает три основ-
ные операции: получение поливинилхлоридной пасты или дру-
гой основы, изготовление петель из ворсовой пряжи на специ-
альной петлеформующей машине и формирование ковра. Вор-
солин выпускается в рулонах длиной 6 м, шириной 0,7 м
и толщиной 5 мм.
Иглопробивной материал ворсонит состоит из одного или
двух слоев. Нижний слой двухслойного ворсонита получают из
вспененного латекса. Процесс изготовления ворсонита включает
следующие операции: подготовку волокнистого сырья, холсто-
образование, скрепление холста иглопробивкой, пропитку жид-
ким связующим (латексом), сушку, термообработку и отделку
холста. Последняя заключается в тиснении, крашении, нанесе-
нии печатного рисунка и антистатической обработке. Ширина
ворсонита - 1600 мм, толщина ворсового покрытия - 2, 5 мм.
Применяют ковры для устройства полов в гостиницах, чи-
тальных и концертных залах, жилых помещениях.
Ламинатные покрытия. Слово «ламинат» - сокращенный
вариант от слова «ламинированный». Специалисты называ-
ют этот вид покрытия еще «ламинированный пол». Ламинат -
это пластины длиной 1,2...2 м, шириной 19...20 см и толщи-
ной 7...8 мм. Бывает ламинат и квадратной формы (38x38 или
26. Зак. 508
401
19x19 см). Большинство «рисунков» ламинированных полов
имитируют ценные породы дерева. Из-за этого, кстати сказать, и
возникла путаница между ламинатом и паркетом. На самом деле
ламинат давно перестал быть просто имитацией паркета, а пре-
вратился в самостоятельный вид напольного покрытия. Ламинат
бывает не только «под дерево», но и «под камень» - мрамор,
гранит. Он может имитировать металлические и гладкокраше-
ные поверхности. В последнее время в моду вошел ламинат с
«фантастическими мотивами», орнаментами и даже изображе-
нием каких-то предметов - скажем, фруктов. Пластины ламина-
та «под дерево» обычно длинные, как доски. Крупные квадраты
чаще всего используют для ламинатов с «каменным» и «метал-
лическим» декором, а мелкие - для орнаментов и других декора-
тивных элементов. Пластины разных форм при укладке легко
комбинировать.
Согласно европейскому стандарту существует шесть клас-
сов ламината - 21-, 22-, 23-, 31-, 32-, 33-й. Ламинат 21-го класса
пригоден для жилых помещений с легкой нагрузкой (спальня,
кабинет); 22-го - со средней (гостиная), 23-го класса - с высокой
(кухня, прихожая). К 31...33-м классам относят ламинаты, кото-
рые способны выдерживать нагрузки, характерные для общест-
венных помещений. Для легких нагрузок подойдет ламинат
31-го класса (конференц-зал), для средних - 32-го (офис, клас-
сные комнаты), для высоких - 33-го класса (магазин, спорт-
зал, бар).
Структура и свойства ламината. Ламинат не имеет практи-
чески ничего общего ни с паркетной доской, ни тем более со
штучным паркетом. Разве только то, что основу ламината дела-
ют из отходов древесины. Структура этого напольного покрытия
напоминает многослойный пирог со слоями разной толщины,
который побывал под тяжелым прессом. У каждой фирмы-
производителя свои секреты его приготовления, но все «пироги»
имеют, как минимум, четыре слоя: защитный верхний (прочная
пленка из специальных смол); декоративный (пропитанная смо-
лой бумага с нанесенным на нее рисунком); основной (несущая
древесно-волокнистая плита высокой плотности - HDF) и ста-
билизирующий нижний (парафинированная или пропитанная
смолой бумага) (рис. 59).
402
1
Рис. 59. Схема устройства ламинирован-
ного покрытия: 1 - защитный; 2 - декора-
тивный; 3 - основной (HDF); 4 - стабили-
зирующий слои
Верхний слой (overlay) - покрытие из меламиновой или ак-
рилатной смолы. Оно бывает одно- и многослойным, может
включать микроскопические минеральные частицы (корунд), его
подвергают дополнительным видам обработки - например элек-
тронными лучами, покрывают сверху неэлектризующейся плен-
кой и т. п. Этот слой «отвечает» за такие свойства ламината, как
абразивная устойчивость (сопротивление истиранию), невос-
приимчивость к пятнам, химикатам, действию солнечных лучей,
устойчивость к появлению царапин и других механических по-
вреждений.
Декоративный слой выделяется как отдельный элемент чисто
формально, поскольку при прессовании смола верхнего слоя
пропитывает бумажную картинку и образует с ней единое целое.
Основа большинства ламинатов - древесно-волокнистая пли-
та высокой плотности толщиной 6,7...7,7 мм (HDF, что по-
английски звучит как high density flag). Она существенно отли-
чается по своим свойствам от обычной ДВП1 средней плотности,
которая традиционно применяется в строительстве и мебельном
производстве. При изготовлении любой ДВП из древесных
волокон сначала делают довольно «рыхлые» брикеты, которые
Во всем мире ДВП известна под аббревиатурой МДФ (MDF) - Medium
Density Fiberboard's, что в переводе с английского означает «древесно-
волокнистая плита средней плотности». Но многие почему-то считают, что
ДВП и МДФ - разные вещи. Даже пытаются находить различия между ними.
26*
403
затем прессуют при определенном давлении и температуре (па-
раграф 14.9). В зависимости от режима прессования получают
либо MDF, либо HDF. Последняя отличается высокой механиче-
ской прочностью (в частности, прочностью на излом), водостой-
костью, которая в среднем в 1,5...2 раза выше, чем у MDF, а
также меньшим содержанием формальдегидных смол. Таким
образом, несущая плита ламината обеспечивает ударопрочность,
устойчивость к давлению и длительным нагрузкам. Дополни-
тельные слои служат для улучшения какого-то свойства ламина-
та. В большинстве случаев это специальная пленка, которая на-
ходится между декоративным слоем и основой и служит для по-
вышения ударопрочности покрытия.
14.12. Трубы, санитарно-технические
и погонажные изделия
В последние годы в строительстве широко применяют трубы,
санитарно-технические изделия и детали оборудования, изго-
товленные из пластмасс.
Пластмассовые трубы получают методом непрерывной
шнековой экструзии из полиэтилена, полибутилена, полипропи-
лена, поливинилхлорида и других полимерных материалов. Тру-
бы выпускают диаметром от 6 до 150 мм при толщине стенок от
2 до 8 мм. Они рассчитаны на рабочее давление до 1,2 МПа.
Трубопроводы из пластмасс используют в разных областях на-
родного хозяйства, в том числе и в строительстве, где они слу-
жат для водоснабжения, канализации, вентиляции и др. Пласт-
массовые трубы имеют достаточную прочность и эластичность,
не подвержены коррозии, обладают высокой водо- и химической
стойкостью, малой массой, низкой теплопроводностью, имеют
гладкую внутреннюю поверхность, на которой не осаждаются
минеральные вещества. Гидравлическое сопротивление жидко-
стям в пластмассовых трубах меньше, чем в чугунных. Кроме
того, за счет выпуска длинномерных пластмассовых труб обес-
печивается возможность сокращения количества соединений,
что снижает трудоемкость и стоимость монтажа трубопровода.
При этом эксплуатация пластмассовых труб обходится дешевле,
чем металлических. Отрицательным свойством труб из пласт-
404
масс является низкая теплостойкость, поэтому их нельзя монти-
ровать вблизи источников выделения теплоты, имеющих на сво-
ей поверхности температуру выше 60 °C (для полиэтилена),
40...70 °C - для поливинилхлорида. Кроме того, полимерные
трубы обладают большим коэффициентом линейного расшире-
ния, а поливинилхлоридные выделяют при горении ядовитые
вещества - диоксины. Несмотря на высокую стоимость пласт-
массовых труб, перспективность расширения их производства и
применения не вызывает сомнений.
Металлополимерные трубы состоят из нескольких слоев
разноцветного полиэтилена, разделенных слоем металла, как
правило, алюминия около 2 мм толщиной. Применяемый при
производстве труб полиэтилен является одним из самых инерт-
ных полимеров. Благодаря составляющим их материалам трубы
не подвержены коррозии. В них не происходит накопление
осадков, потому что шероховатость внутренней поверхности в
100 раз меньше, чем у обычных стальных труб. Эти факторы
повышают пропускную способность металлополимерных труб
на 20 % по сравнению с металлическими того же диаметра.
Многослойные трубы являются кислородонепроницаемыми.
Полимерные трубы соединяют в раструб с помощью резино-
вых колец, сварки и клея, а металлополимерные - с помощью
резьбовых соединений.
Санитарно-технические изделия. Пластмассы являются хо-
рошим материалом для изготовления самых различных санитар-
но-технических изделий и приборов - умывальников, раковин,
унитазов, смывных бачков, ванн, сифонов, смесителей, вентиля-
ционных решеток и т. п. В зависимости от вида изделий и усло-
вий эксплуатации они могут быть либо полностью пластмассо-
выми, либо с частичным применением металлов. Методы изго-
товления санитарно-технических изделий различны и зависят от
массы и размеров изделия.
Погонажные изделия. К погонажным строительным изде-
лиям, изготовляемым на основе полимеров, относят плинтусы,
поручни для лестниц, балконов и других ограждений, накладки
на ступени лестничных маршей, раскладки для крепления и об-
работки швов листовых и рулонных облицовочных материалов,
рейки для облицовки стен, наличники дверные и оконные, гер-
405
метизирующие и уплотняющие прокладки для окон, дверей и
стыков в крупнопанельных зданиях.
Погонажные изделия получают в основном экструзионным
методом из композиций на основе поливинилхлоридной смолы.
Эти изделия характеризуются достаточной эластичностью, теп-
лостойкостью, малой горючестью, химической стойкостью, во-
донепроницаемостью, гигиеничностью и рядом других ценных
свойств.
14.13. Применение полимеров в бетонах и растворах
Цементные бетоны - главнейший строительный материал -
не лишены недостатков. В частности, пористость бетона делает
его недостаточно морозе- и коррозионностойким, а также про-
ницаемым для жидкостей. Цементные бетоны быстро разруша-
ются под действием кислот. В некоторых случаях бетон нельзя
применять из-за его хрупкости и невысокой износостойкости;
кроме того, свежий бетон плохо сцепляется с поверхностью ста-
рого бетона. Подобных недостатков не имеют бетоны, в которых
минеральное вяжущее частично или полностью заменено поли-
мерами.
Эта группа включает бетоны, в которые вводится значитель-
ное количество полимеров, создающих в структуре материала
полимерную фазу и существенно влияющих на его строение и
свойства. В мировой практике для таких бетонов начали упот-
реблять термин «П-бетоны». Их можно подразделить на четыре
группы: цементно-полимерные бетоны, полимербетоны и поли-
меррастворы, бетонополимеры и бетоны, содержащие поли-
мерные материалы (заполнители, дисперсную арматуру или
микронаполнители).
Цементно-полимерные бетоны — это цементные бетоны с
добавками различных высокомолекулярных органических со-
единений в виде водных дисперсий полимеров (продуктов
эмульсионной полимеризации различных полимеров: винилаце-
тата, винилхлорида, латексов и др.) или водорастворимых кол-
лоидов (поливинилового и фурилового спиртов, эпоксидных во-
дорастворимых смол, полиамидных и мочевиноформальдегид-
406
ных смол). Добавки вводят в бетонную смесь при ее при-
готовлении.
Цементно-полимерные бетоны характеризуются наличием
двух активных составляющих - минерального вяжущего и орга-
нического связующего. Вяжущее вещество с водой образует це-
ментный камень, склеивающий частицы заполнителя в монолит.
Полимер по мере удаления воды из бетона образует на поверх-
ности пор и капилляров, зерен цемента и заполнителей тонкую
пленку, которая обладает хорошей адгезией и способствует по-
вышению сцепления между заполнителем и цементным камнем,
улучшает монолитность бетона и работу материала под нагруз-
кой. В результате цементно-полимерный бетон приобретает по-
вышенную по сравнению с обычным бетоном прочность при
растяжении и изгибе, более высокую непроницаемость, морозо-
стойкость и адгезию к основанию. В то же время такой бетон
имеет повышенную деформативность и иногда проявляет сни-
жение прочности при водном хранении.
Наиболее распространенными добавками полимеров в це-
ментные бетоны являются поливинилацетатная эмульсия
(ПВАЭ) и латексы (в количестве 5...25 % от массы цемента в
расчете на сухое вещество), а также водорастворимые смолы
(0,5...2 % от массы цемента).
Применяют цементно-полимерные бетоны для покрытия по-
лов промышленных предприятий, взлетных полос аэродромов,
устройства резервуаров для воды и нефтепродуктов, для наруж-
ной отделки по бетонным и кирпичным поверхностям.
Полимербетоны и полимеррастворы - это материалы, по-
лученные в результате затвердевания рационально подобран-
ной смеси полимерного связующего, наполнителей и запол-
нителей.
В качестве связующего для полимербетонов наиболее часто
применяют термореактивные смолы: эпоксидные, фурановые и
полиэфирные. Для улучшения свойств смесей и затвердевания
композиции вводят пластификаторы (дибутилфталат, касторовое
и минеральное масло), растворители (бензин, ацетон и др.), от-
вердители (зависит от вида смолы) и модификаторы. Отвердева-
ние полимерного связующего осуществляется при обычной тем-
пературе, а в некоторых случаях - с сухим подогревом.
407
Наполнители (тонкодисперсные порошки: андезитовая мука,
цемент, мел, алюминиевая пудра, молотый кварцевый песок)
уменьшают расход полимера и изменяют свойства материала в
нужном направлении (повышают механическую прочность,
-уменьшают усадку, придают теплостойкость и т. д.).
В качестве заполнителей применяют обычные кварцевый пе-
сок и щебень фракции 5...20 мм в высушенном состоянии.
Свойства полимербетонов зависят от вида смолы, состава бе-
тона, технологии получения. Наибольшей прочностью при сжа-
тии (до 100 МПа) обладают полимербетоны на основе эпок-
сидной смолы. Для них характерна также низкая пористость
(1...2 %), высокая химическая стойкость, стойкость к истира-
нию, высокая клеящая способность. Наряду с этим полимербе-
тоны характеризуются повышенной деформативностью и невы-
сокой термостойкостью.
Полимербетоны находят применение для изготовления кор-
розионностойких конструкций химических производств, уст-
ройства полов на промышленных предприятиях, ремонта камен-
ных и бетонных конструкций.
Бетонополимеры - это композиционные материалы, полу-
ченные пропиткой обычного тяжелого бетона полимерами с по-
следующим отвердеванием в порах. Готовые бетонные или же-
лезобетонные изделия или конструкции подвергают специаль-
ной обработке, которая включает сушку изделий, ваку-
умирование, пропитку специальным составом и полимеризацию,
если для пропитки используются мономеры. В результате обра-
ботки либо достигают увеличения долговечности и непроницае-
мости бетона, если его пропитывают вязкими составами без их
последующей полимеризации и упрочнения, например битума-
ми, петролатумом, либо получают новые материалы, по свойст-
вам значительно превосходящие бетон, если его пропитывают
мономером с последующей его полимеризацией в теле бетона.
Сушка бетона в течение 6 ..20 ч необходима для удаления
воды из пор и капилляров материала. Вакуумирование обеспе-
чивает более глубокую очистку пор и капилляров, а также уда-
ляет из бетона воздух; является желательной, но не всегда обяза-
тельной операцией.
Если необходимо только закрыть доступ воде и агрессивным
жидкостям и газам, то используют петролатум, разбавленные
408
смолы, расплавленные битумы или серу. Пропитку ведут в ван-
нах в течение 6... 15 ч, а затем охлаждение - 3...8 ч. Глубина про-
питки составляет 1...3 см. Для более значительного изменения
структуры и свойств бетона используют жидкие мономеры (ме-
тилметакрилат или стирол), полимеры (эпоксидные и полиэфир-
ные смолы) и различные композиции на их основе. Нагретые
изделия помещают в автоклав, вакуумируют 1...2 ч, затем пода-
ют пропиточный состав и вакуум заменяют на избыточное дав-
ление 0,8 ..1,2 МПа. Глубина пропитки жидкими мономерами
составляет 10...20 см и более.
Пропитка бетона мономером с его последующей полимери-
зацией в теле бетона приводит к резкому увеличению прочности
и улучшению других свойств бетона. Прочность бетонополиме-
ра на сжатие по сравнению с исходным контрольным бетоном
повышается в 2... 10 раз, вместо бетона М200...М500 получают
бетонополимер марок М800.. М2000. Прочность сцепления бе-
тона с арматурой возрастает с 1...2 МПа для исходного бетона
до 10... 18 МПа, морозостойкость - с 200 до 5000 циклов.
Специальную обработку бетона полимером целесообразно
проводить для повышения долговечности изделий, работающих
в агрессивных условиях, а также для получения изделий с осо-
быми свойствами (износостойких, электроизоляционных, газо-
непроницаемых и др.).
Существенные недостатки бетонополимера — значительное
усложнение технологии бетона, увеличение стоимости изделия и
необходимость тщательного соблюдения техники безопасности.
14.14. Ограничения при применении пластмасс
в строительстве
Наряду с множеством положительных свойств пластмассы
имеют ряд отрицательных. Например, у большинства пластмасс
низкая теплостойкость - 60...80 °C (полистирол, поливинилхло-
рид, полиэтилен и др.), у некоторых - не более 200 °C (на основе
фенолоформальдегидных смол) и лишь у кремнийорганичсских
полимеров - до 350 °C.
Многие пластмассы горючи, выделяют ядовитые газы при
горении. К легко воспламеняемым и сгораемым с обильным вы-
409
делением сажи относятся полиэтилен, полистирол, производные
целлюлозы. Трудносгораемыми являются поливинилхлорид, по-
лиэфирные стеклопластики, фенопласты, которые при повы-
шенной температуре способны лишь обугливаться. Совершенно
негорючими являются пластмассы с большим содержанием хло-
ра, фтора или кремния. Кроме горючести необходимо учитывать
свойства выделяющихся при нагревании продуктов разложения,
среди которых могут быть такие опасные, как соляная кислота,
фосген, угарный газ. Опасность отравления ядовитыми продук-
тами может устраняться введением специальных добавок в про-
цессе изготовления пластмасс.
При переработке пластмасс и их эксплуатации внутри поме-
щений нередко выделяются токсичные вещества (фенол и фор-
мальдегид из древесно-стружечных плит, растворители или пла-
стификаторы из линолеумов или плиток и т. п.) из-за незавер-
шенности процессов полимеризации (поликонденсации) или
содержания летучих растворителей. Поэтому применение в
строительстве новых полимерных материалов должно быть
санкционировано органами санитарного надзора.
Значительный недостаток пластмасс - высокий коэффици-
ент термического расширения - (25... 120) • 10 5 град"1, т. е. в
2,5... 10 раз выше, чем у стали. Это свойство необходимо учиты-
вать при проектировании большеразмерных элементов. В то же
время пластмассам свойственна усадка при отвердевании, дос-
тигающая 5...8 %.
Отдельные виды пластмасс склонны к старению, т. е. их
свойства под влиянием теплоты, света, кислорода воздуха, иони-
зирующего излучения со временем ухудшаются. Процесс старе-
ния может ускоряться под действием механических нагрузок, а в
отдельных случаях - также сопровождаться выделением хими-
ческих соединений, имеющих неприятный запах и иногда вред-
ных для здоровья. Поэтому при выборе полимерных материалов
для облицовки стен, устройства полов в жилых и производст-
венных помещениях необходимо это учитывать.
При использовании пластмасс для изготовления несущих
элементов строительных конструкций должны учитываться осо-
410
бенности применяемых конструктивных материалов. Например,
изменчивость свойств пластмасс больше, чем металлов, бетона
или керамики. Это относится к стеклопластикам, пенопластам,
пленкам и другим изделиям из полистирола, полиметилметакри-
лата, полиэфиров, полиэтилена, свойства которых могут изме-
няться в особенно широких пределах.
У большей части пластмасс модуль упругости значитель-
но ниже, чем у металлов. У стали, например, он составляет
200 ГПа, у алюминия и его сплавов - 50...70 ГПа, у жестких
конструкционных пластмасс величина модуля упругости в зави-
симости от характера и длительности нагрузки, а также от атмо-
сферных воздействий (температуры и относительной влажности
воздуха) может изменяться от 1 до 10 ГПа.
Изделия и конструкции из пластмасс, находящиеся под дли-
тельной нагрузкой, обладают большой ползучестью (рост де-
формаций). С повышением температуры ползучесть возрастает и
приводит к нежелательным деформациям конструкций (проги-
бы, провисание).
На механические свойства пластмасс и их внешний вид
(цвет, прозрачность и т. п.) влияют влажность воздуха, содержа-
ние в нем кислорода, озона, промышленных газов и паров, сол-
нечный свет.
Широкое использование пластмасс породило новую эколо-
гическую проблему. Готовые полимеры и материалы на их ос-
нове (при условии правильно проведенного синтеза и перера-
ботки) в большинстве своем безвредны. Однако отслужившие
свой век пластмассовые изделия не вписываются в природный
цикл: они не гниют и не разлагаются под действием природных
агентов, поэтому их количество постоянно увеличивается. При
сжигании полимеры разлагаются с выделением токсичных низ-
комолекулярных продуктов. Пластмассы на основе термопла-
стичных полимеров могут использоваться вторично, но это не
решает полностью проблему их утилизации. Один из вариантов
решения этой проблемы - получение биологически разлагаемых
полимеров, разработке которых в настоящее время уделяется
серьезное внимание.
411
Таким образом, применение полимеров в строительстве
должно санкционироваться органами санитарного и пожарного
надзора, а сохранение свойств и долговечность на протяже-
нии заданного периода эксплуатации должны подтверждаться
результатами испытаний в аккредитованных испытательных
центрах.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Что такое природные и искусственные полимеры?
2. Какие полимеры получают полимеризацией, а какие поликонденсацией?
В чем заключается различие их свойств?
3. В чем состоит различие свойств термопластичных и термореактивных
полимеров?
4. Назовите природные олигомерные и полимерные продукты, области их
применения.
5. Что такое пластические массы? Что применяют для их получения?
6. В чем заключается эффект наполнителя?
7. Какие основные свойства присущи пластмассам?
8. Какими способами изготовляют изделия из пластмасс?
9. Как изготовляют конструкционные изделия из пластмасс? Назовите их
виды.
10. Какие виды полимерных отделочных материалов для стен вы знаете?
11. Какие компоненты входят в состав лакокрасочных материалов? Назо-
вите основные свойства пигментов.
12. Что представляют водоразбавляемые фасадные краски? Где их исполь-
зуют?
13. Назовите виды, свойства и способы производства полимерных мате-
риалов для полов.
14. Какие полимерные санитарно-технические и погонажные изделия при-
меняются в строительстве? В чем их преимущества?
15. Что такое цементно-полимерные бетоны и где их используют?
16. Как получают полимербетоны и полимеррастворы? Назовите их свой-
ства и область применения.
17. Что такое бетонополимеры?
18. Какие недостатки полимерных материалов необходимо учитывать при
определении области их использования в строительстве?
412
Глава 15. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ
В связи с возрастающей стоимостью энергии и проблемами с
топливно-энергетическими ресурсами актуальной становится
задача повышения эффективности тепловой изоляции ограж-
дающих конструкций и тепловых агрегатов. С 1994 г. в Рес-
публике Беларусь установлены новые нормативные значения
теплового сопротивления стен и других ограждающих конст-
рукций. Они в 2,5...3,5 раза выше прежних. Побудительной при-
чиной для этого явились большие потери тепловой энергии че-
рез поверхности зданий, сооружений, теплотрасс и возросшая
цена на энергоносители.
Решить эту задачу, используя только традиционные материа-
лы, нельзя (например, для этого надо увеличить толщину кир-
пичной стены в 3 раза). Обеспечить заданные значения теплово-
го сопротивления ограждающих конструкций можно только с
помощью использования специальных высокоэффективных теп-
лоизоляционных материалов.
15.1. Классификация теплоизоляционных материалов
Теплоизоляционными материалами называют разновидность
строительных материалов, обладающих низкой теплопроводно-
стью и предназначенных для тепловой изоляции зданий, соору-
жений и оборудования. Применение этих материалов в строи-
тельстве позволяет снизить массу конструкций и облегчить на-
грузку на несущие конструкции, уменьшить топливные и
энергетические затраты на изготовление продукции, а также на
эксплуатацию зданий.
К теплоизоляционным относят материалы, теплопроводность
X которых не превышает 0,175 Вт/(м • °C). Средняя плотность их
в сухом состоянии - не более 500 кг/м3.
Малая теплопроводность обусловлена наличием в структуре
материала большого числа пор, заполненных воздухом - плохим
проводником теплоты. Теплопроводность воздуха составляет
413
0,025 Вт/(м °C). Пористость теплоизоляционных материалов
может достигать 98...99 %, следовательно, все они очень легкие.
На теплопроводность сильно влияет влажность материала: теп-
лопроводность воды составляет 0,58 Вт/(м • °C), что в 20 раз
больше, чем воздуха, а льда - 2,3 Вт/(м • °C) - в 100 раз больше.
Поэтому теплоизоляционные материалы необходимо защищать
от увлажнения (используют покровные материалы).
Теплоизоляционные материалы в зависимости от назначения
подразделяют на изоляционно-строительные, используемые для
утепления ограждающих конструкций, и изоляционно-монтаж-
ные - для утепления трубопроводов и промышленного оборудо-
вания. Однако деление это условно, так как некоторые материа-
лы используют для изоляции как строительных конструкций,
так и промышленных объектов.
Теплоизоляционные материалы классифицируют по:
• форме - плоские (плиты, блоки, кирпичи), шнуровые, рых-
лые (вата, перлитовый песок и др.) и фасонные (цилиндры, сег-
менты и др.);
• структуре - волокнистые (минераловатные, древесно-
волокнистые и др.), зернистые (перлитовые, вермикулитовые) и
ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло, пенопласты
и др.);
• виду исходного сырья - неорганические и органические;
• средней плотности - особо низкой плотности (марки по
плотности 15, 25, 35, 50 и 75), низкой плотности (марки 100, 125,
150 и 175), средней плотности (марки 200, 225, 250, 300 и 350) и
плотные (марки 400, 450, 500);
• сжимаемости - на группы и марки, указанные в табл. 29;
• теплопроводности -
класс А - низкой теплопроводности (теплопроводность при
средней температуре 25 °C - до 0,06 Вт/(м -°C));
класс Б - средней теплопроводности (теплопроводность при
средней температуре 25 °C - от 0,06 до 0,115 Вт/(м -°C));
класс В - повышенной теплопроводности (теплопровод-
ность- от 0,115 до 0,175 Вт/(м °C)).
414
Таблица 29
Классификация теплоизоляционных материалов по сжимаемости
Вид изделий Относительное сжатие, % при удельной нагрузке, МПа
0,002 0,04 о,1
Мягкие (М) Более 30 - -
Полужесткие (П) От 6 до 30 - -
Жесткие (Ж) До 6 - -
Повышенной жесткости (ПЖ) - До ю -
Твердые (Т) - - До 10
15.2. Органические теплоизоляционные материалы
Органические теплоизоляционные материалы применяют
для теплоизоляции конструкций при температуре, как правило,
не более 100 °C. В сравнении с неорганическими органические
материалы характеризуются меньшей теплопроводностью при
одинаковой средней плотности, однако имеют невысокие пре-
дельную температуру применения (60... 150 °C) и биостойкость,
являются горючими.
Древесно-волокнистые плиты изготовляют измельчением
неделовой древесины или других растительных материалов (ка-
мыша, костры, соломы) в водной среде до получения волокни-
стой массы. В смесь добавляют парафиновую эмульсию, анти-
септики и антипирены. Из этой массы отливкой формуют плиты,
а затем сушат. Таким образом производятся мягкие изоляцион-
ные плиты плотностью от 100 до 400 кг/м3. Если перед сушкой
плиты уплотняют или высушивают под горячим прессом, то по-
лучают полутвердые и твердые плиты меньшей толщины, но
большей прочности.
Прочность высокопористых изоляционных плит обеспечива-
ется за счет переплетения тонких и длинных волокон между со-
бой. Прочность других видов плит достигается путем примене-
ния горячего прессования, при котором древесные волок-
на склеиваются выделяющимися из древесины клеющими веще-
ствами.
415
Мягкие плиты выпускают размерами: длина -1220. ..3000 мм,
ширина - 1220 мм и толщина - 8, 12 и 16 мм.
Льнокостричные плиты по свойствам и технологии произ-
водства аналогичны мягким ДВП. Для улучшения свойств изде-
лий в размолотую волокнистую массу вводят 5...7 % грубо-
го льняного волокна. Средняя плотность плит составляет
200...220 кг/м3.
Применяют древесно-волокнистые плиты в конструкциях
сборно-щитовых зданий, для изоляционно-отделочной обшивки
стен, а также устройства звукоизоляционных прокладок в кон-
струкциях пола.
Газонаполненные пластмассы относятся к наиболее эффек-
тивным теплоизоляционным материалам. Их получают вспени-
ванием различных полимеров: полистирола, поливинилхлорида,
фенолоформальдегидных смол, полиуретана. Различают пено-
пласты, в структуре которых преобладают замкнутые поры, и
поропласты - с преимущественно сообщающимися порами. Пе-
нопласты имеют самую низкую теплопроводность среди извест-
ных теплоизоляционных материалов: X. = 0,023...0,045 Вт/(м °C).
Пенополистирол составляет более 50 % общего объема вы-
пуска пенопластов. Пенополистирол марки ПСБ плотностью 15,
25, 35 и 50 кг/м3 производится для целей строительства беспрес-
совым способом. Бисерный полистирол, насыщенный при изго-
товлении легкокипящей жидкостью (изопентаном), обрабаты-
вают паром; предвспененные гранулы выдерживают, а затем
формуют изделия с окончательным вспучиванием и спеканием
гранул. Пенополистирольные плиты применяют для утепления
ограждающих конструкций жилых зданий.
Пенополиуретан производят непрерывным способом (на
конвейере), способом заливки (в форму или конструкцию) или
напыления. Особенность производства пенополиуретанов - спо-
собность смеси вспениваться и отверждаться при комнатной
температуре без подогрева. Основой пенополиуретанов являют-
ся полиэфирные смолы, которые при смешивании с изоцианата-
ми отверждаются с выделением СО2. Для регулирования порис-
тости вводят эмульгаторы, а скорости отверждения и вспенива-
ния - катализаторы. Получаемые пенопласты характеризуются
416
средней плотностью 35...350 кг/м3, водопоглощением 0,1...0,2 %
и рабочей температурой применения (- 60 ...+150) °C.
На основе полиуретановых и фенольных пенопластов изго-
товляют трехслойных панели и плиты, наружные слои которых
выполнены из асбестоцемента, алюминия или стеклопластика, а
внутренний - из пенопласта. Применяют трехслойные панели
для устройства навесных стен и кровли промышленных зданий и
специальных сооружений. Такие панели характеризуются легко-
стью и простотой монтажа, высокими теплозащитными свойст-
вами и малой массой. Напыляемый пенополиуретан применяют
для теплоизоляции труб и оборудования, в качестве монтажной
изоляции.
Арболит изготовляют из смеси цемента, органических за-
полнителей, химических добавок и воды. В качестве органиче-
ских заполнителей используют дробленые отходы древесных
пород, сечку камыша, костру конопли или льна и др. Технология
изготовления изделий из арболита проста и включает операции
по подготовке органических заполнителей (например, дробле-
ние отходов древесных пород), смешивание заполнителя с рас-
твором химдобавок, а затем - с цементным тестом, укладку по-
лученной смеси в формы и уплотнение, твердение отформован-
ных изделий. В качестве химдобавок применяют хлористый
кальций или жидкое стекло.
Арболит характеризуется невысокой плотностью - менее
700 кг/м3, прочность при сжатии колеблется от 0,5 до 3,5 МПа,
теплопроводность - 0,1...0,22 Вт/(м -°C). Он обладает рядом
ценных строительных качеств: биостоек, трудносгораем, моро-
зостоек, хорошо пилится и сверлится. Изделия из арболита в ви-
де плит и панелей применяют для возведения навесных и само-
несущих стен и перегородок, а также в перекрытиях и покрыти-
ях малоэтажных зданий в сочетании с железобетоном.
Торфяные плиты получают прессованием торфяной гидро-
массы с отводом воды и последующей тепловой обработ-
кой. Водостойкость плит низкая. Плотность торфяных плит -
150...250 кг/м3. Размеры плиты следующие: длина - 1000 мм,
ширина - 500 мм и толщина - 30 мм.
Камышитовые плиты производят путем прессования на
станках стеблей камыша и прошивки их в поперечном направ-
27. Зак. 508
417
лении оцинкованной проволокой. Длина плиты-2000.. .3000 мм,
ширина - 500... 1500 мм и толщина - 50... 100 мм. По плотно-
сти плиты выпускают трех марок: 175, 200 и 250, теплопро-
водность их - 0,06...0,09 Вт/(м -°C), влажность по массе - не
более 18 %.
Из камышитовых плит устраивают каркасные стены и внут-
ренние перегородки, они служат для утепления перекрытий жи-
лых малоэтажных зданий и сельскохозяйственных построек.
15.3. Неорганические теплоизоляционные материалы
Основные положительные свойства неорганических тепло-
изоляционных материалов - огнестойкость и биостойкость -
сочетаются с высокими теплоизоляционными качествами. Из
неорганических теплоизоляционных материалов наиболее рас-
пространены минеральная вата и изделия из нее, стеклянная ва-
та, ячеистые бетоны, пеностекло, вспученный перлит.
Минеральная вата и изделия из нее по объему производства
занимают первое место среди всех теплоизоляционных материа-
лов благодаря хорошим теплоизоляционным свойствам, не-
ограниченной сырьевой базе и относительной простоте
производства.
Минеральная вата - это материал, который состоит из
тонких стекловидных волокон, получаемых из расплавленных
горных пород (базальтов, габбро, диабазов, доломитов и дру-
гих - каменная вата) или металлургических шлаков - шлако-
вая вата. Теплоизоляционные свойства минеральной ваты
обусловлены высоким содержанием воздуха между волокнами
(до 95 %).
Производство минеральной ваты состоит из двух основных
технологических процессов: получения силикатного расплава
и превращения этого расплава в волокна диаметром 1...12 мкм.
В большинстве случаев силикатный расплав изготовляют
в вагранках - шахтных плавильных печах, в которые минераль-
ное сырье и топливо (кокс) загружают поочередно. Расплав с
температурой 1300... 1400 °C непрерывно выпускают из нижней
части печи.
418
Существуют три способа превращения расплава в минераль-
ное волокно: дутьевой, центробежный и комбинированный.
Сущность дутьевого способа заключается в том, что на струю
жидкого расплава, вытекающего из летки вагранки, воздейству-
ет струя водяного пара или газового потока. Центробежный спо-
соб основан на использовании центробежной силы вращающих-
ся валков или дисков для превращения струи расплава в тон-
чайшие минеральные волокна толщиной 2... 7 мкм и длиной
2...40 мм. Комбинированный способ представляет собой сочета-
ние двух предыдущих и позволяет получать наиболее качест-
венную вату диаметром до 1 мкм и без корольков (неволокни-
стых включений). Полученные волокна осаждаются в камере
волокноосаждения на движущуюся ленту.
Выпускают вату в виде бесформенной волокнистой массы
желтовато-серого или зеленовато-серого цвета. По плотности ее
подразделяют на марки 80 и 100. Теплостойкость минеральной
ваты в зависимости от исходного сырья достигает 700... 1000 °C.
Она трудоемка в применении и склонна к слеживанию, поэтому
из нее в основном выпускают готовые изделия.
Минераловатные изделия получают путем склеивания во-
локон различными связующими (синтетическими смолами, би-
тумом, крахмалом) или, реже, прошивкой минеральной ваты,
покрытой с двух или одной стороны бумагой (сеткой или тка-
нью). Выпускают гибкие, полужесткие, жесткие и твердые ми-
нераловатные изделия. К гибким изделиям относят минераль-
ный войлок, прошивные маты и теплоизоляционный шнур.
Минеральный войлок получают путем уплотнения минераль-
ной ваты, смоченной битумной эмульсией или синтетической
смолой. Он бывает марок от 100 до 200 в виде рулонов или лис-
тов толщиной 30.. .60 мм.
Минераловатные прошивные маты — полотнища из мине-
ральной ваты с обкладками с одной или двух сторон, прошитые
проволокой или нитью. Выпускаются длиной 1000...2500 мм,
шириной 500...2500 мм, толщиной 40... 120 мм, плотно-
стью 30... 130 кг/м3.
27*
419
Минераловатные плиты различной жесткости производят
путем пропитки минераловатного ковра синтетическим связую-
щим и уплотнения с последующей термообработкой; плотность
плит в зависимости от вида изделий составляет 50...250 кг/м3.
Минеральную вату и изделия из нее применяют для утепле-
ния наружных конструкций зданий, а также для устройства зву-
коизолирующих слоев в перекрытиях и внутренних стенах зда-
ний. В промышленном строительстве минеральную вату и из-
делия из нее, кроме того, применяют для изоляции холодиль-
ных камер, тепловых сетей (трубопроводы горячей воды, пара и
т. п.), оборудования теплоэлектростанций, котельных и др.
Каменная вата на базальтовой основе ROCKWOOL произ-
водства Дании применяется для теплоизоляции коммуникаций,
перекрытий, кровель, а также для утепления фасадов. Изделия
из нее снижают уровень шума лучше, чем из минеральной ваты,
на 20...30 %. Они устойчивы к воздействию влаги: благодаря
низкому водопоглощению влага практически не изменяет харак-
теристик изделий и не влияет на долговечность.
Стеклянная вата и изделия из нее. Стеклянная вата - мате-
риал, состоящий из беспорядочно расположенных стеклянных
волокон, полученных из расплавленного сырья. Сырьем для
производства стекловаты служат сырьевая шихта для варки
стекла (кварцевый песок, кальцинированная сода и известняк)
или стеклянный бой. Производство стеклянной ваты и изделий
из нее состоит из следующих технологических процессов: варка
стекломассы в ванных печах при температуре 1300... 1400 °C,
изготовление стекловолокна и формование изделий.
Стеклянное волокно значительно большей длины, чем во-
локна минеральной ваты, и отличается большими химиче-
ской стойкостью и прочностью. Плотность стеклянной ваты -
75...125 кг/м3, теплопроводность - 0,04...0,052 Вт/(м • °C), пре-
дельная температура применения стеклянной ваты составляет
450 °C. Из стекловолокна выполняют маты, плиты, полосы и
другие изделия, в том числе тканые.
420
В Республике Беларусь находит широкое применение стек-
ловата ISOVER производства Финляндии и России. Стекловата
используется для теплоизоляции полов, стен, потолков в кир-
пичных, бетонных и других конструкциях, а также в качестве
звукоизоляции в конструкциях с двойной стеной.
Пеностекло (ячеистое стекло) - легкий и прочный материал
ячеистого строения с пористостью 80...90 %. Его получают из
стеклянного боя или специально сваренного стеклогранулята с
добавлением газообразователей (0,5...3 % мела или угля от мас-
сы стекла). Полученную смесь измельчают в мельнице, загру-
жают в формы и нагревают до вспенивания, а затем быстро ох-
лаждают. Газообразователь, разлагаясь или сгорая, выделяет
газообразные продукты, вспенивающие размягченные тонко-
дисперсные частицы стекла, при охлаждении которых образует-
ся пеностекло. Поры в пеностекле замкнутые, поэтому оно прак-
тически не поглощает влагу и не тонет в воде. Пеностекло хо-
рошо обрабатывается - пилится, сверлится.
Плотность пеностекла - 200...300 кг/м3; прочность при сжа-
тии - 3...6 МПа, теплопроводность - 0,06...0,12 Вт/(м • °C). Про-
мышленность выпускает пеностекло в виде плит толщиной око-
ло 100 мм и размером 500x1000 мм. Применяют пеностекло для
тепловой изоляции при возведении гидротехнических сооруже-
ний, машинных отделений судов, наружных стен и покрытий
гражданских и промышленных зданий.
Теплоизоляционные плиты из ячеистого бетона произво-
дят по технологии, изложенной в 8.2. Они выпускаются сле-
дующих марок по плотности: 250; 300; 350 и 400; теплопровод-
ность - 0,07...0,11 Вт/(м • °C); прочность при сжатии - от 0,6 до
2 МПа. Плиты имеют размеры (мм): длина от - 500 до 1000, ши-
рина - от 400 до 600 и толщина - от 80 до 240.
Плиты из ячеистого бетона применяют для утепления стен из
мелкоштучных материалов, кровли, изготовления перегородок и
теплоизоляции оборудования с температурой до 400 °C.
Вспученный перлит получают обжигом природных вулка-
нических стекол - перлита, обсидиана, витрофира. Исходную
421
породу дробят до заданных размеров, подсушивают в сушиль-
ном барабане, а затем обжигают в печи при температуре
900... 1200 °C. Вспучивание зерен происходит за счет интенсив-
ного удаления химически связанной воды (в виде пара) в момент
перехода перлита в пиропластическое состояние. Перлит явля-
ется стеклом и при нагреве размягчается.
Частицы сыпучих материалов светлые, часто белые. По-
ристость перлитового песка - свыше 90 %, средняя плотность -
75...500 кг/м3. Теплопроводность перлитового песка зависит от
его средней плотности и составляет 0,047...0,093 Вт/(м • °C).
Вспученный перлит легко впитывает воду и медленно ее отдает.
Водопоглощение перлита очень высокое и возрастает с умень-
шением его частиц: для зерен крупнее 2 мм - 300 % по массе,
0,25...0,5 мм - более 800 % по массе.
Песок применяют для устройства теплоизоляционных засы-
пок, а также в составе изделий - битумоперлита, цементоперли-
та, пластоперлита, керамоперлита и других, перлитовый ще-
бень - для изготовления легкого бетона. Температура примене-
ния засыпок из вспученного перлита - (-200.. .+800) °C.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие материалы называют теплоизоляционными?
2. Почему эти материалы делают пористыми?
3. Как классифицируют теплоизоляционные материалы?
4. В чем заключается технико-экономическая эффективность тепловой
изоляции?
5. Почему теплоизоляционные материалы надо защищать от увлажнения?
6. Чем характеризуются теплоизоляционные материалы на основе древес-
ного и растительного сырья?
7. Что такое газонаполненные пластмассы и как их производят?
8. Как производят минеральную вату и изделия на ее основе?
9. Что такое пеностекло?
10. Как производят и где применяют вспученный перлит? В чем его основ-
ной недостаток?
422
Глава 16. ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
16Л. Классификация гидроизоляционных материалов
и общие требования к ним
Гидроизоляционными называют материалы, предназначенные
для защиты строительных конструкций от увлажнения и фильт-
рации воды. Пароизоляция — разновидность гидроизоляции, ко-
торая предотвращает проникновение пара в утеплитель (в ре-
зультате охлаждения происходит конденсация пара и снижаются
теплозащитные свойства изоляции).
Основное свойство гидроизоляционных материалов - водо-
стойкость - обусловлено тем, что в их состав входят органиче-
ские вяжущие вещества - битумы, дегти, синтетические смолы
(полимеры). Все перечисленные вяжущие придают гидроизоля-
ционным материалам кроме водостойкости также способность
сопротивляться агрессивному действию солей, кислот и щело-
чей. Вяжущие гидрофобны и водонепроницаемы, так как прак-
тически не содержат пор. При повышении температуры органи-
ческие вяжущие размягчаются, а при понижении - становятся
более твердыми и хрупкими. Они обладают универсальной
клеящей способностью, что позволяет наносить их на любые
поверхности.
Гидроизоляционные материалы классифицируют:
по способу нанесения и условиям эксплуатации -
• окрасочные (силикатные и цементные краски, битумные и
битумно-полимерные эмульсии, лаки и эмали);
• обмазочные (битумные, дегтевые и полимерные мастики);
• уплотняющие (бетоны и растворы на минеральных вяжу-
щих и органических связующих);
• штукатурные (коллоидный цементный клей, цементно-
песчаные растворы с уплотняющими добавками, растворы на
расширяющихся цементах, асфальтовые растворы);
• оклеенные (рулонные, пленочные и листовые материалы);
• пропиточные (битумы, дегти, полимеры);
• инъекционные (те же, что и пропиточные, только наносятся
под давлением);
423
• засыпные (гидрофобные порошки, глина);
по физическому состоянию и внешнему виду — жидкие; пла-
стично-вязкие; твердые и упруговязкие;
по виду вяжущего - битумные; дегтевые; битумно-полимер-
ные; полимерные; резино-битумные; минеральные.
Тип гидроизоляции выбирают в зависимости от условий экс-
плуатации сооружений. Гидроизоляция должна быть эластичной
и гибкой, чтобы не давать трещин во время эксплуатации, лег-
кой и не занимать большого объема.
16.2. Жидкие материалы
Жидкие материалы делят на пропиточные, инъекционные,
пленкообразующие и грунтовочные.
Пропиточные материалы - жидкости, проникающие в поры
поверхностных слоев материала и образующие там водонепро-
ницаемые или гидрофобизирующие поверхность пор барьеры
(органические связующие, мономеры термореактивных смол,
жидкое стекло, битумная эмульсия и кремнийорганические
жидкости).
Битумы - органические вяжущие черного цвета, состоящие
из смеси высокомолекулярных углеводородов и соединений уг-
леводородов с серой, азотом и кислородом. Битумы встречаются
в природе в виде битуминозных горных пород и битумных озер,
но в основном используют нефтяные битумы, получаемые при
переработке нефти. Из битуминозных пород битум извлекают,
обрабатывая измельченную массу горячей водой или путем воз-
действия на породу органических растворителей. Этот способ
называют экстрагированием.
Для битумов характерны следующие свойства. При комнат-
ной температуре они находятся в твердом, вязком, вязкопла-
стичном и жидком состояниях. Твердые битумы при нагревании
до 80... 160 °C или добавлении растворителей (керосина, лигрои-
на, уайт-спирита и др.) переходят в жидкое состояние и в таком
виде хорошо смачивают и пропитывают другие материалы. Вяз-
кость пропитывающего битума должна быть 5...25 с по стан-
дартному вискозиметру с диаметром 3 мм при 25 °C. При охла-
424
ждении до 20...25 °C или испарении растворителя битумы за-
твердевают, прочно склеиваясь с другими материалами. Мате-
риалы, покрытые битумом, приобретают гидрофобные (водоот-
талкивающие) свойства, так как сам битум водонепроницаем и
водостоек.
По своему внутреннему строению битум представляет кол-
лоидную систему, где дисперсионной средой служит раствор
смол в маслах, а фазой - асфальтены, карбены и карбоиды, кол-
лоидно растворенные в виде макромолекул. Под влиянием сол-
нечной радиации, кислорода воздуха и высоких температур со-
став битума изменяется путем перехода масел в смолы, а смол -
в асфальтены.
Недостатки битума - горючесть и малый интервал темпера-
тур, когда битум находится в виде твердого, но не хрупкого ве-
щества. При понижении температуры до -10...-20 °C битумы
становятся хрупкими, а при температурах выше 50...60 °C
начинают течь. Чтобы увеличить интервал рабочих температур,
к битуму добавляют резину, синтетический каучук и полимеры,
а для повышения теплостойкости - минеральные порошки (на-
полнители). Технические свойства битумов изменяются в связи
с их способностью «стареть». Под влиянием атмосферных фак-
торов битум может менять свои пластичные и вяжущие свойст-
ва, приобретая хрупкость.
Строительные битумы выпускают трех марок: БН50/50,
БН70/30 и БН90/10. Буквы БН обозначают - битум нефтяной;
первая цифра в обозначении марки - температуру размягчения
битума, которая находится в пределах 50... 100 °C, а вторая - вяз-
кость (глубину проникания иглы).
Битумные эмульсии приготовляют путем тонкого дисперги-
рования расплавленного битума в воде в специальных маши-
нах - диспергаторах, гомогенизаторах, установках с использо-
ванием ультразвуковых колебаний. Производство эмульсии
включает следующие процессы: разогрев битума до 90... 120 °C,
приготовление эмульгатора, диспергирование вяжущего в воде с
добавлением водного раствора эмульгатора. Чтобы капельки
битума не слипались, т. е. чтобы эмульсия была устойчива, вво-
дят эмульгаторы (сульфитно-спиртовая барда, асидол, олеиновая
425
кислота). Приблизительный состав эмульсий (%): битум -
50...60, вода - 50...40, добавки - 1...3. Для увеличения водостой-
кости битумных эмульсий в их состав вводят известковое моло-
ко (2...4 %), латекс СКС-65 (до 10 %). При нанесении битумной
эмульсии на поверхность или при испарении воды защитные
оболочки эмульгатора разрушаются и капли битума сливаются в
сплошную массу.
Применяют битумные эмульсии для устройства гидро- и па-
роизоляционных покрытий, грунтовки оснований под гидроизо-
ляцию и гидрофобизации бетона. Наносить эмульсии можно как
на сухое, так и на влажное основание.
. Дегти - органические вяжущие черного или темно-бурого
цвета полутвердой и жидкой консистенции, получаемые при су-
хой перегонке твердых топлив (угля, торфа, древесины).
Деготь представляет собой сложную дисперсную систему,
средой в которой служат масла, а дисперсной фазой - свобод-
ный углерод и твердые смолы. На поверхности частиц углерода
содержатся слои молекул вязкопластичных смол, кислых и ос-
новных веществ. В зависимости от концентрации таких мицелл
изменяются структура и вязкостные свойства дегтя. Его струк-
тура приближается к типу суспензии, поэтому вязкость сущест-
венно зависит от концентрации твердой фазы, механических и
тепловых воздействий. Дегти быстрее стареют, чем битумы, что
приводит к охрупчиванию искусственных конгломератов, изго-
товленных на их основе.
Дегти, в отличие от битумов, обладают сильным характер-
ным запахом, обусловленным присутствием в них фенола и его
производных. Эти вещества являются антисептиками. Поэтому
деготь и материалы на его основе применяют не только для гид-
роизоляции, но и для защиты от гниения.
Кроме самого дегтя в строительстве применяют каменно-
угольный пек - остаточный продукт перегонки каменноугольных
смол, представляющий собой черную хрупкую массу. Исполь-
зуют пек как добавку к жидким дегтям для получения дорожных
и строительных дегтей, лаков и пропиточных составов. Раство-
рением каменноугольного пека в ароматических продуктах (то-
426
луоле, ксилоле) получают кузбасслак. Недостаток дегтя и дегте-
вых материалов - меньшая долговечность, чем битумов.
В качестве пропиточной гидроизоляции применяют гидро-
фобизирующие кремнийорганические жидкости ГКЖ-10 (11) в
виде водно-спиртовых растворов 3...5%-й концентрации или
ГЮК-94 в виде растворов 0,5... 10%-й концентрации в аромати-
ческих растворителях. Растворы наносят кистью или распыле-
нием на поверхность железобетонных конструкций, при этом
водоотталкивающий эффект сохраняется 2...5 лет.
В настоящее время для пропиточной гидроизоляции строи-
тельные фирмы широко используют материалы, произведенные
в США и Германии, например материалы типа Пенетрон, в со-
став которого входят портландцемент, молотый кварцевый пе-
сок и добавки. При нанесении на бетонную поверхность он
кольматирует поры, капилляры и трещины, повышая водоне-
проницаемость, морозо- и коррозионную стойкость бетона.
16.3. Пластично-вязкие материалы
Для создания слоя гидроизоляции на изолируемой поверхно-
сти или приклейки рулонных материалов к основанию приме-
няют битумные и дегтевые мастики, эмульсии, пасты, растворы
и бетоны.
Мастики представляют собой пластичные вещества, полу-
чаемые смешением органических вяжущих веществ (битумов,
дегтей, синтетических каучуков и полимеров) с наполнителями
и пластификаторами. Наполнители снижают текучесть мастик
при высоких температурах и придают им тиксотропные свой-
ства. Пластификаторы повышают их эластичность при низких
температурах. По исходному сырью мастики бывают битумные,
резино-битумные, дегтевые, гудрокамовые, битумно-поли-
мерные и др. Некоторые из них (так называемые горячие) перед
употреблением разогревают до плавления, другие (холодные)
имеют рабочую консистенцию при комнатной температуре.
Технология получения горячих мастик заключается в сме-
шивании расплавленного битума при температуре 180... 185 °C
с предварительно высушенным наполнителем (молотый извест-
427
няк, доломит, трепел). Марку битума и расход наполнителя под-
бирают в соответствии с температурными условиями, в которых
будет находиться кровля или гидроизоляция.
В зависимости от степени теплостойкости выпускают масти-
ки битумные кровельные горячие следующих марок: МБК-Г-55,
МБК-Г-65, МБК-Г-75, МБК-Г-85 и МБК-Г-100 (МБК-Г - сокра-
щенное название мастики, а цифры указывают ее теплостой-
кость, определяемую по специальной методике). Для всех марок
мастики установлено содержание наполнителя: волокнистого -
12... 15 %, пылевидного - 25...30 % по массе.
Горячие битумные мастики поставляют на стройку или в го-
товом разогретом виде (температура - 160... 180 °C) в специаль-
ных битумовозах, или в твердом состоянии в бумажных мешках.
Последние перед употреблением разогревают.
Необходимо помнить, что горячие мастики из-за высокой
температуры и липкости при попадании на открытые участки
тела вызывают сильные ожоги. При разогревании мастик строго
соблюдают противопожарные меры: битум - горючее вещество.
Кроме чисто битумных горячих мастик выпускают мастики
на основе резино-битумного вяжущего (изол-мастики) и битум-
ные мастики, в которых наполнителем служит резиновая крош-
ка, получаемая дроблением использованных автопокрышек.
Мастику выпускают следующих марок: МБР-65, МБР-75, МБР-
90 и МБР-100. По сравнению с горячей кровельной мастикой
она обладает повышенными эластичностью, морозостойкостью
и гибкостью. Применяют мастику для изоляции подземных тру-
бопроводов и защиты строительных конструкций от коррозии.
Холодные битумные мастики представляют собой растворы
битума в органических растворителях (соляровое масло, керо-
син и др.) с наполнителем и добавками (бутилкаучук, хлорсуль-
фополиэтилен и др.), которые придают ей тиксотропные свойст-
ва и улучшают деформативные и адгезионные свойства. Масти-
ка под влиянием механических воздействий при нанесении ее на
основание разжижается, а затем, находясь в покое, становится
снова вязкой. Благодаря этому мастику можно наносить тонким
слоем, так как она не стекает с поверхности. Твердеет холодная
мастика в результате испарения растворителя и впитывания его
428
в поверхность подложки. Добавка полимера в мастику повыша-
ет ее теплостойкость и эластичность.
Холодную мастику поставляют на стройки в готовом виде и
применяют при температуре не ниже 5 °C. При более низких
температурах мастику подогревают до 50...70 °C на водяной ба-
не. Хранят ее в плотно закрытой таре. Так как мастика приго-
товлена на летучих растворителях, при работе с нею соблюдают
правила противопожарной безопасности. Нельзя забывать так-
же, что пары растворителя в большой концентрации токсичны.
Битумная эмульсионная паста — разновидность битумных
эмульсий, в которых роль эмульгатора играют мельчайшие час-
тицы какого-либо неорганического вещества, например глины
или извести. Битумные пасты по сравнению с эмульсиями более
вязкие. Примерный состав битумной эмульсионной пасты для
устройства кровли, гидро- и пароизоляции (мае. %): битум -
47...50, известь-пушонка - 4...6, асбест — 12... 14, вода - 37...30.
Готовят пасту следующим образом. В смеситель заливают 10 %
от общего количества горячей воды и загружают асбесто-
известковую шихту. Затем при непрерывном перемешивании за
4...6 раз поочередно вводят отдозированные на замес расплав-
ленный битум с температурой 140... 160 °C и горячую воду. Про-
цесс перемешивания длится 30...40 мин. Применяют пасту для
тех же целей, что и эмульсии.
Асфальтовые бетоны и растворы. В асфальтовом бетоне
в качестве вяжущего используется смесь битума с тонкодис-
персным наполнителем. Остальные его компоненты те же, что и
в обычном бетоне: песок и крупный заполнитель. Асфальтовые
растворы получают без крупного заполнителя. Воды в составе
таких растворов и бетонов нет. Наполнители и заполнители
предварительно сушат, а затем смешивают с битумом.
Различают горячие, теплые и холодные асфальтобетоны. Го-
рячие асфальтобетоны готовят из тугоплавкого битума и укла-
дывают при температуре не ниже 130 °C, теплые - на битумах
пониженной вязкости; их температура при укладке - 40... 100 °C.
Отвердевают такие асфальтобетоны в результате охлаждения
битума. Холодные асфальтобетоны готовят с применением орга-
нических растворителей или на битумных эмульсиях и уклады-
вают при температуре окружающего воздуха не ниже 5 °C.
429
Горячие и теплые асфальтобетоны подразделяют на: плотные
с остаточной пористостью от 2 до 7 %; пористые (для нижних
слоев покрытий и основания) с пористостью 7... 12 % и высоко-
пористые с пористостью 12... 18 %.
Применяют асфальтобетон для устройства полов на про-
мышленных предприятиях, а также оснований под полы и гид-
роизоляционных прослоек. Основное назначение - покрытие
автомобильных дорог.
16.4. Рулонные и пленочные материалы
Битумные и дегтевые рулонные кровельные и гидроизоляци-
онные материалы представляют собой тонколистовой материал,
поставляемый на стройку в рулонах. Преимущество рулонных
материалов - простота устройства из них кровельных или гид-
роизоляционных покрытий любой сложной конфигурации. Тон-
кое легкое и эластичное покрытие из рулонных материалов об-
ладает водонепроницаемостью, атмосфере- и химической стой-
костью.
В зависимости от назначения рулонные материалы делят-
ся на:
• кровельные, которые должны обладать стойкостью к воз-
действию дождя, солнечной радиации, замораживанию и оттаи-
ванию;
• гидроизоляционные, которые помимо требований, предъяв-
ляемых к кровельным материалам, должны обладать повышен-
ной водонепроницаемостью при гидростатическом напоре, гни-
лостойкостью и стойкостью к действию жидких коррозионных
сред; светостойкость для них не обязательна.
По строению рулонные материалы бывают на основе (основ-
ные) и безосновные.
Рулонные основные кровельные материалы изготовляют из
специального картона или стекловолокна путем пропитки его
органическими вяжущими веществами с последующим нанесе-
нием с одной или двух сторон тугоплавких нефтяных или дегте-
вых вяжущих с наполнителем и посыпки.
430
Битумные кровельные материалы. Из всего разнообразия
рулонных материалов наиболее широко применяют рубероид и
пергамин.
Рубероид - рулонный материал, изготовленный из картона,
пропитанного с обеих сторон тугоплавкими нефтяными битума-
ми с посыпкой (мелкоизмельченный тальк или другой мине-
ральной порошок, может использоваться также крупнозернистая
различных цветов или слюдяная посыпка). Схема производства
рубероида приведена на рис. 60.
Рис. 60. Технологическая схема производства рубероида: 1 - станок для раз-
мотки картона; 2 - магазин запаса картона; 3 - установка предварительного
полива картона; 4 - пропиточная ванна; 5 - камера допропитки; 6 - смеситель;
7 - покровный лоток; 8 - посыпочно-холодильная секция агрегата, 9 - магазин
запаса готового материала; 10 - намоточный станок
В зависимости от назначения рубероид подразделяют на кро-
вельный (для устройства верхнего слоя кровельного ковра) и
подкладочный (для устройства нижних слоев и гидроизоляции
строительных конструкций). Рубероид выпускают следующих
марок: РКК-400, РКК-350, РКЦ-400, РКП-350, РПП-300, РПЭ-300.
Буква Р обозначает рубероид, вторая буква (К или П) - кровель-
431
ный или подкладочный, третья буква - вид посыпки: К -
крупнозернистая, Ц - цветная, П - пылевидная. Число после
букв обозначает марку картона. Например, РКК-400 - рубероид
кровельный с крупнозернистой посыпкой, изготовленный из
картона, масса 1 м2 которого составляет 400 г.
Рубероид, удовлетворяющий техническим условиям, в раз-
резе черного цвета, без светлых прослоек непропитанного кар-
тона, полотно в рулоне не слипается, торцы ровные. Шири-
на полотна - 1000, 1025 и 1050 мм, общая площадь в рулоне -
10, 15 и 20 м2.
Стеклорубероид — рулонный кровельный и гидроизоляцион-
ный материал. Его получают путем двустороннего нанесения
битумного вяжущего на стекловолокнистый холст. В зависимо-
сти от вида посыпки и назначения стеклорубероид выпускают
следующих марок: С-РК (с крупнозернистой посыпкой), С-РЧ (с
чешуйчатой посыпкой) и С-РМ (гидроизоляционный с мелко-
зернистой посыпкой). Производятся рулоны стеклорубероида с
шириной полотна 1000 мм и площадью 10 м2. В отличие от ру-
бероида этот материал содержит более прочную основу, не под-
верженную гниению. Применяют стеклорубероид для устройст-
ва кровельного ковра и оклеенной гидроизоляции.
Применение новых прочных и долговечных основ потребо-
вало модификации битумного связующего полимерами с целью
повышения его долговечности и расширения диапазона рабочих
температур. Полимерные добавки позволяют расширить интер-
вал рабочих температур битума, снижая температуру хрупкости
и повышая температуру размягчения, и обеспечивают сохране-
ние эластичности вяжущего длительное время. В настоящее
время для модификации битума используют в основном термо-
эластопласты, в частности атактический1 полипропилен (АПП),
и синтетические каучуки, например стирол-бутадиен-стироль-
ный (СБС).
1 Атактические полимеры - полимеры с нерегулярно построенной струк-
турой макромолекулы.
432
Материалы кровельные и гидроизоляционные на битумном и
битумно-полимерном вяжущем получают путем нанесения би-
тумного или битумно-полимерного вяжущего на стекло- или
полиэфирную основы. Они предназначены для устройства верх-
него и нижних слоев кровельного ковра и гидроизоляции под-
земных сооружений. В зависимости от вида вяжущего их под-
разделяют на битумные, битумно-эластомерные и битумно-
пластомерные. Согласно СТБ 1107-98 материалы выпускают в
рулонах с шириной полотна 1000, 1050 и 1100 мм и общей пло-
щадью рулона 5; 7,5 и 10 м2. Они отличаются повышенными фи-
зико-механическими показателями: теплостойкостью, прочно-
стью на разрыв, гибкостью, водонепроницаемостью, а кровля -
повышенной долговечностью (до 10... 15 лет по сравнению с
3.. .4 годами для кровли на основе рубероида или толя).
Пергамин - рулонный кровельный материал на основе кар-
тона, пропитанного нефтяными битумами. В отличие от рубе-
роида он не имеет покровного слоя битума и посыпки.
Пергамин выпускают двух марок (П-300 и П-350) в рулонах с
шириной полотна 1000, 1025 и 1050 мм. Площадь рулона - 20 и
40 м2. Пергамин применяют в качестве подкладочного материа-
ла под рубероид при укладке на горячих мастиках, а также для
устройства пароизоляции.
Дегтевые кровельные материалы получают пропиткой с
покрытием кровельного картона каменноугольными или слан-
цевыми дегтевыми продуктами без посыпки или с посыпкой из
минеральной крошки с одной или с двух сторон. В зависимости
от вида посыпки и назначения дегтевые кровельные материалы
подразделяют на толь кровельный с крупнозернистой посыпкой
(ТКК-350 и ТКК-400) и толь кровельный с песочной посып-
кой (ТКП-350 и ТКП-400). Его выпускают в рулонах площадью
10 м2 при ширине полотна 1000, 1025 и 1050 мм.
Толь быстро стареет под действием солнечных лучей, поэто-
му его используют для устройства кровель временных сооруже-
ний. В то же время в качестве материала для гидро- и пароизо-
28. Зак. 508
433
ляции благодаря антисептическим свойствам дегтя толь пред-
почтительнее пергамина.
В качестве гидроизоляционных материалов используют
гидроизол, изол, бризол, фольгоизол, стеклоизол, металлои-
зол и др.
Гидроизол - рулонный беспокровный биостойкий материал,
изготовляемый путем пропитки асбестового картона нефтяными
битумами в аппаратах револьверного типа. Его выпускают в ру-
лонах с шириной полотна 950 мм и площадью 20 м2. В зависи-
мости от качественных показателей гидроизол подразделяют на
марки ГИ-Г и ГИ-К. Гидроизол марки ГИ-Г имеет лучшие пока-
затели по водонепроницаемости, величине прочности на разрыв
и эластичности, его употребляют для многослойной оклеен-
ной гидроизоляции подземных сооружений, а гидроизол марки
ГИ-К - для гидроизоляции плоских кровель.
Изол - это безосновный биостойкий эластичный рулонный
материал, получаемый каландрированием резино-битумного вя-
жущего, наполнителя, пластификатора и антисептика. Его вы-
пускают в виде полотен шириной 800, 1000 и 1100 мм, толщи-
ной 2 мм и площадью 10 и 15 м2, свернутых в рулоны. В зависи-
мости от физико-механических показателей и наличия поли-
мерной добавки изол подразделяется на марки И-БД и И-ПД.
Этот материал обладает высокой долговечностью, температуро-
стойкостью, незначительным водопоглощением и сохраняет
эластичность при отрицательных температурах.
Бризол является безосновным рулонным материалом, изго-
товляемым из резиновой крошки, нефтяного битума, асбестово-
го наполнителя и пластификаторов. Его выпускают рулонами
толщиной 2 мм и площадью 10 и 15 м2.
Бризол предназначен для гидроизоляции подземных соору-
жений, антикоррозионной защиты подземных металлических
трубопроводов, устройства кровель. Его наклеивают на битум-
ные или резино-битумные мастики. При гидроизоляции боль-
ших поверхностей его полотнища сваривают, как и изол.
434
Фольгоизол представляет собой рулонный двухслойный ма-
териал из тонкой рифленой или гладкой фольги, покрытой с
нижней стороны слоем резино- или полимербитумного вяжуще-
го с наполнителем и антисептиком. Его выпускают двух марок
(ФК - фольгоизол кровельный и ФГ - фольгоизол гидроизоля-
ционный) в рулонах с шириной полотна 960... 1020 мм и площа-
дью рулона Юм2.
Внешняя поверхность фольгоизола может быть окрашена в
различные цвета атмосферостойкими лаками и красками.
Фольгоизол - водонепроницаемый и долговечный материал,
не требующий ухода в течение всего периода эксплуатации.
В силу отражательной способности алюминиевой фольги темпе-
ратура нагрева солнечными лучами кровли из него ниже темпе-
ратуры нагрева аналогичных кровель черного цвета. Он подат-
лив в обработке, гибок, хорошо режется и гвоздится.
Металлоизол - рулонный материал, состоящий из алю-
миниевой фольги, покрытой с обеих сторон слоем битума
или полимербитумной массы. Материал имеет высокую проч-
ность на разрыв, хорошую гибкость и долговечность. Ме-
таллоизол служит для оклеенной гидроизоляции подземных со-
оружений, к которой предъявляются требования повышенной
прочности.
Полимерные пленки. Перспектива применения в строительст-
ве полиэтиленовой пленки как гидроизоляционного материала
подземной части зданий и сооружений промышленного и граж-
данского строительства, а в водохозяйственном строительстве -
в качестве противофильтрационных экранов обусловлена ее во-
донепроницаемостью, высокой прочностью, гибкостью, сравни-
тельно невысокой стоимостью.
Для изготовления полиэтиленовых пленок используют поли-
этилен высокого давления в чистом виде, с добавками антиста-
рителей и светостабилизаторов или пигментов. Основной способ
производства полиэтиленовой пленки - экструзия с последую-
щим пневмомеханическим растяжением (рис. 61).
28*
435
Рис. 61. Технологическая схема производства полиэтиленовой пленки: 1 -
электродвигатель экструдера; 2 - редуктор экструдера; 3 - бункер гранулиро-
ванного полиэтилена низкой плотности; 4 - шнек экструдера; 5 - позонный
обогрев корпуса экструдера; 6 - рулон полиэтиленовой пленки; 7 - направ-
ляющие валики; 8 - зона охлаждения пленки; 9 - позонный обогрев термока-
меры; 10 - термокамера; 11 - головка экструдера; 12 - подача воздуха в пузырь
полиэтиленовой пленки
Полиэтилен в виде гранул подают в шнековый пресс. Под-
хваченный шнеком материал перемещается вдоль обогреваемо-
го цилиндра, нагревается и переходит в пластическое состояние.
Расплав полиэтилена с температурой 120...130 °C выдавливается
через мундштук в виде толстостенной (0,9 мм) трубки. Под дав-
лением нагнетаемого воздуха с давлением 0,2...0,3 МПа трубка
превращается в рукав, который поступает на тянущие вальцы,
436
где складывается в две полосы. Скорость экструзии и раздува-
ния около 40 см/мин.
Пленка обладает высокой химической стойкостью, особенно
к минеральным кислотам, в том числе к концентрированной
плавиковой кислоте и щелочам, за исключением концентриро-
ванной азотной кислоты.
Армированные пленки - это композиционные материалы, ар-
матура которых в виде тонких и высокопрочных синтетических
или стеклянных волокон обеспечивает прочность и жесткость
волокна, а полимерное связующее - создание единого водоне-
проницаемого материала. В качестве армирующего слоя исполь-
зуются различные техноткани: капрон, стеклоткани, холст жест-
кий конструктивный нитевой, марля.
Армированные пленки по прочности в 5... 10 раз превосходят
неармированные.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Как классифицируют гидроизоляционные материалы? Какие предъяв-
ляют к ним требования?
2. Что такое битумы?
3. Каким образом осуществляют пропитку строительных материалов
битумом?
4. Охарактеризуйте дегти. Каковы преимущества и недостатки дегтей по
сравнению с битумами?
5. Расскажите о гидроизоляционных мастиках.
6. Как приготовляют и где используют асфальтовые бетоны и растворы?
7. Охарактеризуйте битумные кровельные материалы.
8. Каким образом улучшают свойства и повышают долговечность битум-
ных кровельных материалов? Приведите примеры.
9. Что такое рулонные безосновные материалы? Где их используют?
10. Изложите способ производства полиэтиленовой пленки.
437
Глава 17. ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
17.1. Определение и назначение
герметизирующих материалов
В процессе развития крупнопанельного строительства зданий
различного назначения, преимущественно для жилья, возникла
проблема герметизации стыков между панелями наружного ог-
раждения и кровельными. Негерметичность стыков приводит
к проникновению влаги и холодного воздуха внутрь помещения.
Заделывать швы цементным раствором неэффективно, так как
он при твердении уменьшается в объеме, вследствие чего в нем
возникают растягивающие напряжения; при самых малых виб-
рациях и температурном воздействии на панели в цементном
уплотнении появляются трещины, нарушающие герметизацию.
Герметизирующими называют строительные материалы,
предназначенные для придания стыкам строительных конструк-
ций непроницаемости. Герметики, кроме водо- и атмосферо-
стойкости, должны обладать упругими свойствами и хорошей
адгезией (прилипаемостью) к бетону и сохранять эти свойства
неопределенно долго, в лучшем случае - на весь срок эксплуа-
тации здания. При применении для заделки стыков и сопряже-
ний в кровельных покрытиях герметик должен быть биостойким
и, следовательно, не должен служить питательной средой для
бактерий, грибков и корней растений.
В зависимости от физического состояния в момент использо-
вания различают герметизирующие мастики и эластичные по-
ристые прокладки.
17.2. Мастичные материалы
Герметизирующие мастики предназначены для заделки и
уплотнения наружных и внутренних швов, отверстий и стыков
строительных конструкций. Их подразделяют на:
• вулканизирующиеся с последующим переходом в твердое
состояние;
• нетвердеющие и сохраняющие пластично-эластичные
свойства в процессе эксплуатации;
438
• высыхающие, переходящие из пластичного состояния в
твердое.
Вулканизирующиеся (твердеющие) герметики являются наи-
более распространенными, имеют самые высокие физико-ме-
ханические показатели и состоят из герметизирующей (поли-
мерная основа, наполнитель, адгезив и модификаторы) и вулка-
низирующей (отвердитель, пластификатор, катализатор) пасты.
Перед употреблением обе пасты смешивают в требуемом соот-
ношении.
Герметики получают различной консистенции - от жидкой
до вязкотекучей. Жизнеспособность герметиков - 2...8 ч, пол-
ный процесс вулканизации при температуре 20 °C происходит в
течение 7... 10 сут.
Основной вид двухкомпонентных мастик - тиоколовые
мастики, получаемые на основе жидких полисульфидных (тио-
коловых) каучуков, способных к вулканизации при обычной
температуре (практически без усадки). В отвержденном виде
тиоколовые каучуки обладают высокими атмосфере- и морозо-
стойкостью. Они нормально вулканизируются при температуре
до 5 °C; температура хрупкости - минус 40 °C.
В качестве наполнителя в тиоколовых мастиках применяют
сажу (черные мастики) и каолин (светлые мастики). В строи-
тельстве преимущественно используют тиоколовые мастики
У-30М, ГС-1 и КБ-0,5 (черного цвета) и АМ-0,5 (светло-серого
цвета).
Однокомпонентные тиоколовые мастики (например,
УТО-40, УТО-42) отверждаются без введения вулканизаторов.
Положительное свойство этих мастик - способность отвер-
ждаться при температуре окружающего воздуха до минус 15 °C.
Цвет мастик - светло-серый.
Бутилкаучуковую вулканизирующуюся мастику ЦПЛ-2 полу-
чают на основе бутилкаучука с добавлением вулканизирующих
и ускоряющих веществ и наполнителей и поставляют их в виде
двух паст (основной и отверждающей), смешиваемых перед
применением в соотношении 1:1. Цвет мастики - черный.
Герметизирующие нетвердеющие мастики представляют
собой вязкую однородную массу, которая остается пластичной в
течение всего времени эксплуатации здания. Выпускаются они
на основе полиизобутилена и синтетических каучуков, пласти-
439
фицированных минеральными маслами и наполненных порош-
кообразным мелом или известняком.
Из нетвердеющих герметиков широкое применение нашла
полиизобутиленовая мастика УМС-50. Цвет мастики - от свет-
ло-серого до коричневого. Мастика характеризуется относи-
тельным удлинением при разрыве от 10 до 40 % и прочностью
0,01...0,1 МПа, рабочий интервал температур - от минус 40 до
плюс 70 °C. УМС-50 рекомендуется для герметизации верти-
кальных и горизонтальных стыков панелей крупнопанельных
зданий и мест примыкания оконных и дверных блоков, а также
для уплотнения зазоров по периметру внутренних стен и
перегородок.
Высыхающие герметики готовят на основе растительных ма-
сел или синтетических каучуков и смол. Обязательными компо-
нентами являются растворители (толуол, ксилол, гептан, ацетон
и др.) - до 65 % по массе мастики, пластификаторы и наполнители.
Герметики на основе природных масел способны быстро
стареть, терять эластичность и растрескиваться. Их применяют
для уплотнения оконных проемов и заделки щелей. Герметики
на основе каучуков используют для герметизации металличе-
ских конструкций, химической защиты конструкций и оборудо-
вания, работающих в агрессивной среде (марки 51-Г-10, 51-Г-12,
ВГК-18идр.).
17.3. Штучные материалы
Для герметизации стыков и при гидроизоляционных работах
используются также штучные материалы и изделия. Примене-
ние штучных изделий при выполнении работ по герметизации и
гидроизоляции обеспечивает, как правило, понижение трудоем-
кости, повышение механизации и производительности труда.
Штучные изделия в эксплуатационный период можно сравни-
тельно легко заменять' новыми. Однако штучная изоляция дает
большое количество швов, что требует специальных работ по
склеиванию или свариванию.
Упруговязкие штучные герметики — герметизирующие эла-
стичные прокладки получают в виде пористых или плотных
жгутов, лент и трубок различной конфигурации. Эластичные
пористые прокладки применяют как самостоятельный гермети-
зирующий материал, а также в качестве основы под мастику.
440
Гернит - пористый резиновый жгут коричневого цвета 020,
40, 60 мм и длиной 3 м с тонкой плотной оболочкой и пористой
сердцевиной, получаемый на основе полихлоропренового кау-
чука (наирита), нефтяного масла и наполнителя с добавками по-
рофора и вулканизирующих реагентов. Укладывают его в швы
при обжатии не менее чем на 30 50 % его диаметра, предвари-
тельно обмазывая кумароно-каучуковой мастикой КН-2, которая
обеспечивает адгезию гернитового жгута к бетону и полную не-
проницаемость стыка. Гернит сохраняет свои свойства в интер-
вале температур от минус 40 до плюс 70 °C.
Вилатерм - пористый эластичный полый внутри жгут белого
цвета диаметром 40 60 мм и длиной более 2,5 м. Он изготовля-
ется из вспененного полиэтилена и применяется для уплотнения
стыков по аналогии с гернитом.
Пороизол - пористый эластичный герметизирующий матери-
ал, выпускаемый в виде жгутов круглого, овального или прямо-
угольного сечения диаметром (стороной) 30, 40, 50 и 60 мм Его
изготовляют из дешевого недефицитного сырья - старой рези-
ны которую перерабатывают в крошку и девулканизируют вме-
сте с нефтяным дистиллятом, затем в массу вводят порообразо-
ватель, вулканизирующий реагент и антисептик. Тщательно пе-
ремешанная масса формуется в круглые жгуты диаметром
10.45 мм или полосы прямоугольного сечения размером 20x40
и 30x40 мм ленточными прессами. Вулканизация происходит
при температуре 150 .160 °C в специальных термокамерах По-
роизол в зависимости от назначения выпускают марок М и П.
Недостатки пороизола: водопоглощение - до 2 %, через 2 года
он снижает прочность в 2 раза, а деформативную способность -
в 10 раз. Поэтому пороизол применяют для уплотнения горизон-
тальных, постоянно обжатых стыков
Поробит изготовляется пропиткой эластичного полиурета-
нового поропласта горячим битумом с добавкой 2,5 % пласти-
фикатора - технического скипидара. Выпускается в виде полос
от 10x10 до 100x100 мм в заводских условиях или непосредст-
венно на стройплощадке. Его применяют для герметизации сты-
ков сборных подземных сооружений, подвергающихся давле-
нию воды менее 0,1 МПа. Поробит по сравнению с гернитом и
пороизолом более долговечен.
441
Герметизирующая лента «Герлен» производится на основе
бутилкаучука и наполнителя с добавками фенолоформальдегид-
ной смолы, канифоли и полибутена. Ее изготовляют методом
экструзии с последующим наматыванием на гильзы. Темпера-
туростойкость ленты - от минус 60 °C до плюс 120 °C, водопо-
глощение - 0,2 %. Она обладает хорошей адгезией к бетону, ме-
таллу, стеклу. Дублированная нетканым материалом лента
«Герлен-Д» применяется для герметизации стыков зданий, швов,
трещин кровель; недублированная «Герлен-Т» - для герметиза-
ции водонепроницаемых стыков труб; лента «Герлен-АГ» - для
герметизации неплотностей в автомобиле.
CASCO «ПЕНА № 3936» (монтажная пена) - однокомпо-
нентная полиуретановая пена для заделки швов, применяемая в
качестве герметизирующего материала между элементами пола
и стены, стены и потолка и др. Обладает хорошей адгезией к
бетону, металлу, ПВХ, дереву, но не сцепляется с полиэтиленом.
Монтажная пена (МП) продается в баллонах, в которых нахо-
дится жидкий предполимер и пропеллент (газ-вытеснитель). Ко-
гда содержимое «выходит» из баллона, под воздействием влаж-
ности воздуха и влаги поверхности происходит реакция полиме-
ризации (застывания). В конечном итоге образуется довольно
жесткий пенополиуретан.
МП не применяют на замерзших, мыльных основаниях, на
очень сухих и очень влажных поверхностях. При работе необхо-
димо учесть, что пена увеличивается в объеме до 30 раз. Высы-
хание «до отлипа» - 20 мин, до дальнейшей обработки - 3 ч.
Применяют ее для уплотнения швов при установке дверных и
оконных проемов.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какие материалы называют герметизирующими? В чем их преимущест-
во по сравнению с цементно-песчаным раствором?
2. Какие мастики относятся к вулканизирующимся? Приведите примеры и
назовите их свойства.
3. Какие мастики являются нетвердеющими?
4. Какие штучные герметизирующие материалы на основе каучуков при-
меняют в строительстве?
5. Чем характеризуются штучные герметизирующие материалы на основе
битума? Как их изготовляют?
442
Глава 18. МЕТАЛЛЫ
И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
18.1. Общие сведения о металлах и сплавах
Металлы - кристаллические вещества, характерными свой-
ствами которых являются высокая прочность, пластичность, те-
пло- и электропроводность, особый блеск, называемый металли-
ческим. Свойства металлов обусловлены наличием в их кри-
сталлической решетке большого числа перемещающихся
электронов. Металлы составляют около 75 % элементов перио-
дической системы Д. И. Менделеева. Свойства некоторых из
них представлены в табл. 30.
Таблица 30
Физические свойства металлов
Металл Плотность, кг/м3 Временное со- противление, МПа Относительное удлинение, % Температура плавления, °C
Алюминий 2700 80 40 660
Вольфрам 19300 1100 - 3410
Железо 7874 280 40 1539
Магний 1740 180 5 651
Марганец 7440 - - 1245
Медь 8960 220 50 1083
Никель 8900 450 40 1453
Хром 7190 - - 1903
Цинк 7130 80 12 420
Обычно металлы используют не в чистом виде, а в виде
сплавов.
Металлические сплавы - это вещества, образовавшиеся в
результате затвердевания жидких расплавов, состоящих из двух
или нескольких компонентов. К компонентам, образующим
сплав, относятся химически индивидуальные вещества или их
устойчивые соединения. Металлические сплавы состоят либо
только из металлов (например, сплав меди и цинка - латунь),
443
либо из металлов с небольшим содержанием неметаллов (спла-
вы железа с углеродом - чугун и сталь). Изменяя компоненты и
соотношения между ними, получают сплавы с самыми разнооб-
разными физическими, механическими или химическими свой-
ствами. После затвердевания в составе сплавов могут образо-
ваться твердые растворы, химические соединения или механи-
ческие смеси.
Твердые растворы возникают в результате проникновения в
кристаллическую решетку основного металла (растворителя)
атомов другого металла или неметалла (растворимого компо-
нента). По типу расположения атомов растворимого компонента
в кристаллической решетке растворителя различают твердые
растворы замещения и внедрения (параграф 2.5).
Твердый раствор замещения возникает в результате замены
части атомов в кристаллической решетке основного металла
атомами растворяемого компонента. Примерами твердых рас-
творов замещения служат сплавы меди с никелем, железа с ни-
келем, хромом, кремнием, марганцем. В твердом растворе вне-
дрения атомы растворенного компонента размещаются в сво-
бодных промежутках между атомами основного металла.
Обычно твердый раствор внедрения возникает в системе, со-
стоящей из металла и неметалла, например в сплаве железа с
углеродом. При образовании твердых растворов металлов по-
вышаются прочность, твердость и электрическое сопротивление,
но понижается пластичность в сравнении с основным металлом.
Твердые растворы составляют основу технических сплавов:
конструкционных, нержавеющих и кислотоупорных сталей, ла-
туней, бронз.
Химические соединения образуются при строго определен-
ном количественном соотношении компонентов. К химическим
соединениям относится, например, карбид железа (цементит),
входящий в состав сплавов железа с углеродом:
3Fe + С = Fe3C.
Цементит отличается высокой прочностью и твердостью, но
весьма хрупок. Химические соединения металла с металлом на-
зывают интерметаллическими. Сюда входят, например, соеди-
444
нения алюминия с медью СиА12, магния с цинком MgZn2 и др.
Интерметаллические соединения чаще всего не подчиняются
правилу нормальной валентности. Присутствие химических со-
единений упрочняет сплавы, но одновременно снижает их пла-
стичность.
Механические смеси возникают в результате срастания кри-
сталлов компонентов, одновременно выпадающих из жидкого
расплава при его охлаждении. В кристаллах, входящих в состав
механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка ис-
ходных компонентов сплава. Таким образом, каждый из компо-
нентов сохраняет свои специфические свойства. Механические
смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых раство-
ров или химических соединений.
Все металлы и сплавы подразделяют на черные и цветные.
К черным металлам относят железо и сплавы на его осно-
ве - сталь и чугун. На долю черных металлов приходится около
95 % производимой в мире металлопродукции. С целью прида-
ния черным металлам специфических свойств в их состав вводят
улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и
др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода
подразделяют на стали и чугуны.
Сталь - ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием
углерода до 2 %. Это один из основных конструкционных
строительных материалов. Из стали изготовляют строительные
конструкции, трубопроводы, арматуру для железобетона.
По способу получения стали разделяют на мартеновские,
конвертерные и электростали. По химическому составу в зави-
симости от входящих в сплав химических элементов стали бы-
вают углеродистые и легированные.
Углеродистая стияль "наряду с железом и углеродом содер-
жит до 1 % марганца, до 0,4 % кремния, а также примеси серы и
фосфора. Если количество примесей не превышает заданного
верхнего предела, их называют нормальными
Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода
2...4,3 %. В его состав входят также марганец, сера, кремний и
фосфор. Основная масса чугуна идет на производство стали.
Кроме того, его используют как самостоятельный конструкци-
445
онный материал В зависимости от формы связи углерода разли-
чают белый и серый чугун.
Белый чугун содержит углерод в химически связанном со-
стоянии в виде карбида железа Fe3C.
В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в
виде графита.
К цветным (нежелезным) относят все металлы, кроме желе-
за. Чаще всего в строительстве используют металлы и сплавы на
основе алюминия, меди, цинка и титана.
Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них
можно получать различными индустриальными методами (про-
катом, волочением, штамповкой и др.), во-вторых, металличе-
ские изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с
помощью болтов, заклепок и сварки.
Однако, с точки зрения строителя, металлы имеют и недос-
татки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства
тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы
негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо
специально защищать от действия огня. Это объясняется тем,
что при нагревании прочность металлов резко снижается и ме-
таллоконструкции теряют устойчивость и деформируются.
Большой ущерб народному хозяйству наносит коррозия метал-
лов (параграф 18.7). И наконец, металлы широко применяют в
других отраслях промышленности, поэтому их использование в
строительстве должно быть обосновано экономически.
18.2. Основы технологии черных металлов
Производство чугуна. Чугун получают в доменных печах
термической обработкой (нагревом до температуры 1900 °C)
шихты - смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса.
Железная руда состоит из рудного минерала (обычно в виде
оксидов Fe2O3 и Fe3O4), пустой породы, не содержащей железа
(кварцит, песчаник, известняк), и примесей. К вредным приме-
сям относятся сера, фосфор, мышьяк, содержание которых в ру-
де строго ограничивают, поскольку они ухудшают качество чу-
гуна и стали.
446
Для выплавки чугуна используют красный, бурый, магнит-
ный и шпатовый железняки, содержащие 30...70 % железа в виде
оксидов Fe2O3 или Fe3O4.
Флюсы - это материалы минерального происхождения, вво-
димые в шихту для образования шлака и регулирования его со-
става. Флюсы способствуют переходу вредных для металла
примесей в шлак. По химическому составу различают основные
(известняк), кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем)
флюсы.
Шихту непрерывно подают в верхнюю часть печи (рис. 62)
через загрузочное устройство, а снизу через фурмы - воздух.
Кокс, находящийся в зоне воздушных фурм, интенсивно сгора-
ет, образуя углекислый газ СО2. В результате горения темпера-
тура в этой зоне поднимается до 1900 °C.
I
о
Е
Рис. 62. Схема доменной печи: 1 -
летка для выпуска жидкого чугуна;
2 - расплавленный шлак; 3 - за-
грузочное устройство; 4 - газоот-
водная труба; 5 - капли расплав-
ленного чугуна; 6 - капли шлако-
вого расплава; 7 - фурмы для
подачи воздуха; 8 - летка для вы-
пуска расплавленного шлака; 9-
жидкий чугун
По мере продвижения вниз температура шихты повышается.
Углекислый газ при контакте с раскаленным коксом переходит в
оксид углерода СО, благодаря чему газовая среда в печи приоб-
447
ретает восстановительные свойства, т. е. способность отнимать
от оксидов кислород Оксид углерода и твердый углерод восста-
навливают руду ступенчато, образуя металлическое железо по
реакциям:
Fe2O3 + ЗСО -» 2Fe + ЗСО2;
FeO + С = Fe + СО.
Таким образом, углерод кокса при высоких температурах
восстанавливает железную руду до чистого железа. Железо пла-
вится и при этом насыщается углеродом (науглероживается
примерно до 3,5...4 %), превращаясь в чугун:
3Fe + 2СО '= Fe3C + СО2;
3Fe + С = Fe3C.
Одновременно из шихты восстанавливаются марганец, крем-
ний и фосфор, которые также переходят в расплав металла. Рас-
плавленный чугун стекает в низ печи, а расплавленный шлак как
более легкий находится сверху чугуна. Продукты плавки - чугун
и шлак - периодически выпускают через летки в ковш.
При доменном производстве на каждую тонну чугуна полу-
чают около 0 6т огненно-жидкого шлака. Шлак - ценное сырье
для промышленности строительных материалов. Из него полу-
чают шлакопортландцемент, шлаковую пемзу, шлаковую вату и
другие материалы.
Выплавляемые в доменных печах чугуны по назначению
подразделяют на передельные, литейные и специальные.
Передельный чугун предназначен для переработки в сталь.
На долю передельных чугунов приходится свыше 80 % всей
продукции доменных печей. В структуре передельного чугуна
преобладает цементит - твердое и хрупкое соединение. Из-
лом такого чугуна серебристого цвета, поэтому чугун называют
белым
Литейный чугун служит для производства фасонных отли-
вок. Его выпускают шести марок - от Л1 до Л6, различающихся
содержанием кремния и углерода. В литейных чугунах углерод
находится в свободном состоянии в виде графита, который об-
448
разуется в результате распада хрупкого цементита. В изломе та-
кой чугун дает серый цвет
Специальные чугуны (доменные ферросплавы) содержат
кремний или марганец в повышенном количестве и их исполь-
зуют как добавки при выплавке стали.
Чугуны обладают высокими литеиными свойствами и хоро-
шо сопротивляются коррозии. Из серого чугуна изготовляют
отдельные элементы строительных конструкций, в частности
башмаки под колонны, тюбинги для тоннелей, опорные части
железобетонных ферм и балок, санитарно-технические изделия
(ванны мойки, канализационные трубы).
Производство стали. В сравнении с чугуном сталь обладает
лучшими механическими свойствами, что обусловлено меньшей
концентрацией в ней углерода и нормальных примесей (крем-
ния, марганца, серы и фосфора). Для получения стали исполь-
зуют шихту, в состав которой входят передельный чугун и
стальной лом, а также шлакообразующие вещества, раскислите-
ли и легирующие добавки
В начале плавки передельного чугуна в нем получают оксид
железа FeO путем окисления железа кислородом воздуха, про-
дуваемого через расплавленный чугун, или введения в печь же-
лезной руды либо металлолома. В расплавленном чугуне проте-
кают следующие реакции:
FeO + С = Fe + СО;
FeO + Мп = Fe + МпО;
2FeO + Si = 2Fe + SiO2;
5FeO + 2P = 5Fe + P2O5.
Все приведенные реакции, за исключением реакции взаимо-
действия оксида железа с углеродом, протекают с выделением
теплоты что приводит к повышению температуры расплавлен-
ного металла. Получаемые при этих реакциях соединения крем-
ния и марганца не растворимы в расплавленном железе и, обла-
дая меньшей плотностью, чем железо, всплывают на поверх-
ность и затем удаляются в виде шлака. Оксид углерода СО
29. Зак. 508
449
в виде газовых пузырей поднимается на поверхность и уле-
тучивается.
Для удаления фосфора и серы, которые растворяются в рас-
плавленном железе, в состав плавки вводят оксид кальция СаО,
который образует с серой сернистый кальций CaS, а с фос-
фором - соединение 4СаО • Р2О5. Эти соединения, не раствори-
мые в расплавленном железе, переходят в шлак и удаляются. К
концу плавки в расплавленном металле остается часть непрореа-
гировавшего оксида железа FeO. Присутствие оксида железа в
стали снижает ее механические свойства При разливке стали
протекает реакция FeO + С = Fe + СО.
Выделяющийся оксид углерода СО в виде газовых пузы-
рей поднимается на поверхность и вызывает как бы «кипе-
ние» стали у поверхности слитка. Газовые пузыри, не вышедшие
на поверхность, могут стать причиной образования мелких тре-
щин при горячей прокатке и сварке стали Поэтому в конце
плавки сталь раскисляют, т. е. восстанавливают, вводя в расплав
вещества, более энергично соединяющиеся с кислородом, чем
железо. Такие вещества называют раскислителями. К ним
относятся марганец, кремний и алюминий. Первые два элемента
вводят в виде их сплавов с железом (ферромарганца и фер-
росилиция).
При раскислении протекают следующие реакции:
FeO + Мп = Fe + МпО;
2FeO + Si = 2Fe + SiO2;
3FeO + 2A1 = 3Fe + A12O3.
Образующиеся оксиды марганца МпО, кремния SiO2, алю-
миния А12О3 удаляют в виде шлаков Чем лучше раскислена
сталь, тем меньше она вскипает и тем выше ее механические
свойства.
Полностью раскисленную сталь называют спокойной, час-
тично раскисленную - полуспокойной и мало раскисленную -
кипящей. В процессе разливки выплавленной стали могут обра-
зоваться усадочные раковины и другие дефекты. Для их сокра-
щения используют особые приемы разливки
450
Применяют конвертерный, мартеновский и электроплавиль-
ный способы производства стали.
В настоящее время используют в основном кислородно-
конвертерный процесс выплавки стали. Он заключается в про-
дувке жидкого чугуна технически чистым кислородом в кон-
вертерах с глухим дном. Кислород подают сверху под давлени-
ем 0,8... 1,2 МПа через опущенные в конвертер трубы. Весь ме-
талл в конвертере сильно разогревается, температура его в зоне
действия кислорода достигает 3000 °C. Поэтому в конвертер
можно вводить не только жидкий чугун, но и металлический
лом, железную руду. Для удаления серы и фосфора в конвертер
после разогрева металла кислородом вводят известь.
18.3. Свойства сталей
Сталь, наряду с бетонами, - главнейший конструкционный
материал. Широкому использованию в строительстве сталь обя-
зана высоким физико-механическим показателям, технологич-
ности (возможности получения из нее конструкций различными
методами) и большим объемам производства.
Плотность стали — 7850 кг/м3, что приблизительно в три
раза выше плотности каменных материалов.
Прочностные и деформапгивные свойства обычно опреде-
ляются испытанием стали на растяжение. При этом строится
диаграмма «напряжение - деформация». Сталь, как и другие ме-
таллы, ведет себя как упругопластичный материал (рис. 13). В
начале испытаний деформации у стали пропорциональны на-
пряжениям. Максимальное напряжение, при котором сохраняет-
ся эта зависимость называется пределом пропорциональности
ау (при этом напряжении остаточные деформации не должны
превышать 0,05 %).
При дальнейшем повышении напряжения начинает прояв-
ляться текучесть стали - быстрый рост деформаций при не-
большом подъеме напряжений. Напряжение, соответствующее
началу течения, называют пределом текучести от.
Затем наступает некоторое замедление роста деформаций
при подъеме напряжений («временное упрочнение»), после чего
29*
451
происходит разрушение образца. Наибольшее напряжение назы-
вается временным сопротивлением сгв, что является фактиче-
ским пределом прочности стали Rp.
Относительное удлинение стали £ в момент разрыва характе-
ризует ее пластичность. Оно рассчитывается по формуле
e=lz£.1Oo, (18.1)
/о
где /0 - начальная длина расчетной части образца, мм; 1\ - длина
этой части в момент разрыва образца, мм.
Испытание на растяжение является основным при оценке
механических свойств сталей. Модуль упругости стали состав-
ляет 2,1 • 105 МПа.
Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ)
или Роквелла (HR) по величине вдавливания индентера (зака-
ленного шарика или алмазной пирамидки) в испытуемую сталь.
Ее вычисляют в МПа с указанием метода испытаний. Твердость
поверхности стали можно повышать специальной обработкой
(например, цементацией - насыщением поверхностного слоя
стали углеродом или закалкой токами высокой частоты).
Ударная вязкость - свойство стали противостоять динами-
ческим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по вели-
чине работы, необходимой для разрушения образца на маятни-
ковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали, нали-
чия легирующих элементов и заметно меняется при изменении
температуры. Так, у СтЗ ударная вязкость при +20 °C составляет
0,5...1 МДж/м2, а при-20 °С-0,3...0,5 МДж/м2.
С помощью технологических испытаний обнаружена способ-
ность стали принимать определенные деформации, аналогичные
тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей об-
работке или в условиях эксплуатации. Для строительных сталей
чаще всего производят пробу на холодный загиб.
Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока
и составляет около 70 Вт/(м • °C).
Коэффициент линейного термического расширения стали
составляет 10”5 К.
452
Температура плавления стали зависит от ее состава и для
обычных углеродистых сталей находится в пределах 1500... 1300 °C
(чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 °C).
Температуроустойчивость стали связана с тем, что при на-
гревании в ней происходят полиморфные превращения, приво-
дящие к снижению прочности. Небольшая потеря прочности
наблюдается уже при нагреве выше 200 °C; после достижения
температуры 500...600 °C обычные стали становятся мягкими и
резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не ог-
нестойки и их необходимо защищать от действия огня, напри-
мер, покрытием цементными растворами.
18.4. Углеродистые и легированные стали
Углеродистой называют нелегированную сталь, содержа-
щую 0,04...2 % углерода. Кроме того, в состав стали входят по-
стоянные примеси - кремний и марганец, а также вредные -
фосфор и сера (их содержание не должно превышать 0,05...0,06 %).
В зависимости от содержания углерода такие стали делятся на
низко- (до 0,25 % углерода), средне- (0,25...0,6 %) и высокоугле-
родистые (свыше 0,65 %). С повышением содержания углерода
уменьшается пластичность и повышается твердость стали;
прочность ее также возрастает, но при содержании углерода бо-
лее 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости
стали объясняется увеличением содержания в стали твердого
компонента - цементита.
По назначению углеродистые стали подразделяют на конст-
рукционные и инструментальные.
Конструкционные стали содержат углерода не более 0,65 %.
Их применяют для изготовления арматуры железобетонных
конструкций. Используемые в строительстве конструкционные
углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного ка-
чества, качественные и специальные.
Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют
на группы А, Б, В, учитывающие условия поставки. Сталь груп-
пы А поставляют потребителям по механическим свойствам:
пределам прочности и текучести, относительному удлинению,
453
способности к изгибу в холодном состоянии. В стали группы Б
нормируют химический состав, а группы В - одновременно хи-
мический состав и механические свойства.
Маркировка сталей. Каждая группа включает несколько ма-
рок стали - от СтО до Стб. С увеличением номера возрастает
прочность стали и уменьшается ее пластичность. Сталь марок от
Ст1 до Ст4 выпускают кипящей, полуспокойной, спокойной,
марок Ст5 и Стб - полуспокойной и спокойной. Указание о сте-
пени раскисления делают в-виде индекса кп - кипящая, пс -
полуспокойная, сп - спокойная. Стали марок СтЗГпс, СтЗГсп и
Ст5Гпс содержат повышенное количество марганца, на что ука-
зывает буква Г. СтО содержит углерода не более 0,23 %, СтЗ - от
0,14 до 0,22 %, а Стб - от 0,38 до 0,49 %.
Сталь группы Б изготовляют тех же марок, что и сталь груп-
пы А, но в начале обозначения марки вводят букву Б, например
сталь БСт1кп. Для сталей группы А букву впереди марки не ста-
вят.
В обозначении марок сталей всех групп вводят также цифры
от 1 до 6, характеризующие категорию стали. Категория опреде-
ляется совокупностью механических свойств стали либо осо-
бенностями ее химического состава. Цифру 1 в сталях первой
категории не указывают.
Примеры обозначения марок стали: СтЗкп - группа А, сталь 3,
кипящая, категория 1; БСт2пс2 - группа Б, сталь 2, полуспокой-
ная, категория 2; ВСт2спЗ - группа В, сталь 2, спокойная, кате-
гория 3.
В строительстве используют стали всех групп. Наиболее
пластичные Ст1 и Ст2 применяют в конструкциях резервуаров,
трубопроводах, для заклепок. Из СтЗ, Ст4 и Ст5 изготовляют
строительные конструкции, а также арматуру для железобетона.
В большом количестве углеродистая сталь обыкновенного каче-
ства расходуется на изготовление листового, круглого, швел-
лерного, двутаврового проката.
Легированные стали, кроме железа, углерода и нормальных
примесей, содержат легирующие элементы, например хром, ни-
кель, молибден, ванадий, вольфрам, титан, которые повышают
качество стали и придают ей специальные свойства. К таким
454
элементам относят также марганец и кремний, если их содержа-
ние в стали превышает 1 %.
Легирующие элементы образуют с железом химические со-
единения и твердые растворы замещения, которые играют роль
упрочняющей фазы. Кроме того, большинство легирующих эле-
ментов образуют с углеродом простые и сложные карбиды, яв-
ляющиеся, как и цементит Fe3C, хрупкими и твердыми вещест-
вами. В результате изменяется строение и существенно улуч-
шаются механические свойства сталей.
Стали, применяемые для изготовления арматуры железобе-
тонных конструкций, содержат в качестве легирующих элемен-
тов чаще всего марганец, кремний, хром. Марганец и кремний
увеличивают прочность легированной стали, но снижают ее
ударную вязкость. Хром и никель повышают не только проч-
ность, но и ударную вязкость. Практически все легирующие
элементы улучшают термическую обрабатываемость сталей.
По химическому составу различают низко-, средне- и высо-
колегированную сталь.
По назначению легированные стали разделяют на конструк-
ционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.
В строительстве наиболее часто применяют низколегирован-
ные (с суммарным содержанием легирующих элементов до
2,5 %) конструкционные стали. Их подразделяют на стали для
металлоконструкций и стали для армирования железобетонных
конструкций.
Для обозначения марок легированной стали по ГОСТу ис-
пользуют буквенно-цифровую систему. В начале обозначения
приводят цифры, указывающие содержание углерода в сотых
долях процента. Далее ставят буквы, обозначающие легирую-
щий элемент: Ю - алюминий, Р - бор, Ф - ванадий, В - вольф-
рам, С - кремний, Г - марганец, Д - медь, М - молибден, Н -
никель, Т - титан, X - хром, Ц - цирконий. Наконец, цифра,
стоящая за буквами, указывает содержание легирующего эле-
мента в процентах. Если содержание легирующего элемента не
превышает 1 %, то цифру не ставят. При содержании 1...1,5 %
ставят цифру 1, свыше 1,5 до 2 % - цифру 2.
455
Например, марка стали 20ХГ2С означает: легированная
сталь с содержанием углерода 0,20 %, хрома - менее 1 %, мар-
ганца - 2 %, кремния - менее 1 %.
Сталь для металлических конструкций обладает высокими
пластичностью и ударной вязкостью, причем эти свойства не-
значительно ухудшаются при отрицательных температурах (до -
40...50 °C). Основная характеристика такой стали - предел теку-
чести - составляет в среднем 350 МПа, в то время как у углеро-
дистой стали он равен 225 МПа. Низколегированные строитель-
ные стали весьма пластичны: относительное удлинение в них
достигает 18...20 %. Для изготовления металлоконструкций ча-
ще всего применяют стали марок 10ХСНД, 15ХСНД, 16ГС,
10Г2СД, 09Г2, 14Г2.
Сталь для армирования железобетонных конструкций
должна обладать хорошей свариваемостью, высокой прочно-
стью и быть достаточно пластичной. Этим условиям отвечают
легированные стали марок 10ГТ, 18Г2С, 25Г2С, 35ГС, 20ХГ2Ц,
80С, 23Х2Г2Т и 20Х2Г2СР.
18.5. Цветные металлы и их сплавы
Алюминий и его сплавы. Алюминий - легкий серебристо-
белый металл. Важным достоинством его является низкая плот-
ность (2700 кг/м3). В чистом виде алюминий мягок, пластичен,
хорошо отливается, прокатывается, температура плавления со-
ставляет 657 °C. Алюминий обладает повышенной стойкостью к
коррозии на воздухе за счет образования защитной пленки
(А12О3), имеет высокую тепло- и электропроводность. Предел
прочности у алюминия при растяжении - 90... 120 МПа, относи-
тельное удлинение - 20.. .30 %, твердость НВ = 25.. .30, коэффи-
циент теплопроводности - 200 Вт(м • °C).
В чистом виде в строительстве алюминий применяется для
отливки деталей, изготовления порошков (алюминиевые краски
и газообразователи при изготовлении ячеистых бетонов), фоль-
ги, электропроводов. Из алюминиевой фольги делают высоко-
эффективный утеплитель (альфоль), используют ее в качестве
отражателя тепловых лучей, а также декоративного материала.
456
Путем анодного оксидирования из алюминиевых сплавов полу-
чают архитектурные детали различной расцветки.
Для строительных изделий алюминий применяют в виде
сплавов, в состав которых входят Си, Мп, Mg, Si, Fe.
Сплавы, состоящие из алюминия, меди, магния и марганца,
носят название дюралюминий. Сплавы алюминия имеют предел
прочности при растяжении более 100 МПа. Из них изготовляют
плоские и волнистые листы, прокатные, гнутые, клепаные и
сварные профили, трубы. Конструкции и изделия из таких спла-
вов весьма эффективны для устройства оконных коробок и пе-
реплетов, дверей и дверных коробок, наружной облицовки зда-
ний и для изготовления легких трехслойных панелей с пенопла-
стовым утеплителем.
Медь и ее сплавы. Медь - металл красного цвета с плотно-
стью 8800 кг/м3, температурой плавления - 1083 °C, пределом
прочности при растяжении - около 200 МПа, относительным
удлинением - 30...60 %. Медь - мягкий и пластичный металл,
хорошо проводит электричество и теплоту. Ее применяют для
изготовления электрических проводов и в качестве составной
части различных сплавов.
Сплав, состоящий из меди и цинка (до 50 %), называют ла-
тунью. Латунь обладает высокими механическими и антикорро-
зийными свойствами и поддается горячей и холодной обработке.
Иногда к сплаву латуни добавляют свинец, олово, алюминий,
кремний и другие (в сумме до 10 %).
Сплав меди с оловом (до 10 %) называют оловянистой брон-
зой. Сплавы меди с алюминием, никелем, кремнием носят на-
звание безоловянистых бронз. Бронзу применяют в виде изделий
для внутреннего оборудования зданий (сантехническая арма-
тура, вентиляционные решетки, детали карнизов, фурнитуры
и др.).
Кроме бронз и латуни известны другие сплавы, содержащие
медь. Например, мельхиор (20 % никеля и 80 % меди), никелин
(45 % никеля и 55 % меди), константан (40 % никеля, 59 % ме-
ди и 1 % марганца).
Цинк получают из сульфидных цинковых руд ZnS. Плот-
ность цинка - 7000 кг/м3. Его температура плавления - 410 °C.
457
При обычной температуре цинк хрупок, при нагревании до
150 °C он становится пластичным. Его применяют главным об-
разом для оцинкования различных стальных изделий (гвоздей,
болтов, кровельной стали), в качестве компонента сплавов.
Свинец - мягкий пластичный тяжелый металл. Плотность
свинца - 11400 кг/м3; температура плавления - 325 °C. Свинец
хорошо льется и прокатывается, хорошо противостоит действию
серной и соляной кислот. Предел прочности при растяжении -
до 20 МПа, твердость НВ = 5,9. Свинец непроницаем для рент-
геновских лучей и частично не пропускает у-лучи. Он применя-
ется в строительстве для специальных труб, антикоррозионных
покрытий, звуке- и гидроизоляции и как составная часть неко-
торых легких сплавов. Свинец добывают из сульфидных руд.
Олово. Плотность олова - 7230 кг/м3; температура плавле-
ния - 232 °C. Олово - мягкий, стойкий против коррозии металл.
Применяется для лужения стали и меди в качестве припоя и как
составная часть цветных легкосплавких сплавов. Предел проч-
ности при растяжении - 35...45 МПа, относительное удлине-
ние - 40 %, твердость НВ = 12. Олово добывают из руды, кото-
рая называется оловянным камнем.
Титан, а точнее, титановые сплавы, приобретают в послед-
нее время все большую популярность; они сочетают в себе низ-
кую плотность (4500 кг/м3), высокие прочность (7?р - 700...
.. .1200 МПа), твердость (НВ > 1000) и ко озионную стойкость.
Из-за очень высокой стоимости и дефицитности титан в строи-
тельстве применяют только для уникальных сооружений.
18.6. Изделия из стали
и сборные металлические конструкции
Металлургическая промышленность выпускает стальные из-
делия различной номенклатуры.
Профильную сталь применяют для изготовления разнообраз-
ных стальных строительных конструкций (каркасы и фермы
промышленных и гражданских зданий, пролетные строения
мостов, опоры ЛЭП, фонари освещения зданий и др.). Стальные
конструкции изготовляют из стального проката, соединяемого
458
сваркой, заклепками и болтами. Стальные конструкции надежны
в эксплуатации, обладают небольшой массой и габаритами по
сравнению с каменными и железобетонными.
Стальные конструкции обычно выполняют из прокатных
элементов различного профиля (выпускаемых по определенному
перечню - сортаменту), трубчатых и гнутых профилей, полосо-
вой и листовой стали. В строительстве чаще всего применяют
следующие прокатные и гнутые профили: прокатную листовую
сталь, двутавровые балки, швеллеры, уголки равно- и неравно-
полочные, прямоугольные и квадратные трубы. Каждый про-
филь выпускают нескольких типоразмеров, регламентирован-
ных стандартами.
Листовая прокатная сталь для строительных конструкций
применяется четырех видов: листовая, универсальная широко-
полосная, рифленая и просечно-вытяжная. Сталь листовая горя-
чекатаная поставляется толщиной 0,4...160 мм, шириной -
500... 1800 мм и длиной - 710... 12000 мм .
Сталь прокатная широкополосная универсальная постав-
ляется толщиной 6...60 мм, шириной - 200... 1050 мм, длиной -
5000... 12000 мм. Универсальная сталь - наиболее экономичный
вид проката.
Сталь листовая рифленая поставляется с ромбическими и
чечевидными рифами из стали марок СтО, Ст1, Ст2, СтЗ толщи-
ной от 2,5 до 12 мм, шириной — от 600 до 2200 мм, длиной - от
1400 до 8000 мм. Высота рифлей на листах составляет 0,1...0,3
толщины основания листа или не менее 0,5 мм. Рифленая сталь
применяется в качестве настила для площадок и ступенек лест-
ничных маршей.
Просечно-вытяжная сталь изготовляется из толстолистовой
стали толщиной 4; 5 и 6 мм методом просечки на прессах надре-
зов по длине с последующей растяжкой листа поперек и образо-
ванием ячеек. Сталь поставляется шириной от 500 до 1400 мм,
длиной - до 6000 мм. Применение такой стали для площадок и
переходов взамен рифленой дает значительную экономию ме-
талла по массе.
Балки двутавровые изготовляют 17 типоразмеров от № 10 до
№ 60 (номер указывает высоту балки в см) длиной от 4 до 12 м
459
ГОСТ 27772-88. При монтаже их соединяют друг с другом бол-
тами, сваркой или заклепками.
Заклепочные соединения предназначены для конструкций,
воспринимающих большие динамические нагрузки. Заклепка
представляет собой круглый стержень с головкой. Стержень
вводят в подготовленное отверстие в соединяемых деталях, го-
ловку прижимают поддержкой, а выступающую часть стержня
ударами обжимки расплющивают, образуя замыкающую голов-
ку. При этом стержень утолщается, полностью заполняет вы-
сверленное отверстие и элементы конструкции соединяются на-
глухо. Заклепки обычно изготовляют из низкоуглеродистой пла-
стичной стали Ст2 и СтЗ.
Болтовые соединения нетрудоемки и достаточно надежны
даже в особо нагруженных конструкциях. Болты для монтажных
соединений изготовляют диаметром 6...24 мм с интервалом
2 мм. Завертывают их так, чтобы в теле болта создалось напря-
жение 150...200 МПа. При этом используются упругие свойства
стали: благодаря напряжению в теле болта соединяемые элемен-
ты сжимаются очень плотно.
Колонны бывают сплошные, из одного или нескольких про-
филей, или решетчатые, которые состоят из двух или четырех
ветвей, соединенных между собой решеткой. Верхняя часть ко-
лонны называется оголовком, нижняя - башмаком. Колонна
воспринимает сжимающие нагрузки.
Прогоны (балки), обычно двутаврового сечения, изготовляют
из двутавровых балок, а в случае перекрытия больших проле-
тов - сварными из стального листа.
Фермы - плоские решетчатые конструкции, перекрывающие
весь пролет здания (длина ферм - 18; 24; 30; 36 м и более) - вы-
пускаются обычно из угловой стали с креплением сборочных
единиц листовой сталью.
В последние годы широкое применение находят легкие ме-
таллические конструкции (ЛМК). Применение ЛМК по сравне-
нию с традиционными металлоконструкциями снижает в 3...4
раза расход металла на 1 м2 площади здания, на 20...50 % со-
кращаются сроки строительства, в 1,5...2 раза уменьшается тру-
доемкость и на 8... 10 % снижается стоимость строительства.
462
Массовое применение ЛМК комплектной поставки в СНГ
потребовало создания поточного машинного производства спе-
циальных экономичных профилей и типовых элементов зданий,
в том числе: автоматизированных линий по производству про-
филированного настила для покрытий и стеновых трехслойных
панелей с эффективными утеплителями, автоматизированной
линии по производству прямоугольных электросварных труб
для изготовления конструкций типа «Молодечно», поточных
линий по производству рамных конструкций типов «Орск» и
«Канск», линий по производству тонкостенных профилей из
алюминиевых сплавов методом экструзии, автоматизированных
линий окраски в электростатическом поле.
Все стальные конструкции, поступающие на стройки, долж-
ны быть огрунтованы или окрашены. Места соединений и по-
вреждения покрытия окрашивают после монтажа. Для времен-
ной защиты стальных конструкций на период транспортирова-
ния, хранения и монтажа применяются грунтовки ГФ-021,
ФЛ-ОЗК, эмали ПФ, ХВ, НЦ, железный сурик на олифе оксоль.
После подготовки поверхности в металлоконструкциях не
подлежат грунтовке плоскости узлов и соединений на высоко-
прочных болтах, места монтажной сварки на ширину по 100 мм
в обе стороны от шва, фрезерованные торцы элементов, строга-
ные плоскости, шарнирные болты и отверстия для них, которые
покрываются тонким слоем технического вазелина, тавота или
солидола, части конструкций, подлежащие бетонированию, ко-
торые покрываются цементным молоком.
Необходимо помнить, что стальные конструкции, имеющие
большую несущую способность в рабочем положении, могут
легко деформироваться от небольших усилий во время транс-
портирования и хранения. Поэтому их транспортируют и хранят
в соответствии с требованиями к данной конструкции. Гибкие
элементы при транспортировании раскрепляют.
18.7. Коррозия стали и методы борьбы с ней
Коррозия представляет собой разрушение металлов вследст-
вие взаимодействия их с внешней (коррозионной) средой. Этот
463
термин происходит от латинского слова corrosio - разъедание.
Коррозия - страшный бич промышленности, строительства,
транспорта. Ежегодно из-за коррозии безвозвратно теряется
10... 12 % черных металлов.
Коррозия металла начинает развиваться с его поверхности.
Если коррозия идет по всей поверхности металла, то называется
сплошной (рис. 64а), если поражает отдельные участки - мест-
ной (рис. 646). Коррозию, протекающую по границам зерен ме-
талла, называют межкристаллитной (рис. 64в). Начало коррозии
сопровождается потерей поверхностью металла блеска. По мере
протекания коррозии уменьшается сечение детали или конст-
руктивного элемента.
а в
Рис 64. Виды коррозионных разрушений металлов: а - сплошная поверхност-
ная; б - местная; в - межкристаллитная; 1 - кристаллиты металла; 2 - корро-
зионное пятно; 3 - подповерхностная коррозия; 4 - точечная коррозия
По характеру взаимодействия со средой коррозия бывает хи-
мической и электрохимической.
Химическая коррозия протекает в средах, не проводящих
электрический ток, например в сухих газах, жидкостях органи-
ческого происхождения - нефти, бензине, спирте и др. Наиболее
интенсивно такая коррозия проявляется при повышенной темпе-
ратуре. В результате на поверхности металла образуется оксид-
ная пленка.
Окислительные пленки имеются на поверхности всех метал-
лов На одних металлах они не обнаруживают себя, а на дру-
гих - выражены ярко и изменяют его внешний вид.
464
Возможность пассивации металла окисной пленкой зависит
от ее кристаллохимического строения. При соответствии кри-
сталлохимической структуры металла структуре пленки послед-
няя плотно удерживается на поверхности металла и создает его
защиту от агрессивного воздействия. Если кристаллохимическое
строение пленки не соответствует строению металла, (например,
пленка окисла на стали в виде a-Fe2O3), то она не защищает ме-
талл от коррозии
Электрохимическая коррозия является наиболее распростра-
ненным типом коррозии металлов. Она происходит во влажном
воздухе и в различных водных растворах, проводящих электри-
ческий ток. Строительные металлические конструкции, большей
частью работающие во влажном воздухе, подвержены, в основ-
ном, электрохимической коррозии, которая усиливается с рос-
том концентрации в воздухе углекислого и сернистого газов.
Интенсивно корродируют конструкции, находящиеся в грунте,
например трубопроводы.
При электрохимической коррозии часть атомов из кристал-
лической решетки металла или сплава переходит в раствор элек-
тролита в виде ионов. В металле остается эквивалентное количе-
ство электронов В результате металл заряжается отрицательно,
а окружающий его раствор электролита — положительно. Возни-
кает гальваническая пара, в которой частицы разрушающегося
металла постепенно переходят в раствор:
£ - Fc + «Н2О -> Fe+2 - лН2О + 2е.
При появлении разности потенциалов между отдельными
участками поверхности металла электроны начинают переме-
щаться по металлу к поверхности катода, а ионы железа группи-
руются у анода, т. е. происходит снижение разности потенциа-
лов. При отсутствии посторонних факторов деструкция металла
на этом могла бы закончиться. Однако к поверхности катода
может поступать кислород, который связывает свободные элек-
троны:
О2 + 2Н2О + 4с = 4ОН .
В результате этого процесса на катоде накапливается гидро-
ксил ОН-.
30. Зак. 508
465
Накопление гидроксила вызывает появление разности по-
тенциалов, и снова электроны с анода устремляются к катоду.
Одновременно гидроксил-ионы перемещаются в электролите к
аноду, где связываются с ионами железа, образуя гидрат закиси
и гидрат окиси железа так называемые продукты коррозии:
2 ОН’+ Fe2+—> Fe(OH)2;
4Fe(OH)2 + О2 + 2Н2О 4Fe(OH)3.
Эти продукты по сравнению с железом имеют менее отрица-
тельный нормальный электродный потенциал и образуют с ме-
таллом разность потенциалов, стимулируя процесс его коррозии.
Схематически процесс электрохимической коррозии стали изо-
бражен на рис. 65.
б
Рис 65. Схема электрохимической коррозии железа а - воздух;
б - пленка влаги; в - железо
Таким образом, для протекания процесса электрохимиче-
ской коррозии стали необходимы следующие условия-, наличие
активных участков поверхности металла, способных к анодному
растворению; связывание на катодных участках поверхности
металла избыточных электронов, например с восстановлением
кислорода; наличие электролита, в котором может осуществ-
ляться движение ионов между анодом и катодом
Процесс электрохимической коррозии зависит от вида ме-
талла. Если гальваническая пара состоит из двух металлов, то
растворяется металл, стоящий правее в ряду напряжений: золо-
466
то, серебро, медь, свинец, олово, никель, железо, хром, цинк,
марганец, титан, алюминий, магний. Например, при контакте
железа с цинком растворяется цинк, а при контакте железа с ме-
дью - железо. В паре металл - неметалл в электролите растворя-
ется металл.
Электрохимическая коррозия стали в щелочной среде значи-
тельно замедляется. Это обстоятельство используют при изго-
товлении железобетона. В процессе твердения большинства це-
ментов возникает щелочная среда, которая способствует образо-
ванию на поверхности стальной арматуры защитной пленки из
нерастворимых соединений железа типа Fe(OH)3. Происходит
так называемое пассивирование железа. Пленка предохраняет
металл от коррозии. Это характерно для бетона при pH среды
более 11,5. Поэтому в железобетонных конструкциях, находя-
щихся в воздушной или водной среде при отсутствии агрессив-
ного воздействия, коррозии арматуры не происходит. Обяза-
тельным требованием при этом является наличие у арматуры
защитного слоя из бетона толщиной 15...30 мм.
Защита от коррозии представляет собой конструктивные и
профилактические меры, повышение коррозионной стойкости
металлов, изоляцию их поверхности от воздействия среды, про-
текторную защиту.
Конструктивные и профилактические меры заключаются в
повышении качества обработки поверхности металлических из-
делий, а также в защите конструкций от атмосферных осадков.
Благодаря этому сокращается реальная площадь поверхности
металла, контактирующего со средой Для профилактики корро-
зии консервируют дорогостоящие машины и механизмы защит-
ными смазочными материалами.
Повышение коррозионной стойкости достигается введением
в состав стали легирующих добавок - хрома, никеля, марганца,
титана, меди. Весьма стойки к атмосферной коррозии нержа-
веющие легированные стали, содержащие в большом количест-
ве хром, который создает на поверхности изделий плотную ок-
сидную пленку. Используемые в строительстве углеродистые
и низколегированные стали иногда изготовляют с добавкой
30*
467
0,2.,.0,5 % меди, что повышает коррозионную стойкость в
1,5...3 раза.
Изоляция поверхности металла от воздействия среды — наи
более распространенный способ защиты строительных конст-
рукций путем использования покрытий либо получения на по-
верхности металла защитной пленки.
Неметаллические покрытия образуют на поверхности изде-
лий защитную пленку, препятствующую проникновению влаги
Тем самым предотвращается возможность развития коррозии.
В число неметаллических покрытий входят в основном лаки
и краски. Используют битумные, дегтевые, синтетические лаки,
а также масляные краски, алкидные и другие эмали. Санитарно-
технические изделия - ванны, раковины, мойки - защищают не-
органическими эмалями. Нередко защитные покрытия выпол-
няют из полимеров - полиэтилена, поливинилхлорида, полисти-
рола, эпоксидных смол. Поверхности закладных деталей
сборных железобетонных конструкций защищают с помощью
цементно полистирольных или цементно-перхлорвиниловых
обмазок.
Металлические покрытия получают нанесением на поверх-
ность изделия тонкой пленки из другого металла (металлизация
и горячие покрытия). Различают покрытия анодные и катодные.
Анодные покрытия выполняют из металла, стоящего в ряду на-
пряжений правее защищаемого металла. Для стальных изделий
анодной защитой служит пленка из цинка, алюминия. Если по-
крытие окажется нарушенным, то разрушается покрывающий, а
не основной металл. Цинковые и алюминиевые покрытия часто
применяют для защиты поверхности закладных деталей в сбор-
ных железобетонных конструкциях.
Катодные покрытия предохраняют металл от прямого кон-
такта с коррозионной средой. Катодную защиту выполняют из
олова, свинца, никеля. Такая защита работоспособна до тех пор,
пока не нарушена целостность покрытия. При местном наруше-
нии защитной пленки начнется коррозия стали.
Защитные пленки формируют путем целенаправленной об-
работки деталей специальными химическими реагентами. После
такой обработки на поверхности металла образуются сосдине-
468
ния с большой коррозионной стойкостью. Защитные пленки
создают, например, путем оксидирования.
Протекторная защита заключается в соединении металла
защищаемой конструкции с металлом, который находится пра-
вее в ряду напряжений. В образованной таким путем гальвани-
ческой паре металл протектора служит анодом. Он и будет по-
степенно разрушаться, а основной металл останется целым.
Данный способ применяют для защиты конструкций в морской
воде, влажных грунтах Стальные конструкции опор ЛЭП, элек-
троконтактной сети, трубопроводов снабжают протекторами в
виде пластин из цинка, алюминиево-цинковых или магниевых
сплавов.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Что происходит при затвердевании металлов и сплавов?
2. Какие металлы относят к черным, а какие - к цветым? В чем заключают-
ся их различия?
3. Как производят чугун?
4. Какие виды чугуна выплавляют?
5. Что такое сталь? Как ее производят?
6. Каков состав углеродистой стали?
7. Как влияет концентрация углерода на свойства стали?
8. Какие элементы представляют собой вредные примеси в стали и почему?
9. Чем характеризуются конструкционные углеродистые стали? Как обо-
значают их марки?
10. Что такое легированные стали и как их подразделяют?
11. Какую роль играют легирующие добавки?
12. Чем отличаются цветные металлы и их сплавы?
13. Назовите прокатные профили стали
14. Какие виды строительных металлоконструкций вы знаете?
15. Что такое легкие металлоконструкции? Каковы преимущества и сущ-
ность облегчения?
16. Какие процессы происходят при коррозии стали?
17. Почему сталь не корродирует в бетоне?
18. Какими методами защищают металлические изделия от коррозии?
469
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ахвердов И. Н. Физика твердого тела: Учеб.-метод. пособие. - Мн.:
БГПА, 1996. - 102 с.
2. Ахвердов И. Н. Теоретические основы бетоноведения. - Мн.: Вы-
шэйш. шк., 1991. - 181 с.
3. Баженов Ю. М. Технология бетона Учеб пособие. - 2-е изд - М, 1987.
-415 с.
4. Блещик Н. П. Структурно-механические свойства и реология бетон-
ной смеси и прессвакуумбетона. - Мн.: Наука и техника, 1977. - 232 с.
5. Технологическое обеспечение производства железобетонных конст-
рукций: Учеб, пособие / Э. И. Батяновский, В В. Бабицкий, Е. В. Коробко,
П. И. Юхневский. - Мн.: БГПА, 2001, - 161 с.
6. Горчаков Г. И., Баженов Ю. М. Строительные материалы Учеб, для
вузов. - М.: Стройиздат, 1986. - 688 с.
7. Дворкш Л. Й. Теоретичш основы бушвельного матер1алознавства -
К1ев: НМКВО, 1992.- 154 с.
8. Леонович С. Н., Петренко С. И. Основы физики твердого тела. - Мн.:
Технопринт, 2002. - 270 с.
9- Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В. М. Москвин,
Ф. М. Иванов, С. Н. Алексеев, Е. А Гузеев. - М.: Стройиздат, 1980. - 536 с.
» 10. Научные основы материаловедения / Под ред. Б. Н. Арзамасова. - М.,
Изд-во МГТУ им Баумана, 1994. - 366 с
11. Орлов А. М. Добыча и обработка природного камня. - М : Стройиздат,
1977.-352 с
12. Ратинов В. Б., Иванов Ф. М. Химия в строительстве. - М.: Стройиз-
дат, 1977.-220 с.
13. Рыбьев И. А. Строительное материаловедение. - М.: Высш, шк.,
2003.-700 с.
14. Смеси растворные и растворы строительные: Приготовление и при-
менение П1-03 к СНиП 3.04.01-87 / П. И Юхневский, М. Ф. Марковский,
Е. А. Урецкая, Е. Т Якимович. - Мн., 2003 - 39 с.
15. Справочник по производству сборных железобетонных изделии / Под
ред. К. В. Михайлова и А. А. Фаломеева. - М . Стройиздат, 1982. - 440 с.
16. Урецкая Е. А., Батяновский Э. И. Сухие строительные смеси: Мате-
риалы и технологии. - Мн.: Стринко, 2001. - 182 с.
470
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ....................-................................ 3
Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕ-
РИАЛОВЕДЕНИЯ .................................................. 5
Глава 1. Общие сведения......................................... 5
1.1. Основные этапы развития строительного материаловедения.. 5
1 2 Классификация строительных материалов................... 12
Вопросы для самопроверки ................................... 14
Глава 2. Некоторые сведения о химической связи и строении
твердого вещества.............................................. 15
2.1. Виды связей между атомами и молекулами вещества........ 15
2.2. Характеристика кристаллического и аморфного состояний ве-
щества ..................................................... 19
2 3 Типы кристаллических решеток и силы связи в кристаллах ... 24
2 4. Энергия решетки и поверхностная энергия................ 27
2 5 Дефекты кристаллических решеток......................... 29
Вопросы для самопроверки.................................... 34
Глава 3. Основные принципы структурообразования строи-
тельных материалов............................................. 35
3.1. Принципы выбора и использования сырья................. 35
3 2. Характеристика общих технологических переделов......... 39
3 2 1 Подготовительные работы............................ 40
3 22 Перемешивание компонентов смеси..................... 43
3.2 3. Формование и уплотнение изделий из смеси.......... 45
3.2.4. Формирование и фиксация структурных связей - отверде-
вание .................................................. 49
3.3. Стандартизация материалов и контроль качества.......... 54
Вопросы для самопроверки.................................... 56
Глава 4 Прочность, деформативность и долговечность строи-
тельных материалов............................................. 57
4 1. Основные свойства строительных материалов.............. 57
4.1. 1. Физические свойства.............................. 57
4.1. 2. Механические свойства............................ 68
471
4.1 3 Химические свойства.............................. 75
4.2. Структура строительных материалов и изделий........... 77
4 3 Основные принципы формирования строительных материалов
оптимальной структуры...................................... 82
4 .4. Работа материала в сооружении...................... 85
4 5 Долговечность материалов и изделий в конструкциях ... 87
4.5.1. Критические уровни характеристик структуры и свойств . 87
4.5.2 Микротрещинообразование с позиций молекулярно-кине-
тической теории и критерий Гриффитса.................... 90
4.5.3. Концентрация напряжений в твердых телах.......... 95
Вопросы для самопроверки................................... 99
Раздел 2 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ.................. 100
Глава 5. Природные каменные материалы...................... 100
5 1. Горные породы и их классификация.................... 101
5 .2. Свойства и основные виды природных каменных материалов и
изделий................................................... Ill
5 .3. Производство природных каменных материалов......... 116
5 4. Защита от коррозии и хранение природных каменных мате-
риалов ................................................... 117
Вопросы для самопроверки.................................. 119
Глава 6. Древесные материалы и изделия....................... 120
6.1. Структура и свойства древесины....................... 120
6 2. Пороки древесины..................................... 132
6.3. Виды материалов из древесины......................... 135
6.4. Защита древесины от разрушения....................... 141
Вопросы для самопроверки.................................. 145
Глава 7. Керамические обжиговые материалы и изделия........ 146
7 1. Общие сведения...................................... 146
7.2. Керамический рядовой (обыкновенный) кирпич........... 149
7.3. Эффективный кирпич и керамические камни.............. 156
7.4. Облицовочные керамические изделия.................... 158
7.5. Керамические изделия специального назначения......... 163
Вопросы для самопроверки.................................. 166
Глава 8. Материалы и изделия из силикатных расплавов....... 167
8.1. Производство стекла.................................. 167
8.2. Материалы и изделия из стекла........................ 169
8.3. Стекло кристаллические материалы..................... 174
Вопросы для самопроверки.................................. 175
Глава 9. Минеральные вяжущие вещества........................ 176
472
9.1. Основные сведения о минеральных вяжущих веществах и их
классификация.............................................. 176
9.2. Портландцемент........................................ 177
9.2.1 Производство портландцемента....................... 178
9.2.2. Схватывание и твердение портландцемента........... 181
9.2.3. Свойства портландцемента.......................... 184
9.2.4. Разновидности портландцементов................... 190
9.2.5. Портландцементы с активными минеральными добавками 193
9.3. Глиноземистый цемент и его разновидности.............. 196
9.4. Транспортировка и хранение цементов................... 201
9.5. Воздушная известь..................................... 203
9.6. Гидравлические известесодержащие вяжущие.............. 207
9.7. Глина и гипсовые вяжущие вещества..................... 209
9.8. Магнезиальные вяжущие................................. 214
9.9. Жидкое стекло и кислотоупорный цемент................. 216
Вопросы для самопроверки................................... 218
Глава 10. Заполнители для растворов и бетонов.................. 219
10.1. Виды заполнителей и их назначение в бетонах и растворах .. 219
10.2. Мелкие заполнители................................... 222
10.3. Крупные заполнители.................................. 226
Вопросы для самопроверки................................... 233
Глава 11. Бетоны и строительные растворы....................... 234
11.1. Определение и общая классификация бетонов и растворов ... 234
11.2. Бетоны.............................................. 238
11.2.1. Определение состава бетона....................... 238
11.2.2. Технологические свойства бетонной смеси.......... 244
11.2.3. Способы приготовления и укладки бетонной смеси. 249
11.2.4. Физико-механические свойства бетонов........... 255
11.2.5. Специальные бетоны............................... 263
11.2.6. Вода и добавки к бетонам и растворам............. 272
11.3. Строительные растворы................................ 282
11.3.1. Подбор состава, приготовление и транспортирование
растворов................................................ 283
11.3.2. Свойства растворных смесей и затвердевших растворов . 287
11.3.3. Виды, составы и область применения растворов в строи-
тельстве ................................................ 290
11.4. Сухие смеси и их применение в строительстве........... 300
Вопросы для самопроверки.................................... 303
Глава 12. Стеновые материалы и изделия......................... 304
473
12.1. Силикатный кирпич и силикатобетонные изделия............ 304
12 2. Ячеистобетонные изделия................................. 308
12.3. Гипсовые и гипсобетонные изделия........................ 313
12.4. Стеновые бетонные камни и мелкие блоки.................. 315
Вопросы для самопроверки...................................... 318
Глава 13. Железобетон и сборные железобетонные изделия .... 319
13.1. Общие сведения о железобетоне и его классификация.. 319
13.2. Виды арматурных сталей и изделий для армирования железо-
бетонных конструкций.......................................... 326
13.3. Технология монолитного железобетона..................... 338
13.4. Производство сборных железобетонных изделий и конструкций . 340
13.5. Маркировка, транспортирование и складирование железобе-
тонных изделий.............................................. 344
13.6. Защита от коррозии бетона и железобетона................ 345
Вопросы для самопроверки...................................... 350
Глава 14 Материалы и изделия из полимеров и пластических масс. 351
14.1. Общие сведения о полимерах.............................. 351
14.2. Термопластичные полимеры................................ 355
14.3. Термореактивные полимеры................................ 362
14.4. Каучуки и каучукоподобные полимеры...................... 368
14.5 Природные полимерные продукты............................ 373
14.6. Компоненты пластмасс.................................... 377
14.7. Основные свойства полимеров и пластмасс................. 380
14.8. Способы изготовления изделий из полимеров и пластмасс... 383
14.9. Конструкционные и отделочные материалы.................. 386
14.10. Лакокрасочные материалы................................ 391
14.11. Материалы для полов.................................... 397
14.12. Трубы, санитарно-технические и погонажные изделия. 404
14.13. Применение полимеров в бетонах и растворах............. 406
14.14. Ограничения при применении пластмасс в строительстве ... 409
Вопросы для самопроверки...................................... 412
Глава 15. Теплоизоляционные материалы и изделия................... 413
15.1. Классификация теплоизоляционных материалов.............. 413
15.2. Органические теплоизоляционные материалы................ 415
15.3. Неорганические теплоизоляционные материалы.............. 418
Вопросы для самопроверки...................................... 422
Глава 16. Гидроизоляционные материалы............................. 423
16.1. Классификация гидроизоляционных материалов и общие тре-
бования к ним................................................. 423
474
16.2. Жидкие материалы.................................... 424
16.3. Пластично-вязкие материалы.......................... 427
16.4. Рулонные и пленочные материалы..................... 430
Вопросы для самопроверки.................................. 437
Глава 17. Герметизирующие материалы.......................... 438
17.1. Определение и назначение герметизирующих материалов ... 438
17.2. Мастичные материалы................................. 438
17.3. Штучные материалы................................... 440
Вопросы для самопроверки.................................. 442
Глава 18. Металлы и металлические конструкции................ 443
18.1. Общие сведения о металлах и сплавах................. 443
18.2. Основы технологии черных металлов................... 446
18.3. Свойства сталей..................................... 451
18.4. Углеродистые и легированные стали................... 453
18.5. Цветные металлы и их сплавы......................... 456
18.6. Изделия из стали и сборные металлические конструкции .... 458
18.7. Коррозия стали и методы борьбы с ней................ 463
Вопросы для самопроверки.................................. 469
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................ 470
Учебное издание
ЮХНЕВСКИЙ Павел Иванович
ШИРОКИЙ Геннадий Титович
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ
Учебное пособие
Ответственный за выпуск А. П. Аношко
Редактор Г. В. Ширкина
Технический редактор/. Н. Нефедов
Сдано в набор 4.03.04. Подписано в печать 23.04.2004. Бумага офсетная. Формат
60x84 */16. Гарнитура Таймс. Печать офсетная. Усл. псч. л. 27,9. Уч.-изд. л. 22,5.
Тираж 2200 экз. Заказ 508.
Издательство УП «Технопринт». ЛВ № 380 от 29.04.1999. Отпечатано ОАО «Красная
звезда» с диапозитивов заказчика. Лицензия № 02330/0056698 от 30.04.2004. 220073,
г. Минск, 1-й Загородный пер., 3.
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК
^v/T^ec
ООО "АПИМИКС" является отечественным производителем акриловых декоративных
штукатурок, грунтовок, воднодисперсионных красок и полимерминеральных составов,
отличающихся высокими характеристиками, сравнимыми с зарубежными аналогами,
и весьма привлекательными ценами.
АКРИЛОВЫЕ ЗАЩИТНО-ОТДЕЛОЧНЫЕ ДЕКОРАТИВНЫЕ ШТУВАТУРКИ
ДГИ-ДЕКОР 0.5 нм
АПИ-ЩКОР I О мн
АПИ-САХАРА 1 5 мм
АПИ-PVCI 1.5 мм"
АНИ PVCI 2.0 НН
AliH-PVCI 2.5 мм
АЛЯ-РЕЛЬЕФ
Декоративные штукатурки "Апимикс-Ш" производятса на основе 100% сополимера
акрила, отборного кварцевого песка или мраморной крошки, уникальных добавок
(антистатическая, антигрибковая и антиплесеневая) и окрашиваются неорганическими
пигментами. Используются как декоративный отделочный слой для вновь построенных
и существующих зданий, который наносится на любое подготовленное основание:
железобетонное (сборное и монолитное) оштукатуренные стены или гипсокартон.
Штукатурки "Апимикс-Ш" весьма устойчивы к истиранию, стойки к ударам, трудно
воспламенимы. Они идеальны: для подвергающихся большим механическим нагрузкам
поверхностей стен на лестничных клетках, в вестибюлях, фойе, кассовых залах,
для престижной отделки офисных зданий и украшения фасадов.
А при применении материалов "Апимикс-Ш" как отделочного слоя в системах
наружного утепления, наравне с эстетическими свойствами. Неоценимое значение
имеют его технические характеристики, так как они обеспечивают:
• однородный и неизменный цвет фасада на многие десятилетия благодаря
стойкости к ультрафиолетовому излучению;
• отсутствие явлений эрозии поверхности, выделения солей и мела;
• минимальные затраты на содержание фасада
в чистоте и наилучшем состоянии; < *
• неизменное отличное состояние поверхности R \
благодаря высокому параметру эластичности Й-'_ \
и трещиностойкости.
К тому же акриловые штукатурки не содержат цемента
и обеспечивают водостойкий барьер для атмосферных
осадков и, одновременно,свободное проникновение
водяных паров изнутри дома, более высокую
водонепроницаемость поверхности по сравнению
с минеральными и полиминеральными штукатурками.
ГРУНТОВКИ
Ц '?D2i ’ '
Акриловая грунтовка для укрепления и окрашивания поверхности в базовый цвет
перед финишным покрытием.
Грунт \ Mrju,.
Глубоко проникающая акриловая грунтовка для укрепления поверхности.
П0ЛИМЕР1МЕРАПЬНЫЕ
СОСТАВЫ
Клей К для укладки облицовочной плитки;
Клей Кф повышеннной эластичности, атмосфере- и
морозостойкости для укладки стеновых, напольных и
керамических плиток, фасадных плит из
естественного камня;
Клей Кс для наклеивания теплоизоляционных
материалов и армирующей сетки;
Окрасочный состав для наружной и внутренней
—"'“ТКИ.
Если хочешь, чтобы качество работы по истечении гарантийного срока осталось прежним,
то доверяй тем краскам, на которые полагаются для сохранения своей истории государства.
ft
CAPAROL
КАЧЕСТВО
ЕВРОПЕЙСКОГО ЛИДЕРА
'•я