/
Автор: Юхневский П.И. Широкий Г.Т.
Теги: строительные материалы и изделия строительство строительные материалы строительное производство учебное пособие
ISBN: 985-464-352-2
Год: 2004
Текст
1-f ъ^
lllj-
!l -
Wti ^^
П.И. Юхневский
Г.Т. Широкий
■■■-i
WiEIIEHili
r
00
u;. I 1 iir
Уважаемые студенты!
Значение курса "Строительные материалы и изделия" в подготовке
инженеров-строителей трудно переоценить, поскольку ни одно здание или
сооружение нельзя правильно спроектировать, построить и эксплуатировать без
глубоких знаний основ строительного материаловедения. Будущий
инженер-строитель должен хорошо ориентироваться во всей многообразной
номенклатуре строительных материалов как отечественного, так и
зарубежного 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
окружающей 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. ЮХНЕВСКИИ
г. т. ШИРОКИЙ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ
Допущено Министерством образования
Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов
строительных специальностей учреэюдений,
обеспечивающих получение
высшего образования
Минск
УП «Технопринт»
2004
УДК 691 @75.8)
ВЪК 38.3"л7
Ю94
Рецензенты:
М. И. Кузьменков, заслуженный деятель науки Peer
докт. техн. наук, проф., заведующий кафедрой химич
вяжущих материалов Белорусского государственного техи
верситета;
С. Д. Семеиюк, канд. техн. наук, доц., заведующий
тельных конструкций, зданий и сооружений Могилевск
ного технического университета
Юхневский П. И.
Ю 94 Строительные материалы и изделия: Учеб. пособ-
ский,Г. Т. Широкий, - Мн.: УП «Технопринт», 2004. - 4'
ISBN 985-464-352-2
Учебное пособие состоит из двух разделов. В конце кажд<
просы для самопроверки
В первом разделе пособия рассматриваются основные эта
тельного материаловедения, даются сведения о химических
твердых веществ, характеризуются процессы формирования с
риалов, прочностные и деформационные свойства с позиций фи
Второй раздел посвящен практике производства и при
строительных материалов. Большое внимание уделено искусстЕ
на основе минеральных вяжущих, в том числе строительным ра
стеновым материалам и изделиям. С учетом специфики специи
рены древесные и теплоизоляционные материалы.
Учебное пособие предназначено для студентов строительн)
высших учебных заведений Оно может быть использовано у
специальных учебных заведений при изучении курса «Материал
ISBN 985-464-352-2 © Юхневский П. И., Ши]
© Оформление УП «Texi
ПРЕДИСЛОВИЕ
Материаловедческая подготовка студентов строительных вузов
обеспечивается в основном изучением курса «Строительные
материалы», а в последние годы - «Материаловедение». В соответствии с
программой курса «Строительные материалы», сложившейся еще в
довоенные 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
схеме «технология - свойства - применение материалов».
Основной недостаток традиционного вузовского курса
«Строительные материалы» заключается в отсутствии единой теоретической
базы, что существенно обедняет содержание его как научной
дисциплины, не позволяет использовать общие фундаментальные
закономерности для прогнозирования свойств материалов, определения
эффективных направлений управления ими, создания новых материалов с
заданными свойствами. Отсутствие в составе курса теоретических
основ не облегчает, а существенно затрудняет его изучение. Кроме того,
учебник по курсу «Строительные материалы» не соответствует
программе дисциплины «Материаловедение», которая появилась в
учебных 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
предпосылки введения современного вузовского курса «Строительное
материаловедение». Курс под таким названием предусмотрен в учебных
планах студентов вузов на Украине и в России, а соответствующая
литература 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
технологических 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
национального технического университета.
Учебное пособие содержит два раздела: «Основные понятия строи-
1 ельного материаловедения» и «Строительные материалы и изделия».
В первом разделе описываются основные этапы развития
строительно! о материаловедения. Он содержит сведения о химической связи
л строении твердого вегцества, основных процессах структурообразо-
вания и формирования строительных материалов оптимальной
структуры, прочности, деформационных свойствах и долговечности
материалов с позиций физики твердого тела.
Второй раздел посвящен практике производства и применения
основных строительных материалов, используемых в жилищном и
гражданском строительстве. Большое внимание уделено искусственным
материалам на основе минеральных вяжущих, в том числе
строительным растворам и бетонам, стеновым материалам и изделиям. С учетом
специфики специальностей рассмо'фены древесные и
теплоизоляционные материалы.
Наряду с традиционными (керамические, природно-каменные,
металлические) в строительном производстве широко используются
новые материалы на основе пластмасс, сухих смесей, а также химические
добавки, характеристики которых также представлены в настоящем
пособии
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-
шв Белорусского государственного технологического университета
М- И. Кузьменкову и канд. техн. наук, доценту, заведующему
кафедрой 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 национальною технического университета
Э. И. Батяновскому за полезные советы, которые он дал при
обсуждении материала рукописи.
Издание учебного пособия было бы невозможно без
организационной и финансовой поддержки со стороны ректората БНТУ, деканов
факультетов строительного профиля и фирм-спонсоров.
Отзывы и замечания, улучшающие содержание учебного
пособия просим направлять по адресу: 220027, г. Минск, проспект Ф. Ско-
рины 65 кафедра «Строительные материалы и изделия».
Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
СТРОИТЕЛЬНОГО
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Г л а в а 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1Л. Основные этапы развития
строительного материаловедения
Строительные материалы, изделия и конструкции - это
материальная основа строительства. Затраты на них достигают
50 % общей стоимости строительно-монтажных работ.
Следовательно, 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 -
материаловедение. Материаловедение строительное - наука о
строительных материалах, их составе, свойствах, внутреннем строении
технологиях изготовления и областях применения,
долговечности и надежности конструкций зданий и сооружений.
Материаловедение относится к числу основополагающих строительных
наук, поскольку без знания свойств строительных материалов
невозможно проектировать, строить, реконструировать и
эксплуатировать объекты. Эта наука является многоотраслевой, так
как посвящена изучению и систематизации строительных
материалов, вырабатываемых в соответствующих отраслях
промышленности в полной номенклатуре.
Материаловедение может быть сведено к трем основным
взаимодействующим составляющим. Во-первых, в
материаловедение входят эмпирические знания в виде новых и ранее
полученных данных на производстве, в институтах в ходе
экспериментальных и опытно-промышленных исследований,
наблюдений за работой материалов в конструкциях зданий и сооружений
при эксплуатации.
Во-вторых, материаловедение - это область теоретических
знаний. Известно, что теория призвана объяснять факты,
наблюдаемые в производственных и лабораторных исследованиях; в
эмпирическом материа^те она открывает действие
закономерностей, сводит их в единую систему, что приводит к многим
другим обобщениям и гипотезам, к созданию теории, наличие
которой переводит систему знаний в подлинную науку.
В-третьих, материаловедение как неотъемлемый компонент
всякой науки содерлсит ее мировоззренческие основы. С
развитием науки о строительных материалах изменились
представления о прогрессивных и передовых технологиях их производства
на уровне мировых достижений, закономерностях изменения
свойств материалов, долговечности при критическом уровне
деструкции, экологии окружающей среды и материалов как
непременного критерия прогрессивной технологии, максимальном
использовании техногенного сырья при минимальном расходе
природного и др.
Развитие материаловедения происходит при тесном
взаимодействии практики и теории: производственные технологии
дают новые факты, а теоретические - принимают их, обогащая на
их основе научные знания новыми обобщениями,
используемыми, в свою очередь, в развитии производства.
Целенаправленное использование материалов для возведения
построек различного функционального назначения известно
человечеству с древнейших времен. На начальных этапах
цивилизации применяли такие материалы, которые не требовали
значительных усилий и энергетических затрат для придания им
заданной формы: древесину и природные камни,
необожженную глину.
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
глазурованием.
С течением времени человечество познало самородные, а
затем и рудные металлы, крепость и жесткость которых были
известны уже в Vin тыс. до н. э. Холоднокованая самородная медь
была вытеснена медью, выплавленной из руд, которые
встречались в природе чаш;е и в больших количествах. В дальнейшем к
меди стали добавлять другие металлы, и таким образом в Ш тыс.
до н. э. люди научились изготовлять и использовать бронзу как
сплав меди с оловом, а также обрабатывать благородные
металлы, уже широко известные к тому времени.
Получение новых керамических и металлических материалов
и изделий было обусловлено определенным прогрессом
производства. Возрастала необходимость в более глубоком
понимании 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
водной среде с помош;ью природных добавок.
Источниками информации были личные контакты между
мастерами и передача ими опыта, впоследствии получившие ор-
ганизуюш;ее начало в цеховых объединениях, естественная
миграция и насильственное переселение специалистов-мастеров
завоевателями из порабощенных стран. Письменная
информация в области производства материалов и изделий в течение
многих столетий отсутствовала, ибо мастера и ремесленники
были неграмотны, а владевшая письменностью знать была
бесконечно далека от непосредственного производства
в средние века, когда процветала алхимия, Парацельс
A493-1541) заменяет четыре элемента Аристотеля (земля, вода,
воздух и огонь) тремя своими - солью, серой и ртутью, что
можно расценить как интуитивное предсказание роли
межатомных связей в формировании свойств веществ. К этому же
периоду относится и учение Декарта A596-1^50) о том, что природа
представляет собой непрерывную совокупность материальных
частиц, что движение материального мира вечно и сводится к
перемещению мельчайших частиц - корпускул (атомов).
Перемещение атомов составляло основу корпускулярной теории
строения вещества, что было значительным достижением в
области познания составов, внутренних взаимодействий и свойств
веществ.
Большой вклад в развитие науки о материалах внесли
великие русские ученые М. В. Ломоносов A711-1765) и
Д. И. Менделеев A834-1907). М. В. Ломоносов заложил основы
передовой русской философии и науки, особенно в области
химии, физики и геологии. Он явился основоположником курса
физической химии и химической атомистики, обосновывающей
атомно-молекулярное строение вещества. Д. И. Менделеев
открыл 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
количество разновидностей материалов и опытных данных по их
качественным характеристикам. Его можно характеризовать как
становление науки о материалах вообще, о составе веществ,
внутренних взаимодействиях мельчайших частиц и их
свойствах.
Развитие строительной техники и технологии
способствовало совершенствованию качества материалов, расширению их
номенклатуры, порождало новые архитектурные формы. С
открытием таких вяжущих, как строительный гипс и воздушная
известь, появилась возможность изготовлять материалы
конгломератного 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
применение этих бетонов ограничивалось недостаточной
водостойкостью гипса и извести.
Второй этап в развитии строительных материалов
начался с изобретения во второй половине XIX в. гидравлического
вяжущего - портландцемента - и закончился в первой
половине XX в. Появилась возможность изготовлять водостойкие
бетоны и строительные растворы, что существенно расширило
технические возможности строительства. Важнейшим
показателем этого этапа явилось массовое производство различных
строительных материалов и изделий, непосредственно связанное
с интенсификацией строительства промышленных и жилых
зданий, общим прогрессом промышленных отраслей,
электрификацией и т. д. Характерным является также конкретное изучение
составов и качества производимых материалов, изыскание
наилучших видов сырья и способов переработки, методов оценки
свойств строительных материалов со стандартизацией
необходимых критериев совершенствования практики изготовления
продукции на всех стадиях технологии.
В номенклатуре материалов, кроме применявшихся на
первом этапе камня, меди, бронзы, железа и стали, керамики, стекла
и отдельных вяжущих, начался массовый выпуск
портландцемента, появились новые цементы; сформировалась специальная
наука о бетонах - бетоноведение. Были предложены новые
разновидности искусственных заполнителей для легких бетонов -
керамические, шлаковые и др.
В конце XIX в. формируется технология изготовления
железобетона и получает развитие наука о железобетоне. В это же
время в строительстве внедряется предварительно напряженный
железобетон. Массовое производство преднапряженных конст-
рукции началось несколько позже, а в нашей стране - на третьем
этапе развития строительного материаловедения. К этому
периоду относится внедрение и сборного железобетона.
Развивались научные концепции производства многих других
строительных материалов. Уровень познания поднялся так, что в
цементной, 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
силу. В то же время в других областях раскрытие теоретических
принципов и общих закономерностей сдерживалось
необходимостью быстрейшего решения проблемы интенсификации
производства строительных материалов и изделий для
удовлетворения нужд строительства.
Третий этап охватывает период со второй половины XX в.
до настоящего времени. Он характеризуется, во-первых,
процессом дальнейшего расширения производства строительных
материалов и углублением знаний соответствующих им
специализированных наук и, во-вторых, интеграцией научных знаний о
строительных материалах и изделиях в их сложной
совокупности. Расширение производства материалов вызывалось по-
прежнему необходимостью восстановления жилищного и
промышленного фонда после Второй мировой войны.
Строительство было переведено на индустриальные способы, в частности
путем заводского изготовления изделий из железобетона,
конвейеризации производства бетона и железобетона.
Индустриализация строительного производства привела к расширению
номенклатуры и совершенствованию способов производства
штучных теплоизоляционных, гидроизоляционных и
герметизирующих материалов, в особенности материалов на полимерной
основе или с их применением.
Керамическое производство стало высокомеханизированной
и автоматизированной отраслью в промышленности
строительных материалов. Во второй половине XX в. годовая производи-
10
тельность одной технологической линии составляла на заводах
до 30 млн шт. стандартного кирпича. Были внедрены поточно-
конвейерные линии с годовой производительностью до 1 млн м^
облицовочных керамических плиток и до 800 тыс. м^ плиток для
полов.
Наше время характеризуется бурным развитием
промышленности строительных материалов. Наряду с традиционными
возрастает применение новых материалов. Механические
способы переработки сырья все более вытесняются физико-
химическими методами, при которых свойства строительных
материалов формируются скрытой энергией вещества. Это
позволяет сократить непроизводительные затраты труда, топлива и
электроэнергии.
Современный этап характеризуется быстрым развитием
производства 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
помощь производству. Производство и наука обогащают друг
друга, что особенно характерно для стадии современного развития
строительного материаловедения. В результате появляются
стыковые, пограничные области знаний о строительных материалах,
например полимерцементных, силикатополимерных, шлакоке-
рамических и др.
Для современного периода характерным является
создание 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
Республике Беларусь реализуется программа жилищного
строительства, 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
индивидуального строительства взят курс на увеличение выпуска
газосиликатных блоков как наиболее экономичного стенового
материала.
В строительстве и отделке зданий широкое применение
находят сухие смеси, защитно-отделочные и клеевые композиции,
эффективные полимерные, металлополимерные, керамические и
стеклянные материалы.
1.2. Классификация строительных материалов
В строительстве используют большое количество
разнообразных материалов. По назначению строительные материалы
принято делить на следующие группы:
• еясисущие 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,
керамический 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
отделочные камни;
• тепло- и звукоизоляционные материалы и изделия -
материалы 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
связующих, 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
искусственные пористые;
• штучные санитарио-технические изделия и трубы - из
металлов, керамики, фарфора, стекла, асбестоцемента, полимеров,
железобетона.
Классификация строительных материалов по назначению
позволяет выявить наиболее эффективные материалы, определить
их взаимозаменяемость и после этого правильно составить
баланс 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
изготовлении изделий из них придают определенную форму и
рациональные размеры, не изменяя их внутреннего строения,
химического и вещественного состава. Чаще других из природных
используют древесные и каменные материалы и изделия. Кроме
них, в готовом к употреблению виде или при механической
обработке можно получить природный битум или асфальт, камыш,
торф, костру и другие природные продукты.
Искусственные строительные материалы разделяют по
главному признаку их отвердевания (формирования
структурных связей) на:
• безоблсиговые ~ материалы, отвердевание которых
происходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с
кристаллизацией новообразований из растворов, а также
материалы, отвердевание которых происходит в условиях автоклавов
при повышенных температуре A75...200 °С) и давлении
водяного пара @,9... 1,6 МПа);
13
• обэюиговые - материалы, формирование структуры
которых 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
вяжущие представлены неорганическими, органическими,
полимерными, а также смешанными (например, органоминеральны-
ми) продуктами. К неорганическим вяжущим относят
клинкерные цементы, гипсовые, магнезиальные и др.; к органическим -
битумные и дегтевые вяжущие вещества и их производные; к
полимерным - термопластичные и термореактивные
полимерные продукты.
В конгломератах обжигового типа роль вяжущего играют
керамические, шлаковые, стекольные и каменные расплавы.
Органические вяжущие вещества позволяют получать
конгломераты, 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
мелкозернистые, а также тонкодисперсные.
Полимерные вяжущие вещества - важные компоненты при
изготовлении полимербетонов, строительных пластмасс,
стеклопластиков и других, нередко называемых композиционными
материалами.
Классификация искусственных строительных материалов
(конгломератов), объединяемая общей теорией, расширяется с
появлением новых вяжущих веществ, разработкой новых
искусственных заполнителей, новых технологий или существенной
модернизацией существующих, созданием новых
комбинированных структур.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Что включает строительное материаловедение?
2. Какие этапы характерны для развития строительного
материаловедения?
3. На какие группы делят строительные материалы по назначению и
по виду исходного сырья?
14
г л а в а 2 НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ
О ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
И СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО ВЕЩЕСТВА
2.1. Виды связей ме>вду атомами и молекулами вещества
Рассмотрим строение молекул ~ мельчайших частиц
вещества, способных к самостоятельному существованию и
участвующих в образовании всего многообразия материалов,
применяемых 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
атомов. При сближении атомов происходит перекрытие волновых
функций, поэтому возникают силы притяжения, которые
являются причиной образования химической связи. При дальнейшем
сближении атомов начинают действовать силы отталкивания:
это короткодействующие силы, величина которых резко
возрастает при уменьшении межатомного расстояния. В химических
превращениях происходят разрыв одних связей и образование
других. Для разрыва связей необходима энергия; она
высвобождается 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
сведениями и перечислением существующих типов химической
связи, используя при этом основной ~ энергетический -
критерий 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
отличающей ее от физических сил взаимодействия - магнитных
или гравитационных, является ее насыщаемость. Эта
насыщаемость проявляется не только в том, что атомы
взаимодействуют друг с другом в строго определенных соотношениях,
15
но и в том, что все «лишние» атомы отталкиваются от
образовавшихся молекул»
Известно несколько типов химической связи. Наиболее
просто объясняется электровалептная, или ионная, связь. Она
возникает 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
отдают электроны (доноры электронов), а атомы неметаллов
(кислорода, фтора, хлора и др.) легко их присоединяют (они ~
акцепторы электронов). В результате оба взаимодействующих
атома превращаются в ионы с электронной оболочкой
ближайшего 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
сопоставимы по величине с радиусом самих атомов A...2) • 10^^ м.
Эти ионы в растворе сольватированы^ и могут свободно
перемещаться, в кристалле - удерживаются вместе силами
притяжения между положительным и отрицательным зарядами и
образуют бесконечную гигантскую структуру.
Валентная
оболочка
о
Ионная связь ^ ^^Атом хлора
Рис I. Схема ионной связи в кристалле NaCl
Сольвата1{ия - процесс, в результате которого молекулы растворителя
связываются с ионами или молекулами растворенного вещества.
а
н
Н
Атом углерода им
8 обобществлеинь
электронов
Иные представления лежат в основе построения ковалентной
связи, которой характеризуются молекулы, образованные
одинаковыми или очень близкими друг к другу по свойствам
атомами (рис. 2). К ковалентным относятся, например, связи,
возникающие между двумя атомами
кислорода в молекуле кислорода,
атомами водорода - в молекуле водорода
и в некоторых других двухатомных
молекулах.
Ковалентная связь в подобных
молекулах образуется за счет
обобществления неспаренных электронов
каждого 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
которого симметрична по отношению к
взаимодействующим атомам.
Если же электронное облако
несколько смещено в сторону одного из
атомов, то возникает дипольный'
момент, 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 6- ). Полярной
является, например, молекула воды
(рис. 3).
, __ ' Ядро >тлерода
Каждый атом Ш ■
Н имеет 2 ^^-^,
обобществленных электрона
■"Ядро водорода
Рис 2. Схема ковалентной
связи в молекуле метана: а -
схема молекулы СН4; б - ее
модель
Полярность
Ш
Полярная молекула
воды (НзО)
Рис 3. Дипольное строение
молекулы воды
Диполь - совокупность двух точечных электрических зарядов, равных по
величине и противоположных по знаку, находящртхся на некотором расстоянии
друг от друга.
2 Зак. 508
НАВУКОВАЯ БШЛШТЭКА
17
На внешней орбите атома кислорода вращается шесть
электронов, тогда как при полном насыщении электронами на этой
орбите их число должно равняться восьми. Дополнение внешней
орбиты электронами происходит за счет электронов атомов
водорода. Количественной мерой полярности связи служит
величина дипольного момента ц-произведения из заряда полюса
диполя на расстояние между полюсами - центрами тяжести
отрицательных 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
служить полярным растворителем. Полярные растворители
растворяют ионные соединения.
Кроме того, очень важна и так называемая координационная,
или донорно-акцепторная, связь ~ разновидность ковалентной
связи, осуществляемая, например, в комплексных соединениях.
Донорно-акцепторная связь
возникает при наличии у одного из
атомов неподеленной пары электронов
(донор), тогда как у другого атома -
акцептора - существует не
содержащая ни одного электрона атомная
орбита. Например, ион аммония
образуется вследствие возникновения
координационной связи между
атомом азота в молекуле аммиака и
ионом водорода (рис. 4).
Координационная связь
характерна для основных продуктов
гидратации цементов - аквокомплексов,
которые обычно называют
кристаллогидратами.
Как было отмечено выше,
образование молекул из атомов приводит
к выделению или поглощению
энергии. Это же условие лежит и в основе
Н Донор
1^ j^ Неподе-
Li А |J вклеивая Н
# ^^ пара Акцептор
н I
Донор ^ Акцептор
н *V JH
*•
н
Ион аммония
н ^^
Н
N
Н
Рис 4. Схема
координационной связи при образовании
иона аммония
18
самопроизвольно протекающего взаимодействия между
молекулами. Для того чтобы осуществилась реакция, необходима такая
перестройка перечисленных химических связей, которая в
конечном счете была бы энергетически выгодной. Это означает,
что разность между энергией разрыва всех старых связей и
энергией 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
отличаются от сил, обеспечивающих химические связи, не только
количественно (обычно в десятки раз меньшей величиной), но и
качественно, а именно: своей универсальностью и
ненасыщаемостью. Это означает, что они действуют на сравнительно
больших расстояниях в сопоставлении с расстояниями между
атомами 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
атомах, и они в 10.. .20 раз слабее, чем силы прит51жения между ионами.
2.2. Характеристика кристаллического
и аморфного состояний вещества
В зависимости от давления и температуры вещество может
находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии ^
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
(атомов, молекул, ионов) элемента или вещества в пространстве.
Расстояние между двумя соседними атомами в твердом теле
остается неизменным.
' 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
различных вида затвердевания:
1) кристаллизация вещества. В этом случае в жидкости,
охлажденной до определенной температуры, появляются
мельчайшие кристаллы, т. е. области упорядоченно располоэюенных
и прочно связанных меэюду собой частиц (молекул, атомов,
ионов). 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
повышения вязкости эюидкости с пониэюением температуры.
Известны 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
быстро возрастает с понижением температуры, что затрудняет
перемещение молекул, необходимое для формирования и
роста кристаллов, и вещество успевает затвердевать до
наступления кристаллизации. Такие вещества называются
стеклообразными.
Таким образом, кристаллическими называют тела, в которых
атомы и молекулы расположены в правильном геометрическом
порядке, а аморфными - в которых атомы и молекулы
расположены 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.
Например, явление «расстекловывания» строительного стекла
сопровождается его помутнением, минераловатных волокон -
превращением их в порошок.
Процесс кристаллизации не совершается мгновенно, а
требует определенного времени. Иногда одно и то же вещество может
затвердевать как в кристаллической, так и в аморфной форме.
Например, если расплавленный доменный шлак охлаждать
медленно, то он затвердевает в кристаллической форме, а если ох-
20
лаждать быстро, выливая расплав в холодную воду, то шлак
затвердевает в аморфной форме. При быстром охлаждении
(например, расплавленного кварца) может произойти затвердевание
без кристаллизации с сохранением хаотического
(неупорядоченного) расположения атомов. Так образуется аморфное
вещество - в данном случае кварцевое стекло. При этом свойства
материала существенно различаются.
Аморфные тела можно рассматривать как сильно
охлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости.
У них наблюдаются слабо выраженные свойства текучести.
Например, куски воска или битума, находящиеся в воронке, со
временем принимают ее форму. Поэтому, строго говоря,
твердыми следует называть только кристаллические тела.
Отсюда следуют основные различия в свойствах
кристаллических и аморфных тел. Если наблюдать процесс плавления и
затвердевания кристаллических и аморфных тел, то можно
заметить, что кристаллические тела имеют точку плавления Гпл, при
которой вещество находится в устойчивом состоянии в обеих
фазах - в твердой и жидкой, аморфные же тела, постепенно
размягчаясь при нагревании, не имеют определенной температуры,
соответствующей переходу твердой фазы в жидкую (рис. 5).
Участок АВ на кривой а соответствует процессу плавления
кристаллического тела. На этом участке температура тела не
изменяется, хотя теплота от нагревателя к нему по-прежнему подводится.
Рис 5. Изменение
температуры тел в процессе
нагревания: а -
кристаллического; б - аморфного
Время
21
Установлено, что при температуре плавления внутренняя
энергия Ui частиц кристаллов меньше внутренней энергии U2
расплава. Это значит, что при температуре плавления Гпл
энергия упорядоченного движения частиц в кристалле меньше
энергии теплового движения частиц в расплаве. Поэтому, для того
чтобы перевести в жидкое состояние кристаллическое вещество
при температуре плавления, нужно сообщить ему дополнительно
энергию AU = Uj - U\. Увеличение внутренней энергии
происходит за счет передачи кристаллу некоторого количества теплоты.
Теплота, затрачиваемая на переход единицы массы вещества
из кристаллического состояния в жидкое при температуре
плавления, называется удельной теплотой плавления Х и
рассчитывается по выражениям
Х^=:—Л L ИЛИ л = ^^5 B.1)
т т
где т - масса кристаллического вещества.
Обратный процесс - кристаллизация - может происходить
только в случае, если от системы (жидкая фаза - кристалл)
отводится 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
повышению текучести жидкости и уменьшению ее вязкости.
Таким образом, с энергетической стороны имеет место
принципиальное различие между кристаллическими и
аморфными телами, состоящее в том, что процесс плавления и
затвердевания кристаллических тел сопровождается определенным
тепловым эффектом. У аморфных же тел этого теплового
эффекта 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.
Например, расплав доменного шлака, используемый для получения
шлакопортландцемента, охлаждают по специальному
ускоренному режиму для получения гранулированного шлака
стеклообразного строения, обладающего повышенной химической
активностью. Аморфное строение имеют горные породы,
применяемые в качестве активных минеральных добавок к цементам
(туфы, пемзы, опоки, трепелы, диатомиты), смолы,
пластмассы 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
повышенной 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
категории - механическая прочность, модуль деформаций,
термический коэффициент расширения, коэффициент
теплопроводности и другие - могут быть различными для разных направлений
в твердом теле.
Изотропией называют независимость определенных
физических свойств твердого тела от направления. Напротив, под
анизотропией понимают зависимость свойств макроскопически
однородного тела от направления по отношению к осям
координат, связанным с самим телом. Волокнистые и слоистые
материалы, древесина обладают различными свойствами в
различных направлениях, т. е. являются анизотропными. Напротив,
23
жидкости и материалы в аморфном состоянии обладают
одинаковыми свойствами во всех направлениях как изотропные
материалы, например стекло. Кристаллические вещества в
микрообъеме анизотропны (например, кварц), в макрообъеме -
изотропны (например, гранит).
2.3. Типы кристаллических решеток
и силы связи в кристаллах
При переходе вещества из жидкого состояния в твердое
(например, при застывании расплава металла) или при выпадании
твердого вещества в осадок из насыщенного раствора
(например, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества
стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы
их взаимодействия оказались максимально уравновешены.
Поэтому их положение относительно друг друга оказывается
вполне определенным, фиксированным.
Такой геометрически правильный и повторяющийся в
пространстве порядок расположения атомов (молекул) называют
кристаллической решеткой (рис. 6). Кристаллическая решетка
представляет собой пространственную сетку, в узлах которой
располагаются молекулы, атомы или ионы, образующие
кристалл. Существует шесть типов простых кристаллических
решеток, наиболее симметричной из которых является кубическая
(рис. 6а). Длину ребер а, Ь, с кристаллической ячейки называют
периодами идентичности кристалла. Величины а, Ь, с м а, ^,у
(углы между ребрами) однозначно определяют элементарную
кристаллическую ячейку и называются ее параметрами.
а б в
Рис, 6 Типы кристаллических решеток: а - кубическая; б - кубическая
объемно-центрированная; в - кубическая гранецентрированная; а,Ь,с~ длина
ребер; 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
существовать 14 типов кристаллических решеток.
Различают примитивные (простые), базоцентрированные,
объемно-центрированные и гранецентрированные решетки
Браве. Если узлы кристаллической решетки расположены только в
вершинах параллелепипеда, то такая решетка называется
примитивной 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
пространственных 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
рассматриваемому атому соседних атомов называют
координационным. Чем оно больше, тем плотнее упакованы частицы в
кристаллической решетке. Для металлов характерны
гранецентрированные, кубические и гексагональные решетки с
координационным числом 12 и объемные - с координационным
числом 8.
Между частицами твердого тела действуют силы как
притяжения, так и отталкивания. При определенном расстоянии
между 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
скоростью (в несколько тысяч триллионов оборотов в секунду)
вращаются по определенным орбитам электроны, создавая
вокруг ядра так называемое электронное облако.
Ядро атома обладает определенным электрическим зарядом,
который численно равен суммарному заряду электронов.
Молекула образуется стяжением атомов за счет взаимодействия меж-
25
ду электронами, находящимися на их внешних орбитах, и
является, таким образом, сложной системой, несущей одновременно
положительные и отрицательные заряды.
По физической природе сил, действующих между частицами
решетки, различают ионные, металлические, меоюмолекулярные
и ковалентные связи.
Если в узлах кристаллической решетки расположены
разноименные 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
противоположного знака больше, чем силы отталкивания между ионами
одного знака. Ионный кристалл можно рассматривать как
гигантскую ионную молекулу, в которой каждый из ионов
взаимодействует со всеми остальными. Поэтому ионная связь является
ненаправленной и ненасыщенной.
В атомных кристаллах атомы в узлах кристаллической
решетки взаимодействуют со своими ближайшими соседями за
счет ковалентной химической связи. Последняя носит
направленный 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
периодической таблицы: углеродом (алмаз), кремнием, германием и др.
По аналогии с атомными кристаллами в узлах
пространственной решетки металлических кристаллов размещаются
положительные ионы металлов, а структурные связи обусловлены
свободно перемещающимся облаком электронов (электронный
газ), которое удерживает вместе положительные ионы.
Металлическая связь возникает в том случае, если число валентных^
электронов невелико и при этом они слабее связаны с
ядрами. При образовании металлов электронные оболочки
валентных электронов перекрываются, поэтому валентные электроны
Валентный электрон - электрон, который принимает участие в
образовании 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.
Металлическая 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 (Нг, N2, СЬ, Вг2, СаО,
Н2О и др.) сохраняют свою «индивидуальность» в газообразной,
жидкой и твердой фазах и удерживаются в узлах решетки
сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Последние
являются силами притяжения и обусловлены движением
электронов в атомах, ив 10... 20 раз слабее, чем силы притяжения
между ионами.
Молекулы, образующие кристалл, могут быть полярными.
Диполи молекул ориентируются так, что обращенные друг к
другу концы соседних диполей разнополярны, и силы
притяжения преобладают над силами отталкивания Молекулы,
образующие кристалл, могут быть и неполярными. Однако из-за
движения электронов и колебания ядер электрические центры
тяжести положительных и отрицательных зарядов могут
сместиться - возникает мгновенный электрический момент диполя.
Диполи ориентируются соответствующим образом, и между
молекулами возникают силы притяжения. Примером веществ,
обладающих такой связью, служат «сухой лед» (двуокись
углерода) 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
разъединения 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»
решетки под воздействием тепловых колебаний, в то время как
внутренняя энергия увеличивается.
Энергию решетки ионных кристаллов можно рассчитать по
формуле М. Борна
^NMz,e'fl\ дж/моль, B.2)
47Г8оао V nj
где TVa - число Авогадро; Zi и Z2 - валентности; е - заряд
электрона; п - показатель, учитывающий силы отталкивания, для
ионных кристаллов az = 9; Оо - равновесное состояние между
ионами, которому соответствует минимум потенциальной энергии;
8о - электрическая постоянная, 8о = 8,85 ■ 10'^^ Ф/м; ам -
константа Маделунга.
Энергию решетки металлических кристаллов, согласно Га-
беру, можно рассчитать по формуле
C/pe.-^^^^^^fl--l- B.3)
Для металлов я = 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
расстояния между ионами или при увеличении валентности возрастает
энергия решетки, а соответственно и температуры кипения и
плавления. Различия в энергиях решетки разных веществ
сказываются и на их реакционной способности. Вещества с
наименьшей энергией будут, как правило, реакционно-способными.
Поверхность кристалла представляет собой обрыв
периодического расположения элементов решетки. Связи любой
выделенной внутри кристалла частицы насыщаются связями соседей.
А для атомов, ионов или молекул, находящихся на поверхности,
это насыщение уже не является всесторонним. Отсюда
вытекают характерные энергетические взаимодействия частиц в
близких к поверхности слоях кристалла и на поверхности,
граничащей со средой. При увеличении поверхности раздела, т. е. при
переводе молекул в поверхностный слой, совершается работа
28
против нескомпенсированных сил межмолекулярного
взаимодействия у границы раздела фаз (например, кристалл 1 -
кристалл 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
поверхностного слоя на границе раздела фаз по сравнению с
соответствующей объемной энергией самих фаз. Поверхностная энергия
кристалла определяется как свободная энергия (свободная
энергия любой системы определяется уравнением
F=U-TS, B.4)
где и - внутренняя энергия; S - энтропия; Т - абсолютная
температура), которую необходимо затратить для создания
поверхности.
2.5. Дефекты кристаллических решеток
Идеальных кристаллов, в которых все атомы находились бы
в положениях с минимальной энергией, практически не
существует. Отклонения от идеальной решетки могут быть
временными и постоянными. Временные отклонения возникают при
воздействии на кристалл механических, тепловых и
электромагнитных колебаний, при прохождении через кристалл потока
быстрых частиц и т. д. К постоянным несовершенствам относятся:
• точечные дефекты (межузельныс атомы, вакансии,
примеси). Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их
размеры 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
(закрытые 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
решетки, в которых отсутствуют атомы) являются
термодинамически равновесными дефектами: при каждой температуре в
кристаллическом теле имеется вполне определенное количество
дефектов.
Примеси в решетках имеются всегда, поскольку
современные методы очистки кристаллов не позволяют еще получать
кристаллы с содержанием примесных атомов менее 10^^ см"^.
Если атом примеси замещает атом основного вещества в узле
решетки, он называется примесью замещения. Если
примесный 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
убывают обратно пропорционально третьей степени расстояния от
него.
а б
Рис. 7 Деформация кристаллической решетки при наличии- а - вакансии;
б - атома в междоузлии
Важной особенностью точечных дефектов является их
подвижность. Перемещение дефектов связано с преодолением
потенциальных 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 диффузионный* механизм.
Для получения фиксированных концентраций вакансий и
управления с их помощью процессами применяют закалку
металла (резкое охлаждение после высоких температур),
пластическую деформацию, облучение быстрыми нейтронами и т. д.
В настоящее время особое внимание исследователей
занимают такие дефекты в кристаллах, которые носят название
дислокаций (зацеплений, смещений). Представления о дислокациях
оказались очень плодотворными при объяснении причин
пластических 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
(линейные) и винтовые. И те и другие возникают в том случае,
если, например, вакансии объединяются или блоки кристаллов
срастаются друг с другом при некотором отклонении от
совершенного порядка, т. е. под некоторым углом дезориентации, как
показано на рис. 8.
Рис. 8 Образование линейной
дислокации
^ Диффузия - перемещение атомов, обусловленное их тепловым
движением в жидкой или твердой фазе, на расстояние, большее периода решетки
Данное несовершенство постепенно приводит к смещению
плоскости на один период решетки. При краевой дислокации это
выглядит так, словно в совершенную кристаллическую
плоскость вставлена еще одна дополнительная плоскость,
перпендикулярная чертежу и не имеющая продолжения в нижней
половине кристалла. Такую «лишнюю», неполную атомную
плоскость называют экстраплоскостью. Центр ее изображают в
виде буквы Т (отрицательная дислокация) или перевернутой Т
(положительная дислокация). Длина дислокаций может
составлять несколько тысяч периодов решетки, т. е. иметь
протяженность порядка 10"^ мм, причем они могут изгибаться в
спираль, петли и т. д.
Лишний атомный слой (экстраплоскость) действует как
клин, изгибая решетку вокруг своего нижнего края внутри
кристалла. Наиболее существенно то, что в некоторой области
непосредственно вблизи края экстраплоскости внутри кристалла
решетка сильно искажена. Выше края экстраплоскости
межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края - больше
их. Атом на самой кромке экстраплоскости имеет меньше
соседей, чем атом внутри совершенной решетки. Область
несовершенства 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
относительно 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
винтовой 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
измерении - вдоль линии ВС - область несовершенства имеет
макроскопический 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
перпендикулярна вектору сдвига, винтовая дислокация параллельна
вектору сдвига. Кроме того, краевая дислокация в определенной
кристаллографической плоскости может быть образована
сдвигом только по этой плоскости. Винтовая же дислокация может
образоваться при сдвиге по любой кристаллографической
плоскости, содержащей линии дислокации, по любой поверхности,
оканчивающейся на этой линии.
Следует учитывать, что дислокации, обладая повышенной
подвижностью, сами способны стать источником новых
дислокаций. 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
границам блоков, и служат теми дефектами, удаление которых
повышает прочность материала. В тонких монокристаллических
нитях эта прочность приближается к теоретической.
Перемещением дислокаций удается объяснить те
сравнительно невысокие усилия, которые вызывают сдвиг кристаллов в
процессах пластической деформации. Например, величина
наклепа, способствующая упрочнению стали, объясняется
явлением дислокаций, которые могут перемещаться в кристалле. При
взаимной встрече линейных дислокаций число их может
возрасти, и, переплетаясь, они образуют как бы спутанные нити.
В этом случае сталь упрочняется, и, если деформация будет
продолжаться, она будет хрупкой.
Если надо сломать проволоку или кусок жести, то их следует
несколько раз отогнуть в одну и другую сторону. Сначала
металл деформируется легко, затем - немного упрочняется и,
наконец, - 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
материалах было установлено при изучении кальцита и гипса,
используемых в строительстве.
Таким образом, теория дислокаций является полезной при
рассмотрении физических и физико-химических явлений в
твердом теле. В то же время имеющийся опыт, а также
теоретические расчеты показывают, что нельзя механически
распространять выводы, вытекающие из представлений об идеальном
кристалле, на реальные пористые поликристаллические
неоднородные в химическом и дисперсионном отношении структуры.
Основные положения этой главы весьма важны для
понимания многих процессов, происходящих в твердых и жидких
телах, 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
схему образования связи.
3. Что такое диполь и дипольный момент?
4. Как образуется донорно-акцепторная связь? Для каких молекул она
характерна?
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-
дьрс тел?
34
г л а в а 3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ЗЛ. Принципы выбора и использования сырья
Технология - наука о процессах и способах переработки
используемых сырьевых продуктов. Химическая технология -
наука о методах и процессах химической переработки сырья
в строительные материалы и изделия. Основными
элементами технологий являются сырье, энергия и аппаратура. Эти
элементы тесно взаимосвязаны и обусловлены экономикой,
состоянием и уровнем развития научно-технического
потенциала. При достигнутом на сегодняшний день уровне развития
промышленности круг сырьевых материалов практически
неограничен.
В качестве сырья для производства многочисленных
разновидностей строительных материалов используют исходные
вещества или смеси различных веществ (сырьевые смеси).
Наиболее широко применяется природное сырье. Следует отметить,
что относительно легкодоступные запасы природного сырья,
чаще всего представленного веществами стабильной
кристаллической структуры (огнеупорные глины - кристаллогидраты,
известняки, кварц, некоторые изверженные горные породы),
добываемого современными техническими средствами, находятся в
ряде стран СНГ под угрозой исчерпания. Добывать сырье
становится все труднее, поэтому приходится решать эти проблемы за
счет увеличения расхода энергии, разработки менее богатых
месторождений, 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.
Целесообразность их использования заключается в том, что эти
вещества, содержащие значительную часть нерастраченной
кинетической энергии, позволяют перерабатывать их в общественно
3* 35
полезный продукт с гораздо меньшими материальными и
энергетическими 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
различных соединений углерода вещества, запасы которых также
ограничены.
В Республике Беларусь затраты на импорт минеральных и
топливных ресурсов значительно превышают показатели
экспорта. Активизация промышленного производства и рост
инвестиций предопределяют увеличение потребностей в
минеральных 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
торгового баланса и общее состояние экономики страны. Поэтому
наращивание доли участия в производстве местных сырьевых и
топливных ресурсов, увеличение их экспорта и постепенное
вытеснение импортируемых сырьевых материалов является важной
задачей. Выполнение ее осложнено тем, что по отдельным видам
минерального сырья степень освоенности разведанных
месторождений достаточно высока и существенный прирост добычи
полезных ископаемых на их базе проблематичен. Например,
хозяйственная освоенность балансовых запасов полезных
ископаемых 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;
доломиту - 100; кварцевому песку для производства стекла - 40,1;
тугоплавким глинам для керамических изделий - 90,7 %. Таким
образом, разведанные и вовлеченные в хозяйственное
использование местные минеральные ресурсы не могут в полной
мере обеспечить потребности страны и радикально снизить
объемы материалов, импортируемых из стран СНГ и дальнего
зарубежья.
Проблема обеспеченности сырьем промышленности
строительных материалов по-прежнему является актуальной для
экономического 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
керамического кирпича в Беларуси уже много лет испытывают его
существенную нехватку. Почти 30 % предприятий (по данным
БелНИГРИ) по производству керамического кирпича не
обеспечены сырьем, около 20 заводов в последние годы прекратили
выпуск продукции. В этой связи необходимо уже сейчас
заботиться об обеспечении действующих предприятий резервными
сырьевыми базами, а также готовить сырьевые ресурсы для
создания новых производственных мощностей.
Ввиду затруднений с природным сырьем и постоянно
возрастающим загрязнением окружающей среды всевозможными
отходами других отраслей промышленности для производства
строительных материалов все более широко используют
побочные продукты от других производств: шлаки металлургических
производств, золы от сжигания каменного угля и кокса
используют в производстве минеральной ваты, ячеистых бетонов,
керамических изделий; отходы горно-обогатительных
комбинатов — в производстве керамических и теплоизоляционных
материалов; 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
аккумулирована и зафиксирована в них в процессе производства
основного 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
практикуется повсеместно на производстве. Регулируя или выбирая
сырье с заданным химическим составом, мы тем самым управляем
свойствами конечного продукта. В большей степени это
относится к побочным продуктам, например металлургическим
шлакам. Из-за незавершенности процессов кристаллизации послед-
37
ние подвержены самораспаду с превращением твердого
вещества в порошок.
Выбор сырья определяется уровнем знания возможностей
технологии, а выбор оптимального варианта переработки
зависит 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
агрегатного состояния стекла (твердый гранулят или растворимое
стекло) технология его переработки и составы сырьевых
композиций будут различны. Правильный подбор сырья должен
сокращать производственный цикл.
При производстве строительных материалов следует
стремиться использовать сырье, допускающее повторную
переработку 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» -
утилизируется путем его возврата в бетоносмеситель, обрезки минерало-
ватных изделий и «корольки» идут на переплавку, а
термопластичные отходы нужно использовать при производстве изделий
из пластмасс.
Таким образом, можно назвать следующие основные
принципы выбора и использования сырья в производстве
строительных материалов и изделий:
• достаточность и комплексное использование сырья;
• наибольшее соответствие производству требуемой
продукции и принимаемой технологии переработки сырья;
• получение продукта с требуемыми показателями качества;
• максимальное энергосодержание сырьевых веществ,
обусловленное их нестабильным или метастабильным состоянием;
• способствование максимальному' сокращению
длительности производственного цикла и созданию безотходных
технологий, а также разработке энергосберегающих технологий и
сохранению экологического равновесия.
Если существует возможность выбора сырья, то ее нужно
реализовать на основе вариантных проработок с учетом
приведенных 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
реализации в определенной последовательности этих
технологических воздействий сырье либо изменяет только форму и размеры
частиц вещества, получает большую однородность и очищается
от загрязнений, либо претерпевает существенные изменения
состава, внутреннего строения и качественных характеристик.
Каждая разновидность строительных материалов и изделий
нуждается в специфической технологии. Последняя
характеризуется своим технологическим регламентом, расходными
коэффициентами по сырью и всем видам энергии, достижением
экономически эффективных результатов и высоких показателей
качества 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,
специальная обработка изделий до полного их отвердевания,
технический контроль качества готовой продукции;
вспомогательные - 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
переделы.
Технологический процесс получения материалов обычно
начинается с подготовки сырья и заканчивается на стадии
фиксации формы и структуры или на стадии придания им
специальных свойств. Однако существует ряд технологий, в которых
могут 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
материалов.
3.2.1. Подготовительные работы
Повышение качества изделий, сокращение
продолжительности технологического цикла и уменьшение производственных
затрат возможно при использовании кондиционных сырьевых
материалов, которые в результате специальной обработки
повышают 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
внутренняя и поверхностная энергии перешли в другие ее формы,
способствуя процессам формирования новообразований и фаз,
отличных от исходных сырьевых, а также структуры готового
материала (изделия).
Технологическая стадия подготовки сырья обычно
начинается на складах предприятия по производству требуемой
продукции и заканчивается после поступления компонентов в
расходные бункера, бассейны и другие устройства дозаторного
отделения смесительного узла. Однако часто эта стадия
начинается уже на заводах - поставщиках исходных материалов.
Так, например, в карьерах могут производиться дробление
щебня до требуемых размеров, фракционирование, удаление пьше-
ватых и глинистых частиц. Целесообразность осуществления
подготовительных операций на заводе-поставщике или на
заводе-потребителе определяется соответствующими
экономическими соображениями и возможностью создания безотходных
технологий.
В зависимости от разновидности сырья подготовительные
операции заключаются в измельчении, помоле, распушке и
других способах перевода сырья в тонкодисперсное состояние;
фракционировании, просеве, промывке и других методах
удаления вредных примесей и очищения поверхности; увлажнении
или обезвоживании (сушке) сырья; нагревании, обжиге и охлаж-
40
дении сырья перед употреблением в смесях; повышении
однородности 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,
поверхностного натяжения и т. п.
Очень важным и ответственным этапом на подготовительной
стадии является повышение реакционной способности
компонентов, что достигается переводом их по возможности в
наиболее термодинамически неустойчивое состояние. Находясь в
таком нестабильном состоянии, компоненты приобретают
повышенную реакционную способность, реализующуюся в
последующих технологических переделах. В основе технологических
приемов, повышающих реакционную способность, лежат меха-
нохимические процессы, которые проявляются в изменении
химического и фазового составов поверхности твердых тел при
различных механических воздействиях. В нестабильное
термодинамически неустойчивое состояние вещество может
переводиться механическим (тонкое измельчение), термическим
(обжиг) или химическим (осаждение из растворов веществ,
находящихся в активном состоянии) путем.
Измельчение и помол - наиболее распространенные
подготовительные операции. Уменьшение размеров частиц
грубозернистых сырьевых материалов вызывается необходимостью:
обеспечить определенное соответствие между размерами частиц
смеси и конструктивными элементами изделий; облегчить
технологические операции на стадиях приготовления смеси;
повысить плотность и однородность дробленого материала;
увеличить удельную поверхность порошкообразного вещества.
Быстро 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
реакций по поверхностям раздела.
Рациональный предел тонкости помола устанавливают
опытным путем. Он может быть повышен применением при помоле
поверхностно-активных веществ, оказывающих
расклинивающее действие в микротрещинах и микродефектах и облегчаю-
41
щих помол или способных создавать на поверхности пленки,
экранировать частицы и предотвращать их агрегирование.
Кроме 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
возрастают механическая работа и расход энергии на измельчение.
.Операцию измельчения нередко совмещают с разделением
продукта помола по крупности частиц просеиванием, что
называют фракционированием сырья.
Нередко исходные сырьевые материалы подвергают
обогащению, 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,
укрупнения частиц для понижения пластичности (например, глины).
На стадии подготовительных работ производят нередко
также физико-химическую или химическую обработку сырьевых
материалов. Она повышает активность подготавливаемых
компонентов смеси, облегчает и ускоряет основную
технологическую операцию, благоприятствует получению более плотного и
прочного материала. Такая обработка заключается обычно в
добавлении в смесь специальных веществ, выполняющих
различные или комплексные функции - уплотняющие,
минерализующие, 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
одновременно повышение его однородности и реакционной
способности, а также придается наиболее удобный вид для
дальнейшей переработки. Последней операцией подготовительного
42
периода является дозирование компонентов, от точности
которого зависит качество получаемой смеси и готового материала.
Точность дозирования современных дозаторов, составляющая
±A...2) %, является часто недостаточной. Для повышения
точности 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,
предопределяющей качество смеси и готовой продукции. В смесительных
аппаратах, особенно при производстве безобжиговых конгломератов,
возникают, развиваются, а иногда и почти полностью
завершаются основные процессы структурообразования вяжущего
(связующего) вещества.
Наибольшее распространение получил способ
перемешивания с введением в смесь механической энергии от внешнего
источника, 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
вещества.
При перемешивании сухих материалов происходит
разрушение начальных связей между частицами (агрегатов) с
обеспечением их подвижности, равномерное распределение частиц в
общей смеси с заполнением межзерновых пор более мелкими
фракциями заполняющего материала. Порошкообразные
материалы заполняют тонкие поры зернистой части смеси, а
некоторая доля наиболее тонкодисперсных частиц порошка
механически задерживается и фиксируется на поверхности зерен
крупного заполнителя.
При введении в смесь жидкого компонента дальнейший
процесс механического перемешивания основывается на
закономерности 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)
перемешиваются в основном только те слои, которые
непосредственно примыкают к лопастям и участвуют во вращении вместе
с ними. При турбулентном режиме (критерий Рейнольдса
Re > 10^) происходит более интенсивное перемешивание слоев
жидкости с отрывом их от лопастей мешалки. При
высокоразвитой турбулентности (критерий Рейнольдса Re > 10^) часто
затраты на дополнительную мощность для увеличения частоты
вращения вала мешалки не соответствуют получаемому эффекту
перемешивания.
Характер поверхности твердых тел можно существенно
изменить добавлением поверхностно-активных веществ, когда,
например, гидрофильная поверхность может стать гидрофобной
(процесс гидрофобизации) или гидрофобная поверхность -
гидрофильной (процесс гидрофилизации). Вводимые в жидкую
среду поверхностно-активные вещества широко используют для
повышения смачиваемости поверхности твердых тел, что
основано на снижении разности полярностей между поверхностью
частиц твердого тела и жидкостью. В смесительном аппарате
возникает своеобразный процесс выравнивания энергии
поверхностного и внутреннего слоев. Скорость этого выравнивания
зависит от интенсивности перемешивания, конструкции
смесителя и других факторов.
На этой стадии не только происходит механическое
распределение 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
процессов и химических реакций компоненты в смесителе теряют
(обратимо или необратимо) свои свойства, особенно в
поверхностных слоях, т. е. по границам контактирования компонентов и
новообразований. К моменту выхода из смесительного аппарата
процессы микроструктурообразования в одних системах в
основном завершаются, в других - эти процессы в смесителях
только начинаются и продолжаются на последующих стадиях
44
технологического цикла. Об эффективности перемешивания
нередко судят по качественным изменениям главных исходных
компонентов или количественному выходу продуктов
новообразований, по прочности искусственного камня, сформованного из
смеси.
На стадии приготовления смеси используются приемы,
которые обеспечивают интенсификацию процессов на
последующих технологических стадиях формования изделий,
образования и фиксации структуры материала. К ним, в частности,
можно отнести подогрев компонентов (технология бетона,
пластмасс), применение вибровоздействий для высоковязких
смесей и др.
Приготовленная смесь (масса) обладает определенными
качественными характеристиками, оцениваемыми по показателям
свойств. Последние выражают способность вещества
реагировать на внешние и внутренние факторы (механические,
тепловые, гравитационные и др.). Главным свойством приготовленной
смеси является ее способность к технологической обработке -
распределению слоя заданной толщины, уплотнению,
формованию с уплотнением. Такую способность смеси называют удобо-
обрабатываемостью, удобоформуемостью, подвижностью и
относят к группе структурно-механических или реологических^
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
дополнительное количество жидкой фазы, что должно быть каждый раз
обосновано с позиций оптимизации структуры и свойств
затвердевшего материала, либо органические добавки -
пластификаторы и суперпластификаторы.
Реология - наука о течении, развивающемся в материале во времени.
45
При использовании смесей с повышенной вязкостью,
обладающих на реологической кривой условным динамическим
пределом текучести и предельным напряжением сдвига, важно не
допустить при формовании напряжений, способных разрушить
сплошность изделия. Так, в некоторых случаях отмечается
образование дефектов структуры (свилей), если допустить
напряжение в массе, превышающее Р,^ (рис. 10). Опыт показывает, что
для хорошо формующихся смесей величина отношения /^ /т)
должна быть не ниже 2 • 10~^ с"^ Конкретные и точные пределы
реологических характеристик зависят от разновидности смеси и
технологического способа формования - пластичного,
вибрационного без пригруза или с пригрузом и т. д.
du/dx
r\rr, = const
о л* Л, Л^ Л Рг. Р
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
укладчиков, прессов, экструдеров, каландров и других машин. Выбор
оптимального способа формования и уплотнения зависит от
характера исходного сырья и массовости производства, требуемых
свойств и вида изделий. Но при всех способах важно обеспечить
связность и начальную прочность изделий с последующим
упрочнением их на других стадиях обработки. Начальная
связность возникает под влиянием молекулярных (ван-дер-ва-
альсовых) сил.
Уплотнение формуемых или отформованных изделий
является важным этапом образования макроструктуры, поскольку
46
в этот период в среде вяжущего вещества сравнительно
устойчиво фиксируются зернистые и другие компоненты
заполняющей части конгломерата. Фиксация может происходить как
непосредственным примыканием компонентов, в том числе с
возможным срастанием (например, кристаллов), так и через
прослойки полностью отвердевшего или постепенно
отвердевающего вяжущего вещества.
Вследствие сближения частиц смеси (массы) происходит
перераспределение и выравнивание молекулярного силового поля,
тепло- и массообмен, в частности миграция дисперсионной
среды в зоны меньших напряжений. Объем смеси как при
уплотнении, 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
различные способы снижения реологического сопротивления
формуемой смеси: введение пластификаторов; предварительный нагрев;
вибрационное воздействие; вакуумирование и др. При особо
интенсивном уплотнении целесообразно повысить реологическое
сопротивление до максимума. При оптимальной технологии
каждой 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
становится компактным.
В некоторых технологиях используется прерывистое,
ступенчатое уплотнение, например с интервалом времени между
двумя вибрациями или прессованиями. Повторное уплотнение
способствует как бы вторичному - пластическому
деформированию конгломерата с отжатием дисперсионной среды из его
микро- и макропор, а в конечном итоге - дополнительному
уплотнению в условиях, когда количество вяжущего вещества
продолжает оставаться неизменным. Повторное уплотнение,
особенно при вибрационных способах формования, способству-
47
ет релаксации напряжении, возникающих в процессе структуро-
образования, уменьшает размеры и концентрацию структурных
дефектов.
Самым характерным в технологиях с вибрационным
формованием является придание скоростей и ускорений частицам
массы и, как следствие, ослабление сил внутреннего трения и
молекулярных связей, а также тиксотропное разрушение первичных
структур (рис. 11). Частицы перемещаются относительно друг
друга с плотной укладкой. Используют поверхностные,
навесные, глубинные вибраторы, вибростолы и др. Интенсивность
вибрации выражают посредством виброускорения W, см/с:
W = Axjy^=A-4nf.
C.1)
где А - амплитуда колебаний; w ~ угловая скорость; /- частота
колебаний, Гц.
1,0
1^
-е- ас
Г) о
& ^ 0,5
О 10 20 30 40 50
Средняя скорость частиц v, см/с
Рис. II. Зависимость коэффициента внутреннего трения виб-
рируемой массы от средней скорости перемещения частиц, см/с:
v = A2f
Произведение величин А и w дает среднюю скорость
движения частиц при вибрации. Имеются оптимальные значения
амплитуды, виброускорения, что зависит от глубины проработки
слоя массы. Вибрирование с ускорением, превышающим
оптимальное, сопровождается разрыхлением структуры и
дифференциацией 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.
Шликер - водная суспензия глин, каолинов и других тугоплавких
веществ с частицами размером около 10"^ см, несущих
определенный ионный потенщ^ал ИП = Z/r, где Z - заряд катиона; г -
его ионный радиус. При значениях ИП == 65..Л00 (суспензия из
кислых материалов) получают отливки с повышенной
плотностью, т. е. с относительной плотностью^ равной 0,8...0,9.
3.2.4. Формирование и фиксация
структурных связей - отвердевание
Стадия отвердевания завершает цепь формирования
искусственного строительного конгломерата и, как правило, является
результатом специальной обработки отформованных и
уплотненных изделий: тепловой, тепловлажностной, химической,
электрофизической, автоклавной, вакуум-пропиточной,
радиационной и др. Основная цель обработок - обеспечить развитие
процессов микро- и макроструктурообразования с возможно
более полным переводом систем из метастабильного состояния в
термодинамически устойчивое. И хотя соответствующие
процессы 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
повышением температуры согласно уравнению Аррениуса
\пк-^А1Т + В, C.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 ^ £■*//?, где Е* - энергия активации, под ней понимается из-
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
температуры, но и от концентрации реагирующих веществ. В
простейших случаях, когда имеются гомогенные реакции и протекают
они в сильно разбавленных растворах, работает закон действия
масс: при постоянной температуре скорость химической
реакции пропорциональна произведению концентраций с
реагирующих веществ, возведенных в степени их стехиометрических
коэффициентов. Этот закон лежит в основе химической кинетики,
но при сложных реакциях его действие становится менее
надежным.
Кроме химических реакций, к образованию новой фазы
приводит кристаллизация растворенного вещества из
пересыщенного раствора. Пересыщение возникает по разным причинам,
таким как: удаление части жидкой дисперсионной среды,
понижение температуры насыщенного раствора, изменение внешнего
давления, химическое взаимодействие исходных компонентов в
сложном растворе и др.
При использовании минеральных вяжущих структурные
связи образуются за счет гидратационного или контактного
твердения (при получении безобжиговых материалов) и спекания либо
плавления (при производстве обжиговых материалов).
Основу процессов, сопровождающих образование
структурных связей в обжиговых материалах - конденсационно-
кристаллизационных (керамика) или конденсационных
(стекло), составляет переход под действием тепловой энергии
порошкообразных веществ в искусственный камень заданной
формы через спекание или плавление. Результатом этих
процессов является образование керамического черепка, стеюто-
50
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
дисперсных макрочастиц вещества нестабильной структуры
(аморфного или субмикрокристаллического) водостойкого
камня непосредственно при возникновении контактов между ними.
Формирование структурных связей в этом случае происходит
без изменения химического состава вещества (в отличие от
условий гидратационного твердения) и его агрегатного состояния
(в отличие от твердения через высокотемпературные процессы).
Водостойкое тело образуется на уровне физического
взаимодействия между макрочастицами.
При использовании органических связующих образование
структурных связей в материале также определяется типом
самого связующего. Материалы на основе термопластичных
связок образуют водостойкие конденсационные структуры по
механизму полимеризации, в основе которого лежат реакции
получения нового продукта с большей молекулярной массой из
низкомолекулярных веществ ~ мономеров. Причем этот процесс
сопровождается изменением агрегатного состояния
вещества, однако новое соединение имеет одинаковый состав с
мономером.
Материалы на основе термореактивных связок образуют
водостойкие конденсационные структуры по механизму
поликонденсации, в основе которого лежат реакции взаимодействия
между собой мономеров, сопровождающиеся изменением
химического состава вещества. В результате этот процесс уподобляется
гидратационному твердению, при кртором химический состав
вещества изменяется при переходе его из дисперсного в
конденсированное твердое тело,
4* 51
Таким образом, в зависимости от исходного сырья и
физического состояния структуры его вещества синтез определенных
искусственных тел происходит как следствие образования
различных типов структур за счет возникающих между микро- и
макрочастицами контактов и структурных связей (рис. 12).
Коагуляцнонные
с пленочными
контактами
tZZ3
Неводостонкие
обратимые
Псевдоконденсацион и ые
с точечными
контактами
<2
Неводостойкие
необратимые
Конденсациошю-
крнсталлизационные
с фазовыми контактами
Водостойкие
необратимые
Физическая
характеристика вещества
р1 -max
V\ - mm
Eoi - внутренняя
энергия
£„1 - 110тенциалы1ая
энергия
Контактно-конденсационные
с пленочными
контактами
с точечными
контактами
Коидснсациоиио-
кристаллизацнониые
фазовыми контактами
1отличающиеся обратимостьк>1
в период присугсгвия
нестабильной фазы
Водостойкие обратимые
Водостойкие обратимые
переходящие
необратимые
Р2<Р1
Уг > Ух
Е,а ^ £■„!
£■02 = £а2 - ^л? > О
Eiz - кинетическая
энергия
Рис 12. Типы структурных связей и контактов в дисперсных системах
По определяющим признакам - способности
восстанавливаться 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
контактами, не противостоящими диспергирующему действию
воды; 3) конденсационно-кристаллизационные и конденсационные
с фазовыми водостойкими контактами, противостоящими этому
действию. Разрушение структур с контактами первого типа
носит обратимый характер, а структуры с контактами второго и
третьего типов разрушаются необратимо.
Каждая разновидность неорганических и органических
вяжущих веществ отвердевает под влиянием специфических
факторов. Все вяжущие вещества отвердевают под влиянием ряда
общих факторов, что придает процессу отвердевания
закономерный характер, позволяет направленно управлять им и струк-
52
туроооразованием в целим. ^(^кJymrl^^L>iЛl^^x^^ j.^^^^^^^^ ..„
рактеризуется стабильностью структуры и фиксированным
положением в нем частиц на достаточно малых друг от друга
расстояниях.
И. А. Рыбьев в теории отвердевания вяжущих веществ выделяет
две стадии: 1) диспергирование; 2) конденсацию и консолидацию.
Первая стадия процесса отвердевания характеризуется
массовым переходом твердого вещества в состояние высокой
дисперсности до размеров молекул, атомов, ионов или более
крупных макромолекул и т. п. Такое диспергирование
благоприятствует переводу частиц в системе в наименее устойчивое,
метастабильное и в то же время в наиболее энергетически
активное состояние. Эти условия способствуют свободному
перемещению частиц с неизбежным тепловым движением их в
окружающей среде, образованию при столкновениях под
действием энергии активации ранее отсутствовавших соединений,
ассоциаций и агрегатов, новых фаз.
Переход веществ в состояние высокой дисперсности
происходит под влиянием различных факторов: химических
(гидролиз), механических, тепловых, пептизации и др. Подобные
высокодисперсные системы образуются в виде истинных и
коллоидных растворов, суспензий, расплавов, эмульсий и пен.
Вторая стадия отвердевания является основной и
характеризуется постепенным или ускоряющимся процессом перехода
системы в твердый камневидный продукт. По мере
упорядочения стрзлктуры с укрупнением микрочастиц до
макроскопического размера уменьшается свободная энергия системы. При
этом вещество стремится перейти в кристаллическое состояние с
минимумом свободной энергии. Все это сопровождается
уменьшением размеров тел в результате усадки и ползучести,
увеличением плотности и другими явлениями, связанными с
самоорганизацией вещества.
Отвердевшие матричные вещества, т. е. перешедшие в кам-
невидное состояние, например в цементный камень, гипсовый
камень, наполненный полимер, материалы, полученные
высокотемпературной обработкой - керамику, стекло, шлаки, каменное
53
литье и другие, занимают определенную часть структуры в
соответствующих искусственных конгломератах, выполняя в них
функцию цементирующей связки. Крупнозернистая
(тонкодисперсная) минеральная или органическая смесь, составляющая
гораздо большую часть конгломерата и выполняющая в нем
функцию заполнителя (наполнителя), скрепляется, образуя с
вяжущей частью, как матрицей, единый монолит. Тонкий
контактный слой вяжущего, непосредственно примыкающий к
поверхности 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
искусственного конгломерата непрерывную пространственную сетку
вяжущего 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
готовых конструкций массового применения устанавливаются
Государственными стандартами Республики Беларусь (СТБ),
Государственными стандартами СССР и межгосударственными
(ГОСТ) и техническими условиями (ТУ).
В ГОСТах, СТБ и ТУ содержатся краткое описание
материала и способы его изготовления, указаны марки материалов
и требования к их качеству, форма, размеры и
допускаемые отклонения от них, а также правила транспортирования,
приемки, упаковки и хранения, обеспечивающие сохранность
материала, и методы испытаний. ГОСТы, СТБ и ТУ - это
документы, устанавливающие, что данный материал или изделие
одобрено для производства и применения при его определенном
качестве.
В части П СНиП «Нормы проектирования» содержатся
сведения, 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,
гидроизоляционных, акустических и некоторых других материалов
принимают для маркировки не прочностные, а другие
физические свойства - теплопроводность, водонехтроницаемость,
морозостойкость, 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
материалов - это условный показатель, устанавливаемый по
главнейшим 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 11-22-81 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/съа (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
значительно проще. Например, минеральную вату выпускают марок
80, 90, 100 (в этом случае размерность марки в кг/м^).
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
прочности 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
числителе - значение нормативного сопротивления Уск, Н/мм^, в
знаменателе - гарантированная прочность бетона,/^ ...^^^^^, Н/мм^).
Удовлетворение всех необходимых технических требований,
указанных в стандарте, является обязательным условием выхода
строительного материала хорошего качества. Однако этого
условия недостаточно для выхода материала высшего качества. В
последнем случае требуется, чтобы все числовые показатели
свойств были равны их экстремальным значениям при
оптимальных структурах. Высшее качество выпускаемой продукции
служит основным критерием прогрессивности технологии в
строительном материаловедении.
Основные положения строительного проектирования и
производства строительных работ регламентируются
Строительными нормами Беларуси (СНБ) и Строительными нормами и
правилами (СНиП) СССР. СНиПы и СНБ разработаны с учетом
развития 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
производстве строительных материалов и изделий?
2. Что включают подготовительные работы в производстве строительных
материалов и изделий?
3. Какие технологические задачи решаются на стадии перемешивания
компонентов 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
строительных материалов и в чем они выражаются?
56
Глава 4. ПРОЧНОСТЬ,ДЕФОРМАТИВНОСТЬ
И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4Л. Основные свойства строительных материалов
Под свойствами строительных материалов понимают их
способность 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:
физические, механические, химические (физико-химические) и
технологические. В совокупности их именуют как технические
свойства строительных материалов. Численные значения свойств
получают при лабораторных или полевых испытаниях материалов
с помощью соответствующих приборов и аппаратов. Испытания
специально подготовленных образцов или элементов
конструкций проводят разрушающими или неразрушающими способами
контроля-
4.1.1. Физические свойства
Физические свойства определяются параметрами
физического состояния материалов под воздействием внешней среды и
условий их работы (действие воды, высоких и низких
температур и т. п.).
Истинная плотность ~ величина, определяемая отношением
массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему
в абсолютно плотном состоянии V^ (м^), т. е. без пор и пустот:
Pn = m/V,. D.1)
Размерность истинной плотности - кг/м^ или г/см^
Истинная плотность каждого материала - постоянная
физическая характеристика, которая не может быть изменена без
изменения его химического состава или молекулярной структуры.
57
Так, истинная плотность неорганических материалов,
природных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов
кремния, алюминия и кальция, составляет 2400..,3100 кг/м^,
органических материалов, состоящих в основном из углерода,
кислорода и водорода, - 800... 1400, древесины, состоящей в
основном из целлюлозы, - 1550 кг/м^. Истинная плотность
металлов колеблется в широком диапазоне: алюминия - 2700 кг/м^,
стали - 7850, свинца - 11300 кг/м^.
В строительных конструкциях материал находится в
естественном состоянии, т. е. занимаемый им объем обязательно
включает в себя и поры. В этом случае для характеристики
физического состояния материала используется понятие средней
плотности.
Средняя плотность - величина, определяемая отношением
массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему
в естественном состоянии V^ {и)\
Pc-mlV,. D.2)
Так как V^ > V^ (равенство только в абсолютно плотных
материалах, не содержащих пор, - стали, стекле, воде), то всегда
выполняется 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 кт/и (сталь). Средняя плотность оказывает существенное
влияние на механическую прочность, водопоглощение,
теплопроводность 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, %,
рассчитывают по формуле
П = A-рс/ри)-100. D.3)
Пористость строительных материалов колеблется в пределах
от О (сталь, стекло) до 90.,,98 % (пенопласт) (табл. 1).
58
Таблица I
Значения средней и истинной плотности и пористости
некоторых строительных материалов
Материал
Гранит
Тяжелый бетон
Кирпич
Древесргна
Пенопласт
Плотность, кг/м^
средняя
2600...2700
2200...2500
1400..Л800
400...800
15...100
истинная
2700...2800
2600...2700
2500...2600
1500...1550
950... 1200
Пористость. %
0...2
2...25
25...35
45...70
90...98
Пористость материала характеризуют не только с
количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и
открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра)
и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). По
характеру 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
капилляры) активно поглощает воду.
Величина пористости в значительной мере влияет на
прочность материала. Строительный материал тем слабее
сопротивляется механическим нагрузкам, тепловым, усадочным и другим
усилиям, чем больше пор в его объеме. Опытные данные
показывают, что при увеличении пористости от О до 20 % прочность
снижается почти линейно.
Величина прочности также зависит от размеров пор. Она
возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых
материалов, 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
отношением массы материала т (кг) к занимаемому им объему в рыхлом
состоянии F„ (м ):
Рн = m/F,,. D.4)
Величина F„ включает в себя объем всех частиц сыпучего
материала и объем пространств между частацами, называемых
пустотами. Если для зернистого материала известны насыпная
плотность р„ и средняя плотность зерен р„ то можно рассчитать
его пустотность а - относительную характеристику,
выражаемую в долях единицы или в процентах:
^"A-рн/рс)- 100. D.5)
По физическому смыслу понятия пористость и пустотность
аналогичны. При изготовлении бетона стремятся использовать
сыпучие заполнители -- песок, щебень или гравий с
минимальной пустотностью. В этом случае для заполнения пустот
потребуется меньше цемента и бетон будет дешевле.
Очень часто в процессе эксплуатации строительные
материалы и конструкции подвергаются воздействию воды, и свойства
материалов изменяются. Количественно оценить свойства
материала в этх)м случае позволяют следующие понятия.
Водопоглощение ^ это способность пористого материала
впитывать и удерживать в порах капельно-жидкую влагу.
Различают водопоглощение по массе и водопоглощение по объему.
Водопоглощение по массе W^, %, равно отношению массы
воды,Леи, полностью нэсыщающей материал, к массе сухого ма-
териала т
K = im^Jm) 100. D.6)
Водопоглощение по объему W,, %, характеризует степень
заполнения объема материала водой. Вычисляют водопоглощение
как отношение объема воды F^,. при полном насыщении
материала к его объему V^
^с = (Fe,„/Fe) ■ 100. D.7)
Водопоглощение по объему можно вычислить при известных
значениях водопоглощения по массе и средней плотностп мате-
риала, используя формулу
60
W^^W^p,, D.8)
Водопоглощение материалов, зависящее от характера
пористости, может изменяться в широких пределах. Значения W^
составляют для гранита 0,02...0,7 %, тяжелого бетона - 2...4,
кирпича 8...20, легких теплоизоляционных материалов с открытой
пористостью - 100 % и более. Водопоглощение по объему W^ не
превышает пористости, так как объем впитанной материалом
воды не может быть больше объема пор.
Величины W^ и W^ характеризуют предельный случай, когда
материал более не в состоянии впитывать влагу. В реальных
конструкциях материал может содержать некоторое количество
влаги, полученной при кратковременном увлажнении
капельножидкой водой либо в результате конденсации в порах водяных
паров из воздуха. В этом случае состояние материала
характеризуют влажностью.
Влажность - отношение массы воды, находящейся в данный
момент в материале т^, к массе (реже - к объему) материала в
сухом состоянии т^
W=(mjm)- 100. D.9)
Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой,
до величины W^, соответствующей максимальному водосодер-
жанию. Увлажнение приводит к изменению многих свойств
материала: повышается масса строительной конструкции,
возрастает теплопроводность; под влиянием расклинивающего
действия воды уменьшается прочность материала.
Для многих строительных материалов влажность
нормирована. 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
строительных материалов служит коэффициент размягчения - отношение
прочности при сжатии материала, насыщенного водой, R^
к прочности при сжатии сухого материала Re
А-р-Лв/Лс- D.10)
Материалы, у которых коэффициент размягчения больше
0,75, называют водостойкими.
61
Водонепроницаемость - свойство материала сопротивляться
проникновению в него воды под давлением. Это свойство
особенно важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы,
резервуары, плотины). Водонепроницаемость бетона оценивают
маркой по W (W-2...W-S), обозначающей максимальное
одностороннее гидростатическое давление, при котором стандартный
образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных
материалов водонепроницаемость характеризуется временем, по
истечении которого появляется просачивание воды под определенным
давлением через образец материала (мастика, гидроизол).
Гигроскопичность - свойство капиллярно-пористого
материала поглощать влагу из воздуха. С увеличением
относительной влажности воздуха и снижением температуры
гигроскопичность повышается.
Гигроскопичность отрицательно сказывается на свойствах
строительных материалов. Так, цемент при хранении под
влиянием влаги воздуха гидратируется и комкуется, при этом
снижается его марка. Весьма гигроскопична древесина, от влаги она
разбухает, коробится и трескается.
За характеристику гигроскопичности принята величина от-
ношенР1Я массы поглощенной влаги при относительной
влажности воздуха 100 % и температуре +20 °С к массе сухого
материала.
Морозостойкость - свойство материала в насыщенном
водой состоянии выдерживать многократное число циклов
попеременного замораживания и оттаивания без видимых признаков
разрушения и значительного снижения прочности и массы.
Морозостойкость - одно из основных свойств, характеризующих
долговечность строительных материалов в конструкциях и
сооружениях. Как известно, вода, находящаяся в порах материала,
при переходе в лед увеличивается в объеме примерно на 9... 10 %
и вызывает растягивающие напряжения. Ритмично
чередующаяся 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
материалов или целые мелкоштучные изделия (например, кирпич)
62
вначале насыщают водой, а затем замораживают при
температуре минус 15...20 °С. Затем образцы извлекают из морозильной
камеры и оттаивают в воде комнатной температуры. Такое
замораживание и оттаивание составляет один цикл. Марка по
морозостойкости (F10, F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300
для каменных материалов) характеризуется числом циклов
замораживания и оттаивания, которое выдержал материал, при
допустимом снижении прочности или уменьшении массы
образцов.
Высокой морозостойкостью обладают плотные материалы,
которые имеют малую пористость и закрытые поры. Материалы
пористые с открытыми порами и соответственно большим во до-
поглощением часто оказываются неморозостойкими.
При воздействии статических или циклических тепловых
факторов материал характеризуется теплофизическими свойст-
валш. Они важны для теплоизоляционных и жаростойких
материалов, материалов ограждающих конструкций и изделий,
твердеющих при тепловой обработке. К ним относятся
теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, огнестойкость и
огнеупорность.
Теплоемкость - свойство материала поглощать при
нагревании и отдавать при охлаждении определенное количество
теплоты. Теплоемкость - мера энергии, необходимой для повышения
температуры материала.
Теплоемкость, отнесенную к единице массы, называют
удельной теплоемкостью С и измеряют в Дж/(кг • °С). Удельная
теплоемкость - это количество теплоты, необходимой для
нагревания 1 кг материала на 1 °С. У органических материалов
теплоемкость обычно выше, чем у неорганических, Дж/(кг -^С):
древесины - 2,38.. .2,72; стали - 0,46; воды - 4,187. Наибольшую
теплоемкость имеет вода, поэтому с повышением влажности
материалов их теплоемкость возрастает. Численные
характеристики 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,
применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен,
покрытий и перекрытий), и материалов, предназначенных для
тепловой изоляции. Теплопроводность материала зависит от его
строения, химического состава, пористости и характера пор,
а также влажности и температуры, при которой происходит
передача теплоты.
Теплопроводность характеризуют коэффициентом
теплопроводности, указывающим, какое количество теплоты в Дж
способен пропустить материал через 1 м^ поверхности при
толщине материала 1 м и разности температур на противоположных
поверхностях 1 °С в течение 1 ч. Коэффициент
теплопроводности, Вт/(м ^С), 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
теплопроводности воды в 25 раз выше, чем у воздуха.
С ростом температуры теплопроводность большинства
строительных материалов увеличивается, что объясняется
повышением кинетической энергии молекул, слагающих вещество
материала, и определяется по формуле
Х, = ХоA+РО, D.11)
где А.^ и А.0 - теплопроводность соответственно при температурах
/ и О ""С; Р - температурный коэффициент, показывающий
величину приращения коэффициента теплопроводности материала
при повьш1ении температуры на 1 °С; / - температура материала, °С.
Тепловое расширение - свойство материала изменять
размеры при нагреве и охлаждении. Для численной характеристики
такого явления используют температурный коэффициент
линейного расширения (ТКЛР), который показывает, на какую
долю первоначальной длины расширяется материал при
повышении температуры на 1 °С.
Значения ТКЛР составляют, °С"^: для бетона A0... 12) - 10^^,
стали 10 - 10 ^ древесины вдоль волокон - C...5) • 10^. ТКЛР
полимерных строительных материалов в 10...20 раз больше.
64
Вследствие термических и усадочных деформаций в
сооружениях большой протяженности могут образоваться
недопустимые по условиям эксплуатации перекосы, трещины или
разрывы. Чтобы этого не произошло, устраивают температурно-
усадочные (деформационные) швы, которые как бы разрезают
сооружение. Расстояние между швами назначают с учетом
термического расширения материалов.
Огнестойкость ~ свойство материала выдерживать без
разрушения 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
несгораемые, 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
разрушаются, а стальные конструкции сильно деформируются и
теряют прочность.
Трудносгораемые материалы под воздействием огня или
высокой температуры медленно воспламеняются, но после
удаления источника огня их тление или горение прекращается. К
таким материалам относятся фибролит, асфальтобетон,
пропитанная антипиренами древесина.
Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой
температуры горят и продолжают гореть после удаления
источника 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
потерю несущей способности, т. е. обрушение конструкции;
возникновение в ней сквозных трещин, через которые на
противоположную поверхность могут проникать продукты горения и
пламя; недопустимый нагрев поверхности, противоположной
действию огня, который может вызвать самопроизвольное
возгорание других частей сооружения.
5.3ак.508 65
Огнеупорность - свойство материала выдерживать
длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не
деформируясь и не размягчаясь. Огнеупорные материалы
(динас, шамот, хромомагнезит, корунд), применяемые для
внутренней футеровки промышленных печей, не деформируются и не
размягчаются при температуре 1580 °С и выше. Тугоплавкие
материалы (тугоплавкий печной кирпич) выдерживают без
оплавления и деформации температуру 1350...^580 °С,
легкоплавкие (кирпич керамический строительный) - до 1350 °С.
Акустические свойства материалов - это свойства,
связанные 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
твердым телом. Отношение, характеризующее количество
поглощенной энергии £'погл к падающей £'пад, называют
коэффициентом звукопоглощения а
ее ~ -С^погл '-^пад- v^- ^^/
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
пористости 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-
тупю пористость, то звуковые колебания, входя в поры,
поглощаются 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
узких порах. При этом значительная часть звуковой энергии
расходуется. Высокая степень сжатия воздуха и его трение о стенки
пор вызывают разогрев. За счет этого кинетическая энергия
звуковых колебаний преобразуется в тепловую, которая
рассеивается в среде.
Гашению звука способствует деформирование гибкого
скелета звукопоглощающего материала, на что также тратится
звуковая энергия; этот вклад особенно заметен в пористо-
волокнистых материалах с открытой сообщающейся
пористостью при ее общем объеме не менее 75 %.
Звукопроводность зависит от массы материала и его
строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса:
если масса материала велика, то энергии звуковых волн не
хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести
материал в колебание.
Качество звукоизоляционных ограждений оценивают
коэффициентом звукопроводности т, представляющим собой
отношение количества звуковой энергии, прошедшей через преграду,
£'прош к звуковой падающей энергии £'пад-
Придание звукоизолирующих свойств ограждению
базируется на трех основных физических явлениях: отражении
воздушных 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
способность ограждения (перегородок) недостаточна, так как
отраженные звуковые волны будут усиливать шум в наиболее шумном
помещении, В данном случае применяют многослойные
конструкции, в состав которых входят элементы из звукоизоляцион-
5' 67
ных материалов, эффективность которых оценивается
динамическим модулем упругости. В качестве звукоизоляционных
прокладок применяют пористо-волокнистые материалы из
минеральной или стеклянной ваты, древесных волокон
(древесноволокнистые плиты), засыпки из пористых зерен (керамзита,
шлака и др.).
Снижению уровня ударных и звуковых шумов способствуют
малый динамический модуль упругости звукоизоляционных
материалов (до 15 МПа) и наличие воздуха в порах. В данном
случае снижение интенсивности звука происходит за счет
деформации элементов структуры звукоизоляционных материалов и
частично - за счет звукопоглощения.
4.1.2. Механические свойства
Механические свойства материалов определяют поведение
конструкций под действием внешних нагрузок. Последние
вызывают разрушение либо деформацию материалов.
Сопротивление материалов механическому разрушению характеризуется их
прочностными свойствами: прочностью, твердостью,
истираемостью, сопротивлением удару, износом. Способность
материалов изменять под нагрузкой форму и размеры характеризуется
деформационными свойствами: упругостью, пластичностью,
хрупкостью и ползучестью.
Под действием внешних сил строительные конструкции
претерпевают деформацию. Изменение формы и размеров тела под
действием внешних сил называется деформацией. При этом
твердые тела по-разному реагируют на снятие нагрузки,
проявляя свойства упругости или пластичности.
Упругость - свойство материала восстанавливать свои
форму 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
действителен закон Гука ~ деформация материала пропорциональна
действующему напряжению.
Пластичность - свойство материала необратимо
деформироваться под действием внешних сил. Пластическая (остаточ-
66
ная) деформация, не исчезающая после снятия нагрузки,
называется необратимой.
Механические свойства материалов характеризуются
диаграммой деформаций, которзоо строят в координатах
«механическое напряжение а - относительная деформация £» (рис. 13).
Относительная деформация е = А///
Рис.13. Диаграммы деформаций: а - стали при растяжении;
6 - бетона при сжатии
Начальные участки диаграмм деформирования ~
прямолинейны. Это означает, что материал работает как упругое тело и
его деформация пропорциональна напряжению. Связь
деформаций £ и напряжений а в области упругой работы материала на
участке ОА описывается с помощью закона Гука
а-£'е, D.14)
где Е ~ модуль упругости данного материала, МПа; s ~
относительная деформация, безразмерная величина.
При увеличении напряжений в стальном образце
наблюдаются 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
величина механического нагружения, но и скорость приложения этой
нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повы-
69
шением скорости нагружения, а следовательно,
деформирования, а также с понижением температуры материала деформации
по своему характеру приближаются к упругим и
упруго-пластическим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.
Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение
длительного периода времени под влиянием постоянных
силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию
за обычные периоды наблюдений, называется деформацией
ползучести, а процесс такого деформирования - ползучестью.
Явление ползучести выражается в непрекращающемся
изменении размера тела (образца) под влиянием растягивающих или
сжимающих постоянных силовых воздействий (напряжений
ниже предела прочности) при постоянной температуре - ниже
температуры плавления. Ползучесть обычно выражают в
единицах скорости деформации как относительное изменение
размеров образца (мм) за время (ч)
е = 7^, D.15)
/т
где А/ - линейное изменение образца, мм, за время т, ч; / -
начальная длина, мм.
Деформационные свойства строительных материалов
обусловливаются периодом или временем релаксации. Релаксацией
называется процесс самопроизвольного падения внутренних
напряжений в материале, связанных с молекулярным
перемещением, при условии, что начальная величина деформации остается
неизменной, например зафиксированной жесткими связями.
Характер начальной деформации в период релаксации напряжений
может измениться, например из упругой перейти в необратимую
(пластическую), что связано с переориентацией
внутримолекулярной структуры. Время или период релаксации определяет
продолжительность релаксационных процессов, в результате
которых первоначальная величина напряжений при строго
зафиксированной деформации снизилась в е раз {е - основание
натуральных логарифмор, равное 2,718..,). Эта величина
является важной характеристикой строительных материалов: чем она
меньше, тем менее деформативным является материал. Нередко
время релаксации зависит от температуры материалов в момент
7П
испытания и скорости приложения нагрузки, являясь
непостоянной величиной.
К упругим материалам относятся природные и
искусственные 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
сравнению 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
незначительной пластической деформации. Хрупкому материалу в
отличие от пластичного нельзя придать при прессовании
желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на
части, рассыпается. Хрупкими являются природные и
искусственные камни, стекло, чугун и др. Приближенным значением
меры хрупкости служит \|/ = ву/бпред, и при \\f = L..0,8
разрушение от нагружения происходит без торможения трещин,
внезапно.
Провести четкую границу между пластичными и хрупкими
телами невозможно. Даже в одном и том же теле можно
наблюдать либо пластичность, либо хрупкость. На характер
деформации влияют различные факторы, такие как температура, тип
напряженного состояния, скорость деформации, окружающая
среда и др. Повышение температуры, как правило, способствует
пластичности, при понижении температуры возрастает
хрупкость. Влияние напряженного состояния на характер
деформирования показывают опыты с хрупкими материалами. Например,
мрамор при линейном напряженном состоянии - хрупкое тело,
но при деформации в условиях объемно-напряженного
состояния он приобретает пластичность.
Во всяком теле, подверженном действию внешних сил,
возникают внутренние силы. Это происходит вследствие
деформации твердого тела: атомы или ионы, образующие
кристаллическую решетку, смещаются относительно своих положений
равновесия, а силы связи между ними противодействуют этому
смещению как внутренние силы.
Прочность - способность материала сопротивляться
разрушению, а также необратимому изменению формы (пластической
деформации) при действии внешних нагрузок. Мерой прочности
материала является предел прочности — наибольшее
напряжение, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой
образец материала разрушается (напряжение в точке В, рис. 13).
Кроме указанной, типичными характеристиками служат
пределы упругости и пластичности, соответствующие напряжениям
на диаграмме деформирования соответственно для точек А и Б.
Все эти характеристики прочности относятся к
кратковременному 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
теоретического предельного значения. Это объясняется тем, что в
реальных 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,
растяжение, изгиб, скалывание (срез) (рис. 14). Физическая
величина, которая характеризует интенсивность внутренних сил,
приходящихся на единицу площади сечения, называется
механическим напряэюением.
VTTTPTT^TT? гж::^
г"//^///
Рис. 14. Схемы определения пределов прочности материалов:
а - при сжатнн; б - растяжении; в - изгибе; г - срезе
72
Для экспериментального определения предела прочности
материала используют образцы правильной геометрической
формы - кубы, призмы, цилиндры, стержни, полоски. Размеры
образцов, процедура испытания, вид и скорость нагружения,
правила обработки результатов выдерживаются в строгом
соответствии с требованиями стандарта. Чаще всего материалы
испытывают сжимающей или растягивающей нагрузкой F.
Предел прочности при сэюатии или растяэюении /?, Па,
рассчитывают по формуле
R-F^A, D.16)
где /узр - разрушающая нагрузка, Н; А ~ площадь
первоначального сечения образца в плоскости, перпендикулярной действию
нагрузки, м^.
Предел прочности при изгибе образца прямоугольного
сечения и при одной сосредоточенной нагрузке в середине пролета
определяют по выражению
где F - разрушающая нагрузка, Н; / - расстояние между
опорами, щЬ,к- 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
этого их подразделяют на марки и сорта. Так, марки строительного
раствора соответствуют пределу прочности (кгс/см^) 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
поверхности и других факторов.
Кроме прочности технической или реальной, определяемой с
помощью условных приборов, существует прочность,
рассчитываемая вычислением и поэтому называемая теоретической.
Простейший метод оценки теоретической прочности твердых
тел бьш предложен М. Поляни в 1921 г. Идея расчета состояла
73
в следующем. Если для разрыва стержня сечением 1 м^
потребовалось приложить напряжение Оо, а атомные плоскости при этом
удалились друг от друга на величину а (параметр
кристаллической решетки), то работа выразилась как Ооа. При разрыве
образовались две новых поверхности площадью 2 м^, а
затраченная работа перешла в свободную поверхностную энергию.
Последнюю можно обозначить как у и выразить в Дж/м^.
Следовательно, Ооа = 4у. Отсюда искомая теоретическая прочность
Go=4y/a. D.18)
Расчет теоретической прочности cjo для железа (у = 1 Дж/м^;
а = 2 ' 10~^° м) по формуле дает прочность Со = 2 - 10^^ Па, что
в сотни раз превышает реальную прочность железа. Большое
различие между теоретической и реальной прочностью
материала 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
(масштабного фактора).
Наиболее обстоятельно метод расчета реальной прочности
хрупких твердых тел исследовал Гриффите. Им предложена
формула для расчета этой прочности материала, имеющего
микротрещину:
где у яЕ - соответственно свободная поверхностная энергия
образца и модуль упругости материала; / - длина поперечной
микротрещины в образце, составляющая обычно к моменту
разрушения образца несколько микрон или более; р - числовой
коэффициент, зависящий от вязкости и характера материала: наличия
кристаллической и аморфной фаз, их количественного
соотношения, дефектов в кристаллической решетке (вакансий,
дислокации), 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,
особенно кристаллической. Прочность материала является
структурно-чувствительным свойством, поэтому ее можно изменять в
необходимом направлении путем соответствующих корректив
структуры на микро- или макроуровне; уменьшения дефектов;
введения добавок, например кристаллических затравок;
повышения дисперсности новообразований; оптимизации структуры,
изменения пористости и размера пор и др.
Твердость - свойство материала сопротивляться
проникновению в него более твердого тела. Твердость ряда строительных
материалов (бетона, древесины, металлов, строительного
раствора) определяют специальным прибором, вдавливая в них
закаленный стальной шарик, алмазный конус или пирамиду. В
результате испытания вычисляют число твердости. Оно равно
отношению 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
кончая 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
твердости материала и важна для оценки эксплуатационных свойств
материалов полов, ступеней лестниц, дорожных покрытий.
4.1.3. Химические свойства
Химические свойства материала характеризуют его
способность к химическим превращениям под влиянием веществ
(воздействий), с которыми он находится в соприкосновении, а также
способность сохранять постоянными состав и структуру
материала в условиях инертной окружающей среды. Некоторые
материалы склонны к самопроизвольным внутренним химическим
изменениям в обычной среде. Ряд материалов проявляет актив-
75
ность при взаимодействии с кислотами, водой, щелочами,
растворами солей, агрессивными газами и т. д. Химические
превращения протекают также во время технологических процессов
производства и применения материалов.
Химическая (коррозионная) стойкость - свойство
материала сопротивляться коррозионному воздействию среды
(жидкой, газообразной, твердой) или физических воздействий
(облучение, 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
коррозию строительных материалов, являются: пресная и соленая
вода, минерализованные почвенные воды, растворенные в
дождевой воде газы (80з, SO2, COj, NO2) от промышленных
предприятий и автомашин. На промышленных предприятиях коррозию
строительных материалов часто вызывают более сильные
агенты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и
горячие газы.
Металлы и сплавы подвергаются коррозии под действием
сред, не проводящих электрический ток, например
некоторых газов при высокой температуре, нефтепродуктов,
содержащих органические кислоты. Такую коррозию металлов
называют 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,
грибков, микробов). Биокоррозия - это не только гниение
органических материалов (древесины, бумаги и др.), но и разрушение
бетона 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
облучение, кислород воздуха и повышенные температуры.
76
Химическая активность - это свойство материалов
подвергаться химическим превращениям под влиянием воды,
температуры, солнечной радиации или при взаимодействии с другими
веществами.
Химические превращения наблюдаются при хранении и
технологическом использовании материалов, а также в период
эксплуатации строительных конструкций. Например, длительное
хранение во влажной атмосфере вызывает гидратацию и
снижение активности цемента. В итоге получается так называемый
лежалый цемент, сильно уступающий по качеству свежеизго-
товленному.
Химическая активность таких материалов, как вяжущие
вещества или минеральные добавки, зависит не только от их
состава и строения, но и от тонкости измельчения.
К физико-химическим свойствам относят: удельную
поверхность 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 (см^г). Удельная поверхность
тонкомолотых материалов достигает больших значений (для
портландцемента - 2500...3000 см^/г). Чем больше удельная
поверхность, 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
взаимных связях (первичных или вторичных). В структуре
искусственных 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
слагаются вещества в определенных агрегатных состояниях.
Сформировавшееся атомно-молекулярное строение предопределяет
77
микроскопические особенности материала. На
микроскопическом уровне также устанавливаются в той или иной мере
устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления
макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и
сростков и других сравнительно крупных частиц, составляющих
материалы, а также соотношения компонентов, фаз и
поверхностей раздела более сложной материальной системы -
композиционного материала.
Микроструктура изучается методами оптической и
электронной микроскопии, рентгенофазовым и рентгеноструктур-
ным анализами, микрорентгеноспектральным методом и,
наконец, такими прецизионными методами, как ЯМР, ЭПР и др.
В зависимости от характера контактируемых частиц,
согласно П. А. Ребиндеру, однородные микроструктуры делятся на
коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.
Коагуляционными называют структуры, в образовании
которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного
взаимодействия между частицами - ван-дер-ваальсовы силы
сцепления, действующие через прослойки жидкой среды.
Конденсационные структуры возникают при
непосредственном взаимодействии частиц или под влиянием химических
соединений в соответствии с валентностью контактирующих
атомов 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
прочный 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
мере и представления об их качественных характеристиках. Так,
вещества с коагуляционной структурой обладают пониженной
прочностью, однако имеют способность к тиксотропному
восстановлению структуры, разрушенной под влиянием
механического 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
неплотностей и дефектов, которые отрицательно влияют на
качество материала. К ним относят: дефекты кристаллической
решетки в виде так называемых вакансий или примесей в
кристаллической решетке; микротрещины, способные под нагрузкой
расти и переходить в макротрещины; поры - замкнутые и
сообщающиеся или и те, и другие различного происхождения, что
зависит от разновидности цементирующего вещества.
Кроме вяжущего вещества, микродисперсной структурой
обладают также приповерхностные слои или контактные зоны в
материале, отделяющие вяжущее вещество от поверхности
другого компонента, например зерен заполнителя, фазы друг от
друга. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и
полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего
вещества. 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
невооруженным 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
определяют свойства материала.
Наличие в каждом элементарном объеме пор или трещин
означает, что целые группы атомов не имеют взаимодействия друг
с другом, так как между ними могут быть газовые, водные или
другие инородные преграды, не обладающие прочностью.
Следовательно, количество связей на единицу площади оказывается
значительно меньше, что должно отрицательным образом
отразиться на прочности твердого тела. Можно пояснить, что
наличие в 1 см^ материала замкнутой поры размером 0,001 см, т. е.
10 мкм, приводит к следующему: во-первых, на площади
сечения 1 см^ отсутствует 10^"* межатомных связей; во-вторых, кри-
79
сталлическая решетка значительно искажена и является
энергетически неустойчивой, особенно на границе раздела фаз;
в-третьих, в указанном объеме возникают остаточные
напряжения, способные вызвать самопроизвольное разрушение;
в-четвертых, на поверхности раздела пор начинают развиваться
физико-химические процессы, также снижающие прочность
материала.
Проблеме устранения поробразования в твердых телах
должно быть уделено особое внимание, так как наличие
сверхпрочных 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
изделий с максимальной плотностью, т. е. минимальной
пористостью материала.
Подобно компактной упаковке дискретных частичек в
микроструктуре вяжущих веществ, смесь грубозернистых
наполнителей подбирают с наименьшим объемом межзерновых пустот,
что позволяет экономить на расходе связующих веществ как
наиболее дорогостоящих компонентов и уменьшать
усредненную толщину обмазочного слоя вяжущего вещества в
конгломерате. 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
rf,-0,156^,1, D.20)
где di - диаметр меньших шаров; 4+i - диаметр больших шаров.
С учетом трения, препятствующего компактной упаковке
шаров:
rf, = 0,143rf,.,. D.21)
Рис 15. Упорядоченная упаковка шаров
различного диаметра
80
Из соотношения D.21) следует, что для плотной упаковки
диаметр большего шара должен в семь раз превышать диаметр
меньшего шара. Плотность упаковки шаров возрастает с
уменьшением их диаметров в прогрессии 1/7, 1/7^, 1/7^ и т. д.
В зависимости от формы и размера частиц твердого вещества
различают материалы зернистые, волокнистые и слоистые.
Зернистые материалы бывают рыхлыми, состоящими из отдельных,
не связанных одно с другим зерен (песок, гравий), или
конгломератного строения (зерна прочно связаны между собой).
Пример природного материала конгломератного строения - гранит,
который состоит из зерен различных минералов, прочно
сросшихся друг с другом. Искусственным материалом
конгломератного строения является бетон, в котором зерна песка и щебня
прочно соединены в монолит цементным камнем.
Кроме заполнителя в смесь нередко добавляется
порошкообразный материал, частицы которого соизмеримы с размерами
частиц используемого в конгломерате вяжущего вещества и
новообразованиями - кристаллическими, аморфными и др. Их
называют наполнителями.
Заполнители и наполнители могут быть активными,
неактивными 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
активного заполнителя (наполнителя) происходит под влиянием
дополнительных физико-химических и химических взаимодействий
контактируемых веществ или вследствие армирующего эффекта
(для волокнистых наполнителей и заполнителей).
Как видно из приведенного, все строительные материалы
характеризуются микро- и макроструктурами. Вместе с тем
структура строительного конгломерата составляет единую,
неделимую, 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
распределены равномерно по объему (фазы, компоненты, поры и
6.3ак508 81
др.), отсутствуют или присутствуют в малом количестве
дефекты структуры как концентраторы напряжений или аккумуляторы
агрессивной среды, имеется непрерывная прослойка вяжущего
вещества в виде пространственной сетки минимально
необходимой толщины. В тех случаях, когда в материале нет вяжущей
прослойки, условием оптимальности структуры служит
наибольшая поверхность контактирования и взаимосвязи частиц
твердой фазы. При этом оптимальная структура всегда является
отражением принятых технологических особенностей
формирования ее в производственных условиях. Таким образом,
оптимальная структура материала носит регулярный характер в
отличие от неоптимальной.
Неоптимальными называют структуры, которые не
удовлетворяют хотя бы одному из вышеуказанных обязательных
условий оптимальности. Оптимальным структурам соответствуют
улучшенные показатели качества материалов по сравнению с
неоптимальными. Это улучшенное качество обусловлено
повышенной плотностью, минимальным количеством жидкой среды,
повышенной концентрацией твердой, например
кристаллической, фазы, минимумом объема пор в контактных зонах и рядом
других причин, особенно энергетического характера, поскольку
при оптимальных структурах свободная энергия Гиббса и
энергия 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
осуществляется по определенной системе, в которой исходные поло-
82
жения прогнозирования сочетаются с новыми
экспериментальными исследованиями.
Под влиянием бесконечного многообразия комбинаций
микрочастиц в пространстве или комплексов этих комбинаций,
слагающих 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 др>тих внешних
факторов. Данные изменения отражаются на числовых
показателях свойств. В частности, значительному изменению
подвержены механические свойства при каждом отклонении,
возникшем 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
соответствовать различные микро- и макроструктуры данного
материала.
Существенным является разделение структур на
оптимальные 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:
достижение по возможности наиболее плотной упаковки
полидисперсных частиц; обеспечение непрерывности пространственной
сетки 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
проектирования состава смеси к реальной технологии изготовления
смеси и изделий; перевод системы в наименее стабильное (мета-
стабильное) состояние с последующим максимальным
упорядочением микро- и макроструктур, приданием повышенной
термодинамической 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
проектирования оптимального состава, а также корректирование
принятого состава в производственных условиях.
Метод проектирования состава материала включает три
взаимосвязанных этапа.
На первом этапе:
а) обосновывают главные показатели
строительно-технологических или эксплуатационных свойств материала, что
достигается тщательным анализом условий работы конструкции.
Иногда для этого используют СТБ, ГОСТы, СНБ, СНиПы или
параметры, заданные в техническом проекте;
б) производят выбор и проверяют свойства исходных
материалов (например, вяжущего, наполнителей и заполнителей),
изыскивают способы дополнительного повышения их качества;
в) назначают лабораторные условия изготовления и
испытания образцов с предельно возможным моделированием
производственных условий.
На втором этапе проектирования состава определяют
рекомендуемый состав искусственного строительного конгломерата
(расход материалов на 1 т или 1 м^ смеси) и производят
проверку свойств конгломерата принятого состава. Для расчета состава
используют научно обоснованные методики или опытные
данные. В качестве определяющего показателя вместо прочности
может быть принято другое свойство материала - упругая
деформация, плотность, вязкость, морозостойкость и т. п.
На третьем этапе изготавливают пробный замес в
производственных условиях. С помощью этого замеса производят
окончательную проверку качества смеси и конгломерата
запроектированного состава, устанавливают наличие оптимальной
структуры путем сравнения планируемых и фактических
характеристик материала. Особо устанавливают наличие оптимальной
структуры, например по индикатору подобия или по кривым
оптимальных структур. Если замечены отклонения, то производят
корректирование состава. Последнее может потребоваться и при
выпуске массовой продукции на заводе, если исходные
материалы получают с течением времени другого качества и других
84
свойств, чем были приняты в лаборатории на стадии
проектирования состава.
Максимальная экономическая эффективность конгломератов
оптимальной структуры устанавливается расчетными данными,
в частности nytcM сравнения приведенных затрат при
оптимальной и неоптима^^1ьной структурах.
Экономическая эффективность конгломерата,
изготовленного в заводских условиях, оценивается величиной приведенных
затрат на единицу продукции, выраженной в рублях:
П - С + ЕК + Э, D.22)
где П - приведенные затраты, руб.; С - себестоимость годовой
продукции на заводе; Е - нормативный коэффициент
эффективности капиталовложений (принимается равным не менее ставки
рефинансирования Нацбанка); К - удельные капиталовложения
в заводское производство конгломерата, равные сумме
капвложений, 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
периода 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
воздействию окружающей среды. Механические нагрузки - масса
конструкций, оборудования и производственной мебели, людей,
85
находящихся в помещениях, - вызывают в материале
деформации и внутренние напряжения. Агрессивное физико-химическое
воздействие некоторых газов, находящихся в атмосфере, воды и
растворенных в ней веществ, высоких и низких температур,
солнечной радиации, попеременного насыщения и высушивания
приводит к постепенному разрушению материалов. Поэтому в
зависимости от назначения, условий строительства и
эксплуатации зданий и сооружений подбираются соответствующие
строительные 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
защищать 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.) -
водонепроницаемостью и стойкостью к попеременному замораживанию и
оттаиванию; материал для покрытия дорог (асфальт, бетон) должен
иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы
выдерживать нагрузки от проходящего транспорта и не
разрушаться 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
значительные механические нагрузки, одновременно выполняя и
защитные функции. Сюда относят природные камни, искусственные
каменные материалы (бетон и железобетон, керамические
изделия), 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 конструкции.
В эту группу входят изделия для тепловой и акустической
защиты конструкций, гидроизоляционные, кровельные и
герметизирующие материалы и изделия, материалы для защиты от
коррозии и некоторые другие.
Кроме заданной долговечности к материалам и изделиям,
работающим в конструкциях, предъявляются требования
ремонтопригодности, сохраняемости качественных характеристик и
безотказности работы в длительный период. С теоретических
позиций за основной принцип надежности искусственных
конгломератов принимают оптимальную структуру при условии
правильно выбранных компонентов, технологических
параметров и режимов производства.
4.5, Долговечность материалов и изделий в конструкциях
4.5.1. Критические уровни характеристик структуры и свойств
Долговечность - комплексное свойство, количественно
выражаемое 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
конструкцию до предельно допустимого (критического) уровня,
соответствующего изменению свойств или структуры.
Весь период долговечности можно разделить на три
временных этапа (рис. 16). Первый этап эксплуатации характеризуется
упрочнением структуры или улучшением показателей свойств;
второй - их относительной стабильностью; третий -
деструкцией, 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
эксплуатации (долговечности) может отсутствовать.
Первый этап имеет место в материалах с участием вяжущих
веществ, и прежде всего цемента. Сущность упрочнения
структуры на первом этапе долговечности заключается в том, что под
87
влиянием внешней среды, нагрузок и других факторов в
эксплуатационный период в материале, особенно в вяжущей части,
а также в контактных зонах, возникают новые и со временем
укрупняются вторичные структурные центры. Совместно с
возникшими на ранней стадии структурообразования они
участвуют в дополнительном процессе уплотнения структуры с
увеличением содержания цементирующего вещества. Например,
цементный минерал белит продолжает «отдавать» свою
вяжущую 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
отношению к механическим нагрузкам, но и улучшение некоторых
других его свойств. В то же время для обжиговых материалов,
например керамического кирпича, первый этап долговечности
будет отсутствовать, так как процессы упрочнения структуры
полностью прекращены.
ОТто 14 Tl Т? Тб Т2 19 Tg Т5 Тю ^3
Технологический Продолжительность воздействия эксплуатационной
период ситуации или количество циклов лабораторных
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
структуры и свойств; 3 ~ увеличение продолжительности эксплуатации за счет
торможения деструкции
' Белит и алит - минералы портландцемента. Их характеристика
приведена в 9.2.1.
Второй этап - стабилизация структуры - характеризуется
сравнительно неизменной концентрацией структурных
элементов в единице объема материала и относительным постоянством
показателей свойств. Уровень этих показателей может
колебаться за счет совместных процессов упрочнения и деструкции.
Третий э']^ап долговечности - деструкция - самый типичный
процесс эксг(луатационного периода. Он может начаться с
первого же этаг^а эксплуатации конструкции, но может следовать
также за упрочнением и стабилизацией структуры.
Приведе]^ные этапы долговечности материала являются
довольно условными. Обусловлено это точностью методов
исследования и аппаратуры для слежения за изменением структурных
характеристик и свойств материала в период эксплуатации в
конструкции. Поэтому у некоторых материалов первый или
второй этап может отсутствовать.
Во время всех технологических переделов и в
эксплуатационный 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
прочности. При этом освобождаются атомы кислорода и другие,
образуются новые химические соединения, устойчивость которых
часто гораздо меньше первоначальных. Это ведет к нарушению
структуры, разрыву ее сплошности, а в итоге - к деструкции
материала, сопровождаемой снижением его прочности.
Из отмеченного можно сделать вывод, что в структуре
материала 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
характеристик структуры и свойств, переход за пределы которых
сопряжен с интенсивным разрушением материала или срочным
капитальным 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
(группа 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
внешних нагрузок, а также массы материала и конструкций;
температурные воздействия; воздействия газовой и водной среды,
содержащей различные примеси; воздействия кислот, щелочей и
солевых растворов; климатические, к которым, кроме
упомянутых выше факторов, относятся также солнечная радиация, ветер
и влажность воздуха, продукты жизнедеятельности
микроорганизмов.
В реальных условиях на конструкцию или ее материал
воздействует комплекс из двух или большего количества
эксплуатационных факторов. Совместное воздействие активных сред и
механических напряжений приводит к интенсификации
коррозионных 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
напряженное состояние деформируемого тела (например,
нормальное 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
частицами того или иного материала.
При трехосном сжатии твердое тело разрушить нельзя. В
этом случае происходят только сближение элементарных частиц
и аллотропические^ изменения структуры тела. При одноосном
сжатии (рис. 17) тело разрушается из-за разрыва внутренних
связей в материале (образования трещин) при расширении
материала в направлении, перпендикулярном к действию нагрузки.
Аналогичная картина разрушения тела наблюдается и при
двухосном сжатии.
Трещина
Последовательный
разрыв связей
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
испытании образцов на срез разрушение их обусловлено
совокупностью элементарных разрывов при сдвиге.
При изгибе разрушение тела может происходить: 1) от
растягивающих напряжений, вызываемых изгибающим моментом;
2) от скалывающих напряжений по косым трещинам при
совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил.
Аллотропия - существование химического элемента в виде нескольких
простых веществ.
Разрушение представляет собой необратимое разделение тела
на части, связанное с нарушением сплошности среды. Процесс
разрушения состоит из двух последовательно протекающих
стадий: зарождение и рост трещины, которому способствует
напряженное состояние тела, и полное разрушение.
Эксперименты показывают, что долговечность твердых тел
подчиняется выражению
и(а)
т - х^е '^ , D.23)
где С/(о) = t/o - уо; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная
температура; U - энергия взаимодействия пары атомов; Uq -
энергия активации (энергия, необходимая для разведения атомов
на бесконечно большое расстояние); То - постоянная,
практически одинаковая для любых твердых тел и их состояний; у -
показатель концентрации напряжений в нагруженном теле; уо -
выражает работу, которую в разрушении тела выполняет внешняя
сила (напряжение о); {Uq- уо) - часть работы, которую
выполняют тепловые флюктуации.
Для того чтобы тело было разрушено, т. е. распалось на
части, в каком-либо сечении должны быть разорваны все
межатомные связи.
Приложение к твердому телу внешней нагрузки вызывает
напряжение межатомных связей. Согласно кинетической
концепции прочности процесс разрушения тел на уровне
элементарных актов может быть разделен на три стадии:
• возбуждение межатомных связей в нагруженном теле,
ведущее к уменьшению энергетического барьера Uq на
величину уо;
• разрыв напряженных связей за счет термических флюктуации;
• накопление разорванных связей.
Гриффите впервые предположил, что различие между
пределами 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
наступает тогда, когда напряжение у вершины хотя бы одной из
опасных трещин достигает величины теоретической прочности.
92
По Гриффитсу, до достиэюения этого критического напряэюе-
ния трещина не растет, но как только такое напряэюение дос-
тигнуто, последняя начинает катастрофически углубляться в
теле, рассекая его на части.
Представим, что эллиптическая трещина длиной 2/ (рис. 18)
имеется в тонкой пластине, подвергнутой простому растяжению.
G G о о
уТ t т t
Рис 18. Работа материала с трещиной по всей ' ^^
толщине большой пластины: а ~ приложенное _
напряжение; / - половина длины трещины i I ] Г
о G о о
При этом в вершине трещины возникает концентрация
напряжений, характеризуемая максимальным напряжением а^ах,
равным
D.24)
где а - растягивающее напряжение; R ~ радиус кривизны в
вершине главной эллиптической трещины; / - длина полуоси
эллипса.
Концентрация напряжений в вершине трещины приводит к
тому, что локально достигается теоретическое разрушающее
напряжение, в то время как весь остальной материал испытывает
воздействие сравнительно малых напряжений.
Если приложенное напряжение достаточно велико, то
трещина начинает распространяться, освобождая энергию упругой
деформации. Однако для образования новых поверхностей
разрушения требуется некоторая энергия.
В соответствии с критерием Гриффитса трещина
распространяется, если увеличение поверхностной энергии меньше,
чем уменьшение энергии деформации, иначе говоря -
разрушение происходит в том случае, когда при бесконечно малом
удлинении трещины выделяется больше упругой энергии, чем это
требуется для образования новых поверхностей. Поверхностная
93
энергия должна быть меньше высвобождающейся упругой
энергии, что возможно при достижении критического размера
трещины:
2уЕ
п1
^кр=,/^, D-25)
где у - удельная поверхностная энергия; Е - модуль упругости.
Как видно из выражения D.25), напряжение обратно
пропорционально корню квадратному из длины трещины, и,
следовательно, по мере распространения трещины необходимое
напряжение уменьшается, т. е. распространение трещины - процесс
ускоряющийся. Если в выражение D.25) подставить
типичные для хрупких тел значения а, у, Д то можно получить
вероятный размер трещин. Для стекла получаются значения порядка
2-10 мм, которые весьма близки к размерам реально
наблюдаемых трещин.
Теория Гриффитса основана на представлении о зарождении
трещин в условиях упругой деформации и не учитывает
возможной пластической деформации перед разрушением.
Кроме энергетического подхода к анализу развития
трещин, основанного на законе сохранения и превращения энергии,
существует и силовой подход, когда рассматриваются
условия 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
исчисляется годами.
Основной причиной докритического роста трещин является
пластическая деформация твердого тела. Чтобы трещина
росла, нужны высокая плотность дислокаций (примерно 10^*^ на
1 см^) и только одноименные дислокации. Дислокации,
«вливаясь» в полость разрушения, увеличивают ее. Чем больше
приложенная 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
разрздпения, необходимо стремиться к тому, чтобы количество
микротрещин в теле было минимальным. А если они уже
существуют, то важно, чтобы размеры их были возможно меньшими.
С этой целью в материалах и изделиях предусматривают
механизмы 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
распространением 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
армирование стальными высокопрочными стержнями. В этом случае
хрупкий компонент - бетон находится в состоянии сжатия
растянутыми стальными стержнями - арматурой.
4.5.3. Концентрация напряжений в твердых телах
Рассмотрим основные понятия, касающиеся сопротивления
твердых тел под влиянием нагрузки. Если твердое тело
полностью свободно от механических нагрузок, то структурные связи
в нем находятся в уравновешенном состоянии. Любая попытка
сблизить или отдалить атомы друг от друга сопровождается
небольшим укорочением или удлинением межатомных связей во
всем материале. При этом ядра атомов не деформируются и
атомы не обмениваются местами при небольших нагрузках. Таким
образом, податливость твердого тела определяется деформацией
межатомных связей.
Под влиянием внешней нагрузки на твердое тело при
нарушении 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
пряэюений. Например, в тонкостенной пластине с отверстием, в
которое впаян диск из другого материала, в контактных зонах
между ними возникает всплеск напряжения (рис. 19).
Напряжения в сечении, вычисленные по формуле сопротивления
материалов, - номинальные напряжения а„ оказываются ниже
фактических максимальных напряжений а^ах.
a2 = B...3)ai
Рис. 19. Концентрация напряжений в контактной зоне
На практике концентрацию напряжений учитывают с
помощью теоретического коэффициента концентрации напряжений
К^ или К^
К^=Яш^ или К^=Ьж.
а т
D.26)
У каждого концентратора напряжений имеются радиус
кривизны R в вершине надреза и характерный размер, которым
может быть половина толщины оставшегося материала, полудлина
центральной трещины, длина односторонней трещины или
высота уступа (рис. 20).
96
V
2/
t
Рис. 20. Различные концентраторы напряжений
(указаны характерные размеры)
В таком случае коэффициент концентрации напряжений или
деформаций в общем виде составляет
а„
^1 +
а..
{о.^-Щ-
D27)
При этом К^ = 2 J— относится к односторонней трещине.
В случае достаточно широкой пластины и круглого
отверстия коэффициент концентрации напряжений равен 3. В случае
эллиптического отверстия коэффициент концентрации
напряжений равен 1 + 2а/б, где айв- длина и ширина полуосей эллипса.
Концентрация напряжений оказывает существенное влияние
на прочность элементов конструкций. А. А. Гриффите
установил, что трещины - это сильно вытянутые эллипсы.
Соотношение полуосей а/в для трещины, например, длиной 10 мкм и
шириной 0,1 мкм равно 100 : 1, в этом случае коэффициент
концентрации напряжений будет равен 201. При подобной
концентрации напряжений теоретическая прочность стекла
A4000 МПа) должна снизиться примерно до 70 МПа, что близко
к прочности обычного стекла.
Концентрация напряжений (деформаций) приводит к
увеличению общей деформации элемента, влияет на его несущую
способность и вызывает его разрушение даже тогда, когда
возникает пластическая деформация.
Концентрация напряжений в наибольшей степени
характерна для таких неоднородных материалов, как бетон, железобетон
и др. Ю. В. Зайцев сформулировал следующие основные
особенности поведения трещин в существенно неоднородных
материалах:
7. Зак. 508
97
1. в неоднородном материале даже при отсутствии трещин
распределение напряжений существенно отличается от
распределения в однородном теле (наблюдается концентрация
напряжений 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
материалов), то имеющаяся на поверхности контакта трещина не пойдет
по этой поверхности, а будет распространяться в глубь одного
или обоих материалов сообразно закономерности развития
трещин в однородных телах. Если же трещиностойкость
контактной зоны недостаточна, то трещина направится по поверхности
контакта.
И. Н. Ахвердов методом фотоупругости установил
распределение напряжений в бетоне в зависимости от степени жесткости
включений и матрицы. Если £'рс - модуль упругости матрицы
(растворной составляющей), а £'к.з - включения (зерна крупного
заполнителя), то при £'к.з < ^р.с и £'к.з > £'р.с кривизна эпюр
напряжений тем значительнее, чем больше Еу, з отличается от Е^_^
(рис. 21). Напряжения в матрице больше, если £'к.з < £'р.с, и
меньше, когда £'кз > £'р.с- При £'к.з = £'р.с система характеризуется
структурной однородностью.
Таким образом, в неоднородном материале в зависимости от
соотношения свойств его компонентов и характеристик
контактной зоны этих компонентов трещины могут развиваться в
различных зонах материала.
Нарушение сплошности структуры бетона под действием
сжимающей нагрузки происходит по цементному камню, а
также контактам между ним и зернами заполнителя до исчерпания
прочности материала в целом. Как показано О. Я. Бергом,
напряжения R^, соответствующие появлению микротрещин на
границе с зернами крупного заполнителя, составляют @,3...0,7)У?пр
{Кщ ~ призменная прочность бетона). В растворной
составляющей бетона трещины интенсивно развиваются при напряжениях,
составляющих 70.,.90 % от предельных, и этот процесс
сопровождается увеличением объема бетона.
98
'АЛАЛ
IV
С!^
•rTT>ib,
.-a-il
III
Рис. 21 Эпюры напряжений в
двухкомпонентной системе при
различных механических и
деформационных свойствах матрицы и
включений: I - £,, < ^р^, ^^^з < ^рс;
11-£,,>£р„ /?,з>Лрс; 1П~^к.-
=" ^рс, Ki = -^рс; IV - Е^., = со, /?^, = со;
V-£^ = 0,/?,, = 0
Щ
" ИтМЬттЯГгшТтп
ttfttt ttftlttt
ilHH ЙИНН
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
различие?
7. Какие структуры принято считать оптимальными?
8. Какие принципы формирования материалов оптимальной структуры?
9 Что такое долговечность материалов? Какие временные этапы
характерны для периода существования материала?
10. Каковы причины разрушегош материалов? Что и как характеризует кригерий
Гриффитса?
11. Как влияет концентрация напряжений в твердых телах на их прочность?
99
Раздел 2. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ
Глава 5. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Природные каменные материалы - это строительные
материалы 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
результате такой обработки природные каменные материалы почти
полностью сохраняют физико-механические свойства горной
породы, из которой они были получены. Некоторые горные
породы (песок, глину, гравий) используют без обработки. Данные
виды строительных материалов называют нерудными.
Благодаря высокой прочности, долговечности и большим
запасам камень издавна был универсальным строительным
материалом. До наших дней сохранились монументальные
сооружения из природного камня: египетские пирамиды, греческие и
римские храмы, арены и акведуки, соборы Древней Руси и
другие 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
заполнителя в бетонах, как сырье для получения керамики,
вяжущих веществ, минеральной ваты, а также для облицовки зда-
100
НИИ и инженерных сооружении, как местный строительный
материал для кладки стен.
5Л« Горные породы и их классификация
Горные породы представляют собой скопление минеральных
масс, состоящих из одного или нескольких минералов.
Например, гранит состоит из трех минералов - полевых шпатов,
кварца и слюды, а известняк ~ из одного кальцита. Процентное
содержание минералов в горной породе определяет ее состав.
Форма, размеры и взаимное расположение минералов в горной
породе обусловливают ее структуру. Минералогический состав
и структура, в свою очередь, определяют свойства горной породы.
Минералом ^ 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
мономинеральными, а состоящие из нескольких минералов -
полиминеральными. Содержащиеся в составе горных, пород
минералы разделяют на породообразующие и второстепенные. Первые,
примерно 40...5О минералов, участвуют в образовании горных
пород и обусловливают их свойства; вторые встречаются в них
только в виде примесей. Основными породообразующими
минералами 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 Si02, корунд А^Оз); солями различных
кислот (хлориды - каменная соль; сульфаты - гипс, ангидрит;
карбонаты - кальцит, доломит, магнезит) и наиболее распрост-
^ Слово минерал латинского происхождения: minera - руда. В природе
известно 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
магматические (изверженные), осадочные и метаморфические
(видоизмененные) (рис. 22).
ПЕРВИЧНЫЕ ПОРОДЫ
МАГМАТИЧЕСКИЕ
глубинные I
изг1ииш,-сес»
пассивные
обломочные
ы в в : \т
триванг^е
5Z,
ВТОРИЧНЫЕ ПОРОДЫ
ОСАДОЧНЫЕ
механические
органогенные
жвмогеиныв
МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПОРОДЫ
Рис. 22. Генетическая классификация горных пород
Магматические и метаморфические горные породы
составляют около 90 % земной коры, остальные 10 % приходятся на
долю осадочных, однако последние занимают более 75 %
площади земной поверхности.
Магматические (первичные) породы образовались в
результате застывания и кристаллизации магмы - расплавленной
102
массы преимущественно силикатного состава, образуют.'
глубинах земной коры. Магма зарождается на глубине от
200 км, температура расплава достигает 1300 °С. Если .,^
застывала в глубине земной коры и охлаждение шло медленно и
под большим давлением, то образовывались
крупнокристаллические плотные горные породы, называемые глубинными. К
таким 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
приобретают высокие твердость и хрупкость, а с увеличением
содержания полевых шпатов становятся более вязкими, однако и
более склонными к выветриванию. Цвет гранита зависит от
количественного соотношения минералов и, прежде всего,
определяется цветом полевых шпатов (от серого до красного разных
оттенков). Граниты имеют высокую прочность при сжатии
A20...250 МПа), а при растяжении - в 40...60 раз меньше.
Средняя плотность гранитов составляет 2500...2800 кг/м^,
пористость их не превышает 1,5 %, что обусловливает водопогло-
ш.ение около 0,5 % и морозостойкость - более 200 циклов.
Граниты хорошо обрабатываются (обтесываются, шлифуются,
полируются), поэтому широко используются для облицовки
зданий и сооружений. Из гранита изготовляют бортовые камни,
ступени, а также щебень для высокопрочных бетонов.
Долговечность гранита - 1000 и более лет. В Беларуси запасы гранита
только месторождений Микашевичи и Ситницкое составляют
более 580 млн м^.
Сиенит по внешнему виду и свойствам близок к
гранитам. Сиенит не содержит в своем составе кварца и поэтому
легче подвергается обработке. Предел прочности при сжатии
сиенита составляет 150... 180 МПа, а средняя плотность -
2600...2800 kyIm, Сиениты, содержащие небольшое количество
103
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
A80...300 МПа), большой средней плотностью (до 2900 кт1ы)\
отличительной особенностью диорита является высокая
вязкость. Поэтому его целесообразно применять при воздействии
ударных нагрузок, например в дорожном строительстве.
Диориты с небольшим содержанием кварца называют гранодиорита-
ми. Этот камень сочетает в себе прочность гранита и красоту
мрамора.
Лабрадорит - порода из семейства габбро. Основной
составной частью является минерал Лабрадор, состоящий из
натриевого и кальциевого полевых шпатов. Лабрадорит имеет
серую и черную окраску с красивыми переливами в синих и
зеленых тонах за счет иризации (отражения световых лучей от
внутренних плоскостей спайности этого минерала),
благодаря чему является ценным декоративным и облицовочным
материалом.
Габбро - тяжелые породы с почти одинаковыми плотностью
и средней плотностью (около 3100 кг/м^), прочностью при
сжатии B00...280 МПа), отличающиеся высокой вязкостью,
которая затрудняет их обработку. Это - весьма плотная, прочная и
стойкая против выветривания горная порода. Структура -
кристаллическая, крупнозернистая, цвет - серый, темно-зеленый до
черного. Применяют для облицовки зданий, покрытия дорог и
получения щебня.
Если магма выливалась на поверхность земли, то
образовывались так называемые излившиеся породы. Из-за быстрого ос-
тьюания магмы такие породы закристаллизовывались лишь
частично или застывали в стеклообразном состоянии, что
неблагоприятно 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
мелкозернистой массе вкраплений кварца, полевого шпата и цветных
минералов. Наличие крупных вкрапленников повышает
декоративные качества камня, но понижает атмосферостойкость. В
строительстве применяют плотные и прочные разновидности:
кварцевые порфиры и липариты, бескварцевые порфиры и
трахиты, порфириты и андезиты, диабазы и базальты.
Из порфиров изготовляют облицовочные плиты, их
используют в виде щебня или штучного камня в дорожном
строительстве.
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
плотностью 2400...2600 кт/и и прочностью при сжатии от 130 до
180 МПа (в зависимости от содержания кварца и
вулканического 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/м^, напоминающие пемзу. Высокая пористость
трахитов способствует их быстрому выветриванию. Они менее
прочны, быстро истираются и мало морозостойкие. Предел
прочности при сжатии обеих пород невысок и составляет 60.. .70 МПа.
Базальты и диабазы - это излившиеся аналоги габбро,
отличающиеся от него своими структурными и текстурными
особенностями.
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.
Базальты являются твердыми и одновременно хрупкими трудно
обрабатываемыми породами, их прочность варьируется в
широких пределах - от 110 до 500 МПа - и в связи с большим
содержанием стекла может резко падать; плотность и средняя
плотность очень близки и составляют 3000...3300 кг/м^. Базальты
являются хорошими кислотоупорными и
электроизоляционными материалами и высоко ценятся как сырье для каменного
литья. Литой камень базальтин используют для получения
отделочных изделий, химической аппаратуры, отличающихся
кислотоупорностью, высокой прочностью (до 800 МПа) и
долговечностью.
Диабаз (в переводе с французского - дважды базальт)
отличается высокой твердостью, вязкостью, долговечностью.
Вследствие этого является хорошим материалом для устройства
дорожных покрытий. Поскольку температура плавления базальта
сравнительно невысока A200... 1300 °С), его используют в
качестве сырья для каменного литья. Прочность плавленого диабаза
при этом возрастает в 2.. .2,5 раза.
Среди излившихся пород заметное место занимают
вулканические стекла (почти безводный аморфный черный или красно-
бурый обсидиан, мелкопористый светло-серый перлит и
зеленоватый или бурый камень пехштейн), объединенные под общим
техническим названием перлиты.
Перлит (в переводе с французского - жемчуг) - это
природное вулканическое стекло, обогащенное водой. Содержание
химически 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
более. Плотность вспученного перлита составляет 80...600 кг/м^
Он используется в качестве теплоизоляционных засыпок и для
изготовления теплоизоляционных изделий.
106
при вулканических извержениях, когда магма насыщена
газами, образуются излившиеся высокопористые легкие породы -
пемза и вулканический туф, плотность которых составляет
800..Лб00кг/м1
Пемза образовалась при быстром охлаждении магмы и
интенсивном выделении из нее газов, вспучивающих массу.
Быстрое остывание вспученных кусков магмы привело к
образованию стекловидной пористой породы плотностью400...600кг/м^
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
используется для производства теплоизоляционных засыпок, как
заполнитель в легких бетонах и в качестве активной минеральной
добавки к цементам.
Вулканический пепел - порошкообразные частицы
вулканической 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
используется 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
(органогенные породы) или химического (химические осадки)
преобразования природного минерального сырья. Осадочные
породы служат основаниями и средой для различных сооружений и
повсеместно доступны в качестве строительных материалов. По
условиям образования осадочные породы делятся на три
группы: органогенные, обломочные и химические.
Породы обломочного (механического) происхоэюдения
являются продуктами механического разрушения каких-либо мате-
107
ринских пород и сложены преимущественно обломками
устойчивых к выветриванию минералов и пород. Под действием
природных факторов (вода, попеременное
замораживание-оттаивание, нагрев и охлаждение, ветер, углекислый газ и др.)
массивные горные породы разрушаются, образуя рыхлые
механические отлоэюения ~ глину, песок, гравий (параграфы 7.1, 10.2
и 10.3). Так, при разрушении гранита сначала образуются
сравнительно крупные камни, а затем, при дальнейшем
разрушении - песок и глина.
Возможна природная цементация песка и гравия; в этом
случае образуются песчаники и брекчии. Цементирующим
веществом в них могут быть: углекислый кальций (карбонатные
песчаники), 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
качестве заполнителя для бетонов. Конгломераты (сцементированные
зерна гравия) и брекчии (сцементированные зерна щебня) имеют
плотность от 1500 до 2900 кг/м^, 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,
известняки-ракушечники, мел, состоящие в основном из карбоната
кальция СаСОз- Реже встречаются породы, состоящие из
аморфного кремнезема Si02, - диатомиты и трепелы.
Известняк - одна из основных горных пород, используемых
в строительстве. Плотность плотных известняков составляет
2000...2400 кг/м^, а известняков-ракушечников - менее 1800 кг/м^.
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
известняков используются для получения основных вяжущих
веществ - цемента и извести.
Мел состоит из мельчайших остатков раковин простейших
opi анизмов и отличается от известняков более пористой
структурой. Он имеет белый цвет, используется для приготовления
красок, замазок и при производстве извести и цемента. В
Беларуси разведано 33 месторождения мела с общими запасами
238,8 млн т.
Мергель - это сцементированная механическая смесь глины
B5...50 %) и известняка B5...75 %). Средняя их плотность
составляет 1900...2500 кг/м^, а предел прочности при сжатии-
60 МПа. Мергель используется как сырье для производства
цемента. 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
плотностью 500... 1300 кг/м^ 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
минеральных веществ и последующего выпадения твердых веществ
из растворов - образовались химические осадочные горные по- *
роды. Из таких осадочных пород в строительстве
используют природный гипс, доломит, магнезит.
Гипс - плотная горная порода (средняя плотность ~ 2200 кг/м"^,
прочность при сжатии - 60...80 МПа). Он состоит из минерала
того же названия - CaS04 • 2Н2О. Основное применение - сырье
для производства гипсовых вяжущих веществ.
Доломит - плотная горная порода, состоящая из минерала
доломита СаСОз • MgCOs- Он используется как облицовочный
109
материал и заполнитель для бетона. В Беларуси на территории
Витебской и Могилевской областей выявлено около 30
месторождений доломитов. Их общие разведанные запасы составляют
901879 тыс. т.
Магнезит состоит из минерала магнезита MgCOs. Он имеет
кристаллическое, а иногда и аморфное строение. Магнезит
применяется для изготовления магнезиальных вяжущих и
огнеупорных изделий.
Метаморфические горные породы образовались в
результате видоизменения магматических или осадочных пород. Под
воздействием давления, высокой температуры и водных
минеральных растворов происходит перекристаллизация минералов
без их плавления, изменяется структура породы (часто без
изменения ее химического состава).
Видоизмененными горными породами являются гнейсы,
кристаллические сланцы, кварциты, мраморы и др. Самые
распространенные из них - гнейсы, образовавшиеся в результате
видоизменений кварцево-полевошпатных горных пород, например
гранитов. Средняя плотность составляет 2500...2600 кг/м'', предел
прочности при сжатии - 129.-.300 МПа. Их применяют для
изготовления облицовочных плит, бугового камня.
Кварциты образовались в результате перекристаллизации
песчаников, содержащих 95...99 % кремнезема. Они хорошо
сопротивляются сжатию (до 500 МПа). Кварциты - атмосферо-
устойчивые и плотные горные породы (средняя плотность -
2800...3000 кг/м^), имеют высокую огнеупорность (до 1770 °С),
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 кт1ы) 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
наружных облицовок мрамор не рекомендуется, так как
разрушается атмосферной влагой, содержащей растворенные газы -
углекислоту, сероводород,
5.2. Свойства и основные виды природных
каменных материалов и изделий
Свойства природных каменных материалов. Из
многообразия физико-механических свойств природных каменных
материалов 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/м'')
и тяэюелые (рс> 1800кг/м^).
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) низ осадочных (из-
111
вестняков и доломитов) или изверженных горных пород.
Размеры бутовых камней для укладки вручную составляют
150...500 мм, масса- 10...30 кг.
Бутовый камень - дешевый строительный материал,
применяемый для кладки фундаментов, стен вспомогательных
помещений, массивных частей гидротехнических сооружений.
Однако из-за трудоемкости кладки большую часть добываемого
камня перерабатывают на щебень для бетона.
Валунный камень - крупные обломки (более 300 мм)
горных пород ледникового происхождения, характеризующиеся
окатанной, часто сильно выветрившейся поверхностью.
Используют его для получения булыжного камня и щебня.
Булыжный камень - куски горной породы размером до
300 мм. Применяют его для покрытия мостовых, дворов и
откосов, для каменной наброски при строительстве дамб. Крупный
булыжный камень можно применять как бут, мелкий камень
перерабатывают на щебень. Качество бута определяется путем
нанесения 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... 10, 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
разделением гравия по крупности зерен на предусмотренные стандартом
фракции. Гравий используют в качестве крупного заполнителя в
цементных (до МЗОО) и асфальтовых бетонах для дорожных
покрытий.
Песок - рыхлая горная порода, состоящая из зерен
минералов и пород размером ОД6...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
водные. При отсутствии качественных природных песков
используют песок из отсевов дробления скальных горных пород.
Песок как строительный материал широко применяют в
строительстве в качестве мелкого заполнителя в бетонах и
растворах. От качества песка как заполнителя зависит прочность
многих строительных материалов.
Кварцевые пески - основное сырье для стекольной
промышленности.
Щебень представляет смесь угловатых обломков камня
различной конфигурации размером 5... 150 мм. По форме зерен
щебень подразделяется на три группы: обычный, в котором
допускается содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой
форм до 35 % по массе, улучшенный - не более 25 %,
кубовидный - не более 15 %.
Прочность щебня характеризуется маркой,
соответствующей 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
качестве заполнителя для тяжелого бетона, должен иметь марку,
соответствующую пределу прочности породы не ниже 80 МПа,
из метаморфических пород ~ не ниже 60 МПа, из осадочных
пород - не ниже 30 МПа.
Получают щебень дроблением камня в дробилках разных
конструкций (щековых, конусных), а мелкий щебень (с
размером кусков менее 25 мм) - на молотковых или валковых
дробилках. Технология приготовления щебня состоит из
следующих операций: раскалывание щебня на куски, размеры которых
соответствуют типу дробилки; загрузка (подача) камня в
дробилки; дробление камня до получения зерен заданного размера.
8.3ах.508 113
подача щебня на сортировку; сортировка щебня (по крупности
зерен) на вращающихся грохотах и перемещение
отсортированного 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
высококачественного 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
поверхности зерна.
Щебень широко применяют в строительстве для
приготовления цементобетонных и асфальтобетонных смесей, оснований
для дорожных покрытий и др.
Стеновые камни и блоки получают из пористых
известняков, вулканических туфов и других горных пород плотностью
900...2200 кг/м^. Марки камней и блоков в зависимости от
пористости 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 %;
коэффициент размягчения - 0,6; марка по морозостойкости - F15.
Основные размеры камней для кладки стен: 390x190x188 и
390x190x288 мм. Каждый стеновой камень заменяет 8... 12
кирпичей. Значительно эффективнее использование крупных
стеновых блоков размером до 3000x1000x500 мм и массой до 1,5 т.
Пиленые стеновые камни и блоки - эффективный местный
строительный материал. Жилые и общественные здания,
возведенные из стеновых камней и блоков, значительно дешевле
зданий, 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
изготовляют 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
используются при облицовке поверхностей внутри помещений, а
также для облицовки фасадов зданий. При попадании воды они
становятся скользкими;
• лощеная фактура ~ гладкая, отполированная не до
зеркального блеска бархатисто-матовая поверхность. Применяется
для облицовки любых поверхностей;
• шлифованная ~ гладкая равномерно шероховатая
поверхность, у которой рисунок камня сглажен; высота неровностей
рельефа - до 0,5 мм. Плитки с поверхностью, обработанной
таким образом, применяются для облицовки полов, где
необходимо уменьшить скольжение, а также для ступеней и площадок
лестниц;
• пиленая - поверхность, не подвергающаяся после
распиливания камня никакой дальнейшей обработке с неровностями
рельефа высотой до 2 мм;
• фактура скалы ~ грубо обработанный камень.
Применяется в основном для облицовки фасадов;
• огневая обработка - слегка оплавленная поверхность
после высокотемпературной обработки.
Плиты декоративные на основе природного камня получают
из природного камня (щебень или обрезки плит) и
неорганических или полимерных связующих. Их изготовляют с мозаичной,
брекчиевидной или орнаментной поверхностью. Имеют
прямоугольную 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.
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 условий их залегания,
прочности и твердости, а также от формы и размеров будущих
изделий. В тех случаях, когда горные породы залегают
неглубоко или выходят на поверхность земли, добыча их ведется
открытым способом 6 карьерах. Горные породы, залегающие на
большой глубине, добывают подземным способом в
каменоломнях 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
машинами, а также специальным инструментом.
Лсгкообрабатываемые горные породы, например туф и
известняк-ракушечник, добывают механизированным способом
при помощи камнерезных машин, режущими элементами
которых 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
длины, 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
изделиям 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
пилами. 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
ширину пропила в 3.. .4 раза, а толщину плит довести до 5... 10 мм.
В результате из 1 м^ блока можно получить до 40...45 м^ тонких
плит, что в 2...3 раза выше, чем при обычных методах
распиловки. Еще одна положительная сторона алмазной распиловки -
высокая чистота поверхности резания, что позволяет на
дальнейших этапах обработки плиты исключить процесс шлифования.
Песок, гравий, гальку, глину добывают открытым способом
преимущественно с помощью одно- или многоковшовых
экскаваторов 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
(адсорбционное) ослабление связей, расклинивание,
размораживание,
В естественных условиях <фаботают» главным образом
природные воды, в том числе богатые углекислотой, разность
температур, 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
химическим. Первый предусматривает изоляцию поверхности
каменных материалов от источников агрессии, устройство стоков
жидкостей. Механический заключается в обработке
поверхности " шлифовке, полировке - с целью снижения площади
поверхности и предотвращения скапливания и удержания на камне
агрессивных веществ.
Поверхности материалов и изделий из карбонатных горных
пород можно защитить химически - пропиткой флюатами -
солями кремнефтористоводородной кислоты (кремнефторизация
или флюатирование)
2СаСОз + MgSiFe = 2Сар2 + MgF2 + SiOz + 2СО2.
Продукты этой реакции практически нерастворимы.
Некарбонатные горные породы перед флюатированием
обрабатывают водными растворами кальциевых солей (аванфлюа-
тирование), чаще всего хлористым кальцием, а после
высушивания - раствором соды
СаСЬ + КазСОз = СаСОз + 2NaCL
Перед флюатированием поверхность камня полезно
насытить известковым молоком, тогда пройдет реакция между флюа-
том и гидроксидом кальция
11Я
MgSiF6 + 2Са(ОНJ = 2Сар2 + MgF2 + Si02 + H2O.
Временный, но все же длящийся годы защитный эффект
можно получить пропиткой пористых или обработкой
поверхности 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,
приспособленной для механизированной погрузки и разгрузки. При
транспортировке плиты следует устанавливать в вертикальном
положении попарно лицевыми поверхностями внутрь с прокладкой
между ними бумаги и закреплять клиньями.
Облицовочные камни и ступени укладывают рядами,
используя деревянные прокладки. Плиты для полов хранят
уложенными на длинное ребро в один ряд по высоте.
Бутовый камень хранят навалом на открытой площадке в
прямоугольных штабелях объемом до 200 м^ и высотой 1 м.
Стенки штабелей следует класть из более крупных камней впе-
ревязку, укладывая их постелистой стороной вниз. Мелкие
камни засыпают внутрь штабеля.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. Какие строительные материалы относят к нерудным?
2. Что обозначают понятия «минерал», «мономинеральные и
полиминеральные 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
материалов?
9. Что является причиной коррозии природных каменных материалов?
10. Какие существуют способы защиты от коррозии природных каменных
материалов?
119
г л а в а 6 ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
6.1. Структура и свойства древесины
Древесина является весьма распространенным строительным
материалом, применяемым с глубокой древности. Она
характеризуется редким сочетанием положительных свойств. Это ~
весьма легкий и в то же время прочный материал, хорошо
сопротивляющийся статическим и динамическим нагрузкам.
Благодаря пористой структуре древесина имеет малую
теплопроводность. Она легко поддается 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
используют в качестве компонентов различных строительных
конгломератов: древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит,
арболита, ксилолита и др.
Древесина - продукт растительного происхождения и как
биологический объект состоит из клеток. Стенки клеток
древесины на 99 % состоят из органических соединений,
представленных у хвойных пород примерно на 70 %, а у лиственных
пород на 80 % углеводами. Последние являются природными
веществами, образованными тремя элементами: углеродом,
водородом и кислородом. Примерами простых углеводов
являются глюкоза и сахар.
В углеводную часть древесины входит целлюлоза как ее
основной компонент по объему в стволе дерева и нецеллюлозные
полисахариды, именуемые гемицеллюлозой.
Целлюлоза может быть выражена брутто-формулой
[СбНюОз]^, где п - степень полимеризации, которая у древесной
целлюлозы достигает значений от 300 до 6000 и более. Она
120
представляет собой линейный гетероцепной однородный
полимер, имеющий большое число гидроксильных групп ОН,
образующих водородную связь. Эта связь между водородным
атомом 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
молекулы целлюлозы могут принимать различные расположения.
Древесные целлюлозные волокна имеют спиральную
структуру и содержат примерно 55.. .65 % кристаллической и 25.. .35 %
аморфной (гемицеллюлозной) части, причем у хвойных пород
аморфной части меньше, чем у лиственных B8.. .35 %).
Около 30 % древесины составляют вещества ароматической
природы, известные под названием лигнин. Полагают, что это
смесь нерегулярных разветвленных полимеров сетчатой
структуры. Присутствие лигнина устанавливают по цветным
реакциям. От целлюлозы он отличается повышенным содержанием
углерода - 60...65 % (в целлюлозе - 44 %), что обусловлено его
ароматической природой. Из девяти атомов углерода,
составляющих структурную единицу (фенилпропановую) лигнина,
шесть принадлежат ароматическому кольцу. В химическом
отношении лигнин - реакционноспособный полимер. По
сравнению с целлюлозой он обладает меньшей химической
стойкостью, легче окисляется. Лигнин - аморфное вещество, им
обогащаются клеточные стенки с эффектом одревеснения.
Углеводы и лигнин являются природными полимерными
веществами. На них распространяются закономерности,
характерные для этих соединений, причем они находятся в теснейшей
взаимосвязи и образуют единую высокоорганизованную
полимерную систему древесины.
121
Небольшую часть древесины B...4 %) составляют
экстрактивные вещества. Они не входят в состав клеточной стенки,
а способны лишь пропитывать ее. Экстрактивные вещества
в основном содержатся в полостях клеток и межклеточном
пространстве. В отличие от углеводов и лигнина экстрактивные
вещества - низкомолекулярные соединения, которые извлекаются
из древесины нейтральными растворителями - водой, обычными
органическими растворителями. Хотя их немного, но они
придают 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
экстрактивные вещества, по-разному распределяясь внутри дерева,
например 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
неоднородностью. Это видно невооруженным глазом на главных разрезах
ствола (рис. 23 а) - поперечном 1, радиальном 2 и
тангенциальном 3. Поперечным (торцовым) называют разрез, проходящий
перпендикулярно оси ствола. Радиальный разрез проходит вдоль
оси ствола по радиусу или диаметру поперечного сечения.
Тангенциальный 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
группируются! и создают на торце ствола систему концентрических
колец. Вместе с другими элементами они формируют
макроструктуру древесины.
Макроструктура древесины различима невооруженным
глазом или при небольшом увеличении, например с помощью
лупы. Выделяют следующие основные элементы макроструктуры:
сердцевину, ядро, заболонь, камбий и годичные слои.
122
Рис. 23. Строение ствола дерева: а - основные разрезы ствола; б - строение
ствола дерева на поперечном разрезе; 1 - поперечный (торцовый); 2 -
радиальный; 3 - тангенциальный; 4 - кора; 5 - заболонь; 6 - сердцевина
Сердцевина - узкая центральная часть ствола (рис. 236). Она
представляет собой рыхлую, слабую ткань первичного
образования, легко поддается загниванию. В досках и брусках
толщиной до 50 мм сердцевина, как правило, не допускается.
Ядро - это внутренняя зона древесного ствола, большей
частью темноокрашенная. Ядро образуется в результате
отмирания живых клеток древесины. Темная окраска ядра объясняется
отложением в клетках древесины смолы, дубильных и красящих
веществ, углекислого кальция. Эти вещества увеличивают
стойкость древесины ядра против загнивания.
Заболонь - светлая наружная зона ствола, окружающая ядро.
В основном она состоит из живых клеток. Как правило,
древесина заболони светлоокрашенная. По механическим свойствам
она не уступает древесине ядра, но хуже сопротивляется
загниванию.
Древесные породы, у которых четко различимы ядро и
заболонь, называют ядровыми (дуб, сосна, лиственница, кедр). В
ряде 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,
способных к росту и делению на большую часть, откладываемую
в сторону древесины, и меньшую часть - в сторону от центра,
где расположен следуюш.ий слой в виде луба (внутренний слой
коры).
Годичные слои представляют собой ежегодный прирост
древесины. Они состоят из клеток, образовавшихся за один
вегетационный период. На, поперечном разрезе годичные слои
расположены в виде концентрических колец, на радиальном разрезе
они образуют параллельные полосы, идущие в продольном
направлении, на тангенциальном - извилистые сходящиеся линии
(рис. 23).
Каждый годичный слой состоит из ранней и поздней
древесины. Ранняя древесина образуется весной, поздняя - к концу
лета. Ранняя древесина светлее поздней. Клетки ранней
древесины 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
древесины, 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.
Целлюлоза образует систему первичных волокон, называемых
микрофибриллами. Первичные волокна расположены в оболочках
клеток в несколько слоев.
Древесина состоит из 40...50 % целлюлозы, 20...30 %
лигнина, 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 %
минеральных веществ.
124
Отличительная особенность структуры древесины
заключается 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
неодинаковых свойств древесины в радиальном, тангенциальном и
продольном направлениях. Полости клеток, на которые
приходится значительная часть объема, формируют вместе с
межклеточными промежутками большую пористость древесины.
Клетки в древесине имеют различное функциональное
значение. Одни из них выполняют функции проводящих клеток,
другие - опорных или механических, третьи - запасающих,
четвертые - образовательных (расположены в камбиальном слое),
пятые ~ ассимиляционных (находятся в листве и хвое и
благоприятствуют образованию питательных веществ), шестые -
покрывных (в коре дерева). Клетки, имеющие одинаковое
строение и выполняющие одну и ту же функцию, образуют ткани.
Особо выделяют ткани проводящие, механические и
запасающие, 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
полости 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
живых 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
лиственных пород либриформом, заметно отличаются своей
веретенообразной формой, толстыми стенками с щелевидными по-
125
рами, узкими полостями. Механические клетки - сравнительно
небольшие по длине и диаметру. Все клетки либриформа
являются мертвыми, и лишь паренхимные клетки, как и в хвойных
породах, образуют сердцевинные лучи, запасающие и
проводящие питательные вещества в радиальном направлении (их
объемная доля в лиственных породах - около 10 %, в хвойных -
3...5%).
б
Торце -ьь п
Рис. 24. Микроструктура древесины: а ~ дуба; б - сосны; 1 ~ сердцевинный
луч; 2 - либриформ; 3 - мелкие сосуды; 4 - широкий сердцевинный луч в
поперечном 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,
способность удерживать металлические крепления.
Внешний вид зависит в основном от цвета и текстуры древесины.
Цвет часто служит одним из важнейших признаков при
распознавании породы дерева. Целлюлоза, из которой в основном
состоит древесина, почти белого цвета. Все многообразие
цветовых 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
древесины при перерезании ее волокон, годичных слоев и
сердцевинных 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
разрезах.
Плотность значительно влияет на свойства древесины,
особенно на прочность. Плотность древесины изменяется в очень
узких пределах, так как древесинное вещество состоит в
основном из целлюлозы. Поэтому независимо от породы дерева
плотность принимают равной 1530 кг1ы. Средняя плотность
зависит как от породы, так и от условий произрастания дерева. Она
колеблется в широких пределах. Так, средняя плотность,
определенная при стандартной 12%-й влажности, равна для
древесины, ktIu': сосны - 500; ели - 450; дуба - 690; бука - 670;
березы - 630; липы - 500; клена - 700, Она изменяется в зависимости
от влажности древесины.
Среднюю плотность древесины с фактической влажностью
пересчитывают на стандартную влажность, принимаемую
равной 12 %:
Рс12-Рсп.[1+0,01A-^о)A2-Г)], F.1)
где рс12 - средняя плотность образца древесины при влажности
W= \2 %; ко - коэффициент объемной усушки, который
показывает, на сколько процентов изменяется объем образца при
изменении его влажности на 1 %. У древесины большинства пород
^о == 0,5 (у березы, бука, лиственницы, граба ^о ~ 0,6). Его
определяют по формуле
127
где Vq - объемная усушка; WiH W2- влажность древесины
соответственно начальная и конечная.
Пористость древесины связана с ее плотностью. С
уменьшением средней плотности от 800 до 300 кг/м^ пористость
возрастает с 55 до 80 %. Следовательно, большую часть объема
древесины занимают поры.
Влаэюность древесины существенно влияет на ее физические
и механические свойства, а в ряде случаев определяет ее
пригодность 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
длительное время во влажном воздухе, то его масса вначале будет
возрастать, а затем стабилизируется. Связано это с тем, что
водяные пары конденсируются в стенках клеток древесины. Влагу,
накапливающуюся в стенках клеток, называют связанной или
гигроскопической. Состояние древесины, при котором
клеточные стенки максимально насыщены водой, а в полостях клеток
находится только воздух, характеризуется пределом
гигроскопичности. Для большинства пород влажность, соответствующая
пределу гигроскопичности при комнатной температуре,
составляет 30 % по массе.
Молекулы связанной воды, конденсируясь в стенках клеток,
попадают в промежутки между микрофибриллами. Это
вызывает утолщение клеточных стенок и, как следствие, разбухание
древесины. Одновременно ослабляются силы взаимодействия
между микрофибриллами, что приводит к уменьшению
прочности материала.
При насыщении древесины капельно-жидкой водой
заполняются не только стенки, но и полости клеток. Влагу,
находящуюся 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
свойства определять при стандартной блаэюности, равной 12 %.
Этот показатель соответствует влажности сухой древесины,
которая хранится в комнатных условиях.
Усушка - это уменьшение линейных размеров и объема
деревянных 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 %.
Неравномерные
деформации усушки в разных
направлениях
сопровождаются возникновением
внутренних напряжений и
являются причиной
растрескивания и коробления
пиломатериалов и деревянных
изделий (рис. 25).
Разбухание древесины
происходит при увлажнении. Деформации разбухания
аналогичны деформациям усушки, но противоположны им по знаку.
Древесина является плохим проводником теплоты, что
обусловлено ее пористостью (поры заполнены воздухом).
Теплопроводность древесины составляет 0,16...0,3 Вт/(м - ^С), Вдоль
волокон она в 1,8 раза выше, чем поперек.
Древесина, являясь важным строительным материалом,
обладает высокой прочностью при действии сжимающих и
растягивающих напряжений, которая находится в прямой
зависимости от содержания поздней древесины, пористости и влажности,
направления механических сил по отношению к расположению
5ГП1
Рис. 25. Деформации досок при сушке
9 Зак.508
129
волокон, в чем особенно сильно проявляется ее анизотропия.
Анизотропия является следствием медленно развивающейся
оптимизации (упорядочения) микро- и макроструктуры в условиях
роста дерева и максимального сопротивления ствола
механическим нагрузкам с выделением упрочняющих (армирующих)
волокон в его тканях. Эти волокна ориентированы по
направлениям 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
волокон (табл. 2), а модуль упругости в 25 раз больше поперек
волокон (для древесины хвойных пород Eq = 10000 МПа вдоль
волокон и £90 "^^ 400 МПа - поперек волокон). Различие упругих
свойств в разных направлениях связано с влиянием
сердцевинных 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
Сосна
Ель
Лиственница
Береза
Дуб
Бук
Липа
Средняя
плотность,
кг/м^
500
445
660
630
690
670
495
Предел прочности, МПа, при
сжатии вдоль
волокон
48
44
64
55
57
55
45
растяжении
вдоль волокон
103
103
125
168
123
123
121
изгибе
86
79
111
109
107
108
88 1
По прочности на сжатие древесина соответствует
наиболее 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
возникают скалывающие напряжения и происходит смдтие
древесины. Сопротивляемость древесины скалыванию и смятию
весьма невелика, и разрушение при растяжении происходит не в
виде разрыва, а в виде скалывания или смятия в местах
закрепления изделия. Поэтому древесину в основном используют
в изгибаемых и сжимаемых конструкциях (балках, стойках),
реже - в растягиваемых элементах (затяжках стропильных ферм).
Прочность древесины, особенно на сжатие и изгиб, зависит
от ее влажности. Существенное влияние оказывает только
связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. По мере
возрастания влажности прочность древесины уменьшается,
особенно 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
принимают в 5... 10 раз меньше характеристик прочности
древесины, указанных в табл. 2.
Твердость имеет большое значение при обработке
древесины режущим инструментом. Наибольшей твердостью обладает
торцовая поверхность. По степени твердости все древесные
породы 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) -
лиственница, береза, бук, вяз, дуб, ясень, клен;
• очень твердые (более 82,5 МПа) - акация белая, береза
железная, граб, тисе, кизил, самшит.
Способность удерэюивать металлические крепления -
своеобразное свойство древесины, обусловленное упругостью ее
волокон. Гвоздь, вбиваемый в древесину, раздвигает волокна,
которые оказывают на его боковую поверхность значительное
давление Возникающие при этом силы трения прочно удержи-
131
вают гвоздь. Способность удерживать металлические крепления
оценивают по сопротивлению выдергиванию гвоздей или
шурупов. Сопротивление выдергиванию соответствует усилию,
необходимому для выдергивания из древесины гвоздя или шурупа
стандартных размеров.
Наибольшее сопротивление выдергиванию оказывает
древесина в радиальном и тангенциальном направлениях. Усилие
выдергивания гвоздя, вбитого в торец, т. е. вдоль волокон
древесины, 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
вьщсргивания гвоздей из древесины граба (плотность - 800 кг/м^)
необходимо усилие в четыре раза большее, чем для древесины
сосны, плотность которой 500 кг/м^. Во влажную древесину
гвозди вбивать легче, чем в сухую. При последующем
высыхании способность древесины удерживать гвозди снижается.
6.2. Пороки древесины
Пороками считают недостатки отдельных участков
древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможность ее
использования. Как правило, пороки уменьшают прочность и
ухудшают декоративные качества древесины, поэтому их
обязательно учитывают при определении сортности лесоматериалов.
Большинство пороков возникает в растущем дереве.
Некоторые пороки, например трещины, повреждения насекомыми,
образуются в заготовленной древесине.
Пороки древесины подразделяют по ГОСТ 2140-81 на
следующие группы: сучки; трещины; пороки формы ствола; пороки
строения древесины; химические окраски; грибные поражения;
132
биологические повреждения; инородные включения;
механические повреждения и пороки обработки; покоробленности.
Сучки представляют собой основания ветвей, заключенные в
древесине ствола. Это наиболее распространенный и
неизбежный порок древесины, который затрудняет ее механическую
обработку, уменьшает прочность пиломатериалов на изгиб и
растяжение. При поперечном сжатии и продольном скалывании
сучки повышают прочность древесины. Для несуш;их
деревянных 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.
Такой порок нарушает целостность лесоматериалов, а в некоторых
случаях снижает их прочность. Различают трещины метиковые,
отлупные, морозные и трещины усушки.
Метиковые трещины в круглых лесоматериалах
ориентированы по радиусу ствола. Начинаются они у сердцевины, но на
боковую поверхность ствола не выходят и могут быть
значительной протяженности по длине ствола. В пиломатериалах -
досках, брусках - метиковые трещины наблюдаются на
торцовых 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
уменьшают выход пилопродукции.
Метиковые и отлупные трещины образуются при
раскачивании дерева ветром и резкой смене температур.
Морозные трещины образуются в раст5тцем 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
зимой 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
глубиной и протяженностью по длине.
Пороки формы ствола ухудшают качество круглых
лесоматериалов. В этой группе выделяют кривизну ствола, сбеэюи-
стость, т. е. ненормально быстрое уменьшение диаметра ствола
или ширины пиломатериалов, закомелистостъ - резкое
утолщение диаметра комлевой части ствола.
Пороки строения древесины связаны с нарушением
регулярного расположения волокон. К ним относят наклон волокон,
т. е. непараллельность их продольной оси круглых
лесоматериалов или пилопродукции, свилеватость ~ извилистое или
беспорядочное расположение волокон древесины.
Наклон волокон более 5 % значительно снижает предел
прочности древесины при растяжении вдоль волокон и при
поперечном изгибе. С изменением влажности древесина с
наклоном волокон склонна к значительному короблению и
скручиванию. Свилеватость снижает прочность древесины при
растяжении, 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
выделяют продубину - красновато-коричневую окраску слоев
древесины, прилежащих к коре, дубильные потеки в виде бурых
пятен, эюелтизну, возникающую при сушке сплавной древесины
хвойных пород. На прочность древесины химические окраски не
влияют.
Грибные поралсения вызываются дереворазрушающими
грибами. Наиболее благоприятны для развития таких грибов
температура 15...35 °С и влажность древесины 30...60 %. Особенно
велико разрушительное действие грибов в условиях переменной
влажности и температуры. Поэтому чаще всего загнивают
элементы цокольного перекрытия, нижние венцы брусчатых и
бревенчатых домов, сваи и столбы на границе почвы с атмосферой.
134
Чтобы предотвратить развитие процессов гниения, древесину
обрабатывают антисептиками.
Биологические повреэюдения вызваны деятельностью
некоторых насекомых, например короедов, жуков-точильщиков,
жуков-сверлильщиков. Наиболее часто встречается червоточина,
которая в зависимости от глубины поражения бывает
поверхностной, неглубокой или глубокой. Червоточина ослабляет
древесину.
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
частности, относятся волнистость поверхности древесины,
ворсистость, оэюог.
Покоробленности - изменение формы при распиловке,
сушке 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 крыловатость - спиральную покороб-
ленность по длине доски или бруса.
6.3. Виды материалов из древесины
Материалы из древесины, сохранившие ее природную
физическую структуру и химический состав, называют
лесоматериалами. Их подразделяют на необработанные (круглые) и
обработанные {пиломатериалы, колотые лесоматериалы, шпон и др.).
Круглые лесоматериалы представляют собой очищенные
от сучьев отрезки древесных стволов. В зависимости от
диаметра верхнего торца круглые лесоматериалы подразделяют на
бревна, подтоварник и жерди.
135
Бревна строительные и пиловочные из хвойных и
лиственных 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
подразделяют на три сорта. Определение сорта обусловлено
наличием 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
получения различных пиломатериалов.
В последние годы получили распространение оцилиндрован-
ные бревна, изготовленные из обычных бревен обработкой их на
токарном станке, в результате чего они приобретают
цилиндрическую 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
распиловки пиловочных бревен. По форме поперечного сечения
различают 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
соотношении ширины к толщине менее 2;
136
Рис. 26. Виды пиломатериалов: а - двухкантный брус; б - трехкантный брус;
в - чстырехкантный брус; г - необрезная доска; д - чистообрезная доска;
е - обрезная доска с тупым обзолом; ж - обрезная доска с острым обзолом;
3 - брусок; и - горбьыьный обапол; к - дощатый обапол; л - необрезная шпала;
м - обрезная шпала; 1 - пласть; 2 - кромка; 3 - ребро; 4 - TOpei;
• доски - пиломатериал, толщиной до 100 мм при
соотношении ширины к толщине более 2. Их разделяют на тонкие,
толщиной до 32 мм, и толстые, толщиной более 32 мм для
лиственных пород и более 40 мм - для хвойных. Тонкие называют
тесом. 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).
1Я7
Изделия из древесины. Строганые погонаэюные изделия ~
это доски для полов, шпунтованные доски, у которых на одной
кромке имеется паз, на другой ~ гребень (выступ), что
обеспечивает плотное соединение досок при устройстве полов; фальце-
вые доски, применяемые для обшивки стен и потолков. К этой
группе изделий относят и профильные погонаэюные изделия,
например плинтусы и галтели, используемые для заделки углов
между полом и стенами, поручни для перил, наличники для
оконных и дверных коробок, а также доски подоконника (рис. 27).
Рис. 27. Погонажные изделия из древесины: а - шпунтованные доски; б -
фальцованные доски; в - плинтус; г - наличник; д - поручни для перил
Столярные плиты состоят из внутреннего щита, который
изготовляют 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
образом отходы производства (горбыли, рейки и др.). Размеры
столярных плит: длина - до 2500 мм, ширина - до 1525, толщина -
до 30 мм. Из этих плит изготовляют двери, перегородки,
щитовую мебель и др.
Изделия для паркетных полов подразделяют на
следующие 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
твердых 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,
производство которого налажено в настоящее время в Беларуси.
Верхний слой такого паркета (ламель) толщиной 4 мм
изготовляется из натуральной древесины. Нижний слой толщиной
8 мм - многослойная фанера. Двухслойный паркет может быть
как шлифованным, так и лакированным.
Паркетные щиты представляют собой квадратное
основание, выполненное из реек или древесно-стружечных плит с
пазами на кромках, на которое наклеивают паркетные планки.
Путем подбора планок по цвету древесины, текстуре и взаимному
расположению можно получить разнообразные рисунки.
Толщина щитов - 30 мм, размеры в плане; 400x400, 475x475,
600x600 и 800x800 мм.
Паркетная доска ~ столярное изделие, состоящее из
лицевого покрытия из паркетных планок, наклеенного водостойкими
клеями на основание из реек. По периметру доски имеются паз и
гребень для их взаимного сопряжения. Паркетные доски
изготовляют длиной 1200, 1800, 2400 и 3000 мм, шириной - 145, 155
и 202 мм и общей толщиной - 25 мм с рейками основания
толщиной 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
паркетных планок, наклеенных на эластичный материал (бумагу,
плиты из резиновой крошки и др.). Особенностью мозаичного
паркета является то, что планки имеют гладкие кромки и не
связаны 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
наборного 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
непрерывной широкой ленты по касательной с вращающегося,
предварительно распаренного кряжа. Шпон производят
толщиной 0,35...4 мм из древесины березы, ольхи, ясеня, дуба, ели,
сосны, кедра, лиственницы. Листы шпона располагают так,
чтобы 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
строганым шпоном, декоративную и бакелитизированную.
Обычная фанера представляет собой слоистый материал,
получаемый склеиванием трех или более слоев лущеного шпона.
Толщина ее составляет от 1,5 до 18 мм. Для склеивания
применяются 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
перегородок внутри помещений.
Фанера, облицованная строганым шпоном, - материал, у
которого 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
изготовления мебели.
Бакелитизированная фанера изготовляется из листов
березового лущеного шпона, пропитанного фенолоформальдегидной
140
смолой и подвергнутого горячему прессованию. Она имеет
повышенную прочность, водо- и атмосферостойкость и
применяется для изготовления легких конструкций, а также в качестве
опалубки для бетона.
В последние годы широко применяются клееные
конструкции, крупноразмерные элементы, изготовляемые путем
склеивания сравнительно небольших деревянных заготовок друг с
другом или с другими материалами, - арки, балки двутаврового
сечения, блоки и др. Они отличаются большей прочностью, водо-,
био- и огнестойкостью, чем обычные конструкции из
древесины, не подвержены усушке и короблению. Использование
клееных конструкций - один из наиболее экономически
эффективных путей применения древесины в строительстве.
До недавнего времени в строительной промышленности с
пользой использовалось до 25 % древесины, получаемой с
лесосеки. В настоящее время этот показатель нередко возрастает до
75...80 %. Технический прогресс коснулся главным образом
механизированного производства столярных и древесно-волокни-
стых плит, арболита, древесно-стружечных плит, пьезотермо-
пластиков и других материалов, в производстве которых
используются древесные отходы. Производство изделий и
подготовка 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
питательную среду. Для их развития необходимы определенные
условия: влажность древесины ~ не менее 18...20 %, свободный
141
доступ кислорода и температура - +E...40) °С. Если какое-либо
условие не выполняется, то гниения не происходит.
Предохраняют древесину от гниения сушка, различные
конструкции, заш[иш[аюшие от увлажнения, антисептирование
(химическая обработка древесины для повышения ее
биологической стойкости).
Наиболее радикальный и реальный с конструктивной точки
зрения путь защиты древесины от гниения - сухой реэюим
эксплуатации (влажность древесины должна быть не более 15 %).
Сушка древесины может быть естественной и искусственной.
Естественную сушк}^ 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
необходимости тщательного и длительного вьшеживания 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 -
+A30... 140) "^С) петролатум (отход при депарафинизации
нефтяных масел). Наиболее распространена искусственная сушка
древесины в камерных сушилках непрерывного или
периодического действия с герметически закрывающимися дверями.
В камерах создается многократная циркуляция нагретого
воздуха, газа или перегретого пара.
К преимуществам искусственной сушки по сравнению с
естественной следует отнести более короткие сроки, возможность
достижения малой конечной влажности F...8 %), обеспечение
высокого качества высушенной древесины, уничтожение
грибной инфекции и насекомых-вредителей.
Защита древесины от гниения. Для предупреждения
загнивания древесины принимают ряд конструктивных мер:
изолируют ее от грунта, камня и бетона, устраивают специальные
каналы для проветривания, защищают деревянные конструкции от
142
атмосферных осадков, делают отливы у наружных оконных
переплетов и т. п. Однако только мерами конструктивного
характера 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
безвредными для людей и животных, в течение заданного срока не
терять токсичные свойства, не ухудшать физико-механические
свойства древесины. Антисептики подразделяются на
водорастворимые 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,
антисептический препарат ХМХЦ. Последний представляет собой
смесь бихромата натрия или калия, медного купороса и хлорида
цинка в соотношении 2:1:7. Препараты применяют в виде
растворов 3...5%-й концентрации.
К маслянистым антисептикам относят каменноугольное
креозотовое 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,
получаемая из каменноугольного дегтя. Оно обладает сильным
антисептическим свойством, имеет резкий запах.
Масло сланцевое - темно-коричневая жидкость с резким
запахом 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
пропитки шпал, конструкций мостов, воздушных опор. Из-за
резкого запаха и высокой токсичности их нельзя применять внутри
жилых зданий, складов пищевых продуктов. Они - огнеопасны.
143
Антисептирование древесины может выполняться
следующими способами: поверхностное нанесение, пропитка в горяче-
холодных ваннах, автоклавах, обработка пастами.
Защита древесины от насекомых. Древесину поражают
насекомые - короеды, жуки-точильщики, жуки-усачи и их
личинки. Они образуют ходы, называемые червоточиной. Короеды
прокладывают извилистые борозды под корой дерева на
небольшую глубину. Существенного влияния на прочность
древесины они не оказывают.
Глубокие ходы прокладывают жуки-точильщики. Такую
древесину не следует применять для изготовления несущих конструкций.
Основные способы борьбы с насекомыми при хранении
древесины на складах - соблюдение санитарных норм и
своевременное окуривание круглого леса. При обнаружении насекомых
на складах и в ходе ремонтных работ древесину обрабатывают
инсектицидами - хлорофосом, хлороданом, хлорпикрином и
другими - путем пропитки, опрыскивания, опыления или окуривания,
В качестве профилактических мер в жилых помещениях
древесину протирают 2...3 раза в год 3%-м водным раствором
фторида 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
гореть при температуре 260...290 "^С в результате воздействия
открытого пламени или при нагревании свыше 350 "^С при его
отсутствии. При длительном нагреве температура возгорания
понижается.
Защищают древесину от возгорания конструктивными
мерами 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
штукатурка, облицовка малотеплопроводными и несгораемыми материа-
144
лами, например асбестовыми, окрашивание огнезащитными
красками, нанесение обмазок. Пропитка вьшолняется антипиренами.
Огнезащитные краски по виду связующего бывают
силикатные, перхлорвиниловые, масляные, казеиновые. Высокими
огнезащитными свойствами обладает силикатная краска.
Связующим в ней служит жидкое стекло, наполнителями - мел,
кварцевый песок, магнезит. При воздействии высокой температуры
образуется стекловидная пленка, затрудняющая доступ
кислорода к древесине и связывающая уголь, который вследствие
малой теплопроводности заищщает нижележащие слои древесины от
горения.
Лучшим огнезащитным средством являются антипирены -
химические вещества, которые при нагревании выделяют
негорючие газы и оттесняют кислород от нагреваемой древесины,
препятствуют выделению высококалорийных газов или плавятся
с образованием огнезащитных пленок. В качестве антипиренов
применяют фосфорнокислый аммоний (МН4)зР04, сернокислый
аммоний (N114J804, буру Na2B407 101120 и др. Их вводят в
древесину в виде водных растворов путем^ пропитки или
краскопультом.
Применение всех перечисленных мер позволит удлинить
срок службы древесины, особенно находящейся в
неблагоприятных условиях.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какова структура древесины?
2. Как изменяются физико-механические свойства древесины в
радиальном, 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?
145
г л а в а 7 КЕРАМИЧЕСКИЕ ОБЖИГОВЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
7.L 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 °С.
В результате обжига глиняная масса превращается в
искусственный камень, обладающий высокой прочностью и
плотностью, водостойкостью, водонепроницаемостью,
морозостойкостью и долговечностью.
Керамическое производство возникло в глубокой древности,
когда люди научились делать из пластичной глины сосуды
различной формы и, обжигая их, получать во до- и огнестойкую
посуду. Затем стали изготовлять кирпич, керамические трубы,
изразцы (четырехугольные разноцветные плиты) и другие
керамические изделия. Обожженный глиняный кирпич - один из
древнейших строительных материалов. В Киевской Руси кирпич
начали изготовлять в конце X в. для строительства укреплений и
храмов. Затем стали применять глазурованные расписные
изразцы 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
назначения керамические материалы и изделия можно разделить
на следующие группы:
• стеновые материалы и изделия - кирпич рядовой
пластического формования и полусухого прессования, кирпич и
плиты пустотелые и пористопустотелые, камни пустотелые
пластического формования, кирпич строительный легкий;
• отделочные материалы ~ кирпич и камни лицевые,
плитки для полов, внутренней облицовки стен и фасадные;
• кирпич и камни строительные керамические
специального назначения ~ камни пустотелые ненесущие и несущие,
камни для канализационных сооружений, кирпич для дорожных
одежд, изделия керамические кислотоупорные;
146
• кровельные материалы ~ черепица ленточная,
штампованная, коньковая и специальной формы;
• теплоизоляционные материалы и заполнители для
легких бетонов - керамзитовый гравий, пустотелый гравий, агло-
порит, керамоперлит и др.;
• изделия и материалы различного назначения -
трубы, санитарно-технические изделия, огнеупорные материалы,
электроизоляционные 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,
фарфор и др.).
Сырьевые материалы для производства керамических
изделий делят на две группы: пластичные (глинистые) и
непластичные {отощающие добавки и плавни).
Глина представляет продукт разложения и выветривания
полевошпатных и некоторых других пород. При химическом
взаимодействии пород, например полевого шпата R2O • А^Оз • 6Si02
с углекислым газом и водой, полевошпатные породы
постепенно превращаются в глинистые
R2O - АЬОз ■ 6Si02 + СО2 +2Н2О = AI2O3 • 2S1O2 • 2Н2О +
+ R2CO3 + 4S1O2.
Глинистые минералы - рыхлая смесь мельчайших частиц
(менее 0,005 мм) водных алюмосиликатов различного
состава, способных хорошо адсорбировать (поглош;ать и
удерживать) влагу на своей поверхности. К ним относят: каолинит
AI2O3 • 2Si02' 2Н2О, монтмориллонит АЬОз • 4Si02 • 2Н2О, гал~
луазит АЬОз • 2Si02 • 4Н2О и гидрослюды.
Чистые глины, состоящие из каолинита, называют
каолинами. После обжига они сохраняют белый цвет. Это - первичные
глины. В природе они встречаются довольно редко и
применяются для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий.
Кроме 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
нологичсские свойства глин. Карбонатные включения (доломит
и кальцит) при недостаточном измельчении после обжига
вызывают разрушение изделий. В Беларуси чистых каолиновых глин
нет, большинство глин - полиминеральные, состоящие из
водных 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
повторном увлажнении глина вновь размокает.
Чем больше в глине содержится частиц глинистых
минералов, тем больше воды она способна удерживать, больше
набухает, но медленнее сохнет и дает большую усадку. Такие глины
называются «жирными». Глины, содержащие много песчаных
частиц, характеризуются небольшой усадкой и набуханием,
легко сушатся, но их пластичность снижается. Данные глины
называются «тощими».
Для производства керамических изделий нужна смесь,
которая хорошо формуется и достаточно быстро сохнет. Смесь с
оптимальным соотношением глинистых и песчаных частиц
получают, добавляя в жирную глину отощающие добавки:
кварцевый песок, золу ТЭС, шамот (глина, обожженная при
температуре 900... 1400 ""С и потерявшая пластические свойства),
измельченный бой готовых изделий.
Способность глины при обжиге переходить в камневидное
состояние, в котором она совершенно не размокает в воде,
объясняется следующим. При обжиге протекают химические и
физико-химические процессы (удаление кристаллизационной
воды, частичьюе разложение безводной глины на оксиды и
образование новых водостойких и тугоплавких соединений),
приводящие к изменению структуры глины. Частицы обезвоженной и
видоизмененной глины спекаются, не переходя при этом
полностью в расплавленное состояние. Спекание происходит за счет
плавления легкоплавких примесей. Этот расплав склеивает,
цементирует всю массу.
148
Для улучшения спекания керамического черепка при обжиге,
снижения температуры обжига изделий вводят флюсы или
плавни (стеклобой, полевые шпаты, вулканические породы,
нефелиновые концентраты).
Для получения изделий с меньшей средней плотностью и
повышенной пористостью применяют органические выгорающие
добавки - древесные опилки, угольную мелочь, торфяную пыль,
полистирольный бисер и др. Используют также вещества, вьще-
ляющие при высокой температуре обжига углекислоту, что
ведет 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
поверхности). Машинные способы производства позволяют
выпускать кирпич различной модификации (рис. 28), что улучшает
внешний вид зданий и их интерьер. Современные размеры
кирпича были утверждены стандартом в 1927 г. Общемирового
стандарта кирпича не существует, однако его размеры и масса
лимитируются размером и силой человеческой руки.
Рис 28 Керам1т^1сский 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
(утолщенный). Поскольку масса одного кирпича не должна превышать
4,3 кг, утолщенный и модульный кирпич обычно делают с
пустотами с целью увеличения его теплоизоляционных свойств
и заодно снижения массы.
Плотность полнотелого керамического кирпича составляет
1600... 1900 кг/м^ водопоглощение ~ не менее 8 %. По
прочности на сжатие и изгиб его подразделяют по СТБ 1160-99 на
восемь 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
300
250
200
175
150
125
100
75
Предел прочности (средний для пяти образцов), МПа (не менее)
при сжатии
для всех
видов
изделий
30,0
25,0
20,0
17,5
15,0
12,5
10,0
7,5
при изгибе формования
пластического
для полнотелого
кирпича
4,4
3,9
3,4
3,1
2,8
2,5
2,2
1,8
полусухого
прессования для
пустотелого кирпича
3,4
2,9
2,5
2,3
2,1
1,9
1,6
1,4
Пустотелого
утолщенного
кирпича
2,9 1
2,5
2,3
2,1
1,8
1,6
1,4
1,2 1
Для кирпичей и камней с горизонтальным расположением пустот |
100
75
50
35
25 1
10,0
,5
5,0
3,5
2,5
7,5
5,0
3,5
2,5
1,5
' Первоначально размер кирпича измерялся в вершках и составлял
5Х^2%х1)^ вершка A вершок = 4,445 см). Окончательно размер кирпича
в мм был принят в первой половине XIX ст.
150
Производство. Обыкновенный керамический кирпич
изготовляют из легкоплавких средней пластичности глин,
содержащих 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
добавок. В зависимости от способа формования кирпича
{пластического или полусухого) формовочные массы готовят по-разному
(рис. 29).
й
Глина
Дозатор
, , I . ,—, Бегуны
I Сушильные
камеры
' Ленточный пресс
Отформован н ый
сырец
55x1
Туннельная печь
Керамический
кирпич
Рис. 29. Технологическая схема производства керамического кирпича
пластическим способом
151
в процессе обработки глиняной массы должно быть
обеспечено разрушение первоначальной природной структуры и агре-^
тированных частиц на мельчайшие частицы и получение в
целом достаточно гомогенной массы.
Глиняную массу предварительно измельчают, размалывают,
смешивают с отощающими и другими добавками, перетирают
на бегунах и вальцах тонкого помола.
При пластическом способе кирпич-сырец формуют на
ленточных прессах (рис. 30) из пластичной глиняной массы
влажностью 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
отверстию вакуум-камеры. Перед входом в вакуум-камеру
глиняная 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
захватываются лопастями вала и продвигаются в корпус пресса. Здесь
уплотненная глиняная масса подается двухзаходным винтом в
переходную головку, в которой она дополнительно уплотняется, и
скорость ее движения по сечению головки выравнивается.
Мундштук придает глиняной ленте, выходящей из пресса,
определенную толщину; в нем же могут быть установлены керны,
образующие пустоты в кирпиче.
Полусухой способ производства кирпича отличается от
пластического тем, что прессование кирпича производят из сильно
отощенных жестких масс (применяют малопластичную глину)
влажностью 6...8 % на гидравлических или механических
прессах высокого давления A0...30 МПа). Такой сырец, как правило,
не требует сушки - его сразу после формования можно
обжигать. Так как кирпичи полусухого прессования (рис. 28)
получаются 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
V f r
'
'f
4-^, ;z::^>
iV-'^f"
;^ !
[ 1
J U.. и
^^5,л' ^ -"^
1' c;'! ' ., .
fj:^^ ^'L.A 'f^^i '-
fч5^^5|"^° ^^ШГГ^,
И *^. '-''
o^,^/^-:' '
¥,■?..;.
■i-^
^^.
"и1 ['
'^^'T^S '^"^L l!^^44t'
I """^'' , -Л ' ^
Лх
J','
^
~
,r-?.y,^^>y>r^
■sh. ''^
'n""" ^ я '^'
/v^'i "^ч"^М
/u У \>/ '! jt
" \ ' , ^l^^S^^'Ji:
с _''!"« 1 ^^ '^' «J. ___'^°^3^^ ^
__^1.~" —^^^^y- - -^^
Pz^f. JO Продольный разрез ленточного вакуумного пресса: 1 - смеситель; 2 - лопасти; 3 - уплотняющие винты;
4 - решетка с ножами; 5 - вакуум-камера; 6 - вал; 7 - корпус пресса; 8 - переходная головка; 9 - мундштук
После формования кирпич подается на сушку, а при
достижении влажности 6...8 % - на обэ^сиг. Сушку кирпича ведут как
в камерных, так и в туннельных сушилках. В качестве
теплоносителя и одновременно влагопоглотителя используют нагретый
воздух или дымовые газы.
Обжигают высушенный кирпич в туннельных печах: сырец,
уложенный на вагонетки, непрерывно движется вдоль печи
навстречу горячим газам и последовательно проходит зоны
подогрева, обжига и охлаждения.
При воздействии высоких температур на глинистые
материалы в них происходят сложные физические, химические и
физико-химические изменения. В начале нагревания при 100... 150 ^С
удаляется физически связанная вода, при 350...400 ^С выгорают
органические примеси, при 300...900 ^С удаляется химически
связанная (кристаллизационная и цеолитная) вода, причем
глинистые минералы разрушаются и глина переходит в аморфное
состояние.
Обэюлг кирпича из легкоплавкого сырья ведут при 900... 1000 ^С,
из тугоплавкого - при 1100... 1200 ^С. В процессе обжига
протекают последовательно реакции в твердой фазе, собственно жид-
кофазное спекание и кристаллизация новообразований. Жидко-
фазное спекание или образование расплавов в обжигаемых
изделиях 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
морозостойкостью) и пережог (кирпич фиолетово-бурого цвета с
оплавленной поверхностью). Сортность изделий устанавливают
по внешнему виду, форме, размерам и наличию дефектов в
соответствии 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
газовой 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
тестообразная масса.
Причина таких дефектов - некачественное перетирание
сырьевой смеси. Если в исходном сырье встречаются куски
известняка или другой карбонатной породы, то в случае, когда
сырьевая масса не измельчается достаточно тонко, в свежеот-
формованном изделии могут оказаться кусочки известняка
размером 1...5 мм. При обжиге они превращаются в оксид кальция
(негашеную известь)
СаСОз -> СаО + COj"^.
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
транспортировании используют деревометаллические поддоны, на которые
кирпич укладывают на ребро с перевязкой или «в елочку» (с
наклоном в 45^ к центру пакета). Чтобы уложить кирпич
«елочкой», к торцам поддона прибивают треугольные бруски. Без
поддонов кирпич перевозят уложенным в штабель с перевязкой;
перевозить навалом запрещается, так как при этом много
кирпича бьется. Хранят поддоны с кирпичом на открытых площадках,
желательно в полиэтиленовой упаковке.
Кирпич керамический рядовой применяют для кладки
внутренних и наружных стен, столбов, сводов и других частей
зданий там, где необходима высокая прочность.
Кирпич полусухого прессования нельзя применять для
кладки цоколей, фундаментов и наружных стен влажных
помещений.
155
7.3. Эффективный кирпич и керамические камни
У обыкновенного керамического кирпича есть два
существенных недостатка: относительно высокая средняя плотность
(более 1600 кг/м^) и небольшие размеры. Снижают плотность и
теплопроводность, изготовляя кирпич с пустотами или
увеличивая его пористость (например, введением в глину выгорающих
добавок - опилок). Таким образом получают пустотелый,
пористый и пористо-пустотелый кирпич. Применение такого кирпича
позволяет уменьшить толщину стен и сократить расход
материалов, 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
растрескиванием 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
наружные 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
кирпич получают пластическим формованием со сквозными
круглыми или щслевидными пустотами (рис. 31).
По плотности и теплотехническим свойствам пустотелый
кирпич подразделяют (табл. 4) на условно эффективный,
улучшающий теплотехнические свойства стен, и эффективный,
позволяющий 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
такие же, как и полнотелого (табл. 3); марка по морозостойкости -
не менее F15.
156
Рис. 31. Керамический пустотелый кирпич с 19 (а), 32 (б) и 18 (в)
вертикальными пустотами и с 4 горизонтальными (г)
Деление стеновых керамических материалов
по степени эффективности
Таблица 4
Степень
эффективности
Полнотелый
Условно эффективный
Эффективный
Средняя плотность, кг/м^
кирпича
Не менее 1600
1400.. Л 600
Не более 1400
керамических камней
-
1450...1600
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
только 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;
модульного - 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.
Поверхность 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
вертикальными пустотами - от 75 до 300, а с горизонтальными
пустотами -25, 35, 50и100. Марки по морозостойкости такие же,
как у кирпича: от F15 до F100.
Пустотелые камни применяют для кладки наружных и
внутренних стен. Из камней нельзя выкладывать фундаменты и
цоколи, а также применять их для возведения стен помещений с
влажным режимом эксплуатации.
7.4. Облицовочные керамические изделия
Фасадная керамика. Для облицовки фасадов зданий
применяют 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
нанесением 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
нанесением на выходящий из мундштука пресса брус декоративного
керамического покрытия толщиной 0,2...0,3 мм (ангоба).
Сырьевыми материалами для ангобов служат беложгущиеся глины -
80...90 % и стеклобой - 10...20 %. Для получения цветного
покрытия в состав ангоба вводят 5...7 % керамического красителя.
Ангобы наносят на отформованные изделия в виде
керамической суспензии-шликера средней плотностью 1300 кг/м^ с
помощью 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 слой толщиной
3...5 мм изготовляется из светложгущихся окрашенных или
неокрашенных глин.
Принцип двухслойного экструзионного формования
заключается 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
двухкратного обжига (глазурную суспензию наносят на обожженный
кирпич), 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
глазурованной поверхностью, штучные или наклеенные в ковры (ковровая
керамика). Только прямоугольные плитки производятся 15
типоразмеров (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
полусухого прессования включает операции: роспуск глины в
воде, подготовку добавок, приготовление шликера, получение
пресс-порошка в башенных распылительных сушилках,
прессование плиток, сушку, глазурование, обжиг. Шликерный способ
обеспечивает наиболее тщательное перемешивание
составляющих в случае многокомпонентной шихты и наибольшую
однородность 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
распыленного шликера взаимодействуют с горячими газами и
превращаются в гранулы порошка, которые оседают в нижней
конусной части сушилки. Порошок имеет влажность 5...7 % и
отличается высоким качеством. Части1ды его имеют шарообразную
или несколько вытянутую форму. Он обладает большой
сыпучестью и почти не содержит пылевидных фракций.
Прессование изделий производят на коленно-рычажных
прессах с гидравлическим противодавлением или
гидравлических 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
порошка (рис. 32).
Сушку и облсиг плиток производят на конвейерных сетчатых
или роликовых щелевых сушилках и печах. На
автоматизированных 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
глазурного. Затвердевшую массу разрезают на подставке
вращающимися 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.
11.3ак.508
161
Обожженные плитки снимают с подставок, сортируют и
набирают в ковры, укладывая лицевой поверхностью вверх в
металлические формы с секциями и накрывают затем листом бумаги,
смазанным клеем. Плитки, изготовленные методом литья,
служат для внутренней и внешней облицовки зданий. Применять
литые плитки для облицовки цоколей, карнизов и подземных
переходов не допускается.
Плитки из фарфоровой керамики имеют несколько
названий: грес, керамический гранит, колормасса. Свое название
фарфоровая плитка получила из-за схожести состава глиняного
теста с составом смеси фарфора. Исходными компонентами
состава 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
необходимого оборудования. Прежде всего, плитку прессуют при более
высоком давлении (до 45 МПа), а затем обжигают при более
высокой температуре - 1250... 1300 °С. В результате компоненты
не только спекаются, но и в значительной степени
расплавляются.
Плитка из фарфоровой керамики имеет очень плотную,
стекловидную поверхность, поэтому обычно не подвергается
глазурованию. Для получения различных оттенков и эстетических
эффектов в массу смеси добавляют окрашивающие веш;ества,
как правило, окислы различных металлов.
Главной отличительной особенностью керамического
гранита является его высокая износостойкость, низкое водопоглоще-
ние, исключительно высокая сопротивляемость механическим
воздействиям, стойкость к воздействию едких химических веществ.
Фарфоровая плитка используется главцым образом для
облицовки полов с интенсивным износом или подвергающихся
воздействию химических веществ.
Керамические плитки для внутренней облицовки
изготовляют методом полусухого прессования на
автоматизированных 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
использовать 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
называют метлахскими (от названия немецкого города Mettlach, где
было одно из первых производств подобных плиток). Они
имеют 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
(ленточная) или прессования (штампованная) с последующей сушкой и
обжигом. В настоящее время керамические заводы выпускают
черепицу нескольких видов: пазовую штампованную (не
нормируется); прессованную плоскую C65x155 мм) и коньковую
C65x200 мм) (рис. 33).
Черепица характеризуется высокой прочностью и
огнестойкостью. 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
является ее большая масса, необходимость устройства
значительных уклонов для стока воды, а также трудоемкость возведения.
Черепицу применяют в малоэтажном строительстве.
Огнеупорными называют керамические материалы с
огнеупорностью не менее 1580 °С. В виде кирпича и фасонньгс изделий
их применяют для строительства промышленньпс печей, дымоходов
и топок. Материалы, получаемые из огнеупорньпс глин, отощенные
той же глиной, но предварительно обожженной до спекания и
измельченной (шамот), называют шамотными изделиями.
Шамотные огнеупоры характеризуются относительно
невысокой термической стойкостью и огнеупорностью, но
достаточно хорошей способностью противостоять действию кислых
топливных шлаков и расплавленного стекла при температурах
до 1350... 1500 "С.
11* 163
Рис. 33. Керамическая черепица и схемы ее укладки на 1ф6влю: а -
штампованная пазовая; 6 - ленточная пазовая; в - ленточная плоская; г- коньковая
Кислотоупорные керамические материалы могут
длительное время противостоять действию жидких коррозионных
сред. Их используют для устройства полов, тр)гбопроводов,
газоходов, футеровки аппаратов на химических предприятиях.
Изделия производят из кислых и полукислых глин методом
пластического формования (простой формы) с последующей до-
1фессовкой на гидравлических прессах (сложной формы
фасонные изделия). Выпускаются кислотоупорные кирпичи, плитки,
трубы и фасонные изделия. Характерная особенность таких
материалов - небольшая пористость и соответственно низкое во-
допоглощение.
164
Санитарно-технические изделия - раковины,
умывальники, унитазы, смывные бачки и другие - изготовляют в основном
из беложгущихся фарфоровых, фаянсовых и полуфаянсовых масс.
Фарфором называют плотный керамический материал с
черепком белого цвета,, получаемый обжигом сырьевой смеси, в
состав которой входят огнеупорная глина, каолин, полевой
шпат, кварц и фарфоровый бой. Ф^фор имеет водопоглощение
0,2...0,5 %, прочность на сжатие - до 500 МПа. Из него можно
изготавливать тонкостенные изделия. Особенностью ф^фора
является просвечиваемость в тонком слое.
Фаянсом называют керамические материалы с
мелкопористым 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. V. 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
получают методом литья жидкой м£юсы][11Ш1к^ гипсовыефо^^ы
5й^тм[6сфернь1[м даш1бн]ием и в пористые полиме|I1еые - под
повышенным давлением с последующим высушиванием и
обжигов изделий. Обжиг может быть одно- или двухразовый. Для
придания санитарно-техническим изделиям
водонепроницаемости и лучшего вида их покрывают глазурью. Глазуровочный
состав наносят на отформованные изделия после сушки или
первого обжига. При обжиге глазурь оплавляется и покрывает
изделие 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
раструб для соединения отдельных звеньев трубопровода.
Трубы 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
тугоплавких глин, обжигая до полного спекания. Он имеет меньшие
размеры B20x110x65 мм), чем обыкновенный стеновой кирпич,
низкое водопоглощение B...6 %), высокую прочность при
сжатии D0... 100 МПа) и морозостойкость - не менее F100, Такой
кирпич используют для мощения дорог и тротугфов, 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, вьп^орающие добавки и плавни?
Назовите вида 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
способом полусухого прессования?
7. Чем характеризуется процесс спекания?
8. Назовите назначение, вцщ и свойства эффективного кфамического К1фпича.
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-
упорньп^ керамических изделий?
14. Какие виды глиняной черепицы и керамических труб выпускакэтся
промышленностью? Где их используют?
15. Назовите виды санитарно-технических изделий, в чем заключается раз*-
личие фарфора и фаянса.
166
Глава 8. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
ИЗ СИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВОВ
8.1. Производство стекла
Стеклом называют аморфные вещества, получаемые в
результате переохлаждения расплава независимо от его
химического состава и температурной области затвердевания и
обладающие в результате постепенного увеличения вязкости
свойствами твердых тел. Переход от жидкого состояния в
стеклообразное должен быть обратимым.
Из главных причин аморфного состояния неорганических
стекол можно вьздеЛить две. Иерьъя причина заключается в том,
что в области затвердевания расплав стекла имеет очень
высокую вязкость, что затрудняет перемещение атомов и
упорядочение структуры. Вторая причина вытекает из особенностей
ковалентной связи, определяющей взаимодействие атомов в оксиде.
Ковалентная связь обладает двумя важными свойствами:
насыщаемостью и направленностью. Согласно насыщаемости
химической связи каждый атом стекла в пространстве имеет в
соответствии со своей валентностью строго определенное
количество «партнеров» по взаимодействию. Например, атом
четырехвалентного кремния должен иметь в непосредственном окружении
четыре атома кислорода (в квартевом 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.
Плотность стекла составляет 2500.. .2700 кг/м^, 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 • °С). Темпд)атура начала размягчения стекла
зависит от химического состава. Для строительных стекол она
составляет 500...700 °С. Светопропускание (прозрачность)
стекла - от О до 97 %, для оконного - примерно 88 %.
167
Недостатком стекла является повышенная хрупкость.
Прочность при ударном изгибе составляет всего около 0,2 МПа, что
ограничивает его применение.
В зависимости от стеклообразующего оксида, на основе
которого изготовляют стекло, различают следзоощие его виды:
• силикатное, получаемое на основе Si02;
• боратное - на основе оксида бора В2О3;
• боросиликатное - на основе В2О3 и Si02;
• фосфатное - на основе фосфорного ангидрида Р2О5.
Стеклообразователи являются основной составной частью
стекла и создают структурный скелет материала.
Стеклообразователи - неорганические полимеры, имеющие сетчатую
структуру. Поэтому стекла обладают чертами полимерньпс структур и
соответствующими физико-механическими свойствами,
характерными для полимерных материалов.
Сырьем для производства стекла служат кварцевый песок,
кальцинированная сода, доломит, мел, известняк, полевой шпат,
нефелиновый концентрат. Иногда для удаления воздушных
пузырей в стекломассу вводят осветлители (хлорид или сульфат
натрия), для придания светорассеивающих свойств - глушители
(соединения фтора или фосфора) и для окрашивания -
красители (оксиды цветных металлов, хлорное золото АиС1з, соединения
серебра AgN03 и др.).
Производство стекла состоит из подготовки сырьевых
материалов (сушка, дробление, фракционирование), приготовления
шихты, варки стекломассы, изготовления стеклянных
материалов и изделий. Варку подготовленной шихты производят в
ванных печах непрерывного или периодического действия при
температуре 1400... 1500 ""С. В процессе нагрева шихты вначале
происходит разложение, затем - плавление составляющих
компонентов. Потом идут сложные реакции силикато- и стеклообра-
зования, осветление и гомогенизация расплава. Стекловарение
завершается охлаждением стекломассы до температуры,
позволяющей формовать из нее изделия. Для оконного стекла - это
950.. Л100 ^С.
Формование изделий из стекломассы производят
прессованием, выдуванием, прокатом, вытягиванием, центробежным
способом, 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
производства стекла по способу фло-
ат-процесса: 1 - стекловаренная
печь; 2 - лоток для слива стекла;
3 ~ флоат-ванна; 4 - место
подачи газов защитной атмосферы; 5 - б
печь отжига; 6 - расплав олова
При охлаждении стекла вследствие его низкой
теплопроводности в нем возникают большие градиенты температур,
вызывающие 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
природе, так как состав стекла близок к составу изверженных горных
пород.
В строительстве стекло применяют главным образом для
остекления световых проемов (листовое оконное, витринное,
закаленное, армированное и др.), как отделочный материал (цветные
листы, крупные и мелкие плитки), а из стеклянного волокна
получают стеклопластики и стекловолокнистые
теплоизоляционные изделия. Штучные стеклянные изделия (стеклянные
пустотелые 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
проката, причем одна сторона стекла гладкая, а другая - тисненая,
узорчатая.
Армированное стекло изготовляют методом непрерывного
проката с одновременным закатыванием внутрь листа
металлической 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
эластичных прокладках из морозостойкой резины или нетвердеющих
мастиках.
Цветное листовое стекло получают из окрашенной
стекломассы. 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 помеш;ений, художественного оформления фасадов и
других целей.
Солнцезащитные стекла - это листовые стекла, задержи-
ваюш;ие инфракрасные и другие тепловые лучи. Их выпускают
теплопоглощаюш;ими, окрашенными в массе оксидами
металлов, и солнцезаш;итными с покрытиями из оксидов металлов,
прозрачными для видимых лучей и поглощающими часть
инфракрасного солнечного излучения.
Солнцезащитные теплопоглощающие стекла получают
введением в стекломассу добавок оксида железа, оксидов меди,
кобальта, которые окрашивают ее в зеленовато-голубоватые или
серые тона. Их светопропускание составляет 65...75 %,
пропускание инфракрасных лучей - 30.. .35 %.
К особым видам теплопоглощающих солнцезащитных стекол
относят фотохромные, обеспечивающие автоматическое
регулирование 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
восстанавливается. 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
тонких прозрачных металлических, окиснометаллических,
керамических или полимерных покрытий. Наибольшее
распространение получили стекла с пленочным окисным покрытием -
титановым, 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
обработки листового. Стекло нагревают до температуры 640 ± 10 °С,
а по строго заданному режиму охлаждают либо в потоке
воздуха, либо при обработке стекла различными жидкостями и
расплавами 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
(бесцветной или цветной) стекломассы на пресс-автоматах, которые
формуют половинки блоков и сваривают их при высокой
температуре. При охлаждении до комнатной температуры в
стеклоблоке создается частичное разрежение, улучшающее его
теплоизоляционные свойства (коэффициент теплопроводности блоков
171
составляет 0,46 Вт/(м • °С). Блоки выпускают квадратной A94<
X 194x98 или 244x244x98 мм) и прямоугольной B94x194x98 ьщ
форм. '
Применяют блоки для устройства светопрозрачных огражде
НИИ зданий, остекления лифтовых шахт, в архитектурно
декоративных целях. Ограждение из стеклоблоков выкладываю^
на цементном растворе с армированием стальной проволоке»! \
вертикальном и горизонтальном направлениях (рис. 35).
Рмс 35. Световой проем из стеклоблоков
(а) и узел соединения стеклоблоков (б):
1 - стеклоблоки; 2 - цементный раствор '
Стеклопрофилит — профильное стекло швеллерного или
коробчатого 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,
высоту соответственно 35 и 50 и толщину 5,5 мм. Применяют
профильное стекло для устройства ненесущих стен, перегородок,
прозрачных кровель. Стеклопрофилит устанавливают в
металлическую или железобетонную обойму в вертикальном положе-
172
Ьи; швы между профильными элементами и участки их сопря-
кния с материалом обоймы герметизируют нетвердеющими
рсггаками или эластичными прокладками. Ограждения из стек-
1н1рофилита отличаются высокими тепло- и звукоизоляцион-
свойствами и пропускают внутрь помещения мягкий рас-
" свет.
Стеклянные трубы изготовляют из'прозрачного стекла диа-
ы от 40 до 200 мм и длиной 1500. ..3000 мм. Они обладают
[сокой коррозионной стойкостью, водонепроницаемостью. Их
[ожно эксплуатировать при температуре от -50 до +100 °С и
|в[авлении до 0,6 МПа. Стеклянные трубы нашли широкое при-
^нение в химической и пищевой промышленности.
Плитки ковровО'МОзаичные выполняют из глушенного в
массе стекла в виде ковров на бумажной основе методом непрерьш-
ного проката или прессования из стеклянного порошка с
последующим отжигом. Прокатные плитки выпускают в основном
размером 21x21x4,5 мм, прессованные - 22x22x5 мм.
Применяют их для наружной отделки зданий.
Стемалит представляет собой листовое стекло, окрашенное
с внутренней стороны керамической эмалью разных цветов.
Закрепление краски на стекле и упрочнение стекла (закалка)
происходят при помощи термической обработки. Применяется
стемалит для облицовки фасадов, внутренних стен и перегородок
здании, для ограждений балконов, лоджий.
Марблшп - прямоугольные или квадратные плиты,
изготовленные из цветногсГглушеного стекла. Наружная поверхность
плит обычно полированная, внутренняя - рифленая. Стекломра-
мор имеет мраморовидную окраску и является разновидностью
марблита. Марблит применяется для облицовки фасадов и
внутри зданий.
Смальтой называют кусочки цветного глушеного стекла
неправильной формы и наибольшим размером B0 мм). Ее
отливают в виде плит, которые затем разбивают на кусочки.
Применяют смальту для отделки фасадов, изготовления мозаичных
панно.
173
8.3, Стеклокристаллические материалы
К стеклокристаллическим материалам относят ситаллы,
гилакоситаллы и стеклокремнезит, каменное литье. Общим
признаком этих материалов является наличие как стекловидной,
так и кристаллической составляющих. В массе стекла
равномерно распределены кристаллы размером 0,01...0,1 мкм в
количестве примерно 50...90 % по объему. Благодаря особенностям
строения стеклокристаллические материалы обладают более
высокими физико-механическими свойствами. Например,
прочность на сжатие у ситаллов - 1000... 1600 МПа, плотность -
2500...2750 кг/м\ температура размягчения - 900... 1200 ""С,
прочность на растяжение - 25.. .500 МПа.
Процесс изготовления ситаллов включает варку стекла
определенного состава, формование из него прокатом или
прессованием изделий 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
термообработки, можно получать кристаллы необходимых
размеров и нужное количество кристаллической фазы.
Шлакоситаллы получают введением в огненно-жидкие
шлаки катализаторов кристаллизации - ТЮг, Сар2, Р2О5 и др. Они
имеют предел прочности при сжатии 90... 130 МПа, высокую
химическую стойкость, низкую истираемость - 0,013...0,03 т/см".
В строительстве применяют листы и плиты из прокатного
белого и черного шлакоситалла, а также цветные изделия,
получаемые путем нанесения на поверхность шлакоситалла
силикатных красок. Шлакоситаллы применяют для наружной и
внутренней облицовки стен, колонн, устройства покрытий полов,
особенно в зданиях с высокой влажностью и агрессивной
средой, для футеровки желобов, бункеров, химической
аппаратуры и др.
Стеклокремнезит - это полистеклокристаллический
многослойный декоративно-отделочный материал, изготовляемый на
основе кремнеземистых отходов промышленности по
комбинированной порошковой технологии.
Для получения стеклокремнезита в огнеупорную форму
засыпают тонкий слой песка, затем - смесь цветного стеклограну-
174
лята с песком, а сверху - тонкий слой цветного стеклогранулята.
Смесь подвергают термообработке в туннельной печи, где
происходят спекание гранул, кристаллизация и отжиг изделий.
Наружную поверхность изделий подвергают огневой полировке,
в результате чего она приобретает высокие декоративные
свойства - имитирует природный камень.
Стеклокремнезит применяют для наружной и внутренней
облицовки стен, настилки полов. Нижняя поверхность плит -
рваная, содержит включения кварцевого песка и по температурному
коэффициенту объемного расширения близка к бетону, что
выгодно отличает стеклокремнезит от стекла и обеспечивает
надежное сцепление с бетонами и растворами.
Каменное литье - это искусственный материал, получаемый
расплавлением при 1400.. .1500 °С горных пород с последующей
тепловой обработкой разлитого по формам расплава. В
зависимости от сырья и цвета различают каменное литье: темное - из
вулканических горных пород (базальт и диабаз - 88 %) и
металлургических шлаков A2 %); светлое - из кварцевого песка и
осадочных горных пород (кварцевый песок - 46 %, доломит -
32, известняк - 22 %). После охлаждения для снижения
напряжений и образования кристаллической структуры изделия
отжигают при температуре 800.. .900 °С.
Ввиду высокой химической стойкости, долговечности,
прочности G?сж =^ 300...400 МПа), низкой истираемости и
разнообразия расцветок из каменного литья выполняют простые и
сложные изделия для цокольных частей зданий, карнизных и
балконных 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 а 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
определенных условиях постепенно затвердевает и переходит в
камневидное состояние. Таким образом, вяжущ;ие 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
(известняков, 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
сохраняют свою прочность только на воздухе. К ним относят
воздушную известь, гипсовые, магнезиальные вяжущие и жидкое
стекло. 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
эффективного твердения гидравлических вяжущих необходимо,
чтобы в твердеющем материале постоянно была вода; в сухих
условиях процесс твердения приостанавливается. В сухих
условиях вяжущее теряет большую часть воды затворения, и
химические реакции, благодаря которым формируется прочность
материала, замедляются. В благоприятных условиях, когда
влажность окружающей среды достаточна, или в воде гидравличе-
176
ские вяжущие со временем повышают прочность. К ним
относят: гидравлическую известь, портландцемент и его
разновидности, глиноземистый цемент и др.
Кислотостойкие вяжущие после затворения их водным
раствором силиката натрия (жидкого стекла) затвердевают на
воздухе. Затем они длительное время сохраняют прочность при
воздействии некоторых кислот. Эти материалы теряют
прочность в воде, а в среде едкой щелочи разрушаются.
Вяжущие автоклавного твердения - разновидность
гидравлических вяжущих. Прочность их формируется только при
повышенной температуре A75... 180 ""С) и обязательно в среде
насыщенного водяного пара, т. е. в условиях автоклавной
обработки (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
портландцемент - один из основных строительных материалов, без
которого невозможно получить бетон, железобетонные конструкции,
высококачественные растворы для каменных кладок и штука-
турок.
Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество,
получаемое тонким измельчением клинкера и небольшого
количества гипса. Клинкер получают обжигом до спекания при
температуре 1450... 1500 ""С 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
эксплуатационных 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
(известняка, мела) - карбонат кальция СаСОз. Глинистые породы (в
основном глины) содержат различные алюмосиликаты типа
AI2O3 • mSi02 • /7Н2О. Для получения клинкера исходные
сырьевые 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
корректирующие добавки. Недостаток кремнезема компенсируют
введением диатомита, трепела, опоки; содержание оксидов
железа увеличивают добавкой руды или колчеданных огарков.
Производство портландцемента включает следующие
технологические операции: приготовление сырьевой смеси, ее
обжиг 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,
обжигают во вращающихся печах. При сухом способе сырьевые
материалы высушивают, измельчают, смешивают и обжигают в
сухом виде (влажность ~ 1.. .2 %).
При мокром способе достигается высокая однородность
смеси, однако затраты топлива на обжиг в 1,5...2 раза выше, чем
при сухом.
178
Шлам-бассейны
Шлам к печи
для оо?кига
Глиноёолтдшка
6 склад цешнтного
(> Враш,он)шряся пеиь ^j
•щиш^Ш/Л^умтАУ>}уМшм^^^^^
ШШ9
[В&у/ш
клинкера
Колодильник
К трудной мельнице
Приготоблемие гипса
и подаяа его 6 мельницу
Затаридание
щеыента 8
мешка
Трд5иая мельница
и,емеит 8 ж/д
SazoHbi
Рис. 36. Технологическая схема производства портландцемента
мокрым способом
Подготовленную к обжигу сырьевую смесь подают во
вращающуюся печь (рис. 37), представляющую собой стальную
обечайку длиной 150 или 185 м и диаметром 4 или 5 м. Изнутри
труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь
установлена под небольшим C...4°) уклоном к горизонту и вращается
A...2 об/мин), благодаря чему сырьевая смесь постепенно
перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается
топливо. Максимальная температура обжига - 1450 °С. При
таких высоких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся
в результате разложения известняка, взаимодействует с
кислотными оксидами Si02, AI2O3 и Ре20з, образующимися при
разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь
и спекаясь друг с другом, образуют так называемый порт-
ландцементный клинкер - пористые гранулы серого цвета.
D
Г, X 100 100. 800 800 1200 1200...1350 [350 .1450 ^"^^^^"^ 1200.. 25
Зоны Сушки Дсгидра- Дскарбо- Твсрдофа- Спекания Охлаж- Резкого
тации низации зовых взаи- дения охдажде-
модействий ння
Рис. 37 Схема вращающейся печи для получения цементного клинкера: 1 -
подача дымовых газов на очистку; 2 - течка для подачи шлама; 3 --
вращающийся 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
портландцемента зависит от тщательности подготовки сырья, условий
обжига, режима охлаждения и его химического и
минералогического составов.
Основными минералами портландцементного клинкера
являются:
алит - трехколъциевый силикат ЗСаО - Si02 (или
сокращенно Сз8) - содержится в количестве 45...65 %. Это ~ самый важ-
180
ныи минерал клинкера, определяющий время твердения,
прочность и другие свойства портландцемента;
белит - двухкалъциевый силикат 2СаО • Si02 (или C2S) -
содержится в количестве 20...35 %. Он медленно твердеет, при
этом выделяется очень мало теплоты;
целит - трехкалъциевый алюминат ЗСаО - AI2O3 (или СзА) -
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 •
• АЬОз ■ Ре20з (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 A,5., .3,5 % в расчете
на 80з природного гипса CaS04 - 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
пластичное, легко формуемое тесто (гель), постепенно
загустевающее (схватывающееся) и переходящее в камневидное состояние.
Процесс твердения цемента в соответствии с теорией
твердения вяжущих, разработанной академиком А. А. Байковым,
условно 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,
цементное тесто пластично и легко поддается формованию. Основные
минералы клинкера в растворе с водой гидратируются по
следующим уравнениям:
ЗСаО • S1O2 + 5Н2О - 2СаО • S1O2 • 4Н2О + Са(ОНJ;
2СаО • S1O2 + 4Н2О = 2СаО • S1O2 • 4Н2О;
ЗСаО - АЬОз + 6Н2О - ЗСаО • АЬОз • 6Н2О;
4СаО • АЬОз • РезОз + пЯгО = 4СаО • АЬОз • Ре20з ■ ЯН2О.
181
в период коллоидации концентрация гидратных
новообразований в растворе возрастает. Образующиеся соединения
(новообразования) отличаются меньшей растворимостью, чем
минералы клинкера. Поэтому раствор, насыщенный по отношению к
исходным соединениям, является пересыщенным по отношению
к новообразованиям. Гидратные новообразования в виде
мельчайших коллоидных частичек - субмикрокристаллов -
выделяются из раствора, образуя цементный гель.
Возникновение большого количества геля приводит к загус-
теванию цементного теста, которое утрачивает пластичность.
Момент загустевания (схватывания) цементного теста
наступает через 3...5 ч после затворения цемента водой. Прочность
загустевшего теста в этот период еще невелика.
Начало схватывания характеризуется формированием
обратимой коагуляционно-кристаллизационной структуры
цементного камня, когда отдельные частицы сцеплены в звенья,
цепочки, пространственные сетки через жидкие прослойки ван-дер-
ваальсовыми силами. Под действием механических воздействий
такие структуры способны тиксотропно разжижаться и
восстанавливать свою структуру после снятия воздействия.
В цементе, состоящем из одного клинкера, потеря
пластичности (схватывание) наступает через несколько минут.
Природный гипс, растворившись, взаимодействует с трехкальциевым
алюминатом и водой с образованием гидросульфоалюмината
кальция
ЗСаО • АЬОз + 3CaS04 +З1Н2О - ЗСаО - АЬОз • 3CaS04 • З1Н2О.
Последний выкристаллизовывается в непосредственной
близости от цементных зерен и создает на них оболочки, которые
затрудняют дальнейшую гидратацию минералов и замедляют
схватывание цемента. В процессе гидратации оболочки
разрушаются, 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
гидратацией цемента. Гель постепенно преобразуется в
кристаллические сростки. Формируется конденсационно-кристаллизацион-
182
пая структура цементного камня с химическими связями между
частицами. Цементный гель теряет значительное количество
воды, и наступает конец схватывания. Число и площадь
поверхности контактов в кристаллах новообразований увеличиваются,
что приводит к заметному росту прочности цементного камня.
Структура теряет способность тиксотропно разжижаться и
восстанавливаться после снятия механического воздействия.
Процессы растворения и гидратации минералов клинкера и
кристаллизации новообразований протекают долгие годы.
Кристаллический сросток, гель и непрогидратированные зерна
цемента образуют цементный камень. В его структуру входят
также поры и капилляры, образованные водой, химически не
прореагировавшей с цементом.
Приведем наиболее важные выводы из рассмотренного
механизма твердения портландцемента.
Все химические реакции взаимодействия клинкерных
минералов с водой - экзотермические, т. е. сопровождаются
выделением теплоты. Экзотермия цемента может рассматриваться и как
положительное явление (например, при ускорении твердения
цемента, зимнем бетонировании), и как отрицательное (при
бетонировании массивных конструкций или при производстве
работ в жаркую сухую погоду).
До окончания схватывания структура цементного геля
способна обратимо восстанавливаться после снятия
механического воздействия. Это позволяет после затворения цемента водой,
например в растворных и бетонных смесях, сохранить
формовочные свойства и по истечении некоторого времени укладывать
смеси в конструкции (формовать изделия).
В процессе взаимодействия трехкальциевого силиката с
водой образуется гидроксид кальция. Это значит, что в результате
твердения в цементном камне всегда возникает щелочная среда.
В щелочной среде (при рН > 12,5) не происходит коррозии
железа. Поэтому бетоны на портландцементе (и его
разновидностях) хорошо защищают стальную арматуру от коррозии. Это -
одно из условий долговечности железобетона.
Однако Са@НJ 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(ОНJ 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
вызвано 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
затем - камне, остается в жидком состоянии. Впоследствии, при
высыхании бетона, вода испаряется, в результате чего в
структуре цементного камня образуется система тончайших пор. Чем
больше введено при затворении воды, тем большей окажется
пористость и, следовательно, ниже прочность и стойкость
цементного камня и бетона.
9.2.3. Свойства портландцемента
Свойства портландцемента зависят от его
химико-минералогического состава и тонкости помола. С увеличением
содержания в цементе трехкальциевого силиката ускоряется набор
прочности и растет ее величина, так как продукты,
образующиеся при его твердении, обладают наивысшей прочностью из
всех продуктов твердения цемента. С повышением
содержания двухкальциевого силиката рост прочности в первые дни
протекает медленно с последующим постепенным увеличением
в течение длительного периода. Цементы, содержащие
повышенное количество двухкальциевого силиката, более стойки
к действию природных вод и попеременному замораживанию
и оттаиванию,
В цементах с з^еличенным содержанием трехкальциевого
алюмината ускоряются сроки схватывания и рост прочности в
первые дни твердения, снижаются морозостойкость и стойкость
к действию агрессивных природных вод. Цементы с
содержанием 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
портландцемента.
Плотность зерен р портландцемента колеблется в пределах
3050..,3150 кг/м\
Насыпная плотность р^ зависит от степени уплотнения. Для
рыхлонасыпанного цемента она составляет 900... 1100 кг/м^,
сильно уплотненного ~ 1600 кг/м^. В расчетах принимают
значение р„= 1300 кг/м^.
Топкость помола портландцемента оказывает большое
влияние на его скорость твердения, прочность. Тонкость помола
характеризуют 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
поверхностью порошка - площадью зерен, см^, в одном грамме.
Удельная поверхность обычного портландцемента составляет
2600...3200 см'/г.
Водопотребность цемента характеризуют относительным
количеством воды (в %) для получения цементного теста
нормальной густоты. Содержание воды в тесте нормальной густоты
соответствует ее максимальному количеству, которое цемент
может удерживать с помощью химических и
физико-химических (адсорбционных и капиллярных) сил. Поскольку в таком
тесте еще нет водоотделения, цементное тесто нормальной
густоты, скатываемое в шарик, не прилипает к ладони.
Водопотребность цемента составляет 22.. .28 %.
Чем меньше нормальная густота цемента, тем легче получить
бетонную смесь с меньшим водоцементным отношением, а
бетон - с меньшей пористостью и большей прочностью. И
наоборот, 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 °С. Схватывание
портландцемента обычно наступает через 1...2 ч, а
заканчивается - через 4...6 ч. На сроки схватывания портландцемента
влияют его минералогический состав, тонкость помола, температура
теста, содержание воды и другие факторы.
Если бетонную или растворную смесь укладывать после
начала 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
скажется на прочности и долговечности конструкции.
На стройплощадке конец схватывания цемента в бетонной
или растворной смеси (первоначально пластичной
консистенции) можно установить следующим образом. Смесь набирают в
руку и сжимают. После окончания схватывания на поверхности
смеси при сжатии не блестит вода, а комок смеси
растрескивается или рассыпается.
Сроки схватывания увеличиваются, если для затворения
цемента взято больше воды. При ее избытке возрастает объем
пространства в тесте, которое должно быть заполнено
новообразованиями. 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
специальные добавки - замедлители схватывания.
В практике бетонных работ иногда наблюдается лоэюное
схватывание цемента, т. е. загустевание цементного теста или
бетонной смеси в сроки, гораздо более короткие, чем
предусмотрено 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,
образуя пространственную малопрочную структуру, что и
приводит к потере пластичности цементного теста уже через
10...20 мин после затворения. При последующем
перемешивании, особенно с небольшой добавкой воды, тесто
восстанавливает 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
портландцемента, обусловлено тем, что все реакции взаимодействия
минералов цементного клинкера с водой экзотермичны. При укладке
небольших объемов сильного разогрева бетона обычно не
происходит, поскольку процесс растянут во времени и теплота
теряется в окружающую среду. При твердении изделий в закрытом
объеме (камерах тепловой обработки) тепловыделение может
использоваться для ускорения твердения бетона.
Прочность портландцемента характеризуют маркой,
которую устанавливают по пределу прочности при сжатии и изгибе
образцов-балочек размером 40x40x160 мм, испытанных в
возрасте 28 сут. твердения. Балочки изготовляют из цементно-
песчаного раствора состава 1 : 3 (цемент : нормальный
(Вольский) песок) стандартной консистенции при водоцементном
отношении 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
образовавшиеся при этом половинки балочек - на сжатие. Среднее
арифметическое значение предела прочности при сжатии,
определенное по четырем наибольшим значениям, называют
активностью 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
^сж "= 52 МПа и 7?и ^ 6,3 МПа. Следовательно, цемент будет
марки 500 (а не 550).
187
Прочность портландцемента
Таблиг^а 5
Марка цемента
400
500
550
600
Предел прочности через 28 сут , МПа, не менее
при изгибе
5,4
5,9
6,1
6,4
при сжатии
39,2
49,0
53,9
58,8
Прочность цемента при соответствующих условиях внешней
среды со временем возрастает (рис. 38). Нормальными
условиями твердения цементных материалов (строительного раствора и
бетона) считают температуру 20 ± 2 ^С и относительную
влажность воздуха 95...400 %. При понижении температуры
замедляются химические реакции взаимодействия цемента с водой.
Это выражается в недоборе прочности (сравните кривые 1 и 2).
Для ускорения твердения бетонные изделия обрабатывают
насыщенным паром при температуре 60...90 °С. Пропаривание
позволяет за 10..Л5 ч получать отпускную прочность бетона,
составляющую 70... 100 % от проектной 28-суточной (кривая 3).
Тепловую обработку изделий надо проводить в условиях,
исключающих высушивание бетона, так как вода необходима для
синтеза кристаллогидратов цементного камня.
Re, МПа
501
28 сут-
Рис. 38. Кривые роста прочности цемента во времени; 1 - твердение
при температуре 5 °С; 2 - нормальное твердение при 20 °С; 3 -
пропаривание при 85 °С
188
Коррозионная стойкость портландцемента характеризуется
стойкостью цементного камня к действию проточной воды,
а также вод, содержащих растворимые соли или кислоту.
Коррозия цементного камня приводит к разрушению бетона или
раствора.
Встречающиеся в практике коррозии можно разделить на три
вида.
Коррозия первого вида обусловлена растворением и
вымыванием (выщелачиванием) гидроксида кальция из цементного
камня. Вслед за этим разлагаются гидросиликаты и
гидроалюминаты кальция. Такая коррозия развивается наиболее
интенсивно в мягких водах, содержащих небольшое количество солей.
Наиболее эффективное средство борьбы с выщелачиванием -
введение в состав цемента добавок, связывающих Са@НJ в
более стойкие соединения. Такие добавки, называемые активными
минеральными, будут рассмотрены в 9.2.5.
Коррозия второго вида обусловлена взаимодействием
Са(ОНJ и других составных частей цементного камня с
агрессивными веществами внешней среды. В результате этого
образуются легкорастворимые соединения, которые вымываются из
цементного камня, тем самым ослабляя его. К этому виду
относится, например, кислотная и магнезиальная коррозии.
Под влиянием вод, содержащих угольную кислоту Н2СО3, в
результате ее реакции с гидроксидом кальция образуется
хорошо растворимый бикарбонат кальция Са(НСОзJ, который
вымывается из цементного камня.
Свободные кислоты встречаются в сточных водах
промышленных предприятий. Кислотная среда может возникнуть при
конденсации на поверхности конструкций влаги, если в
атмосфере содержатся агрессивные вещества - хлор, хлорид
водорода, сернистый газ. Такая атмосфера характерна для современных
промышленных центров. Попадающая в бетон кислота
взаимодействует с Са(ОНJ. Образующийся при этом хлорид кальция
легко растворяется в воде и вымывается.
Коррозия третьего вида характеризуется тем, что в
результате взаимодействия со средой в порах цементного камня
возникают новые твердофазные соединения, объем которых намного
больше объема исходных продуктов реакции. Кристаллы этих
189
соединений, увеличиваясь в объеме, давят на стенки пор,
вызывая большие внутренние напряжения и растрескивание бетона.
Наиболее ярко коррозия этого вида проявляется при действии на
цементный камень сульфатных вод (сульфатная коррозия), в
результате чего образуется >твеличивающийся в объеме гидро-
сульфоалюминат кальция ЗСаО • АЬОз ■ 3CaS04 • З1Н2О,
вызывающий 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
преобладающий вид коррозии и с учетом коррозионных
воздействий запроектировать мероприятия по защите конструкций от
коррозии.
9.2.4. Разновидности портландцементов
Наряду с обычным портландцементом выпускают большое
количество его разновидностей: быстротвердеющий,
пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий, белый и цветной.
Эти цементы более дорогие и рекомендуются только в тех
случаях, когда их специальные свойства могут быть использованы
с максимальной эффективностью.
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ)
характеризуется более быстрым нарастанием прочности в первые 3 сут.
твердения. Более быстрое твердение цемента достигается за счет
содержания в клинкере активных минералов (C3S + СзА =
= 60...65 %), а также за счет повышения тонкости помола
клинкера до удельной поверхности 3500...4000 cmVt. 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
целесообразно применять при изготовлении сборных высокопрочных
обычных и предварительно напряженных железобетонных
изделий и конструкций. Применение быстротвердеющего
портландцемента при возведении сооружений из монолитного бетона
позволяет 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
содержания в клинкере C3S и СзА при гидратации образуется
большое количество Са@НJ 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
поверхности 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
алюминия и сернокислого железа. При помоле клинкера
обычного портландцемента вводят 2...5 % добавок. Они не только
ускоряют 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
изделий и тем самым сократить затраты топлива и электроэнергии.
Пластифицированный портландцемент (ППЦ) получают
помолом портландцементного клинкера вместе с гипсом и
пластифицирующими 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.
Пластифицированный цемент придает растворным и бетонным смесям
повышенную подвижность по сравнению с обычным
портландцементом при одинаковом расходе воды. Эффект пластификации
используют для уменьшения воды в бетоне и растворе, повышения
Их плотности, морозостойкости и водонепроницаемости. ППЦ
рекомендуется для изготовления бетонов, используемых в
дорожном, 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
гидратация зерен цемента. При длительном хранении портландцемента
с гидрофобизирующей добавкой активность его снижается
незначительно.
ГПЦ должен удовлетворять тем же требованиям, что и
обычный портландцемент. Дополнительное требование -
невпитывание капли воды, нанесенной на поверхность пробы цемента, в
течение 5 мин. При перемешивании с водой гидрофобные
оболочки на зернах цемента разрушаются. Однако
портландцемент этого вида несколько замедленно схватывается и набирает
прочность по сравнению с обычным портландцементом. Его
применяют в гидротехническом, дорожном и аэродромном
строительстве.
Сульфатостойкий портлавдцемент (СПЦ) изготовляют
тонким помолом из клинкера следующего минералогического
состава: Сз8 - не более 50 %; СзА ~ не более 5; СзА + C4AF - не
более 22; MgO - 5 %. Введение в цемент инертных и активных
минеральных добавок не допускается. При таком
минералогическом составе уменьшается возможность образования в
цементном камне (бетоне) под действием сульфатных вод гидросуль-
фоалюмината кальция - «цементной бациллы». Его выпускают
марки 400. СПЦ применяют при изготовлении конструкций,
подверженных действию сульфатных вод, а также
морозостойкого бетона.
Белый портландцемент - вяжущее вещество, твердеющее
на воздухе и в воде, получаемое измельчением белого
маложелезистого клинкера, белых минеральных добавок и гипса.
Выпускают марок 400 и 500. По степени белизны белый
портландцемент подразделяют на три сорта с коэффициентом отражения
соответственно не менее 80, 75 и 68 %. Начало схватывания
цемента должно наступать не ранее чем через 45 мин, конец - не
позднее чем через 12 ч после затворения водой. Тонкость
помола: 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
приготовлении окрасочных составов. На его основе при тщательном
смешивании или совместном помоле со щелочестойкими
пигментами получают цветные портландцементы.
Цветной портландцемент - вяжущее вещество, твердеющее
на воздухе и в воде, получаемое путем совместного помола
белого или цветного клинкера (не менее 80 %), минеральных (не
более 15 %) и органических красителей, гипса и активной
минеральной добавки (не более 6 %). Органические пигменты вводят
^ количестве не более 0,5 % от массы цемента. Красящие
добавки 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
получают с использованием оксидов железа (охры, железного сурика,
гематита), черный ~ диоксида марганца, углеродистых
пигментов, зеленый - оксида хрома, фталоцианового пигмента,
голубой - ультрамарина.
Цветной портландцемент применяют для
архитектурно-отделочных 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 A1ЦД20)
изготовляют тонким измельчением клинкера и минеральных
добавок. В качестве добавок вводят доменные гранулированные
шлаки или активные минеральные добавки осадочного
происхождения, но не более 20 % массы цемента. Портландцемент с
Минеральными добавками в отличие от портландцемента без
добавок (ПЦДО) обладает повышенной водостойкостью,
меньшими тепловыделением и морозостойкостью. Выпускают его
тех же марок, что и портландцемент.
13.3ак.508 ^дЗ
Пуццолановый портландцемент получают путем
совместного помола или раздельного помола и последующего
смешивания клинкера портландцемента G5.,.60 %), активной
минеральной добавки B0...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
кремнезем в аморфном состоянии. Активными минеральными
добавками называют вещества, которые при смешивании с известью
придают ей водостойкость или гидравлические свойства.
Активные добавки связьшают образующийся при твердении
цемента гидроксид кальция Са(ОНJ в нерастворимые в воде
гидросиликаты кальция, благодаря чему повышаются
коррозионная стойкость и водостойкость цементного камня, бетона
и раствора. Пуццолановый портландцемент выпускают марок
300 и 400.
Он рекомендуется для сооружения массивных бетонных
конструкций, которые постоянно находятся во влажных условиях
(под водой, в земле), а также для надземных сооружений,
находящихся в условиях повышенной влажности. Его не следует
применять при зимнем бетонировании (медленно твердеет) и
для конструкций, подвергающихся попеременному
замораживанию и оттаиванию (из-за низкой морозостойкости),
Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают тонким
измельчением портландцементного клинкера B0,..79 %), природного
гипса (до 5 %) и доменного гранулированного (быстроохлаж-
денного, содержащего кремнезем в аморфном виде) шлака
B0...80 %). Доменные шлаки - массовые побочные продукты
при выплавке чугуна. Шлак переводят из огненно-жидкого в
твердое состояние путем быстрого охлаждения в воде или с
помощью 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
металлических частиц, выявляемых магнитом,
194
Шлакопортландцемент применяют для бетонных и
железобетонных надземных, подземных и подводных конструкций,
сборных конструкций с использованием тепловлажностной
обработки, приготовления кладочных и штукатурных растворов.
Его не рекомендуется применять для конструкций, к которым
предъявляются высокие требования по морозостойкости, а также
подвергающихся систематическому увлажнению и
высушиванию, для зимнего бетонирования.
Цемент для строительных растворов изготовляют путем
совместного помола портландцементного клинкера, активных
минеральных добавок и добавок-наполнителей. Содержание
клинк'^ра в цементе должно быть не менее 20 % (считая от
массы всего вяжущего). Для регулирования сроков схватывания при
помоле компонентов вводят 3..,5 % природного гипса.
Добавки-наполнители не обладают гидравлическими
свойствами, или эти свойства выражены у них в очень слабой степени
(кварцевый песок, мрамор, кристаллический известняк). Такие
добавки необходимы для снижения активности вяжущего
(пропорционально 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
схватывания: начало - не ранее 45 мин, конец - не позднее 12 ч от
момента затворения. Цемент должен хорошо удерживать воду: во-
доотделение теста, изготовленного из равных количеств цемента
и воды, должно быть не более 30 % по объему. Выпускают
цемент марки 200.
В связи с замедленным твердением этот цемент используют,
как правило, при температуре окружающей среды не ниже плюс
10 ^С для изготовления кладочных и штукатурных растворов, а
также низкомарочных неармированных бетонов, к которым не
предъявляются требования по морозостойкости.
195
9.3. Глиноземистый цемент и его разновидности
Глиноземистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое
вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината каль-
щ^я (СаО • АЬОз). Свое название этот цемент получил от
технического названия оксида алюминия АЬОз - глинозем. Однако
для его получения требуется иной клинкер (не портландцемент-
ный). Этот цемент является быстротвердеющим вяжущим
веществом, 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 (А^Оз • nUjO) и примесей (в основном
РсгОз, Si02, СаО и др.). Бокситы широко используются в
различных отраслях промышленности: для получения алюминия,
абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т. п., а месторождений с
высоким содержанием АЬОз очень немного.
Производство глиноземистого цемента более энергоемко,
чем производство портландцемента. Клинкер глиноземистого
цемента получают либо обжигом до плавления брикетов в
электрических или доменных печах при температуре 1400... 1500 ^С,
либо обжигом шихты до спекания во вращающихся печах
при температуре 1200... 1300 "^С. Затем следует тонкий размол
продукта, который сильно затруднен из-за его высокой
твердости.
Состав. Химический состав глиноземистого цемента,
получаемого разными методами, следующий: СаО - 35...45 %;
АЬОз- 30...50; Ре20з - 0..Л5; S1O2 - 5...15 %. В минеральном
составе клинкера глиноземистых цементов преобладает одно-
кальциевый алюминат СаО • АЬОз (СА), определяющий
основные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют:
САг, С12А7; двухкальциевый силикат C2S, отличающийся, как
известно, медленным твердением; в качестве неизбежной
балластной примеси - геленит 2СаО ■ А^Оз - 2Si02.
Твердение. Процесс твердения глиноземистого цемента
и прочность образующегося цементного камня существенно
зависят от температуры твердения. При нормальной температуре
196
(до +25 "^С) основной минерал цемента СА взаимодействует
с водой с образованием кристаллического гидроалюмината
кальция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы
2(СаО • АЬОз) + 1Ш2О = 2СаО ■ АЬОз ♦ 8Н2О + 2А1(ОН)з + Q.
Суммарное тепловыделение Q у глиноземистого цемента
немного ниже, чем у портландцемента (около 300...400 кДж/кг),
но протекает оно в очень короткие сроки (в первые сутки
выделяется 70...80 % от общего количества теплоты). Поэтому
возможен перегрев бетонов на глиноземистом цементе в случае
больших объемов бетонирования.
Если же температура твердеющего глиноземистого цемента
превысит 25...30 "^С, то процесс твердения изменяется, и вместо
С2АН8 образуется СзАНб; при этом прочность цементного камня
будет ниже в 2...2,5 раза. Поэтому глиноземистый цемент не
рекомендуется использовать для бетонирования массивных
конструкций, 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
глиноземистый цемент очень перспективным.
Свойства. Сроки схватывания глиноземистого цемента
почти такие же, как у портландцемента: начало - не ранее 30 мин,
конец - не позднее 12 ч (реально 4.. .5 ч). После окончания
схватывания прочность нарастает очень быстро (лавинообразно).
Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600,
определенных в трехсуточном возрасте, но уже через одни сутки
образцы набирают прочность при сжатии соответственно не
менее 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
одинаковой 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@НJ цементный камень не содержит. Это обстоятельство в
197
сочетании с пониженной пористостью делает бетоны на
глиноземистом цементе более устойчивыми к коррозии в пресной и
минерализованной воде.
Применение. Глиноземистый цемент целесообразно
использовать при аварийных и срочных работах, при зимнем
бетонировании и в тех случаях, когда от бетона требуется высокая
водостойкость и водонепроницаемость.
Специальная область применения глиноземистых цементов -
жаростойкие бетоны. Объясняется это тем, что, во-первЬ1х, в
продуктах твердения этого цемента отсутствует Са@НJ (при
нагреве переходит в СаО, который при контакте с водой гасится
с увеличением объема) и, во-вторых, при высокой температуре
G00...800 °С) между продуктами твердения цемента и
заполнителями бетона начинаются реакции в твердой фазе, по мере
протекания которых прочность бетона не падает, а повышается, так
как бетон преврапдается в керамический материал.
Кроме того, глиноземистый цемент является компонентом
многих расширяющихся цементов, которые даже при твердении
на воздухе имеют небольшое увеличение в объеме.
Безусадочные цементы ~ это расширяюш;иеся цементы, у которых
расширение только компенсирует усадку. Поэтому такие цементы как
бы сами уплотняют себя, делая бетон водонепроницаемым. Если
расширяющиеся цементы используются в железобетонных
конструкциях, то эффект расширения вяжущего может вызывать
натяжение арматуры и сжатие самого бетона, что дополнительно
защитит его от образования трещин (параграф 13.1). Такие
цементы называют напрягающими.
Эффект расширения вяжущего может быть достигнут
различными методами, например путем гашения свободного СаО,
добавляемого в твердеющее вяжущее, либо с помощью
образования эттрингита - гидросульфоалюмината кальция ЗСаО •
• AI2O3 • 3CaS04 • C1...32)Н20. Последнее возможно при
взаимодействии алюминатов и сульфатов кальция в водной среде.
В твердеющем материале протекают два процесса -
расширение, обусловленное процессом кристаллизации эттрингита
(или гашения СаО) с увеличением объема новообразований и
ростом внутренних растягивающих напряжений, и
препятствующий расширению процесс - рост прочности самого цемент-
198
него 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
расширяющихся новообразований будет продолжаться, когда цементный
камень набрал достаточно высокую прочность, то напряжения,
обусловленные ростом кристаллов в ограниченном объеме,
могут вызвать падение прочности и даже разрушение цементного
камня.
В свою очередь деформации расширения могут быть
свободными 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
дополнительного самонапряжения.
Связанные деформации вызывают самонапряжение,
противодействуют развитию усадочных деформаций и способствуют
самоуплотнению цементного камня, усилению контакта камня с
заполнителем и кристаллизационных контактов. При
изготовлении преднапряженных железобетонных конструкций в этом
случае меньше потери преднапряжения и выше трещиностойкость
получаемых изделий.
Главной задачей при разработке составов расширяющихся
и безусадочных вяжущих является правильный выбор не
только вида и количества расширяющихся компонентов, но и
момента их образования относительно процесса формирования
структуры цементного камня. Для различных видов
расширяющихся цементов период наиболее интенсивного и безопасного
расширения цементного камня составляет от 12 ч до 3...7 сут.
в зависимости от свойств основного структурообразующего
вяжущего.
Для обеспечения образования эттрингита в смесях с
безусадочными 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 ""С, так как постепенно разрушается важный
кристаллический компонент цементного камня - эттрингит: оц
отдает кристаллизационную воду, что сопровождается падением
прочности.
Расширяющийся водонепроницаемый цемент получают
совместным помолом глиноземистого цемента G0 %), гипса B0 %)
и высокоосновного гидроалюмината кальция С4АН13 A0 %). Он
является быстросхватывающимся и быстротвердеющим
гидравлическим вяжущим веществом (Лсж через 6 ч - не менее
7,5 МПа, через 3 сут. - не ниже 30 МПа).
Линейное расширение твердеющего цемента на воздухе
составляет в возрасте 1 сут. не менее 0,05 %, в возрасте 28 сут. -
не менее 0,02 %. Цемент используют при восстановлении
железобетонных конструкций, для гидроизоляции подземных
сооружений, зачеканки трещин и стыков.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают
совместным помолом высокоглиноземистых шлаков G0 %) и
двуводного гипса C0 %). Гипсоглиноземистый расширяющийся
цемент имеет начало схватывания не ранее 20 мин и конец
схватывания не позднее 4 ч от начала затворения. При
необходимости могут использоваться замедлители сроков схватывания -
лет, бура, уксусная кислота и др. Линейное расширение
твердеющего 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
составляет 35 МПа для марки 400 и 45 МПа - для марки 500.
Марки цемента соответствуют трехдневному возрасту.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент применяют для получения
безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов,
гидроизоляционных штз^атурных растворов, при бурении
скважин и т. п. Он обладает морозо- и атмосферостойкостью в
растворах и бетонах, изготовляемых на его основе.
Напрягающийся цемент (НЦ) получают совместным
помолом клинкера портландцемента F5...75 %), двуводного гипса
F... 10 %) и высокоглиноземистого компонента A3...20 %)•
Сроки схватывания: начало - не ранее 30 мин, конец ~ не
позднее 4 ч. Прочность через' 1 сут. - не менее 15 МПа, через
28 сут. - не менее 50 МПа.
200
Напрягающий цемент обладает способностью к
значительному расширению (до 4 %) при твердении в состоянии
цементного теста нормальной густоты. В железобетоне НЦ создает
после отвердевания в арматуре предварительное напряжение. Этим
свойством как функцией химической энергии цемента
пользуются при изготовлении предварительно напряженных
железобетонных конструкций. С учетом величины достигаемой энергии
самонапряжения, т. е, удельного давления в МПа, развиваемого
при твердении НЦ в условиях ограничения свободного
расширения, выделяют его разновидности НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6.
Напрягающий цемент отличается также повышенными показателями
водо- и газонепроницаемости, морозостойкости, прочности при
растяжении и изгибе. Марки цемента D00 и 500) определяются
испытанием образцов-балочек из цементно-песчаного раствора
состава 1 : 1 в возрасте 28 сут.
Напрягающий цемент применяют для изготовления
конструкций из самонапряженного железобетона, а также для
гидроизоляции шахт, подвалов, зачеканки швов и т. д.
Перспективная область применения бетонов и растворов на
расширяющихся и безусадочных вяжущих - бесшовные
тонкослойные стяжки или лицевые покрытия полов большой площади.
С помощью полимерных модификаторов таким смесям придают
свойство самовыравнивания, а эффект безусадочности
гарантирует трещиностойкость покрытия. Быстрое твердение и
защитные полимерные добавки обеспечивают необходимое
количество воды для протекания полной гидратации без какого-либо
специального ухода.
9А. Транспортировка и хранение цементов
Цементы доставляют с завода-изготовителя к месту
потребления 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
навалом или в бумажных мешках. В случаях перевозки цемента
201
навалом выгружают его механизированным способом
пневматическими и пневмомеханическими разгрузчиками. При
транспортировании автоцементовозами его загружают через
герметически закрывающийся люк, а выгружают при помощи сжатого
воздуха, поступающего от компрессора, установленного на
цементовозе. Способ поставки зависит от дальности
транспортировки.
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
различных видов и марок. Цемент в бумажных мешках хранят в
закрытых складах-сараях с плотными водонепроницаемыми
крышей, стенами и деревянным полом, приподнятым над
поверхностью земли не менее чем на 30 см. В процессе
транспортирования и хранения необходимо оберегать цемент от
воздействия влаги и засорения посторонними примесями.
При поступлении цемента на склад обязательно на каждую
емкость ставят указатели с обозначением его вида, марки,
времени прибытия и количества. При необходимости контроля
качества поступившего на склад цемента от каждой партии
отбирают пробу массой 20 кг и направляют ее в строительную
лабораторию, где производят стандартное и ускоренное испытания
цемента.
При длительном хранении цемента на складе за счет
поглощения влаги из воздуха и преждевременной гидратации
происходит его комкование и снижение активности, поэтому большие
запасы цемента на складах строек и предприятий строительной
индустрии нежелательны.
Использовать леэюалые цементы для изготовления бетонов
и строительных растворов не разрешается. При крайней
необходимости 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-
^^шаемый негашеной комовой известью (кипелкой).
Производство. Сырьем для получения извести являются
распространенные осадочные горные породы: известняки,
доломиты, мел, доломитизированные известняки, содержащие не
более 8 % глины. В сырье преобладает карбонат кальция СаСОз, в
небольшом количестве содержатся карбонат магния MgCOs и
некоторые примеси. Сырье обжигают в шахтных или
вращающихся печах при температуре 900... 1200 ""С:
СаСОз - СаО + COst; MgCOs - MgO + COst.
Неравномерность обжига может привести к образованию в
извести недожога или пережога. Недожог (неразложившийся
СаСОз), получающийся при слишком низкой температуре
обжига, снижает качество извести, так как не обладает вяжущими
свойствами. Пережог образуется при слишком высокой
температуре обжига в результате сплавления СаО с примесями
кремнезема и глинозема. Зерна пережога гасятся медленно, а поскольку
при гашении увеличиваются в объеме, то могут вызвать
растрескивание и разрушение уже затвердевшего материала.
После выхода из печи комовую известь (мелкопористые
куски размером 5... 10 см), как правило, гасят водой
СаО + Н2О = Са@НJ + 1160 кДж/кг.
При смачивании водой куски извести бурно реагируют с ней,
превращаясь в тонкий порошок, а при избытке воды - в
пластичное тесто. Этот процесс, сопровождающийся сильным
выделением теплоты и разогревом воды вплоть до кипения,
называют гашением извести, а негашеную известь - кипелкой.
При гашении куски комовой извести значительно
увеличиваются 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,
получают гидратную известь - пушонку E0.. .70 % воды от массы
извести, т. е. в количестве, необходимом для протекания
реакции гидратации - процесса гашения); известковое тесто - воды
берут в три-четыре раза больше, чем извести; известковое
молоко - воды берут в восемь-десять раз больше, чем требуется
теоретически.
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
негашеной комовой (кипелки), негашеной порошкообразной
(молотой кипелки) и гашеной (гидратной) порошкообразной
(пушонки).
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.
Попадание воды на известь вызывает сильный саморазогрев вплоть
до 300 °С и при контакте с легковоспламеняющимися
материалами (такими, как опилки, стружка) может вызвать пожар.
Негашеную порошкообразную (молотую) известь получают
помолом комовой извести в шаровых мельницах. В известь
часто 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,
которые должны составлять соответственно не более 1,5 и 15 % от
массы просеиваемой пробы.
Преимущество порошкообразной извести перед комовой
состоит 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
извести. При этом известковое тесто густеет и теряет
пластичность. Благодаря меньшему количеству свободной воды
материалы на основе порошкообразной извести менее пористые и
более прочные.
Гидратная известь (пушонка) - гашеная известь в виде
белого порошка заводского изготовления. Влажность гидратной
извести должна быть не более 5 %; насыпная плотность - 400...
...450 кт1м. Остатки на ситах № 063 и № 008 должны быть
соответственно не более 2 и 10 %. Ее выпускают двугх сортов.
Хранят известь в силосах или бункерах; перевозят в
цементовозах, контейнерах, бумажных мешках и навалом.
Известковое тесто - паста плотностью 1300..Л400 кг/м^ -
образуется при гашении комовой извести избыточным
количеством воды. Нормально гашеная известь, которая увеличилась в
объеме не менее чем в три раза, называется эюирнощ 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.
Перевозят известковое тесто и молоко в автоцистернах.
Гашение извести можно производить как на стройплощадке,
так и централизованно. В последнем случае гашение
совмещается 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
воды, 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
получается 2.. .2,5 л известкового теста.
По окончании гашения жидкое известковое тесто через
сетку сливают в известехранилище, где его выдерживают обычно
Не менее двух недель (пока не завершится процесс
гашения). 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.
Практика показывает, что в хорошо выдержанном тесте соотношение
воды и извести около 1.
Твердение. Известковое тесто состоит из насыщенного
водного раствора Са@НJ и нерастворившихся мельчайших частиц
извести. По мере испарения из него воды образуется
пересыщенный раствор Са@НJ, 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
процесс схватывания.
Затвердевшее известковое тесто при увлажнении вновь
переходит в пластичное состояние, т. е. известь - неводостойкий
материал.
На воздухе известь реагирует с углекислым газом, образуя
нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция,
т. е. обратно переходит в известняк:
Са@НJ + СОа - СаСОз + Яр.
Этот процесс называют карбонизацией, он протекает
длительное время. При карбонизации выделяется вода, поэтому
каменную кладку и штукатурку на известковых растворах
подвергают сушке.
Для получения водостойкого материала к извести добавляют
активные гидравлические добавки: золы ТЭС, доменный шлак,
молотую пемзу и др. Последние содержат аморфные кремнезем
Si02 и глинозем AI2O3, которые способны в присутствии воды
образовывать с известью нерастворимые гидросиликаты и
гидроалюминаты:
Са@НJ + Si02 -ь Н2О --> лСаО • Si02 • тН20.
Твердение сопровождается значительным уменьшением
объема 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,
бетонов низких марок, работающих в сухих условиях, силикатного
кирпича, ячеистобетонных изделий автоклавного твердения,
известковых красок, смешанных гидравлических вяжущих и
других материалов.
206
Комовая негашеная известь
С^
НгО
Гашение
Известковое г,
тесто |Р-"Са(ОН)г"
Q~ 65,] кДж/моль
г-1000 1200Х
Н2О /, Твердение
kyyyy-4^—b Y/z/^'/X
П стадия I стадия
(карбонизация) (высыхание)
Рис 39. Получение, гашение и твердение воздушной извести
Молотую известь с активными минеральными добавками
применяют в штукатурных растворах для подземной части
зданий и в растворах, твердеюпдих во влажных условиях.
Воздушная известь всех видов - довольно сильная щелочь.
Поэтому при работе с ней необходимо принимать меры,
предотвращающие контакт извести с открытыми участками кожи и
особенно дыхательными путями и глазами.
9.6. Гидравлические известесодержащие вяжущие
Низкая водостойкость извести всегда побуждала людей
искать пути ликвидации этого недостатка. Еще в Древнем Риме
был найден способ получения водостойкого вяжущего на основе
извести. Помог римлянам вулкан Везувий. При добавлении
вулканического пепла к извести образующаяся смесь после
твердения на воздухе в течение 7... 14 сут. далее могла твердеть в воде
(более того, именно влажные условия были обязательны для
набора прочности!). Это было первое гидравлическое вяжущее.
Добавки из вулканических пород (пепла, туфа и т. п.)
впоследствии получили название гидравлические или пуццолановые (по
названию местечка у подножия Везувия, где они добывались).
Смешанные вяжущие получают совместным
измельчением негашеной извести A0...30 %), гидравлической добавки
(85...70 %) и гипса (до 5 %). В качестве добавки используют
207
горные породы, содержащие активный кремнезем:
вулканический пепел, пемзу, туф, диатомит, трепел и др. Такие вяжущие
называют известково-пуццолановыми. Если в качестве добавки
взят доменный гранулированный шлак, то эти вяжущие
называют известково-гилаковыми. Процесс твердения извести с
гидравлическими добавками описан в 9,3. Известесодержащие
гидравлические 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
зданий 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
электросталеплавильный Белорусского металлургического завода,
активные минеральные добавки (трепел, бой керамики или стекла),
гипсовый камень и активатор твердения (NaCl или СаСЬ).
Марки 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
облицовочных) для малоэтажного строительства.
Строительная гидравлическая известь - вяжущее,
получаемое в результате умеренного обжига при температуре
900... 1100 °С 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
ферриты кальция, способные твердеть не только на воздухе, но
и в воде.
Известь выпускают в виде тонкоизмельченного порошка
плотностью 2500...2900 кг/м^, при просеивании которого
остаток на сите № 008 не должен превышать 10 %. Характеристикой
сырья и готовой извести является гидравлический модуль т -
отношение содержания оксида кальция к суммарному
содержанию диоксида кремния, оксида алюминия и оксида железа:
т = %(СаО) / %(Si02 + АЬОз + РсгОз).
208
Для гидравлической извести этот модуль колеблется в
широких пределах: от 1,7 до 9. Стандарт различает
слабогидравлическую (т = 4,5...9) и сильногидравлическую (т = 1,7...4,5)
известь. 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
приготовления штукатурных и кладочных растворов,
высококачественную - в бетонах низких марок и шлакобетоне как в сугхой, так и
во влажной среде. Растворные смеси на гидравлической извести
менее пластичны и подвижны, чем растворы на воздушной
извести. Зато твердеют они быстрее и равномерно, получаются
плотными, водо- и морозостойкими, предел прочности при
сжатии 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
гидравлическую 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
которой определяются свойствами мельчайших частиц
(менее 0,005 мм) глинистых минералов (параграф 7.1). Глинистые
частицы обычно имеют пластинчатое строение и хорошо
смачиваются водой (гидрофильны). Благодаря большой удельной
поверхности 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).
и. Зак. 508 209
Известно, что при повторном увлажнении глина вновь
размягчается, поэтому необходимо предохранять затвердевший
глиняный материал от воздействия воды.
Глину в качестве местного вяжущего ранее применяли в
сельском строительстве для штукатурных и кладочных
растворов. Благодаря высокой пластичности и способности удерживать
воду глину используют в качестве пластифицирующей добавки
к цементу в строительных растворах.
В строительстве и промышленности издавна применяют
гипсовые вяжущие материалы - строительный гипс,
формовочный 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
гипсового камня происходит частичная его дегидратация, при этом
образуется полуводный сульфат кальция р-модификации
CaS04 • 2Н2О -^ CaS04 • 0,5Н2О + 1,5Н20.
Обжиг тонкоизмельченного природного гипса протекает при
низких температурах (ПО... 180 ^С) в котлах;
кристаллизационная вода при этом выделяется в виде водяного пара,
поэтому говорят, что гипс «варят» в котле. Из полуводного гипса
CaS04" 0,5Н2О состоят все низкообжиговые гипсовые вяжущие.
Прочность при сжатии полу водного гипса невысокая - 2...
...25 МПа, плотность - 2600...2750 кг/м^, насыпная плотность -
800.., 1000 кг/м^; цвет порошка - белый или серый.
Твердение. Порошок гипсового вяжущего, затворенный
водой, образует пластичное тесто, которое быстро схватывается и
твердеет, при этом полуводный (строительный) гипс
присоединяет воду и превращается в двуводный
CaS04 • 0,5Н2О + 1,5Н20 - CaS04 • 2Н2О.
Реакция гидратации протекает быстро, с выделением
теплоты 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
увеличивается в объеме, обладает низкой водостойкостью, подвержен
деформациям ползучести.
Для образования пластичного гипсового теста требуется
50.. .60 %, а для гидратации ~ 20 % воды от его массы. Для гипса
проблема снижения водопотребности и соответственно
уменьшения пористости и повышения прочности была решена путем
получения гипса термообработкой не на воздухе, а в среде
насыщенного пара (в автоклаве при давлении 0,3,, .0,4 МПа) или в
растворах солей (СаСЬ, MgCb и др.). В этих условиях
образуется другая кристаллическая модификация полуводного гипса -
а-гипс, имеющий вопотребность 30...40 %.
Гипс а-модификации называют высокопрочным, так как
благодаря пониженной водопотребности он образует при твердении
менее пористый и более прочный камень, чем обычный гипс
Р-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 схватьгоания - 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
гипсовое тесто растворов столярного клея, лигносульфонатов
технических (ЛСТ) и других добавок.
Прочность гипсовых вяжущих определяют по результатам
испытания образцов-балочек размером 40x40x160 мм из
гипсового теста нормальной густоты через 2 ч после изготовления. За
это время гидратация и кристаллизация вяжущего завершаются.
По пределу прочности при сжатии и изгибе гипсовые
вяжущие 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
основном гипсовые вяжущие марок от Г-2 до Г-7.
Плотность затвердевшего гипсового камня низкая A200...
...1500 кг/м^) из-за значительной пористости. Высокая
пористость объясняется тем, что для получения пластичного удобоук-
и* 211
ладываемого теста при затворении гипсовых вяжущих воды
берут в два-три раза больше, чем требуется для гидратации
полуводного гипса. После затвердевания в гипсовых вяжущих
остается значительное количество свободной воды (до 30 % от
массы гипса). Такой влажный гипсовый камень характеризуется
пониженной прочностью. Для повышения прочности избыток
воды удаляют высушиванием гипсовых изделий при
температуре не более 70 ""С.
Таблица 6
Прочность на сжатие и изгиб гипсового вяжущего
в зависимости от марки
Марка вяжущего
Предел прочности
при сжатии, МПа,
не менее
Предел прочности
при изгибе, МПа,
не менее
Г-2
2
1,2
Г-3
3
1,8
Г-4
4
2,0
Г-5
5
2,5
Г-6
6
3,0
Г-7
7
3,5
Г-10
10
4,5
Г-13
13
5,5
Г-16
16
6,0
Г-19р22р25
19
6,5
22
7,0
25
8,0
Гипсовое вяжущее - одно из немногих вяжущих,
расширяющихся при твердении (увеличение в объеме достигает 0,2 %).
Способность расширяться позволяет применять гипсовое
вяжущее (в отличие от большинства других вяжущих) без
заполнителей, не боясь трещинообразования от усадки. Введением в
гипсовое 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
прочность штукатурного слоя, придает его поверхности гладкость и
белизну. Гипсовые вяжущие марок Г-2...Г-7 применяют для из-
212
готовления гипсовых деталей и гипсобстонных изделий: панелей
для перегородок, листов су^ой штукатурки, растворов для
внутренней штукатурки и гипсоцементно-пуццолановых вяжущих;
марок Г-5...Г-25 тонкого помола с нормальными сроками
схватывания - для изготовления форм и моделей фарфоровых,
фаянсовых и других керамических изделий (формовочный гипс).
Гипсовые вяжущие служат основой для приготовления мастик
для приклеивания гипсокартонных листов.
Ангидритовое вяэюущее и высокообэюиговый гипс ~ медлсн-
носхватывающиеся и медленнотвердеющие вяжущие, состоящие
из безводного сульфата кальция CaS04 и активизаторов
твердения.
Безводный сульфат кальция существует в природе в виде
минерала - ангидрита, однако даже в тонкоразмолотом состоянии
он не обнаруживает вяжущих свойств.
Ангидритовый цемент получают обжигом природного гипса
при 600...700 ^С 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 C...5 %) или основные шлаки A0...15 %)
и растворимые сульфаты: Na2S04, А12(804)з, FeS04 и др.
@,5... 1 %). В присутствии указанных добавок ангидрит
взаимодействует с водой и приобретает способность схватываться и
твердеть. Предел прочности при сжатии у ангидритового
цемента составляет 10...20 МПа, начало схватывания наступает не
ранее 30 мин, конец - не позднее 24 ч.
Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают при обжиге
гипсового сырья при температуре 850...900 ""С. При этом
происходит 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 °о против 50...60 % у обычного гипса)
эстрих-гипс после затвердевания образует более плотный и
прочный 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
изделий, например искусственного мрамора, штукатурных
растворов 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
гигроскопичностью (после трех месяцев хранения потеря активности
составляет примерно 30 %).
9.8. Магнезиальные вяжущие
Магнезиальные вяэюущие вещества (каустический магнезит
MgO и каустический доломит MgO + СаСОз) - тонкодисперсные
порошки, активной частью которых является оксид магния.
Получают магнезиальные вяжушде умеренным (до 750.. .850 °Q
обжигом магнезита (реже - доломита). При этом карбонат
магния диссоциирует с образованием оксида магния
MgCOa -> MgO + СО2,
а карбонат кальция СаСОз (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)
магния или кислот (НС1 или H2SO4). В этом случае гидратация
протекает значительно быстрее
MgO + H20-^Mg(OHJ,
а получаемое после затворения вяжущее именуется цементом
Сореля. Кроме того, возможно образование гидрата оксихлорида
магния CMgO • MgCb • 6Н2О), уплотняющего образующийся
214
материал. Отношение MgCb : MgO в вяжущем берут обычно по
массе -1:2 или 1 : 4.
Сроки схватывания каустического магнезита зависят от
температуры обжига и тонкости помола и обычно находятся в
пределах: начало ~ не ранее 20 мин; конец - не позднее 6 ч.
Твердение 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, /?сж через 28 сут.
составляет 10.. .30 МПа).
Магнезиальные вяжущие вещества характеризуются
повышенной прочностью сцепления с каменными и древесными
материалами, особенно прочностью на разрыв. Поэтому их
применяют в абразивном производстве для изготовления жерното-
чильных кругов, брусьев и др. Главное их назначение в
строительстве - изготовление ксилолита^ для бесшовных полов
или фибролита для производства теплоизоляционных изделий и
перегородок. Такие полы циклюются, их можно натирать
мастиками, по теплоусвоению они близки к паркетным полам. Хотя
перспектив у магнезиальных вяжущих из-за дефицитности
сырья (магнезиты необходимы для получения огнеупоров) нет,
они находят применение только в отдельных областях
строительства.
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
результате проведенных исследований магнезиальному бетону
удалось придать высокую декоративность (пигменты
окрашивают бетон в различные чистые цвета). Это позволило не только
устраивать цветные полы, не уступающие по внешнему облику
каменным поверхностям, но и наладить выпуск декоративных
архитектурно-художественных плит (стандартные размеры 1200x600 мм)
^ Ксилолит (от греческого xelon ~ древесина) - бетон на магнези-
^ьном 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,
гранит, малахит и другие). Они легко поддаются механической
обработке и обладают высокими теплостойкостью и
звукопоглощением.
9.9. Жидкое стекло и кислотоупорный цемент
Жидкое стекло - коллоидный водный раствор растворимого
силиката натрия Na20 • mSi02 или силиката калия К2О • mSiOj
плотностью 1300..Л500 кг/м^ при содержании воды 50...70 %.
Величина т указывает отношение числа молекул кремнезема к
числу молекул щелочного оксида и называется силикатным мо-
дулел1 стекла. Для натриевого стекла т составляет 2,6...3,5, для
калиевого - 3...4. Качество жидкого стекла характеризуется
модулем т и плотностью. Чем выше модуль, тем выше качество
жидкого стекла.
Растворимый силикат натрия Na20 • wSi02 получают,
сплавляя кварцевый песок Si02 с содой Ка2СОз, а силикат калия
К2О • wSi02 - сплавлением песка с поташом К2СО3. Стекло
варят в стекловаренных печах при температуре 1400 °С. Когда
разлитый расплав застывает, образуются прозрачные различных
оттенков куски стекла, называемые силикат-глыбой.
Раздробленные куски стекла растворяют в воде в автоклаве при
температуре 120... 150 °С 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
испарении воды и воздействия углекислого газа воздуха
NazO ■ WS1O2 + nUjO + СО2 - Na2C03 + nSiOj /^Н20.
Ускорить процесс твердения и повысить водостойкость
материала можно добавкой кремнефтористого натрия
2(Na20 • WS1O2) + Na2SiF6 + 2Bm + 1)Н20 -
- 6NaF + Bm + l)Si@HL.
216
при этом образуются водонерастворимый фторид натрия
NaF и кремнегель Si02 • ЛН2О, На этом основано твердение
кислотоупорного цемента.
Жидкое стекло перевозят в бочках, хранят в закрытых
отапливаемых складах.
В строительстве обычно используют натриевое жидкое
стекло плотностью 1300... 1500 кг/м^ и модулем 2,6...3. Его
применяют при изготовлении кислото- и жароупорных бетонов, шту-
катурок, замазок, для уплотнения грунтов. Калиевое жидкое
стекло более дорогое; его применяют для изготовления
силикатных красок, клеящих составов; оно не дает на штукатурке и
краске высолов, чем выгодно отличается от натриевого жидкого
стекла.
Кислотоупорный кварцевый цемент - тонкомолотый
порошок, получаемый совместным помолом кислотостойкого
материала (кварцевого песка, андезита или бештаунита) и крем-
нефторида натрия D... 14 %); допускается смешивать раздельно
измельченные материалы. Вяжущими свойствами этот цемент
не обладает. Его затворяют жидким стеклом (плотностью
1360... 1380 кг/м^ и модулем 2,8...3,0), которое и является
вяжущим.
Кислотоупорный цемент быстро схватывается: начало
схватывания наступает через 20...60 мин после затворения в
зависимости от содержания в нем кремнефторида натрия. Твердеет
цемент в воздушно-сухих условиях и при положительной
температуре.
Кислотоупорный цемент применяют для изготовления
кислотостойких растворов, бетонов, замазок, для футеровки
химических аппаратов, устройства кислотостойких полов.
Поскольку жидкие стекла при длительном хранении,
особенно 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
хранятся, что обеспечивает им хорошую перспективу.
217
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. В чем отличие гидравлических вяжущих веществ от воздушных?
Назовите 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 цеменгаого кa^fflя, объясните чем они обусловлены.
13. Назовите важнейшие разновидности портландцемента.
14. Что происходит при длительном хранении БТЦ? Какие качества
утрачивает 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
преимущество 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
заключается 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.
Xh^ Почему шлаки для изготовления шлакопортландцемента должны быть
гранулированными?
24. Назовите основные технические характеристики цемента для
строительных растворов.
25 В чем заключаются особенности глиноземистого и расширяющихся цементов?
26. Как получают воздушную строительную известь и какие ее виды
существуют?
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
происхождения. В бетоне эти зерна скрепляются вяжущим веществом,
образуя прочное камневидное тело. Зачем эюе нуэюны в бетоне
заполнители?
1. Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и,
следовательно, позволяют резко сократить расход цемента или других
вяжущих, являющихся наиболее дорогой и дефицитной
составной частью бетона.
2. Цементный камень при твердении претерпевает объемные
деформации. Усадка его достигает 2 мм/м. Из-за
неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения
и трещины. Мелкие трещины могут быть невидимы
невооруженным глазом, но они резко снижают прочность и
долговечность 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
увеличивает прочность бетона, повышает его модуль упругости (т. е.
уменьшает деформации конструкций при приложении
нагрузки), снижает ползучесть.
4. Легкие пористые заполнители уменьшают среднюю
плотность бетона и его теплопроводность.
5. Специальные особо тяжелые заполнители (чугунная дробь,
железная руда) делают бетон надежной защитой от
радиоактивного излучения.
По крупности зерен различают мелкий заполнитель (песок),
состоящий из частиц размерами 0,16...5 мм, и крупный
заполнитель (гравий или щебень) с размерами частиц 5...70 мм.
219
Крупный заполнитель в зависимости от формы частиц называют
щебнем (шероховатые частицы неправильной формы) или
гравием (гладкие округлые частицы).
- По происхождению заполнители бывают природными и
искусственными. Природные заполнители получают путем добычи
и переработки горных пород. К искусственным заполнителям
относят попутные продукты промышленности (доменные и
топливные шлаки, золу ТЭС), а также специально изготовляемые -
керамзитовый гравий, щебень из вспученного перлита и др.
В последнее время начинают использовать «вторичные»
заполнители, 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
расходе 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
поверхность, и пустотность зерен заполнителя стремятся к минимуму.
Удельная поверхность тем меньше, чем больше крупность
заполнителя.
В отличие от удельной поверхности объем пустот в
заполнителе теоретически не зависит от крупности зерен. Для
уменьшения 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.
Поэтому соотношение между зернами разных размеров в
заполнителе должно быть оптимальным, при котором объем пустот и
суммарная поверхность зерен требуют минимального расхода
цемента для получения нерасслаиваемой бетонной смеси
определенной 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
заполнителя. Заполнители поставляют полифракционными, т. е.
состоящими из зерен разных фракций, и монофракционными.
Например, щебень с размерами зерен 5...40 мм является
полифракционным: он состоит из зерен фракций 5 C)...10; 10...20 и
20...40 мм.
Форма зерен заполнителя влияет на удобоукладываемость
бетонных и растворных смесей. Предпочтительны в этом
отношении зерна окрз^-лой или кубовидной формы. Пластинчатые,
удлиненные, так называемые лещадные, зерна заполнителя
укладываются в бетоне в строго ориентированном положении, как
правило, горизонтальном. Это делает структуру бетона
неоднородной, 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,
например на гравии, обладает хорошей удобоукладываемостью.
Смеси на заполнителях с шероховатой поверхностью, в частности на
щебне, укладываются хуже, но бетон приобретает большую
прочность, чем бетон на гравии. Это объясняется лучшим
сцеплением шероховатого заполнителя с цементным камнем.
От плотности заполнителей зависит плотность бетона.
Для производства тяжелого бетона используют
заполнители, 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
приготовления 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
стандартами.
Прочность щебня и гравия характеризуют маркой,
определяемой по дробимости щебня (гравия) при сжатии
(раздавливании) пробы зерен в стальном цилиндре.
Чем слабее заполнитель, тем больше оказывается после
такого испытания раздробленных зерен. Их отсеивают сквозь сито с
размером отверстий 5 мм и определяют марку по дробимости из
выражения
J) Щ~Щ,1^^^ A0.1)
где /72] - проба щебня (гравия), кг; т2 ~ масса остатка на
контрольном 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
результате естественного разрушения скальных горных пород и
получаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных
месторождений. По минеральному составу различают пески
кварцевые, полевошпатные, карбонатные. Кварцевые пески лучше по
качеству. Их чаще применяют для изготовления бетонов и
строительных растворов.
222
По условиям образования различают речные, морские,
овражные (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
преимущественно угловатые. В таких песках содержится больше
глинистых и органических примесей.
Искусственный песок получают дроблением твердых
горных пород, попутных продуктов промышленности (например,
шлаков) или специально изготовляют (например, вспученный
перлитовый песок). Форма зерен дробленых песков
остроугольная, 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
стандартный 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.
Сначала определяют частные остатки в процентах на каждом сите
(а2,5, ai,25, ссо,бз и т. д.), а затем полные остатки Аг^з, ^1,25; ^о,бз
и т. д.). Полный остаток на любом сите равен cyymt частных
остатков на этом сите и всех вышерасположенных. Например,
^0,63 ~ осо,бз + cxi,25 ^~ СС2,5- Величыны полных остатков являются
характеристикой зернового состава песка.
На основании результатов ситового анализа песка можно
рассчитать модуль крупности зерен Л/к по формуле
М^={А2,5 +^1,25 +Лбз + Аз15 +Л1б)/100. A0.2)
В зависимости от зернового состава и содержания глинистых
и пылевидных частиц песок делят на три класса: высшего,
первого 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
Таблица 7
Зерновой состав песка
Группа песка
Очень крупный
1 Повышенной крупности
1 Крупный
1 Средний
Мелкий
Очень мелкий
Тонкий
Очень тонкий
Полный остаток на сите
с размером отверстий
0,63 мм, % по массе
Более 75
Более 65 до 75
Более 45 до 65
Более 30 до 45
Более 10 до 30
До 10
Не нормируется
Не нормируется
Модуль
крупности Мк
Более 3,5
Более 3,0 до 3,5
Более 2,5 до 3,0
Более 2,0 до 2,5
Более 1,5 до 2,0
Более 1,0 до 1,5
Более 0,7 до 1,0
Менее 0,7
Зерновой состав песка для изготовления бетона определяют
также по графику (рис. 40), Для этого по горизонтали
откладывают размеры отверстий контрольных сит (мм), по вертикали -
полные остатки на ситах (%). Полученные точки соединяют
ломаной линией, которую называют кривой зернового состава
песка.
0,16 0,63
0,315
5,0
Д мм
Рис 40. График зернового состава песка: 1 - допустимая нижняя граница песка
(М^ = 1,5); 2 - рекомендуемая нижняя граница к*рупности для бетонов класса
В15 и выше (Мк ~ 2,0); 3 - рекомендуемая нижняя граница крупности для
бетонов класса В25 и выше (Л^ = 2,5); 4 - допустимая верхняя граница
крупности песка (Мк ^3,25)
224
Если кривая лежит в пределах заштрихованной области
стандартного графика, то песок пригоден для работы - приготовления
раствора, бетона, мозаичной смеси. Если же кривая выходит за
пределы 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
целесообразности этого.
Для песка высшего класса содержание зерен размером
более 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
крупности до-2,5 .
Максимально допустимый размер зерен песка для
подготовительных слоев обрызга и грунта не должен превышать 2,5 мм,
для отделочного слоя (накрывки) - 1,25 мм.
Присутствие в природном песке пылеватых и особенно
глинистых примесей снижает прочность и морозостойко ь
бетонов и растворов. Глинистые и илистые частицы обволакивают
зерна песка тонким слоем, препятствуя их сращиванию с
цементным 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
эталона, песок нельзя использовать в качестве заполнителя.
Песок обладает способностью изменять свой объем и
соответственно насыпную плотность при изменении влажности в
пределах от О 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
дальнейшем увеличении влажности вода входит в межзерновые
пустоты песка, вытесняя воздух, и насыпная плотность песка снова
увеличивается. Изменения насыпной плотности песка при
изменении влажности необходимо учитывать при дозировке песка по
объему.
Рнас, КГ/М^
200 ^"~
Рис 4L Изменение насыпной плот-
20 W,Vo
ности песка р„ас при изменении его
влажности W
10.3. Крупные заполнители
В качестве крупного заполнителя для бетона используют
щебень, гравий и щебень из гравия. В зависимости от плотности
зерен крупного заполнителя различают плотные (тяжелые)
заполнители (р > 2,0 г/см^), используемые для тяжелого бетона,
и пористые (р < 2,0 г/см^), применяемые для легкого бетона.
Гравий - это неорганический зернистый сыпучий материал
с зернами размерами свыше 5 мм, получаемый рассевом
природных 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-
ртью. Благодаря этому сцепление с цементным камнем у щебня
выше, чем у гравия. Для высокопрочного бетона
предпочтительно 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 %
дробленых зерен, т. е. таких, поверхность которых околота более чем
наполовину. По свойствам щебень из гравия занимает
промежуточное 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
отверстий первого из сит, полный остаток на котором превышает
95 %, т. е. через него проходит не более 5 % просеиваемой
пробы. 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 ciiT, мм
' Полные остатки на
ситах. % по массе
d
От 90 до 100
0,5(^4-/))
От 30 до 80
D
До 10
1,25/)
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
зерен заполнителя должна быть не более половины толщины
плиты, для тонкостенных конструкций - не более 1/3-1/2 толщины
изделия. В железобетонных конструкциях применяют
заполнители с наибольшей крупностью не более 3/4 наименьшего
расстояния 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
виброхоботам, принимают равной не более 1/3 их диаметра.
Щебень и гравий применяют, как правило,
фракционированными. Зерновой состав каждой фракции заполнителя или смеси
фракций назначают таким, чтобы обеспечить минимальный
расход цемента в бетоне. Содержание отдельных фракций в
крупном заполнителе в составе бетона приведено в табл. 9.
Таблица 9
Требования к фракционному составу крупного заполнителя для бетона
Наибольшая
крупность
заполнителя, мм
10
20
40
80
120
Содержание фракций в крупном заполнителе, %
от 5 C) до
10 мм
100
25...40
15.. 25
10...20
5...10
свыше 10
до 20 мм
-
60 -75
20.-.35
15...25
10...20
свыше 20
до 40 мм
-
-
40...65
20...35
15...25
свыше 40
до 80 мм
-
-
-
35...55
20...30
свыше 80
до 120 мм 1
-
-
-
-
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
изверженных 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.
Требования по прочности устанавливают только для крупного
заполнителя, поскольку чаще всего применяемые в качестве
мелкого заполнителя кварцевые пески заведомо прочнее бетона.
Прочность крупного заполнителя нормируют с учетом
прочности 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 - не 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 KjpynHoro заполнителя определяют косвенно путем
определения дробимости при сжатии (раздавливании) в
стальном цилиндре.
Содержание зерен слабых пород в крупном заполнителе в
зависимости 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
получение проектной марки бетона по морозостойкости.
Определяют морозостойкость щебня и гравия попеременным
замораживанием и оттаиванием в насыщенном водой состоянии, а
также ускоренным методом - замораживанием в растворе
сернокислого натрия. По степени морозостойкости гравий и щебень
разделяют на марки: F15, 25, 50, 100, 150, 200, 300 и 400.
Пористые заполнители бывают природные и
искусственные. Природные заполнители получают путем дробления
горных пород, например вулканического туфа, пещы, известняка-
ракушечника. Они относятся к местным материалам и
используются для строительства в районах, незначительно удаленных
от месторождения. Более распространены искусственные
пористые заполнители, которые подразделяют на специально
изготовляемые и полученные из отходов промышленности.
К специально изготовляемым пористым заполнителям
относят керамзит, аглопорит, вспученный перлит и вермикулит,
шлаковую пемзу, зольный гравий. Из отходов промышленности
используют топливные шлаки и золы.
Керамзит ~ продукт обжига вспучивающихся глин. Его
получают в виде гранул округлой формы размером 5...40 мм
(керамзитовый гравий) с пористой сердцевиной и плотной
спекшейся оболочкой. Благодаря такому строению прочность
керамзита сравнительно высокая (до 6 МПа) при небольшой средней
229
плотности B50...600 кг/м ). Получают керамзит быстрым
обжигом во вращающихся печах легкоплавких глинистых пород
(в виде сырцовых гранул) с большим содержанием окислов
железа и органических примесей до их вспучивания. Гранулы
керамзита напоминают в изломе структуру застывшей пены.
Применяют 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
шихты из глинистых пород, топливных зол или шлаков с добавкой
8... 10 % топлива (каменного угля) или топливосодержащих
отходов. Высокая температура, развивающаяся^при сгорании угля,
приводит к спеканию шихты, а образующиеся газы вспучивают
массу, что способствует получению пористого материала.
Полученный корж разламывают, охлаждают до температуры 80...
... 120 °С, дробят и сортируют на щебень и песок. Средняя
плотность аглопоритового щебня-от 500 до 900 кг/м^, песка-от
600до1100кг/м\
Шлаковая пемза - пористый щебень, получаемый в
результате вспучивания расплавленных металлургических шлаков
путем их быстрого охлаждения водой или паром. Это один из
самых дешевых пористых заполнителей, но не самый
эффективный: 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.
Требования к зерновому составу
крупного пористого заполнителя для бетона
Таблица 10
Диаметр отверстия
контрольного сита, мм
Полный остаток на сите,
% по массе
d
От 85
до 100
D
До 10
2D
Не
нормируется
Примечание: D и d - соответственно наибольший и наименьший
номинальный диаметры контрольных сит
230
Пористый песок в зависимости от зернового состава делят на
три группы: 1-я ~ для конструкционно-теплоизоляционных
бетонов; 2-я - для конструкционных; 3-я - для теплоизоляционных
бетонов. Зерновой состав песка (керамзитовый дробленый, аг-
лопоритовый, шлакопемзовый) должен удовлетворять
требованиям, указанным в табл. 11.
Таблица II
Требования к пористому песку для бетона
Размер
отверстий контрольного
сита, мм
5
1,25
0,315
: 0,16
Менее 0,16
Полный остаток на контрольном сите, % по объему,
для групп песка
1-я
0...10
20...60
45...80
70...90
10...30
2-я
0...10
30...50
65...90
90...100
0...10
3-я
Не нормируется |
Вспученные перлитовые песок и щебень - пористые зерна
белого или светло-серого цвета - получают путем быстрого
A...2 мин) нагрева до температуры 1000... 1200 °С
вулканических стеклообразных горных пород (таких, как перлиты, обси-
дианы, витрофиры, пехштейны), содержащих 1...10 %
химически связанной воды. Обжиг дробленого материала ведут в
шахтных или вращающихся печах. Вспучивание породы с
увеличением 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.
Полученные песок и щебень {плотностью от 80 до 500 кг/м^)
применяют в качестве теплоизоляционных засыпок, для производства
теплоизоляционных изделий и легких бетонов.
Топливные шлаки образуются в топках при спекании и
частичном 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
ограниченным содержанием частиц несгоревшего топлива и других
примесей.
Пылевидная зола ТЭС образуется при сжигании размолотого
каменного угля. Ее используют как мелкий заполнитель в
бетонах и растворах при условии, что содержание частиц
несгоревшего топлива не превышает установленных пределов.
Основная характеристика пористого заполнителя - средняя
плотность в сухом состоянии. В зависимости от средней
плотности (кг/м^) 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
цилиндре - 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
соответствовать марке не ниже F15 при потере массы не более 8 %.
Благодаря развитой системе пор заполнители способны
поглощать значительное количество воды затворения, причем
скорость водопоглощения особенно велика в первые 15...20 мин,
т. е. в момент приготовления и укладки бетонной смеси.
Интенсивное впитывание воды в первоначальные сроки обусловлено
поглощением воды крупными порами заполнителя. В
дальнейшем постепенно насыщаются тонкие поры и капилляры.
Быстрый отсос воды зернами заполнителя и развитая
шероховатая 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
содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений в
пересчете на 80з должно быть не более 1 % по массе.
Структура аглопоритового и шлакопемзового щебня должна
быть устойчивой против силикатного распада.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какую роль играют заполнители в бетоне?
2. Чем различаются мелкие и крупные заполнители, природные и
искусственные?
3. Чем характеризуют зерновой состав заполнителей и как он влияет на
свойства бетонной смеси?
4. Каким должен быть зерновой состав мелкого заполнителя? Назовите
виды 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
бетонной 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
заполнителя 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 пористьгк: заполнителей и
как отражаются эти особенности на свойствах бетонной смеси и затвердевшего
раствора?
233
Глава 11 БЕТОНЫ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
11Л. Определение и общая классификация бетонов
и растворов
Трудно сказать, когда впервые в строительной практике
появился бетон, так как начало его использования человеком
уходит в глубь веков. Наиболее раннее применение бетона,
обнаруженное археологами, можно отнести к 5600 г, до н. э. Этот
бетон был найден в одной из хижин древнего поселения
каменного века на берегу Дуная в Югославии. Из него был сделан
пол толщиной 25 см. В состав того бетона входили гравий и
известь красноватого цвета. К этому же периоду относится
материал, из которого выполнены конструкции «египетского
лабиринта» и который также был приготовлен строителями
древности 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
теперешнем 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.,
преобразившем мир.
Бетон создан специально для нужд строительства и
производится только для строительных целей. И состав его тоже
исключительно прост: цемент, вода, мелкий и крупный заполнитель
типа песка, гравия или щебня. Вместо цемента может быть
использовано другое вяжущее. Вода вступает в химическую
реакцию 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,
получаемый в результате затвердевания правильно подобранной,
тщательно перемешанной и уплотненной смеси вяжущего
вещества, 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
каменный материал, получаемый в результате твердения правильно
подобранной смеси, состоящей из вяжущего, мелкого
заполнителя, воды и добавок. До начала затвердевания ее называют
растворной смесью.
Классифицируют бетоны по следующим основным
признакам: назначению, средней плотности, виду вяэюущего, виду
заполнителей, 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.).
Конструкционные бетоны - это бетоны несущих и ограждающих
конструкций зданий и сооружений, определяющими требованиями к
качеству 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
возведения гидротехнических сооружений (плотин,
водорегулирующих, водозаборных и других сооружений).
Дороэюным называют бетон, применяемый в покрытиях
дорог, аэродромов и других подобных сооружений.
Жаростойкие бетоны применяют для изготовления
конструкций, которые в условиях эксплуатации подвергаются
постоянному или периодическому воздействию температур от 200 до
1800 ^С.
Конструкционно-теплоизоляционные бетоны предназначены
для железобетонных конструкций, к которым предъявляются
требования как по несущей способности, так и по
теплоизоляционным свойствам.
Коррозионностойкими называют бетоны, способные в
условиях эксплуатации противостоять действию агрессивных сред.
235
в зависимости от средней плотности различают особо
тяжелые, тяжелые, легкие и особо легкие бетоны.
Особо тяэюелые бетоны со средней плотностью более
2500 кг/м^ изготовляют на особо тяжелых заполнителях
(магнетит, лимонит, барит, чугунная дробь, обрезки стали). Эти
бетоны применяют для изготовления специальных конструкций,
например при сооружении зданий атомных электростанций для
защиты от радиоактивного излучения.
Тялселые бетоны со средней плотностью 2000...2500 кг/м^
изготовляют на плотном песке и крупном заполнителе из
плотных горных пород и используют во всех несущих конструкциях.
Легкие бетоны со средней плотностью 500...2000 кт1ы
выпускают 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
менее 500 кг/м^ изготовляют на основе вяжущего вещества,
кремнеземистого 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
образом: бетоны на цементных вяэюущих; бетоны на известковых
вяэюущих; бетоны на гипсовых вяэюущих; бетоны на шлаковых
и бетоны на специальных вяжущих.
По виду заполнителей различают: бетоны на плотных
заполнителях; бетоны на пористых заполнителях; бетоны на
специальных заполнителях.
По крупности зерен заполнителей различают бетоны
мелкозернистые и крупнозернистые.
Мелкозернистым считается бетон, в котором размеры зерен
крупного заполнителя менее 10 мм.
В зависимости от характера структуры различают
следующие виды бетонов:
• бетоны плотной (слитной) структуры, в которых
пространство между зернами заполнителей полностью занято
затвердевшим вяжущим веществом;
236
• крупнопористые бетоны (беспесчаные или малопесчаные),
в которых значительная часть объема межзерновых пустот
остается не занятой мелким заполнителем и затвердевшим вяжущим
веществом;
• поризованные бетоны, в которых пространство между
зернами заполнителей занято вяжущим веществом, поризованным
пенообразующими или газообразующими добавками;
• ячеистые бетоны ~ бетоны с искусственно созданными
ячейками-порами, состоящие из смеси вяжущего вещества,
тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразующей
добавки.
По условиям твердения бетоны подразделяются на:
• бетоны естественного твердения, твердеющие при
температуре 15.. .20 °С и атмосферном давлении;
• бетоны, подвергнутые с целью ускорения твердения
тепловой обработке G0.. .90 °С) при атмосферном давлении;
• бетоны, твердеющие в автоклавах при температуре
175. ..200 °С и давлении пара 0,9... 1,6 МПа.
Строительные растворы классифицируют по плотности, виду
вяжущего, составу и назначению.
По средней плотности различают растворы тялселые
плотностью более 1500 кг/м^ и легкие плотностью менее 1500 кг/м^
По виду вяжущего растворы бывают известковые,
гипсовые, цементные и на основе смешанных вяжущих. В
зависимости от свойств вяжущего растворы подразделяют на воздушные,
твердеющие в воздушно-сухих условиях (например,
известковые, гипсовые), и гидравлические, начинающие твердеть на
воздухе 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
(смешанные). Растворы, приготовленные на одном вяжущем,
заполнителе и воде, называют простыми. Составы простых растворов
обозначают двумя числами. Например, известковый раствор
состава 1 : 4 означает, что в растворе на одну часть извести
приходится четыре части заполнителя (песка). Растворы, приготов-
237
ленные на нескольких вяжущих, заполнителе и воде, называют
слоэюными или смешанными. Составы сложных растворов
обозначают 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
заполнителя.
По назначению строительные растворы различают:
кладочные - для каменной кладки фз^даментов, стен, столбов, сводов
и др.; отделочные - для оштукатуривания стен, потолков,
защитно-декоративные - для отделки наружных поверхностей
зданий и сооружений и декоративные - для отделки внутри
помещений; монтаэюные - для заполнения и заделки швов между
крупными элементами при монтаже зданий и сооружений из
готовых сборных конструкций и деталей; специальные ~
водонепроницаемые, кислотостойкие, жаростойкие, акустические,
теплоизоляционные, инъекционные, рентгенозащитные и
перекачиваемые 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
смеси, требования по водонепроницаемости, морозостойкости или
коррозионной стойкости бетона, данные по наибольшей
крупности заполнителя, длительности и режиму твердения и другим
условиям производства работ.
Определение состава бетона начинают с выбора материалов
для его приготовления. После этого устанавливают их
характеристики, 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
структуры цементного теста в бетоне активность цемента должна
быть в пределах 0,7...2 от требуемой прочности бетона. При
значенР1ях 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
рекомендуется для бетонов, уплотняемых прессованием,
трамбованием.
Цементы, имеющие величину активности выше значенР1я
требуемой прочности бетона (раствора) в два и более раз, при
отсутствии агрессии должны применяться с тонкомолотыми
активными минеральными добавками или микронаполнителями,
снижающими активность цемента, но увеличивающими общее
количество вяжущего. Оптимальное содержание добавок
следует устанавливать на основании лабораторных испытаний.
В соответствии с «Типовыми нормами расхода цемента для
приготовления бетонов сборных и монолитных бетонных,
железобетонных изделий и конструкций» (СНиП 5.01.23-83), марка
цемента может быть выбрана в зависимости от средней
прочности 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 м^
бетона, а для железобетонных конструкций - не менее 220 кг.
Максимальный расход цемента в бетоне не должен превышать
600 кт1и\
239
Таблица 12
Рекомендуемые и допустимые марки цемента
для тяжелых бетонов на крупном заполнителе
Проектная
марка
бетона
МЮО
М150
М200
М250
мзоо
М350
М400
1 М450
: М500
М600
Марка цемента для тяжелого бетона при твердении в условиях
естественных
рекомендуемая
300
300
400
400
400
400
500
550
600
600
допустимая
-
400
300, 500
300, 500
500
500
550, 600
500, 600
550, 500
550
тепловой обработки при отпускной
прочности бетона
70 % проектной
и менее
рекомендуемая
300
300
400
400
400
400
500
550
600
600
допустимая
-
400
300, 500
300, 500
500
500
550, 600
500, 600
550, 500
550
80..Л00%
проектной
рекомендуемая
-
400
400
400
500
500
550
600
600
-
допустимая
-
300,500
500
500
400
400
500,600
500,550
550
1
Рекомендуемые и допустиемые марки цемента
для мелкозернистых бетонов
Таблица 13
Проектная марка
бетона
МЮО
М150
М200
М250
МЗОО
М350
М400
Марка цемента
рекомендуемая
300
400
400
500
500
500
500
допустимая
400
500
500 1
400 1
400 1
400 1
J
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
требования к качеству заполнителей для него. При этом стремятся
использовать, как правило, местные заполнители или
заполнители из близко ^)асположенных карьеров, но отбирают из них те,
которые позволяют получать бетон с заданными свойствами при
минимальном расходе цемента. Так, для бетонов класса до
В10...В 12,5 наряду с рядовыми заполнителями среднего
качества можно использовать в отдельных случаях и заполнители
пониженного качества, т. е, крупный заполнитель низкой
прочности, 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
бетонов класса В25 и выше необходимо применять
высококачественные чистые фракционные заполнители из плотных и
прочных горных пород. Однако при окончательном выборе
заполнителей для бетона необходимо учитывать также их стоимость.
Назначение добо кпадываемости 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 м^ уплотненного бетона.
Чтобы определить эти данные, используют различные зависимости,
предложенные и апробированные научными организациями.
В странах СНГ широкое применение нашел расчетно-экспе-
рименталъный метод НИИЖБа.
Методика расчета.
1. Определение водоцементного отношения бетонной смеси
(В/ЦM = @,23/гц+ 10)/(/?5+ 8), A1.1)
где R^vlR^- соответственно активность цемента и марка бетона,
МПа.
2. Расход воды определяют по табл. 14.
16 Зак 508 241
Таблица 14
Ориентировочный расход воды для
Удобоукладываемость
смеси
Осадка
конуса, см
10...12
5...7
1...3
-
"
-
Жесткость, с
-
-
-
8...12
15...20
22...30
бетонной смеси
Ориентировочный расход воды (кг)
при наибольшей крупности (мм)
гравия
10
215
205
190
175
160
155
20
195
180
165
155
145
140
40
185
175
160
145
140
135
70
175
160
145
135
130
125
щебня
10
225
215
200
185
170
165
20
205
195
180
165
155
150
40
195
185
170
155 j
Примечание. Если искомый расход цемента окажется более 400 кг/м^, то
расход воды повышают из расчета 10 кг на каждые его 100 кг.
3. По расходу воды на 1 м^ бетона и водоцементному
отношению бетонной смеси определяют расход цемента на 1 м^
бетона
Ц-В/(В/Ц)б. A1.2)
Если расход цемента окажется меньше допустимого
нормами, то следует применять минимально допустимый для данных
условий эксплуатации конструкций. При этом следует
увеличить и расход воды с учетом увеличенного расхода цемента,
сохранив расчетное значение В/Ц.
4. Суммарный расход заполнителей (песка и щебня (гравия),
кг) на I м^ бетонной смеси определяют из условия, что сумма
всех составляющих компонентов бетонной смеси равна 1 м^, при
этом межзерновые пустоты в крупном заполнителе должны
быть заполнены цементно-песчаным раствором:
З^Рбсм-Ц-В, A1.3)
где 3 - П + К.
Среднюю плотность бетонной смеси рб.см следует принимать
при заполнителе из карбонатных пород 2350 кг/м^, а из более
плотных пород - 2400 ytIu.
242
5. Расход песка (кг) на 1 м^ бетонной смеси находят с учетом
массовой доли песка г, зависящей от вида и крупности зерен
заполнителей, а также от расхода цемента (табл. 15).
Таблица 15
Массовая доля песка в смеси заполнителей
Расход
цемента
в бетоне,
кг/м"^
200
250
300
350
400 и
более
Массовая доля песка в смеси заполнителей при крупности, мм
гравия
20
0,4
0,39
0,37
0,35
0,36...
. .0,38
40
0,39
0,37
0,35
0,34
0,35...
...0,38
70
0,37
0,36
0,35
0,34
0,32...
...0,38
щебня
20
0,42
0,41
0,40
0,38
0,37...
...0,42
40
0,41
0,40
0,39
0,37
0,35...
...0,42
70
0,40 1
0,39
0,38
0,36
0,34...
-.0,40 1
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
0,23/е,-Ы0^0,23х40-Ы0^
^ ^ /?б + 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 м^ бетонной смеси
Ц= 170/0,685 = 248 кг.
Среднюю плотность бетонной смеси принимаем равной 2400 кг/м^.
4. Суммарный расход заполнителей для приготовления I м^ 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 м^ бетона
П= 1982x0,39 = 773 кг.
16*
243
6. Расход гравия на 1 м"^ бетона
К= 1982-773= 1209 кг.
7. Готовят пробный замес бетонной смеси, проверяют ее подвижность и
при удовлетворительном значении делают контрольные образцы для
определения 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 пробкый замес. Если полученная при
испытании 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
влажность 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
влажность по массе составляет: гравия - 2 %, песка - 4 %.
Масса воды, содержащейся в гравии, равна 1209 х 0,02 = 24 кг, в песке -
773 X 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 - B4 + 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^
бетонной 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
телами. 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
транспортирования, укладки и уплотнения смеси. Под влиянием внешних
механических усилий - силы тяжести, давления в бетононасосе,
вибрирования - нарушается взаимодействие между составляющими
бетонной смеси, что приводит к уменьшению ее структурной
прочности. Бетонная смесь разжижается и приобретает
способность 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
смеси разжижаться при механическом воздействии и вновь
загустевать в спокойном состоянии, называемое тиксотропией,
используют при перекачивании бетононасосами,
виброуплотнении бетона, формовании изделий способом немедленной
распалубки.
В практике производства бетонных работ для оценки свойств
бетонной смеси используют технические характеристики. Самая
важная характеристика - удобоукладываемость, т. е.
способность бетонной смеси заполнять форму и образовывать в
результате уплотнения плотную, однородную массу. Для оценки
удобоукладыеаемости используют три показателя:
подвижность, жесткость и связность смеси.
Подвижность бетонкой смеси определяют по осадке
стандартного 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
устанавливают рядом. Под действием силы тяжести бетонная смесь
деформируется и оседает. Разность высот металлической
формы-конуса и осевшей бетонной смеси, выраженная в
сантиметрах, характеризует подвижность смеси и называется осадкой
конуса (ОК). С помощью этого показателя оценивают
подвижность пластичных бетонных смесей.
245
1100
Рис. 42. Определение удобоукладываемости бетонной смеси по осадке конуса:
1 ~ опоры; 2 - ручки; 3 - конус; ОК - осадка конуса
Жесткость смесей, у которых ОК = 0.. Л см, характеризуют
показателем жесткости, определяемым на приборе (рис. 43).
а б
Рис. 43 Схема определения жесткости бетонной смеси: а - прибор в исходном
состоянии; б - после окончания вибрирования; 1 - виброплощадка; 2 -
цилиндр; 3 - конус с бетонной смесью; 4 - диск с отверстиями; 5 - втулка;
6 - штанга; 7 - штатив
Прибор представляет собой металлический цилиндр
диаметром 240 мм и высотой 200 мм. Цилиндр устанавливают на
лабораторную виброплощадку со стандартными характеристиками
частоты E0 Гц) и амплитуды колебаний @,5 мм в ненагр>окен-
ном состоянии). Затем в цилиндр вставляют конус и
заполняют его бетонной смесью так же, как и при определении подвиж-
246
кости. 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
отверстий диска. В этот момент вибратор выключают. Время,
необходимое для уплотнения смеси в приборе, называют
показателем жесткости бетонной смеси (Ж) и выражают в секундах.
В зависимости от удобоукладываемости по СТБ 1035-96
различают смеси сверхжесткие, жесткие, низкопластичные,
пластичные и литые (табл. 16).
Таблица 16
Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости
Марка по
удобоукладываемости
Норма удобоукладываемости
по показателю
жесткости, с
осадка конуса, см
В одо отделение,
%
1 Сверхжесткие смеси
СЖЗ
СЖ2
СЖ1
Более 100
51...100
41...50
"
-
-
0,1
0,1
0,1 J
1 Жесткие смеси
Ж4
ЖЗ
Ж2
Ж1
31...40
21...30
11.-.20
5...10
-
-
-
-
0,2
0,2
0,2
0,2 1
1 Низкопластичные [
П1
П2
4 и менее
-
1...4
5...9
0,4
0,4 1
1 Пластичные |
пз
П4 1
-
-
10...15 j
16...20
0,8 1
0,8 1
Литые 1
П5 1
-
21 и более |
0,8 1
Жесткие бетонные смеси содержат небольшое количество
воды. При их уплотнении требуется сильное механическое
воздействие, например прессование, вибрирование под пригрузом.
247
вибротрамбование. Такие смеси характеризуются также
небольшим расходом цемента. Жесткие смеси обычно используют
при изготовлении сборных железобетонных изделий и
конструкций на заводах и домостроительных комбинатах,
оборудованных мощными уплотняющими устройствами. На
стройплощадке жесткие смеси применяют редко.
В подвижных смесях воды содержится больше, чем в
жестких. Бетонные смеси марок ПЗ...П5 способны заполнять форму
под действием силы тяжести, не требуя значительных
механических усилий. Подвижные смеси легко поддаются
транспортированию по трубопроводам с помощью бетононасосов.
Связность - это способность бетонной смеси сохранять
однородную структуру, т. е. не расслаиваться в процессе
транспортирования, укладки и уплотнения. В результате уплотнения
смеси частицы сближаются, а часть воды как наиболее легкого
компонента отжимается вверх, образуя капиллярные ходы и
полости под зернами крупного заполнителя. Крупный заполнитель,
плотность которого отличается от плопюсти растворной части
(смеси цемента, песка и воды), также перемещается в теле
бетонной смеси. Если заполнитель плотный и тяжелый, например
гранитный щебень, то его частицы оседают (рис. 44а, б), а
легкие пористые заполнители - керамзит, аглопорит - всплывают.
Все это ухудшает структуру бетона, делает его неоднородным,
увеличивает водопроницаемость и снижает морозостойкость.
Чтобы повысить связность и предотвратить расслоение
бетонной смеси, необходимо правильно назначать количество
мелкого заполнителя в составе бетона, а также сокращать расход воды
затворения, используя пластифицирующие добавки.
Рис. 44. Схема возможного
расслоения бетонной смеси, а - в процессе
транспортирования и уплотнения;
б - после уплотнения; 1 -
направление, по которому отжимается вода;
2 - вода; 3,4- мелкий и крупный
заполнители
248
Применение пластифицирующих добавок - наиболее
эффективный способ регулирования удобоукладываемости бетонных
смесей и раствора. Добавки значительно сокращают расход
воды, что позволяет увеличивать плотность, прочность и
морозостойкость бетона. Если необходимо сохранять прочность бетона
на заданном уровне, то пластифицирующий эффект используют
для уменьшения расхода цемента. Добавки увеличивают
связность 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.
Жесткая смесь похожа на влажную землю и плохо уплотняется
штыкованием.
11.2.3. Способы приготовления и укладки бетонной смеси
Бетонные смеси на предприятиях сборного железобетона
готовят в бетоносмесительных цехах. Для выпуска товарных
бетонных смесей предназначены бетонные заводы и инвентарные
бетоносмесительные установки. Производство бетонных смесей
может быть организовано как в стационарных, так и в
перебазируемых или мобильных установках. Последние применяют в
основном в начальный период строительства объектов, при
значительном удалении их от стационарных заводов.
В состав бетоносмесительных цехов или бетонных заводов
входят склады цемента и заполнителей, установки для
приготовления добавок, расходные бункера для образования
оперативного запаса материалов, транспортное оборудование,
аппаратура для дозирования компонентов, смесительное оборудование
и устройства для выдачи бетонной смеси.
Приготовление бетонной смеси осуществляют в
бетоносмесителях периодического и непрерывного действия.
Бетоносмесители периодического действия бывают двух типов:
свободного падения (гравитационные) и принудительного
перемешивания.
249
в бетоносмесителях свободного падения (загрузочная
вместимость - 100.-.4500 л) материал перемешивается в медленно
вращающихся вокруг горизонтальной или наклонной оси
смесительных барабанах, оборудованных внутри короткими коры-
тообразными лопастями (рис. 45а). Лопасти захватывают
материал, поднимают его и при переходе в верхнее положение
сбрасывают. В результате многократного подъема и падения
обеспечивается его перемешивание. В таких смесителях готовят
пластичные бетонные смеси с крупным заполнителем из плотных пород.
Рис 45. Бетоносмесители: а - свободного падения; б - принудительного
перемешивания; 1 - смесительный барабан; 2 - привод вращения барабана; 3 -
станина; 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),
поэтому объем перемешанной бетонной смеси составляет лишь
0,6.,.0,7 от объема исходных сухих компонентов. Этот
показатель, называемый коэффициентом выхода бетонной смеси р,
рассчитывают по формуле
P = F5e/(F^+F,+ Fa A1.4)
где Гбс, Fy, Fn, Fk - 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 =
^ yi'b л = 0,325 м^ бетонной смеси.
Время перемешивания зависит от подвижности бетонной
смеси и вместимости бетоносмесителя. Чем меньше
подвижность смеси и больше вместимость бетоносмесителя, тем
больше времени необходимо для перемешивания. Например, для
бетоносмесителя 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,
насаженными на вертикальные валы. Продолжительность
перемешивания 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
пористых заполнителях.
Бетоносмеситель непрерывного действия корытообразной
формы имеет рабочий орган - вал с лопастями, который
одновременно перемешивает и перемещает бетонную смесь от
загрузочного отверстия к выгрузочному. Его производительность
больше, чем бетоносмесителей периодического действия,
однако точность дозирования компонентов меньше и переход от
одной марки бетона к другой сложнее. Поэтому их используют
лишь на строительных объектах с большим объемом
строительных работ (например, на строительстве гидроэлектростанций,
автомобильных дорог). Бетоносмесители могут быть
передвижные, установленные на автомашинах, и стационарные.
Автобетоносмеситель представляет собой
комбинированный агрегат, включающий бетоносмесительную и транспортную
машины. На базе автомобиля МАЗ или КамАЗ монтируют
бетоносмеситель гравитационного действия с наклонной осью
вращения барабана. Загрузку компонентов и выгрузку бетонной
смеси производят через заднее торцевое отверстие. Объем
приготовляемой смеси - 4 м^ и более, подвижность смеси при
выгрузке - не менее 5 см. Дальность перевозки зависит от качества
251
автодороги, температуры и подвижности бетонной смеси.
Например, максимальная продолжительность транспортирования
затворенной тяжелой бетонной смеси марок ПЗ.. .П4 по дороге с
асфальтобетонным покрытием в автобетоносмесителе
составляет 90 мин, автосамосвалом -30 мин; то же по грунтовой
дороге - соответственно 30 и 20 мин.
Транспортирование. Обязательное требование ко всем
способам транспортирования бетонной смеси - сохранение ее
однородности и подвижности. Бетонные смеси от бетоносмеси-
тельного завода перевозят на стройку на
автомашинах-бетоновозах 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 -
вибрированием или другими способами.
Вибрирование - наиболее эффективный метод укладки,
основанный на использовании тиксотропных свойств бетонной
смеси. При вибрировании частицам бетонной смеси передаются
быстрые колебательные движения от источника колебаний -
вибратора. 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
заполняет 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
промышленных предприятий и других, используют поверхностные
вибраторы (рис. 46а), массивных элементов значительной
толщины - глубинные вибраторы (рис. 466) с наконечниками
различной формы и размеров. Часто применяют одновременно
несколько вибраторов, которые собирают в пакеты. Тонкостенные
бетонные конструкции, насыщенные арматурой (колонны,
несущие стены), уплотняют наруж:пыми вибраторами,
прикрепляемыми к поверхности опалубки (рис. 46в)- В заводских
условиях при изготовлении бетонных камней, крупных блоков,
панелей и других изделий пользуются виброплощадками (рис. 46г), на
которые устанавливают формы с бетонной смесью.
Piw. 46. Вибраторы: а - поверхностный; б ~ глубинный; в - навесной;
г - стационарная виброплощадка
Мелкозернистый бетон обычно укладывают методами
торкретирования 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
отверстию 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
получается мелкозернистый бетон высокой плотности, прочности,
морозостойкости и водонепроницаемости.
Твердение бетона. Нормальный рост прочности бетона
происходит при положительной температуре A5...25 °С) и
постоянной 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
увлажняя их. Эффективной является защита поверхности бетона
от испарения влаги полимерными пленками, битумными и
полимерными эмульсиями.
3 7 14
100 л,сут.
Рис. 47 Изменение прочности бетона во времени (/?28 - марочная
прочность бетона; п - время твердения)
В зимнее время твердеющий бетон предохраняют от
замерзания различными методами: методом термоса, когда
подогретую бетонную смесь защищают теплоизоляционными
материалами, и подогревом бетона во время твердения (в том числе и
электропрогревом).
На заводах сборного железобетона для ускорения
твердения бетона применяют тепловлажностную обработку - про-
паривание.
254
i
11.2.4. Физико-механические свойства бетонов
Затвердевший бетон относится к материалам составного
(конгломератного) типа, так как включает в себя заведомо
разнородные компоненты - зерна заполнителей, скрепленные
цементным камнем. Поэтому к важнейшим свойствам,
определяющим качество цементного камня, относятся прочность и
адгезия, т. е. способность к сцеплению с зернами заполнителя.
Основными показателями качества тяжелого бетона
являются прочность на сжатие и растяжение, морозостойкость и
водонепроницаемость.
Прочность бетона в проектном возрасте характеризуют
классами прочности на сжатие и осевое растяжение.
Отличительная особенность бетонных работ ~ значительная
неоднородность 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
обеспечить ее во всем объеме изготовляемых конструкций.
Показателем, который учитывает возможные колебания
качества, является класс бетона. Класс бетона - численная
характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с
гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что
установленное классом свойство, например прочность бетона,
достигается не менее чем в 95 случаях из 100.
Понятие «класс бетона» позволяет назначать прочность с
учетом ее фактической или возможной вариации. Чем меньше
изменчивость прощ^ста, 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; В10; В12,5; В15;
В20; В25; ВЗО; В35; В40- В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75
и В80. Класс бетона по прочности на сжатие обозначают
латинской буквой В \ справа от которой приписывают его пре-
Необходимо заметить, что в СНБ 5.03.01-02 «Бетонные и
железобетонные конструкции» принято другое обозначение класса бетона по прочности,
12
например С— , при этом гарантированная прочность в МПа указывается под
15
"чертой.
255
дел прочности в МПа. Так, у бетона класса В15 предел
прочности при сжатии - не ниже 15 МПа с гарантированной
обеспеченностью 0,95.
В необходимых случаях устанавливают также классы бетона
по прочности на осевое растяжение, обозначаемый индексом В^,
и на растяжение при изгибе - В^у-
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
стальной арматурой, изготовляя железобетонные конструкции.
В соответствии со стандартом СЭВ 1406-78, класс -
основной показатель прочности бетона. Для изделий и конструкций,
запроектированных без учета требований этого стандарта,
прочность бетона характеризуют маркой. Марка бетона - это
численная характеристика какого-либо его свойства,
рассчитываемая как среднее значение результатов испытания образцов. При
определении марок по прочности, морозостойкости,
водонепроницаемости принимают нижнее предельное значение свойств, а
марку по средней плотности определяют по верхнему
предельному значению. В отличие от класса марка бетона не
учитывает колебаний прочности во всем объеме бетонируемой
конструкции.
Марка по прочности на сжатие - наиболее распространенная
характеристика бетона. Марку определяют испытанием на
осевое 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/см^, является численной
характеристикой марки.
Установлены следующие марки тяжелого бетона по
прочности на сжатие: М50; М75; МЮО; М150; М200; М25а; МЗОО;
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
сжатии - не менее 200 кгс/см^.
256
По прочности на осевое растяжение тяжелый бетон
может быть следующих марок (кгс/см^): Р/5; РДО и далее через
5 кгс/см^ до Pt50.
Бетон для изготовления изгибаемых железобетонных
конструкций дополнительно характеризуют марками по прочности на
растяжение при изгибе: Ptb5; Р(ь10 и далее через 5 кгс/см^ до
Соотношение между классами и марками бетона
неоднозначно и зависит от однородности бетона, оцениваемой с
помощью коэффициента вариации. Чем меньше коэффициент
вариации, тем однороднее бетон. Класс бетона одной и той же марки
существенно увеличивается, если снижают коэффициент
вариации. Например, при марке по прочности на сжатие МЗОО и
коэффициенте вариации 18 % получают бетон класса В15, а при
коэффициенте вариации 5 % ~ класса В20, т. е. на целую ступень
выше. Это подчеркивает необходимость тщательного
выполнения всех технологических рекомендаций, повышения
технического уровня и культуры производства бетонных работ.
Соотношение между классами бетона по прочности на сжатие и
растяжение и его марками при нормативном коэффициенте
вариации, равном 13,5 % и характеризующем технологию
бетонных работ как удовлетворительную, приведено в табл. 17.
Связь между гарантированной прочностью бетона
(классом В) и средней прочностью R (маркой бетона М)
определяется выражением
В= ^(l-l,64v), A1.5)
где R ~ средняя прочность бетона,
К-1Яб/п; A1.6)
V - коэффициент вариации бетона, равный отношению среднего
квадратичного отклонения прочности к среднему значению;
ТЛв - сумма единичных значений прочности, МПа; п - число
образцов.
Прочность - основная характеристика бетона как
конструкционного материала. Числовое значение прочности определяет-
17.3ак.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
влажности 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-
1 са, кгс/см^
Ближайшая
марка бетона
Отклонение средней
прочности бетона дан-
|ного класса от марки, %
Сжатие
В3,5
В5
В7,5
ЕЮ
В12,5
В15
В20
В25
ВЗО
В35
В40
В45
В50
В55
В60
В65
В70
В75
В80
45,8
65,5
98,2
131,0
1 163,7
196,5
261,9
327,4
392,9
458,4
523,9
589,4
654,8
720,3
785,8
851,5
917,0
932,5
1048,0
Осевое \
В,0,4
ВД8
В,1,2
В,1,6
В,2,0
В,2,4
Вг2,8
В,3,2
5,2
10,5
15,7
20,9 1
26,2 !
31,4
36,7
41,9
М50
М75
Ml 00
М150
М150
М200
М250
М350
М400
М450
М500
М600
М700
М700
М800
М900
М900
Ml 000
Ml 000
1 -9,2
-14,5
-1,8
-14,5
' +8,4
-1,8
+4,5 1
-6,9
-1,8 ;
+ 1,6
+5,0
-1,8
-6,9
+2,8
-1,8
-5,7
+1,8
-1,8
+4,9 1
застяжение |
Рг5
Р,10
Рг15
Р,20 1
Р,25
РгЗО
Р,35
Р/40
+3,8 1
+4,8
+4,5
+4,3
4-4,6
+4,5
+4,6
+4,5 1
Для расчета прочности бетона на сэюатие R^ (средних и
низких марок) используют формулу проф. Б. Г. Скрамтаева
i?6-^i?u(IVB-0,5), A1.7)
где А - коэффициент, учитывающий качество заполнителей; /?ц -
марка (активность) цемента, МПа; Ц и В - соответственно
расход цемента и воды в бетонной смеси.
Эта формула выражает основной закон прочности бетона.
В ней учитываются важнейшие факторы, влияющие на
прочность бетона: качество заполнителей А, качество цемента R^ и
качество цементного камня, т. е. его пористость (Ц/В).
Прочность бетона тем выше, чем лучше заполнители, выше марка
цемента и больше значение Ц/В. При постоянном расходе
цемента прочность бетона с увеличением расхода воды снижается,
а с уменьшением расхода воды - увеличивается. Формула
справедлива для расчета прочности плотно уложенного бетона,
твердеющего в нормальных температурно-влажностных
условиях и испытанного по стандартной методике в возрасте 28 сут.
Коэффициент А в формуле A1.7) принимают равным 0,65
для высококачественных заполнителей, например мытого
фракционированного 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
имеет вид
i?6-^^(WB + 0,5), A1.8)
где Ах = 0,43 - для высококачественных заполнителей; 0,4 -
рядовых и 0,37 - пониженного качества.
Марка бетона по морозостойкости F определяется числом
циклов попеременного замораживания и оттаивания
испытываемых в возрасте 28 сут. в насыщенном водой состоянии
образцов, 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, FIOOO.
Для приготовления морозостойких бетонов рекомендуется
применять портландцемент и его разновидности:
пластифицированный, гидрофобный, быстротвердеющий и сульфатостойкий.
Допустимое количество трехкальциевого алюмината СзА в
KJHiHKepe 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
бетоне. Для сокращения водопотребности бетонной смеси и
уменьшения доли микропор в бетоне следует использовать добавки
поверхностно-активных веществ, оказывающих воздухововле-
кающее, микрогазообразующее, гидрофобизирующее или
пластифицирующее действие на бетонную смесь. Для
гидротехнических 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
перемешивания, уплотнения и надлежащего ухода за твердеющим
бетоном. При этом необходимо следить, чтобы не возникали
деструктивные процессы при тепловой обработке бетона,
которые 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
состояния в течение 10 дней.
Марку по водонепроницаемости назначают для бетона
конструкций, которые должны обладать ограниченной
проницаемостью при одностороннем давлении воды. За марку по во-
doHenpoHUijaeMocmu принимают наибольшее давление воды
260
(кгс/см^), которое выдерживают бетонные образцы диаметром и
высотой 150 мм при испытании по установленной методике.
Утверждены следующие марки бетона по водонепроницаемости
(кгс/см'): W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20.
Необходимо разделять факторы, определяющие
водонепроницаемость бетона на стадии приготовления смеси, укладки и
твердения бетона, и способы повышения водонепроницаемости
затвердевшего материала.
Активность цемента. Замена цемента, имеющего
активность 400 кгс/см^, цементом с активностью 500 кгс/см^
позволяет 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
цементного камня увеличивается в 10.. .20 раз.
На величину В/Ц при данной подвижности влияет расход
цемента. Согласно СНиП 5.01.23-83, для бетона
водонепроницаемостью W8 при формовании из бетонной смеси ОК = 5...9 см
расход цемента должен составлять 475 кг/м^; В/Ц такого бетона
не должно превышать 0,45.
Коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя.
Значения коэффициента а раздвижки зерен для
водонепроницаемого бетона значительно выше соответствующих значений а,
определенных из условия получения бетонов наибольшей
прочности. 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 ус1ювия создаются при водном
твердении, наихудшие - при воздушно-сухом. При этом
способность 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
бетона 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
повышает водонепроницаемость бетона в 1,5...2 раза. Добавка
азотнокислого кальция в количестве 1 % от массы цемента,
хлорного железа РеСЬ в таком же количестве увеличивает
водонепроницаемость бетона на 2.. .3 марки.
Основным способом повышения водонепроницаемости
затвердевшего бетона является пропитка бетона мономером с
последующей 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 B,2...3,5) • 10^ МПа (у высокопористых ячеистых
бетонов модуль упругости - около 1-10^ МПа).
При больших напряжениях начинает проявляться
пластическая (остаточная) деформация, развивающаяся в результате
роста микротрещин и пластических деформаций гелевой
составляющей цементного камня.
Усадка бетона. При твердении на воздухе происходит
усадка 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
начальный суммарный объем цемента и воды; сжатия цементного
камня 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
воздействии высоких температур, например при пожаре. При
кратковременном нагреве благодаря малой теплопроводности бетон
прогревается на небольшую глубину, причем содержащаяся в
нем вода (в том числе и кристаллизационная) испаряется,
понижая температуру бетона. При длительном воздействии высоких
температур в бетоне происходят необратимые химические
изменения, сопровождающиеся потерей им прочности.
Для устройства конструкций топок, печей и промышленных
труб применяют специальный жароупорный бетон на
глиноземистом цементе и жаростойких заполнителях.
11.2.5. Специальные бетоны
Высокопрочные бетоны ~ это бетоны с пределом
прочности 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
производства цемента, бетона и химических добавок. Уже сегодня
возможно получение бетонов прочностью более 150 МПа.
Достигается высокая прочность бетонов различными
приемами. Основными условиями получения высокопрочных
бетонов являются применение высокоактивных цементов, низких
водоцементных отношений @,20...0,30), использование
плотных высокопрочных заполнителей, химических добавок
пластификаторов и, в частности, суперпластификаторов и
комплексных 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,
максимально 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,
например сухого бетонирования, сущность которого заключается в
укладке в опалубку или форму сухой смеси вяжущего и
заполнителей с последующим ее увлажнением.
Таким способом на рядовых материалах возможно получить
бетон прочностью до 100 МПа. Основу подобного уровня
характеристик бетона составляют повышенная плотность его
структуры и низкое @,15...0,25) водоцементное отношение, которое
соотносится с теоретически необходимым для реакций
гидратации цемента количеством воды.
Поскольку высокопрочные бетоны получают на цементе
высокой активности и при низких значениях В/Ц, они
одновременно являются и быстротвердеющими. Это позволяет значительно
сократить длительность тепловой обработки или вовсе
отказаться от нее. Такие бетоны отличаются высокой плотностью и
являются более долговечными и стойкими к агрессивным средам,
что увеличивает срок их службы и позволяет применять в
тяжелых условиях эксплуатации. В настоящее время возможно
получение 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
бетонами для защиты от радиоактивного воздействия. Применяют их
в качестве защитных экранов ядерных реакторов.
Из всех радиоактивных излучений наибольшей
проникающей 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,
например, водород. Бетон является как раз эффективным
материалом для биологической защиты ядерных реакторов, поскольку
в нем удачно сочетаются при сравнительно низкой стоимости
264
высокая плотность и содержание достаточно большого
количества 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
связанной воды - более 30 % по массе, а следовательно, и ядер
водорода. 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
адсорбционному 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
заполнитель обычно составляют дробленный бурый железняк,
кварцитовые «хвосты», чугунная дробь и др. Например,
насыпная плотность ильменитового песка составляет 4620 кг/м^,
щебня - 4760 кг/м\ а средняя плотность бетона на таких
заполнителях превышает 4000 кг/м\
Для улучшения защитных свойств особо тяжелых бетонов от
нейтронного потока в них вводят также добавки, содержащие
легкие элементы, например карбид бора, хлористый литий,
сернокислый 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
пропорционально плотности бетона: например, при плотности
особо тяжелого бетона 4000 кг/м^ а обычного 2300 кг/м"^ объем
замеса для бетоносмесителя на 500 л не должен превышать
500 X 2300/4000 = 285 л.
3. Для уплотнения бетонной смеси следует применять только
вибраторы.
265
Бетон «сухого» формования. Сухие бетонные смеси
(параграф 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
опалубке, 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
водяного пара, чем обеспечивается одновременный разогрев
бетона, даже если сухая смесь была охлаждена до отрицательной
температуры.
Дополнительная обработка особо плотного бетона
заключается в его повторном вибрировании с пригрузом после
влагонасыщения 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,
вибрация водонасыщенной смеси способствует дезагрегации
цементных флокул, вовлечению в реакцию с водой его
дополнительных реакционноспособных поверхностей, т. е. вызывает
активизацию вяжущих свойств цемента.
Затем следует немедленная частичная или полная
распалубка изделий и организация твердения бетона. Твердение
изделий из бетона «сухого» формования рационально осуществлять
без дополнительного подвода теплоты, т. е. по методу
«холодного» термоса, а в случае использования разогретых при сушке
заполнителей или паронасыщения сухой смеси - «горячего»
термоса.
Характерной особенностью бетона «сухого» формования
является его схватывание в процессе влагонасыщения вследствие
низкого @,25...0,30) водоцементного отношения и
значительной плотности укладки зерен твердой фазы (р^ ^ 2500 кг/м )•
Прочность свежеотформованного повторно вибрированного
бетона - до 2 МПа; за 12...24 ч твердения бетон «сухого» формо-
266
вания на рядовых цементах с раходом 360...380 кг/м^ достигает
прочности 15...50 МПа в зависимости от температурного
режима выдержки.
Технологию сухого формования с водонасыщением и
повторным вибрированием целесообразно использовать для
изготовления мелкоштучных изделий с повышенными
прочностными характеристиками и эксплуатационной надежностью
(разнообразных 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
толщиной стенок 20...30 мм и других тонкостенных изделий
необходимо применять мелкозернистый бетон с наибольшей
крупностью 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
повышенным объемом межзерновой пустотности, и поэтому
нуждаются 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
высококачественные пески, пластифицирующие добавки,
суперпластификаторы, 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
толщине ткаными металлическими сетками. Он обладает высокой
прочностью не только на сжатие, но и на растяжение.
Армоцемент используется в весьма тонкостенных пространственных
конструкциях сложного очертания и благодаря жесткости
сечения элементов обладает высокой несущей способностью.
267
Гидротехнический бетон должен обеспечить длительную
эксплуатацию конструкций, постоянно или периодически
омываемых водой. По условиям эксплуатации делится на
следующие разновидности: подводный постоянно находящийся в
воде; надводный подвергаемый лишь периодическому
воздействию воды и расположенный в зоне переменного горизонта воды.
Кроме того, различают массивный и немассивный бетон и бетон
напорных и безнапорных конструкций, поэтому в зависимости
от условий эксплуатации к гидротехническому бетону помимо
требований прочности предъявляются также требования по
водонепроницаемости, морозостойкости и др.
Прочность на сжатие и водонепроницаемость
гидротехнического бетона определяется в возрасте 180 сут. По прочности на
сжатие он подразделяется на классы В10...В40; по
водонепроницаемости ~ на марки W2...W8, Требования по
морозостойкости предъявляются к тем гидротехническим бетонам,
конструкции 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
портландцемента, пластифицированного и гидрофобного цементов, пуц-
цоланового и шлакового, а в некоторых случаях и сульфато-
стойкого цемента. Так, для зоны сооружений на уровне
переменного горизонта воды в суровых климатических условиях
используется пластифицированный или обычный
портландцемент. Они позволяют получить водонепроницаемые и
морозостойкие бетоны, а также несколько уменьшить расход цемента и
тем самым тепловыделение бетона при твердении в случае
массивных конструкций. Для особо тяжелых условий при наличии
агрессивной среды применяют сульфатостойкие цементы.
Для повышения водонепроницаемости и морозостойкости
такого бетона применяют химические добавки и в первую
очередь СДБ и СНВ. Для уменьшения расхода цемента, а
следовательно, тепловыделения и объемных деформаций бетона при
сохранении необходимой подвижности бетонной смеси и
плотности бетона в него вводят различные микронаполнители,
например золу-унос и др.
268
Заполнители для гидротехнического бетона должны
обеспечивать его водостойкость и морозостойкость. Допускается
применение только крупных и средних песков, а зерновой состав
заполнителей подбирается таким образом, чтобы получался
минимальный объем пустот при возможно большей крупности
максимальных по размеру зерен. Применение таких
заполнителей снижает расход цемента и уменьшает выделение теплоты
при твердении бетона. Расход цемента должен быть больше
минимальных значений, обеспечивающих получение плотного
бетона, и в то же время по условиям тепловыделения его не
должно быть для массивных конструкций более 350 кг/м^,
а немассивных - 400 кг/м^. Для получения требуемой
водонепроницаемости такого бетона содержание песка в смеси
заполнителей 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
температурный режимы, при которых предотвращаются объемные
деформации.
Декоративные бетоны. В зависимости от состава и
назначения декоративные бетоны можно подразделить на цветные и
бетоны, имитирующие природные камни или сами по себе
обладающие выразительной структурой. При необходимости
поверхность бетона подвергают специальной обработке или
формуют изделия с рельефной поверхностью.
Для получения цветных бетонов применяют белые и цветные
цементы, различные минеральные и органические пигменты.
Пигменты должны обладать высокой свето-, атмосфсро- и ще-
лочестойкостью. В качестве пигментов используют: мел
природный 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
плотных горных пород, цветные шлаки, цветное кусковое стекло
(эрклез).
269
Наиболее часто применяют минеральные пигменты и вводят
их в количестве L..5 % от массы цемента в зависимости от их
укрывистости, плотности и других свойств.
Расход цемента в цветных бетонах по сравнению с
обычными следует принимать несколько выше. При крупности
заполнителя до 10 мм он составляет 450...500 кг/м^ Это позволяет
повысить плотность и улучшить цветовую выразительность
поверхности бетона. Целесообразно в этом случае использовать
мелкозернистые бетоны. Оптимальными с точки зрения
получения хороших декоративных качеств являются составы 1:2... 1:3.
Расход воды в цветных бетонах определяется, как правило,
предварительным испытанием и затем постоянно
контролируется, поскольку даже небольшие изменения в расходе воды влекут
за собой заметные изменения цвета бетона. Для формования
изделий используются достаточно пластичные, жирные бетонные
смеси, которые хорошо формуются и мало подвержены
расслоению.
В цветных бетонах следует использовать чистые кварцевые
пески светлых оттенков без примесей, окрашивающих их в
серый 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
определенный цвет бетону. Больше всего на цвет бетона влияют
мелкие частицы заполнителя - до 0,3 мм.
Марка декоративного бетона должна быть не менее Ml50
(BIO), морозостойкость - F50.
Для повышения художественной выразительности
декоративных бетонов применяют специальные приемы, позволяющие
обнажить заполнители и выявить структуру бетона. Для
выявления структуры бетона его поверхность подвергают шлифовке и
полировке, обрабатывают бучардой или пневматическим
молотком, с помощью пескоструйного аппарата и т. п. Для обнажения
заполнителя используют различные замедлители твердения.
Декоративные бетоны применяются в ограждающих
конструкциях общественных и жилых зданий, для изготовления
элементов фасада, декоративных плит для наружных и внутренних
270
стен зданий, для лестничных маршей и деталей малых
архитектурных форм, для барельефов, скульптур и других изделий
специального назначения.
Жаростойкий бетон. Жаростойкий бетон изготовляют из
вяэюущего, тонкомолотой минеральной добавки, эюаростойких
заполнителей и воды (или другого затворителя, например орто-
фосфорной кислоты).
В качестве вяжущих в жаростойком бетоне применяют
портландцемент, 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 т1си и применяется вместе с от-
вердителем - кремнефтористым натрием. Для улучшения
структуры цементного камня и сохранения прочности при нагреве в
вяжущее вводят минеральные добавки (хромитовую руду, бой
шамотного, магнезитового или обычного кирпича, андезит,
пемзу, 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
магнезитового, шамотного и обыкновенного глиняного кирпича,
кусковый шамот, доменный отвальный шлак, базальт, диабаз,
лом и бой жаростойких бетонов или огнеупорных изделий.
Максимальная 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
зависимости от требуемой марки по прочности, температуры и
условий службы в конструкции. Смеси готовят в бетоносмесителях
принудительного действия; укладку ведут при температуре не
ниже +15 °С. 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
клинкере в качестве заполнителя может использоваться при
температуре до 250 ""С. 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 ^С (например, для изготовления стеновых панелей
туннельных печей для обжига керамического кирпича). Еще более
высокой огнеупорностью (до 1350 ""С) при одновременно
высокой термостойкости обладает бетон на фосфатных связующих -
фосфорной кислоте, алюмофосфатной и алюмохромфосфатной
связках. Указанные значения огнеупорности соответствуют
температуре деформации под нагрузкой, которая всегда на
200...300 ^С ниже так называемой конусной или просто
огнеупорности.
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
оценивают по содержанию вредных примесей, которые могут
препятствовать нормальному схватыванию и твердению вяжущего
вещества либо вызывают появление в структуре бетона
новообразований, снижающих его прочность и долговечность, а также
коррозию стальной арматуры.
Технические требования к воде для затворения и поливки
бетона следующие. Водородный показатель воды рН долэюен
находиться в пределах от 4 до 12,5, т. е. для затворения является
пригодной вода с нейтральной средой, слабокислой или
слабощелочной.
Вредными примесями в воде считаются органические
вещества, растворимые соли, в особенности содержащие ионы S04^
и СГ\ а также взвешенные частицы глины, пыли и почвы,
содержание которых не должно превышать норм, указанных в
табл. 18.
Таблща 18
Требования по содержанию вредных примесей в воде
для бетонов и растворов
Назначение воды
Для затворения бетонной
смеси при изготовлении преднапря-
женных ж/б конструкций и
нагнетаемого раствора
Для затворения бетонной
смеси при изготовлении бетонных и
ж/б констр>т<:ций с ненапрягаемой
арматурой, штукатурных:
растворов и растворов для
армированной каменной кладки
Для затворения бетонной
смеси при изготовлении бетонных
нсармированнык конструкций, к
которым не предъявляются
требования по ограничению
образования высолов, а также
строительных растворов для неармиро-
1 ванной кладки
Для поливки наружных
поверхностей бетонных и ж/б
конструкций
Предельное содержание, мг/л
растворимых солей
3000
5000
10000
5000
ионов S04^
1 2000
2000
2000
2700
1
ионов С1"^
600
2000
4500 '
2000
взвешенных
' частиц
200
200
300
500 1
Особую опасность представляет присутствие в воде солей,
сульфат-ионов и хлор-ионов. Они могут вызвать
неконтролируемое изменение сроков схватывания и скорости твердения
бетона. Но самое главное - возникает опасность коррозии
цементного камня и стальной арматуры в железобетоне. При
большом количестве сульфат-ионов в бетоне начинается
сульфатная коррозия, которая разрушает цементный камень и
конструкцию в целом. Хлор-ионы вызывают коррозию стальной
арматуры. ^
При большом содержании растворимых в воде солей на
поверхности бетона появляются высолы, портящие внешний вид
сооружений.
18 Зак 508
273
Органические вещества, в особенности содержащие сахар и
фенолы, замедляют нормальное протекание процесса
гидратации цемента и тем самым снижают прочность бетона. При
большом содержании сахара схватывание бетонной смеси
может вообще отодвинуться на неопределенное время. Поэтому
в воде затворения количество Сахаров долэюно 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
пригодной для применения при стойкости пены не более 2 мин.
Недопустимо применять воду, на поверхности которой
имеется пленка из нефтепродуктов, масел, жиров. Эти вещества
могут 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
применять питьевую воду, а также речную, озерную или воду из
искусственных водоемов, не загрязненную сточными
выбросами, солями и маслами.
Болотные, торфяные и сточные воды не разрешается
применять без их очистки.
Добавки к бетонам и растворам. В тяжелых,
мелкозернистых и легких бетонах добавки применяются с целью:
• улучшения технологических свойств бетонной
(растворной) смеси: повышения удобоукладываемости, перекачиваемо-
сти, снижения водо- и раствороотделения;
• регулирования потери подвижности смеси во времени,
скорости процессов схватывания, твердения и тепловыделения;
• сокращения продолжительности тепловой обработки
бетона, ускорения сроков распалубки и загрузки конструкций при
естественном твердении;
274
• повышения прочности, водо- и газонепроницаемости бетона;
• увеличения, морозостойкости, стойкости .бетона и
железобетона 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
широко применяют при изготовлении бетона и строительного
раствора. Важнейшее свойство этих смесей - удобоукладывае-
мость. Удобоукладываемые смеси способны равномерно
заполнять 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
расслоиться. Чтобы этого не произошло, необходимо обеспечить
заданные характеристики пластичности и вязкости смесей.
Реологические свойства бетонной смеси и раствора могут быть
изменены 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
прочности 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 одной.из следующих групп;
I группа - суперпластификаторы, увеличивающие осадку
конуса с 1...4 до 21 см и более;
1н- 275
II группа - сильнопластифицирующие, повышают осадку
конуса до 16...20 см;
III группа - среднепластифицирующие, осадка конуса -
10...15 см;
Г/ группа - слабопластифицирующие, осадка конуса - 5...9 см.
Добавки-суперпластификаторы представляют собой
синтетические полимерные продукты. Их вводят в бетонную смесь, в
количестве 0,5...2 % от массы цемента в расчете на сухое
вещество. В отличие от традиционных веществ
суперпластификаторы обладают гораздо более сильным разжижающим действием и
не замедляют твердение бетона.
Наиболее распространен суперпластификатор С-3,
получаемый на базе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и
формальдегида. Кроме того, применяют суперпластификаторы
Дофен, 10-03, 40-03, СМФ и др. Действие
суперпластификаторов основано на адсорбции их молекул на частицах цемента и
гидратных новообразованиях, что способствует их лучшему
скольжению относительно друг друга. Одновременно
происходит пептизация флокул (агрегатов) цементных частиц с
уменьшением толщины сольватных оболочек вокруг них. Резко
увеличивая 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
бетоны классов В15...В45 через 24 ч твердения в нормальных
условиях в комплексе с ускорителями твердения на рядовых
составляющих бетонной смеси при водоцемснтном отношении
0,23...0,30.
Сильнопластифицирующие добавки (пластификаторы СПС,
Аплассан) и среднепластифицирующие (лигносульфонаты
технические модифицированные ЛСТМ-2, ПЛС-1 и ЛМГ)
применяют для приготовления пластичных смесей, а также для
получения бетонов классов ВЗО.. .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
воды (сохранении прежней удобоукладываемости) добавки
позволяют повысить прочность бетона на 15...20 %, а
морозостойкость и водонепроницаемость бетона - на 1.. .2 ступени.
Добавки Г/ группы оказывают на бетонную смесь пласти-
фщирующе-воздухововлекающее действие (ЩСПК, ГКЖ-10 и
ГКЖ-11, мылонафт). Их рекомендуется применять в тощих
бетонах и растворах, отличающихся малым расходом цемента.
Добавки снижают на 5... 10 % расход воды и вовлекают в
бетонную смесь 2...5 % воздуха, некоторые дополнительно гидрофо-
бизируют (придают водоотталкивающие свойства) стенки пор
материала. В результате сильно уменьшается водопоглощенис
бетона, одновременно возрастают морозостойкость и
водонепроницаемость (на 1,5...2 ступени). Применение таких
добавок - эффективный способ повышения долговечности бетонных
и железобетонных конструкций.
В процессе приготовления строительных растворов
применяют, кроме названных органических веществ, также
неорганические пластификаторы - известь и известесодержащис
отходы, 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
вяжущего. Чтобы разрешить это противоречие, применяют смесь
вяжущих, одно из которых придает раствору прочность, а другое -
пластичность, или вводит в раствор органические
пластификаторы.
Строительная воздушная известь при гашении в известковое
тесто образует чрезвычайно малые частицы, которые
обволакиваются водой. Водные пленки облегчают взаимное скольжение
частиц, играя роль смазочного Мс^териала на их поверхности.
Именно этим и обусловлено пластифицирующее действие воз-
277
душной извести. Ее добавляют в растворные смеси в виде теста
плотностью 1400 кг/м^.
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
вязкости. Исключение составляет зола-унос ГЭС, при введении
которой водоцементное отношение остается обычно неизменным.
Пластифицирующее действие золы объясняется шарообразной
формой и гладкой (остеклованной) поверхностью ее зерен.
Тонкомолотые добавки применяют при необходимости
использования высокомарочных цементов (М400 и более) для
растворов М75 и ниже. При этом золу-унос от сжигания твердых
видов топлива рекомендуют применять для кладочных
растворов, используемых при среднесуточной температуре воздуха не
ниже плюс 5 ^С и в количестве не более 20 % от массы цемента.
В отличие от органических пластификаторов, используемых
в чрезвычайно малых дозах @,1... 1 % от массы цемента) и, как
правило, для растворов Ml00 и выше, добавки неорганических
пластификаторов вводят в большом количестве B0...200 % от
массы цемента).
Для уменьшения водоотделения бетонных и растворных
смесей и расслоения бетонных смесей можно использовать водо-
удерэюивающие и стабилизирующие добавки. При
транспортировании 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
минеральные 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
автосамосвалах, 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
добавки, уменьшающие одновременно водопотребность бетонных
и растворных смесей. В этом отношении хорошие результаты
дает применение добавки ЛСТ в повышенных дозировках
@,3...0,6 % от массы цемента), кормовой патоки (КП) в
количестве 0,05...0,25 %, в том числе в сочетании с
суперпластификаторами (СП) в количестве 0,3.. .0,7 % СП + 0,1.. .0,3 % КП.
В некоторых случаях требуется ускорить схватывание и
соответственно потерю подвижности смеси, например при
нанесении на вертикальные поверхности. В этом случае применяют
добавки - ускорители твердения или ускорители схватывания,
например поташ или жидкое стекло в количестве 1.. .5 % от
массы цемента.
Группа добавок, регулирующих твердение бетона,
включает добавки ускоряющие и замедляющие твердение и противомо-
розные. Эффект добавок ~ ускорителей твердения бетона
заключается в повышении темпа роста его прочности в
начальный период твердения от 1 до 3 сут. Сравнительная
эффективность добавок - ускорителей твердения для бетона
естественного твердения приведена в табл. 19.
Таблица 19
Эффективность добавок - ускорителей твердения
для бетона естественного твердения
Вид
добавки
ХК
сн
ннхк
ннк
пвк
прочность бетона с добавками - ускорителями твердения,
%, по сравнению с бетоном без добавок A00 %) в возрасте
1 сут.
150. .200
130...160
130..Л60
120...140
140. 180
3 сут.
150...190
120...160
120...150
120...140
120... 140
28 сут. )
ПО...120
105.-.110
110.-.120>
105..Л10
105...110 1
На практике чаще используют следующие ускорители
твердения бетона: хлорид кальция (ХК), сульфат натрия (СН),
нитрат кальция (НК) и нитрат натрия (НН), а также многокомпо-
279
нентныс добавки: нитрит-нитрат кальция (ННК), нитрит-нитрат-
хлорид кальция (ННХК) и полиметаллический водный
концентрат (ПВК). Количество добавок составляет от 1 до 3 % от
массы цемента. Концентрацию добавок в бетонной смеси,
установленную строительной лабораторией опытным путем,
обязательно 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
конструкций 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
разрыхляет еще слабую структуру цементного камня, что вызывает
большую потерю прочности бетона. Чтобы обеспечить
твердение 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 °С, 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
водорастворимые смолы, битумную эмульсию, сульфат алюминия, сульфат
и хлорид железа, нитрат кальция.
Воздухововлекающие добавки - это поверхностно-активные
органические вещества, снижающие поверхностное натяжение
жидкости на границе вода-воздух и обеспечивающие вовлече-
280
ние воздуха в бетонную смесь при ее перемешивании.
Насыщение цементного теста тонкодисперсными пузырьками воздуха
увеличивает его объем, повышая подвижность бетонных и
растворных смесей, однако понижает прочность материала.
Содержание вовлеченного воздуха обычно составляет 4.. .5 %.
Среди этих добавок чаще используют смолу древесную
омыленную (СДО), смолу нейтрализованную воздухововлекающую
(СНВ) и сульфонол.
Газообразующие добавки обеспечивают газообразование в
смеси за счет химического взаимодействия с продуктами
гидратации 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 (Mi), этилгидросесквиоксан
(ПГЭН). Применяют их как в процессе приготовления бетонной
смеси, так и для поверхностной защиты затвердевшего бетона и
железобетона от увлажнения (наносят на конструкцию
распылением). Таким образом защищают от разрушения памятники,
создают защитно-декоративные слои в конструкциях и др.
Добавки, повышающие защитные свойства бетона но
отношению к стальной арматуре (ингибиторы коррозии),
улучшают 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
содержание агрессивных ионов в приарматурной зоне.
Добавки нолифункционалъного действия (комплексные)
позволяют одновременно изменять несколько свойств бетонной
281
смеси и затвердевшего бетона, например повышать удобоутсла-
дываемость смеси и увеличивать прочность бетона. Применение
добавок в комплексе позволяет резко уменьшить или полностью
устранить нежелательное побочное действие каждой
составляющей комплексной добавки. Например, комплексная добавка
ЛСТ+ХК (хлорид кальция) пластифицирует смесь и ускоряет
твердение бетона. При этом хлорид кальция компенсирует
замедляющее действие ЛСТ. Одновременно эта добавка
сокращает расход цемента.
Многие из применяемых добавок могут оказывать вредное
воздействие на работающих. Добавки нитрата кальция (НК),
НИК и ННХК вызывают покраснение, зуд и изъязвление кожи,
поражают участки кожи, на которых имеются хотя бы
незначительные ранки, царапины и другие нарушения ее целостности.
Для избежания указанных раздражений кожи необходимо
применять резиновые перчатки или мази.
Пластифицирующие добавки 1-й группы относятся к
веществам умеренно опасным. Их пары и взвешенные в воздухе
частицы высохшего вещества (пыль) вызывают раздражение,
воздействуют на слизистую оболочку глаз и на незащищенную
кожу. Рабочие, занятые приготовлением растворов добавок,
должны пользоваться индивидуальными средствами защиты.
Лицам, не достигшим 18-летнего возраста, работать с
химическими 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 использований
растворов надо учитывать две особенности. Во-первых, их
укладывают тонкими слоями A...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
11.3Л. Подбор состава, приготовление
и транспортирование растворов
Составы растворных смесей выбирают или подбирают в
зависимости от назначения раствора, требуемой марки и
подвижности и условий производства работ. Подобранный состав
растворных 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
экспериментально применительно к конкретным материалам.
Расчетно-экспериментальный метод подбора состава
раствора 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
образом.
Предварительно устанавливают ориентировочное количество
цемента (^ц, кг на 1 м^ песка), необходимое для получения
раствора заданной прочности:
S30R,
где Кп - коэффициент, учитывающий качество песка: для
крупного песка (Мк > 2,5) Кп~ I; для песка средней крупности (М^ ="
-2...2,5)Ku'=0,S и для мелкого песка (Мк <2) Кп= 0,6...0,7.
Затем определяют число объемных частей песка (Пч),
которое приходится на одну объемную часть цемента:
П,= p„/a, (П.10)
где рн - плотность цемента в рыхлонасыпанном состоянии,
кг/м^. Для вяжущего марок 300...500 плотность принимают
1200 кг/м^ а для марок 150.. .200 - 1100 кг/м1
283
Расход неорганического пластификатора Гд (известкового
теста в кг на 1 м"* песка) определяют по формуле
F =0,17 1
1000
A1.11)
Минимальное количество объемных частей известкового
теста (Иц), приходящееся на одну объемную часть цемента и
необходимое для получения удобоукладываемого раствора,
рассчитывают по выражению
0,346/
Я -
0Д7-
1000
Щ. A1.12)
Это количество неорганического пластификатора является
ориентировочным; его уточняют опытной проверкой
подвижности растворной смеси.
Состав раствора в частях по объему будет следующим:
цемент : известь : песок = 1 : И^: П^.
Расход воды для получения раствора заданной подвижности
зависит от состава раствора, вида вяжущего и заполнителя и
устанавливается на опытных замесах. Для цементно-известковых
растворов подвижностью 9... 10 см расход воды 5 на 1 м^ песка
приближенно определяют по формуле
5-о,5(е,+ед A1.13)
где
бд-^^дРя- A1.14)
Расчету состава раствора должно предшествовать
определение 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
дозирования 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)
лопастным валом. Последние называются турбулентными
смесителями.
Рис. 48. Лопастной СО-46А (а) и турбулентный СБ-43Б (б) раство|/осмеситсли:
1 — рама; 2 - барабан; 3 - решетка; 4 - лопасть; 5 - привод; 6 - разгрузочное
устройство; 7 - бак
Растворосмесители с горизонтальным лопастным валом
выпускают вместимостью по готовому замесу 30; 65; 80; 250
и 900 л. Все эти смесители, за исключением последнего, ~
передвижные. Вместимость по готовому замесу турбулентных
смесителей, 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
продолжительность цикла перемешивания для тяжелых растворов должна
быть не менее 3 мин. Легкие растворы перемешивают дольше.
Для облегчения данного процесса известь и глину вводят в
раствор 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
загружают остальные компоненты.
Растворы, как правило, приготовляют на централизованных
бетонорастворных заводах или растворных узлах, что
обеспечивает получение продукции высокого качества.
Зимой для получения растворов с положительной
температурой составляющие раствора - песок и воду - подогревают до
температуры не более 60 °С. Вяжущее подогревать нельзя.
Транспортирование. Растворные смеси с заводов перевозят
автосамосвалами или специально оборудованным транспортом,
исключающим потери цементного молока, загрязнение
окружающей 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
автомашин утепляют или обогревают отработанными газами
двигателя.
На стройках растворную смесь подают к месту
использования по трубам с помощью растворонасосов.
Сроки хранения растворных смесей зависят от вида
вяжущего и ограничиваются сроками его схватывания. Известковые
растворы сохраняют свои свойства долго (пока из них не
испарится вода), а в высохший известковый раствор можно добавить
воду и вторично его перемешать. Цементные растворы
необходимо использовать в течение 2...4 ч; разбавление водой и
повторное перемешивание схватившихся цементных растворов не
допускается, так как это приводит к резкому снижению его
качества, 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.
Правильный выбор области применения растворов всецело зависит
от их свойств.
Свойства растворных смесей. Удобоукладываемость ~
способность растворной смеси легко распределяться по
поверхности основания сплошным тонким слоем, хорошо сцепляясь
с ней. Удобоукладываемая растворная смесь даже при укладке
на неровной поверхности заполняет все впадины и плотно
примыкает к камням кладки. Жесткий, неудобоукладываемый
раствор контактирует с основанием лишь частично, что снижает
прочность кладки в 1,5...2 раза. Удобоукладываемость
оценивают подвижностью смеси.
Подвижность растворной смеси характеризуется глубиной
погружения в нее эталонного конуса (рис. 49) массой 300 г,
высотой 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
назначения растворы должны иметь различную подвижность.
Рис. 49. Приборы для определения
подвижности растворной смеси в
лаборатории (а) и на рабочем месте (б):
1 - штатив; 2 - сосуд для раствора;
3 ~ конус; 4 - трубка; 5 - стрелка;
6 - шкала
Один из способов повышения подвижности растворной
смеси - увеличение содержания в ней воды, но при этом, чтобы
сохранить марку раствора и водоудерживающую способность сме-
287
си, увеличивают расход вяжущего. Более рациональный способ
увеличения подвижности - введение в раствор
пластифицирующих добавок.
Водоудерэюивающая способность - это способность
растворной смеси удерживать воду при нанесении на пористое
основание 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
транспортировании способна расслоиться: песок осядет вниз, а вода окажется
вверху.
Водоудерживающую способность увеличивают путем
введения в растворную смесь неорганических дисперсных
минеральных добавок и органических пластификаторов. Смесь с такими
добавками отдает воду пористому основанию постепенно, при
этом раствор становится плотнее, хорошо сцепляется с
основанием, повышается его прочность.
Расслаиваелюстъ - способность растворной смеси
разделяться 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
результате чего в трубах и шлангах могут образоваться пробки,
устранение 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
строительные растворы должны обладать определенной плотностью,
заданной прочностью, водонепроницаемостью и
морозостойкостью, 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/м^. По средней плотности
строительные растворы подразделяют на тяжелые и легкие. Рас-
288
творы средней плотностью - 1500 кг/м^ и более относят к
тяжелым; для их приготовления используют плотные заполнители с
насыпной плотностью не менее 1500 кг/м"^; легкие растворы
приготовляют на пористых заполнителях с насыпной
плотностью менее 1200 кг/м^.
Прочность строительного раствора характеризуют маркой,
которую определяют по пределу прочности при сжатии
стандартных образцов-кубов размером lOJxlOJxlOJ мм (для
кладочных и растворов стяжек, облицовочных и штукатурных
растворов с допустимой толщиной нанесения более 5 мм),
изготовленных из рабочей растворной смеси и испытанных в возрасте
28 сут. (первые 3 сут. для растворов на гидравлических
вяжущих - в камере нормального твердения, оставшееся время - на
воздухе при температуре B0 ± 5) °С и относительной влажности
F5 ± 10) %). Для кладочных растворов используют формы без
дна, установленные на пористое основание. Прочность на
сжатие 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 сэюатии (кгс/см^) для
растворов установлены льарки: 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
цементно-известковом и цементном вяжущих.
Прочность строительных растворов зависит от марки
вяжущего и его количества. Однако водовяжущее отношение в
данном случае не имеет существенного значения,^так как пористое
основание, на которое наносят раствор, отсасывает из него воду
и количество воды в разных растворах становится
приблизительно одинаковым.
Марки наиболее часто применяемых кладочных и
штукатурных растворов значительно ниже марок бетонов. Это
объясняется тем, что прочность кладочных растворов не влияет
существенно на прочность кладки из камней правильной формы, а
штукатурные растворы практически не несут никакой нагрузки.
Более высокие требования предъявляются к прочности
растворов для омоноличивания несущих сборных конструкций.
19 3ак.508 289
Водонепроницаемость строительного раствора важна для
наружных штукатурок зданий, стяжек на балконах, для
специальных гидроизоляционных растворов, штукатурок и т. д.
Затвердевший раствор содержит поры, следовательно, абсолютно
водонепроницаемых растворов нет.
Для повышения водонепроницаемости при приготовлении в
растворную смесь вводят добавки - колъматирующие (жидкое
стекло, битумную эмульсию, нитрат кальция) и гидрофобизи-
рующие (кремнийорганические жидкости ГКЖ-10, ГКЖ-11).
Морозостойкость характеризует долговечность
строительного раствора. В зависимости от числа циклов попеременного
замораживания и оттаивания, которые выдержат образцы-кубы с
ребром 70,7 мм в насыщенном водой состоянии, различают
следующие марки раствора по морозостойкости: F10, F15, F25, F35,
F50, F100, F150, F200 и F300. В значительной степени
морозостойкость раствора зависит от его плотности и
водонепроницаемости, вида вяжущего, водовяжущего отношения, введенных
добавок и условий твердения. Для повышения морозостойкости
растворов применяют воздухововлекающие добавки: смолу
древесную 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
внутренних 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
требований СНиПа устанавливаются основные требования к растворам
(марка, водонепроницаемость, морозостойкость) для возведения
или монтажа этой конструкции.
Кладочные растворы используют в зависимости от
расчетных 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
растворной смеси выбирают с учетом назначения раствора. При
кладке стен из пустотелого кирпича или керамических
камней 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.,Л4см.
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
монтажных 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
замедляется. Например, в возрасте 28 сут. прочность растворов,
твердеющих при температуре 1 ""С, вдвое ниже, чем при температуре
твердения 20 ""С. Поэтому зимой для каменной кладки и замоно-
личивания швов в сборных элементах применяют раствор с
маркой на одну-две ступени выше, чем для раствора, используемого
19* 291
для этих же целей летом. Растворы для зимних работ могут
выпускаться подогретыми. Температура раствора в момент его
применения должна быть не менее 10 °С при температуре
наружного воздуха минус 10... 15 ^С и не менее 20 °С - при
температуре воздуха ниже минус 20 ^С.
Таблица 20
Цементно-известковые и цементные растворы
для каменных конструкций
Марка
I
вяжущего
Соотношение компонентов для растворов марок
200
150
100
75
50
25
10
Составы цементно-известковых растворов для надземных конструкций
(цемент: известь: песок) при относительной влажности воздуха помещений
до 60 % и для фундаментов в маловлажных грунтах
500
400
300
200
150
100
50
25
1:0,2:3
1:0,1:2,51
1:0,3:4
1:0,2:3
1:0,1:2,51
1:0,5:5,5
1:0,4:4,51
1:0,2:3,5]
1:0,8:7
1:0,5:5,5!
1:0,3:4
1:0,1:2,51
1:0,9:8
1:0,6:6
1:0,3:4^
-
1:1,4:10,5
1:0,8:7
1:0,3:4
1:0,1:2
-
-
-
_
-
1:1,2:9,5
1:0,5:5
1:0,1:2,5
- 1
1:0,7:6
1:0,2:3
Составы цементно-известковых растворов для надземных конструкций
(цемент: известь: песок) при относительной влажности воздуха помещений
более 60 % и для фундаментов во влажных грунтах
500
400
300
200
150
100
1:0,2:3
1:0,1:2,5
-
-,
-
-
1:0,3:4
1:0,2:3
1:0,1:2,5
-
-
-
1:0,5:5,5
1:0,4:4,5
1:0,2:3,5
-
-
-
1:0,8:7
1:0,5:5,5
1:0,3:4
1:0,1:2,5
-
-
-
1:0,9:8
1:0,6:6
1:0,3:4
-
-
-
-
1:1:10,5
1:0,8:7
1:0,3:4
1:0,1:2
-
-
-
-
1:1:9
1:0,5:5
Составы цементных растворов для фундаментов и других конструкций
(цемент: песок), расположенных в водонасыщенных грунтах и ниже уровня
грунтовых вод
500
400
300
200
1:3
1:2,5
-
-
1:4
1:3
1 2,5
-
1:5,5
1:4,5
1:3
-
1:6
1:5,5
1:4
1-2,5
-
-
1:6
1:4
292
Температура смесей для монтажа конструкций должна быть
на 10 ^С выше, чем для кладочных.
Штукатурные растворы. В строительстве наиболее часто
применяется монолитная штукатурка, получаемая из
штукатурных растворов. Штукатурное покрытие состоит из двух или
более слоев. Сцепление с поверхностью основания обеспечивается
подготовительным слоем, или обрызгом, толщиной не более
5 мм по кирпичным и бетонным поверхностям и 9 мм - по
деревянным. 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
применяют природный песок групп «очень мелкий», «мелкий» и
«средний» (модуль крупности - до 2,0).
Максимально допустимый размер зерен песка для
подготовительных 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
поверхностях 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
цементные, известковые, гипсовые, цементно-известковые, из-
вестково-гипсовые, гипсовые и глино-известковые. Вяжущее
для растворов обычных 1йтукатурок выбирают в зависимости от
влажностных условий эксплуатации.
Цементные растворы применяют для наружных
штукатурок, подвергающихся систематическому увлажнению
(наружные стены, карнизы и т. п.), и внутренних - в помещениях с
относительной влажностью воздуха свыше 60 %. Для повышения
их водостойкости желательно применять гидрофобизирующие
добавки, например кремнийорганические жидкости.
Цементно-известковые растворы применяют при
оштукатуривании как фасадов зданий (конструкций, не
подвергающихся систематическому увлажнению), так и внутренних помеще-
293
НИИ. 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
относительной влажностью воздуха до 60 %. Основной недостаток
известковых растворов - медленное твердение. Для ускорения
их твердения добавляют строительный гипс. Наиболее удобны
известково-гипсовые растворы при оштукатуривании
деревянных поверхностей внутри помещений. Для повышения их
водостойкости 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
Наружная
штукатурка стен, цоколей,
карнизов,
подвергавшая
систематическому увлажнению, и
внутри - в
помещениях с
относительной влажностью
более 60 %
Наружная
штукатурка стен, не
подвергающихся
систематическому
увлажнению, и внутри - в
помещениях с
относительной
влажностью воздуха до 60 %
Вид
катуриваемой
поверхности
Каменная и
бетонная
Каменная и
бетонная
Деревянные
и гипсовые
Наименование
слоя
штука-
: турки
Обрызг
Грунт
Накрыв-
ка
Обрызг
Грунт
Обрызг
Грунт
Накрывка
Вид и состав раствора (Ц:П:(И, Г))
цементный
1:2,5 -.4
1:2. .3
1:1.-.1,5
-
-
-
-
-
цемент-
но-из-
вестко-
вый
1:0,3...
0,5:3.-.5
1:0,7. .1:
2,5...4
1:1...
1,5:1,5 ..2
1:0,5 ..
0,7:4...6
1:0,7...
1:3..-5
-
- -
11 .. i
1,5 2...3
известковый
-
-
-
1.2,5...4
1:2...3
-
-
1:1...2
известко-
во-гип-
совый
! -
~
-
~
~
1:0,3...
1:2..-3 1
1:0,5... 1
1,5-1,5. .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
предназначены для наружной и внутренней отделки различных пористых
поверхностей, выполнения штукатурных и шпатлевочных работ.
В зависимости от вида различают сухие и растворные смеси, а
такэюе пастовые составы^ а в зависимости от состава
входящих компонентов - минеральные, полимерминералъные и по-
лимерные составы.
Защитно-отделочные штукатурки должны удовлетворять
целому ряду специфических требований, связанных с их
назначением и условиями эксплуатации. Наиболее важными являются
прочность сцепления с основанием и морозостойкость.
Основные показатели качества защитно-отделочных штукатурок по
СТБ 1263-2001 приведены в табл. 22.
Стабильность этих показателей во времени зависит в
основном от свойств компонентов растворов, К вяэюущим для
декоративных растворов и составов, наносимых на наружные
поверхности 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,
например оксид хрома, железный сурик, графит, ультрамарин,
охра. Из белых пигментов наиболее употребительны известь,
мраморная мука, белый портландцемент, двуокись титана.
Заполнителями декоративных растворов служат мытые
природные и искусственные пески, крошка керамическая,
стеклянная, пластмассовая и дробленых горных пород с размером
частиц 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
Водоудерживающая
способность смеси, %,
|не менее
Цвет покрытия
Условная
светостойкость покрытия
(изменение коэффициента
диффузного отражения), %,
|не более
Прочность сцепления
покрытия с основанием,
МПа, НС менее
Водопоглощение
покрытия при капиллярном
подсосе, кг/м^, не более
Коэффициент паропро-
ницаемости покрытия,
Мг/(м ■ ч • Па), не менее
Морозостойкость
покрытия, марки
Атмосферостойкость
покрытия, циклы, не ;
менее 1
Штукатурка
Минеральная
внутренняя
95
j наруж-
1 пая
95
Полимерная
внутренняя
наружная
Полимерми-
неральная
внутренняя
95
наружная
95
Должен соответствовать образцу - эталону
изготовителя или эталону цвета картотеки j
0,2
0,05
_
5
0,5
3,0
0,04
35,50
50
0,4
0,02
_
5
0,8
1,0
0,01
50, 75,
100
100
0,4
0,03
_
5
0,8
2,0
0,02
75,lOoJ
100 J
Высокими физико-механическими свойствами, сравнимыми
с зарубежными аналогами, обладает полимерная защитно-
отделочная акриловая штукатурка, производимая предприятием
«Апимикс». Декоративные штукатурки «Апимикс-Ш»
производятся на основе 100%-го сополимера акрила, кварцевого песка
или мраморной крошки и добавок (антистатическая,
антигрибковая и антиплесенная) и окрашиваются неорганическими
пигментами. 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
наноситься на любое подготовленное основание. Штукатурки «Апи-
микс-Ш» весьма устойчивы к истиранию, стойки к ударам и
царапанью, трудно воспламенимы. Они рекомендуются для
отделки поверхностей стен на лестничных клетках, в вестибюлях,
кассовых залах, для престижной отделки офисных зданий и
украшения 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
(пластифицирующие) добавки. Растворы с добавкой растворимого стекла
или алюмината натрия быстро схватываются, что позволяет
использовать их для заделки трещин, из которых сочится вода.
Для гидроизоляционных растворов применяют
портландцемент, пуццолановый, сульфатостойкий и гидрофобный порт-
ландцементы, глиноземистый и расширяющийся цементы марок
не менее М400. В качестве мелкого заполнителя в
гидроизоляционных растворах для стяжек применяют песок с модулем
крупности 2...3.
Особенно надежно служат нанесенные методом
торкретирования гидроизоляционные растворы, модуль крупности песка
которых должен составлять 2,5...3,5, Такие растворы применяют
для покрытия стен бассейнов, трубопроводов, туннелей,
подвалов, подвергающихся действию агрессивных сред.
Теплоизоляционные и акустические растворы применяют
вместо обычных штукатурных растворов с целью повышения
теплозащитных свойств ограждающих конструкций или
придания им звукопоглощающих свойств.
В качестве заполнителей для теплоизоляционных и
акустических растворов применяют пори9тые пески: перлитовый -
марок 100, 150 и 200, керамзитовый - марок 500...700 и аглопори-
товый - 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
Гипсовое
Цемент
[ Цемент
Цемент
Вид
заполнителя
Перлитовый
Песок
Керамзитовый
песок
Аглопоритовый
песок
Соотношение
вяжущее:
заполнитель
1:4...1:8
1:4...1:8
1:6...1:8
1:8
Насыпная
плотность
сухой смеси,
кг/м^
300...400
400...500
700...1000
1200...1300
Средняя
плотность
раствора,
кг/м^
4G0...500
500...600
800... 1100 1
1400...1500
Рентгенозащитиые растворы. Это тяжелые растворы с
плотностью более 2200 кг/м^, применяемые для
оштукатуривания рентгеновских кабинетов и помещений, в которых ведутся
работы, связанные с рентгеновским или у-излучением. Такая
штукатурка заменяет обшивку свинцовыми листами. В качестве
вяжуш;их материалов используется портландцемент или шлако-
портландцемент и специальные тяэюелые заполнители (барит),
железные руды (магнезит, лимонит) и другие в виде песка и
пыли с размером частиц не более 1,25 мм. Может быть
рекомендован такой состав баритового раствора (мае. ч.): молотый
баритовый концентрат - 4; быстротвердеюш;ий портландцемент - 1;
поливинилацетатная дисперсия - 0,1; вода - до требуемой
подвижности.
Кислотоупорные растворы. Это растворы на
кислотоупорном 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/см^ и калиевое с силикатным модулем З...3,2 и
плотностью 1,30... 1,32 г/см^ (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
тонкомолотый наполнитель - порошок из кислотостойких пород (андезита,
диабаза). В наполнителе должно быть не менее 70 % зерен
размером 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
ниже 96 %, при этом активного кремнезема (способного
взаимодействовать со щелочью) должно быть 84...97 %. Расход
активной добавки составляет примерно 5...22 % от массы
тонкомолотого наполнителя.
Для повышения водонепроницаемости кислотоупорных
растворов применяют полимерные добавки, например фурило-
вый спирт. Составы кислотоупорных растворов приведены в
табл. 24.
Таблица 24
Составы кислотоупорных растворов
Наименование
компонентов
Жидкое стекло
Кремнефтористый натрий
[Тонкомолотый наполнитель
[Кварцевый песок
Добавка, содержащая активный
кремнезем
Фуриловый спирт
Расход материалов для составов, мае. ч.
1
1
0,15
1,1
3,3
-
-
2
1
0,15
1,04
3,27
0,05
-
3
1
0,17
1,74
1,74
-
0,03 1
299
11.4. Сухие смеси и их применение в строительстве
Сухие товарные смеси для изготовления
защитно-отделочных покрытий и растворов являются полуфабрикатами и
состоят из вяжущих (цемент, известь, гипс или смешанное),
фракционированного кварцевого песка (или минерального
наполнителя) и полимерных модифицирующих добавок.
В качестве вяжущего в растворах для наружных работ
применяется обычно портландцемент, в том числе белый и
цветной. Вместо кварцевого песка может использоваться
декоративная 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
прочность сцепления покрытия с основанием добавки.
Основными операциями при изготовлении сухих смесей
являются: сушка и классификация песка, дозирование
компонентов, смешение и фасовка. Статус общепризнанного стандарта в
производстве сухих смесей принадлежит одновальным
горизонтальным смесителям, работающим в центрифужном режиме. Их
главные особенности: простота конструкции, высокая
интенсивность, отсутствие мертвых зон и возможность разгрузки без
остатков.
В отличие от технологий изготовления традиционных
растворных смесей технологии изготовления сухих смесей
позволяют получать их со строго оптимизированным фракционным
составом наполнителей и точным дозированием исходных
компонентов. Точное соблюдение требований по подготовке
исходного 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
инструкции, прикладываемой к каждой упаковке.
По сравнению с традиционными растворными смесями
модифицированные сухие смеси имеют следующие преимущества:
• существенно повышается качество строительных работ
вследствие стабильности их составов и эффективного
перемешивания;
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
следующим признакам:
• по виду вяэюущего - цементные (цементосодержащие) и
бесцементные;
• по дисперсности наполнителя - крупнозернистые (размер
зерен наполнителей - не более 2,5 мм) и тонкодисперсные
(размер 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
штукатурных теплоизоляционных системах;
затирочные (фуги) - для заполнения швов между
облицовочными плитками;
гидроизоляционные - для устройства вертикальной и
горизонтальной гидроизоляции цоколей, подвалов,
фундаментов и др.;
штукатурные защитно-отделочные - для устройства
внутренней и наружной декоративной отделки зданий;
самонивелирующиеся - для устройства стяжек и оснований
полов;
шпатлевочные - для заделки раковин и неровностей на
основаниях из бетона и штукатурки;
окрасочные - для внутренней и наружной отделки зданий;
штукатурные ~~ для выравнивания стен и потолков;
грунтовочные - для улучшения сцепления отделочных
слоев с основанием.
Сухие растворные смеси производит завод сухих смесей
ОАО «Забудова» по технологии финской фирмы «Partek
Concrete Engineering Ltd». Оборудование завода позволяет
выпускать 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
химические добавки (например, в качестве водоудерживаюш;их -
добавки 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
полимерного порошка (превращение порошка в дисперсию)
происходит без коагуляции.
Предприятие «Апимикс» - отечественный производитель
акриловых декоративных штукатурок, грунтовок, клеев для
укладки 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
соответствующий 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
древесностружечные плиты) и укрепляет его.
Воднодисперсионная краска «Апимикс-люкс» на основе со-
полимерной акрилатной дисперсии производится: белая - для-
окраски потолков, моющаяся - для интерьерной отделки, с
повышенной адгезией и атмосферостойкостью - для внутренней и
наружной отделки. Кроме водо- и атмосферостойкости
покрытие характеризуется диффузной паропроницаемостью и
устойчивостью против щелочей.
Клей для плитки «Апимикс-К, Кф» представляет собой
однородную сухую смесь, состоящую из домолотого цемента,
фракционированного 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
используют 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
удобоукладываемость бетонной смеси?
5. Каковы основные формулы для расчета состава бетона по методу ИИИЖБа?
6. 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
коэффициент 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 врем/ени?
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 штз^атурные растворы от кладочных и монтажных?
32. Как получают защиггно-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
изготовления силикатного кирпича составляет 170... 180 ^С, а время
термообработки ~~ 10... 14 ч, тогда как керамический кирпич
обжигают при 900...1100 ""С в течение 24...30 ч. Таким образом,
затраты топлива на производство силикатного кирпича гораздо
меньшие, чем керамического. Другие виды безобжиговых
стеновых 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,
керамические 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
расширяется производство ячеистобетонных блоков, стеновых
камней из местного сырья, блоков и панелей из гипсобетона и
других укрупненных изделий, что снижает в 3...6 раз расход
кладочного 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
прочных и водостойких искусственных каменных изделий, так как в
естественных условиях она твердеет очень медленно и изделия
получаются небольшой прочности (L..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 °С) извести и кремнеземистого
компонента (песка) могут быть получены очень прочные,
водостойкие и долговечные изделия. Растворимость Са(ОНJ
падает с повышением температуры A,3 г/л при 25 °С и 0,15 г/л при
174 ^^С), а Si02 - резко возрастает @,006 г/л при 25 °С; 0,01 г/л
при 150 °С и 0,18 г/л при 175 °С). Таким образом, при
температуре 150...200 °С и давлении 0,9...1,3 МПа твердение происходит
за счет образования между зернами кремнезема реакционной
прослойки из гелевидных низко- и высокоосновных
гидросиликатов кальция:
Са(ОНJ + S1O2 + Н2О ~> пСЮ • Si02 • тЯ20.
Изобретение Михаэлиса было использовано для
производства так называемого силикатного (известково-песчаного)
кирпича.
Силикатный кирпич - искусственный безобжиговый
стеновой материал, изготовляемый из смеси кварцевого песка и
гашеной извести прессованием с последующим затвердеванием
в автоклаве под действием пара высокого давления и
температуры.
Технология производства кирпича включает следующие
технологические переделы: приготовление вяжущего (помол
извести с частью песка); дозирование компонентов: вяжущего -
15...25 %, кварцевого песка - 75...85 %; смешивание
компонентов с добавлением воды, гашение извести и растирание
компонентов 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
осуществляют в аппаратах периодического или непрерывного
действия. Прессование кирпича производится на револьверных
прессах. Последний выполнен в виде карусели; имеет зоны для
заполнения прессформы смесью, прессования, выпрессовки и
съема сырца. Формовочная влажность смеси составляет 5...7 %.
Кирпич на вагонетке направляют для твердения в автоклав,
который представляет собой толстостенный стальной цилиндр
20 3dK 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 °С кирпич твердеет
8...12Ч.
Выпускают одинарный B50x120x65 или 250x88x54 мм) и
утолщенный B50x120x88 мм) силикатный кирпич, а также
силикатные камни B50x120x138 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,
выпускают также кирпич цветной, окрашенный в массе или по
лицевым поверхностям щелочестойкими пигментами в голубой,
зеленоватый, желтый и другие светлые цвета.
Для силикатного кирпича и камней установлены марки: в
зависимости 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
сжатии, 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
фундаментов 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
высоких температур (кладка печей, труб и т. п.). Более высокая
плотность A600.,. 1800 кг/м^) силикатного кирпича по
сравнению с керамическим обусловливает и более высокую
теплопроводность стен.
Кроме известково-песчаного силикатного кирпича
выпускают известково-шлаковый и известково-зольный, в которых
вместо песка частично или полностью используют промышленные
306
отходы: золы ТЭС и шлаки. Свойства этих видов кирпича
аналогичны свойствам известково-песчаного.
Силикатобетонные изделия получают в результате
автоклавного твердения рационально подобранной смеси известко-
во-кремнеземистого вяжущего и заполнителей.
Преимущественно применяются мелкозернистые силикатные
бетоны. Технология производства силикатобетонных изделий
заключается в приготовлении известково-кремнеземистого
вяжущего путем совместного помола извести и песка с добавкой
гипса, дозирования компонентов смеси (вяжущего, мелкого
заполнителя и воды), перемешивания бетонной смеси,
формования изделий и их автоклавной обработки.
Помол компонентов вяжущего производят в шаровых
барабанных мельницах до удельной поверхности 4500...5500 см^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
составляет 200 кг/м^, мелкого - 280 кг/м^. Компоненты смеси загружают
в смеситель с принудр1[гельным 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 °С.
Изделия формуют из жестких силикатобетонных смесей с
температурой 20...25 °С с помощью бетоноукладчика и
виброплощадки 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
изделий арматуру предварительно защищают от коррозии
окунанием каркаса в емкость с антикоррозийной мастикой.
По основным строительным свойствам силикатные бетоны
близки к цементным. Для них справедливы и основные
зависимости свойств от технологических параметров, установленные
для цементных бетонов. Существуют марки бетона по
прочности от М75 до М700, средняя плотность - от 2000 до 2400 кг/м^.
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
также 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
различные способы, главными из которых являются:
дополнительная обработка (пропитка битумом, карбонизация, покрытие
кремнийорганическими водоотталкивающими соединениями);
создание водостойкой гидросиликатной связи из
малорастворимых силикатов кальция введением добавки доменного
шлака 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
признакам.
По назначению бетоны подразделяют на теплоизоляционные
(средней плотностью 250...400 кт/м), теплоизоляционно-
конструкционные (средней плотностью 500...900 кг/м^),
конструкционные (средней плотностью 1000... 1200 кт1м) и
специальные (звукоизоляционные, жаростойкие и др.).
По прочности при сжатии ячеистью бетоны выпускают
следующих классов: ^
• теплоизоляционные - В0,5; В0,75; В 1,0;
• теплоизоляционно-конструкционные - В 1,0; В 1,5; В2,0;
В2,5;ВЗ,5;В5;В7,5;В10;
• конструкционные-В7,5; В10; В12,5; В15.
По морозостойкости ячеистые бетоны бывают марок от F15
доРЮО.
По условиям твердения различают автоклавные бетоны,
твердеющие в среде насыщенного водяного пара под давлением
308
выше атмосферного и температуре свыше 170 ^С, и неавтоклав-
ные, твердеющие в среде насыщенного водяного пара при
температуре 80,. .90 °С или естественного твердения.
По виду вяэюущего различают ячеистые силикаты
(газосиликат, 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
смешанного вяжущего, а также бетоны на основе шлаковых
вяжущих, 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 порообразователя различают газобетоны, пенобето-
ны и аэрированные бетоны. В первых вспучивание бетонной
смеси осуществляют введением газообразователя, во-вторых -
смешиванием минеральной композиции со специально
приготовленной пеной и в последнем случае - вовлечением в
минеральную композицию воздуха при перемешивании.
Образовавшиеся поры представляют собой замкнутые ячейки диаметром
1...2 мм, разделенные тонкими стенками затвердевшей бетонной
смеси.
Пенобетон приготовляют смешиванием минеральной
композиции (вяжущего, кремнеземистого компонента и воды) со
специально приготовленной пеной. После затвердевания пенобе-
тонной смеси образуется бетон ячеистой структуры. В качестве
пенообразователей применяют клееканифольный
пенообразователь, сапониновый (вытяжка из растительного мыльного корня)
и синтетические ПАВы - продукты нефтепереработки и
нефтехимического синтеза (сульфонолы, алюмосульфонафтеновый,
вещество «Прогресс» и др.). Пенобетон приготовляют в двух-
или трехбарабанной пснобетономешалке. При этом раствор
пены 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 °С и давлении пара
0,8...1,2МПа гидроксид кальция интенсивно взаимодействует
309
с кремнеземистым компонентом. При этом образуется
гидросиликат кальция, обладающий довольно высокими прочностью и
долговечностью.
Газобетон готовят путем смешивания воды,
кремнеземистого компонента и вяжущего с введением в уже перемешанную
смесь газообразователя - алюминиевой пудры, пергидроля
(водный раствор перекиси водорода Н2О2) и др. Наиболее
распространенным газообразователем является алюминиевая пудра
ПАП-1, ПАП-2 (ГОСТ 549Ф-95) или смесь пудры с ПАВ
(алюминиевая паста). Процесс газообразования происходит в
результате химического взаимодействия алюминия с гидроксидом
кальция по реакции
2А1 + ЗСа(ОНJ + 6Н2О = ЗСаО • А^Оз • 6Н2О + ЗН2 Т.
Выделяющийся водород вспучивает минеральную
композицию, которая, затвердевая, сохраняет ячеистую структуру.
Расход алюминиевой пудры на 1 м^ готового газобетона со
средней плотностью 500...800 кг/м^ составляет 500.^.200 г. Чем
больше вводят алюминиевой пудры, тем больше выделяется
водорода 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
газобетонную смесь в металлические формы с таким расчетом,
чтобы после окончания процесса вспучивания форма была
заполнена доверху.
Вспучивание смеси, как правило, производят на ударных
виброплощадках, 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
схватывания сырца разрезают на отдельные элементы (резательная
технология),
310
Во всех случаях необходима операция по удалению
горбушки. Обычно горбушку удаляют после схватывания смеси и в
виде 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
бетонах используют природный кварцевый песок или
кремнеземистые отходы промышленности (золы ТЭС). Песок подвергают
мокрому помолу в шаровых мельницах до удельной
поверхности 1500...2500 см^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
твердению.
Добавки вводят в бетонную смесь для регулирования струк-
турообразования, нарастания пластической прочности,
ускорения твердения, пластификации бетонной смеси.
311
Свойства ячеистых бетонов в основном зависят от их
средней плотности и влажности. Снижение средней плотности
ячеистого бетона на 100 кг/м^ уменьшает теплопроводность бетона
на 20 %. И наоборот, с каждым процентом увеличения
влажности теплопроводность возрастает на 7...8,5 %. Для уменьшения
поглощения влаги из воздуха наружные поверхности изделий из
ячеистых бетонов защищают фактурным слоем плотного шт>тса-
турного раствора, покрывают перхлорвиниловыми, акриловыми
или цементными красками или пропитывают гидрофобизирую-
щими составами.
На каждый вид изделия установлена максимально
допустимая 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
теплоизоляционные изделия для жилищного и гражданского
строительства. Мелкие стеновые блоки - наиболее распространенный
вид продукции из него. Блоки выпускаются плотностью от 350
до 1100 кг/м^ классов от В 1,0 до В 12,5. Их используют для
возведения стен и перегородок, а также как утеплитель для стен из
силикатного кирпича (тяжелого бетона). Блоки позволяют
заменять силикатный и глиняный кирпич. При этом более чем в два
раза уменьшается масса стены. Для утепления стен, кровли и
оборудования из ячеистого бетона выпускают
теплоизоляционные плиты средней плотностью 300...400 кт1м. Из
крупноразмерных изделий производят навесные панели для наруэюных
стен зданий, панели перекрытия и др.
Ячеистые бетоны хорошо поддаются сверлению и
распиливанию, в них можно легко забивать гвозди.
При использовании ячеистого бетона в ограждающих
конструкциях его наружную поверхность необходимо защищать от
контакта с водой или гидрофобизировать. Для стен подвшюв,
цоколей и других частей зданий, где возможно сильное
увлажнение бетона, применение ячеистого бетона запрещается.
312
12.3, Гипсовые и гипсобетонные изделия
Изделия на основе гипса получают как из гипсового
теста (т. е. из смеси гипса и воды), так и из смеси гипса, воды и
заполнителей. В первом случае изделия называют гипсовыми, во
втором - гипсобетонными. Иногда вместо гипса применяют
более 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
смесям добавляют вспенивающие вещества.
Гипс - воздушное вяжущее, поэтому гипсовые и
гипсобетонные изделия применяют в основном для внутренних частей
зданий, не несущих больших нагрузок. Изделия из гипса могут
быть сплошными и пустотелыми, армированными и неармиро-
ванными.
Гипсовые изделия имеют невысокую плотность A100...
...1400 кг/м^), несгораемы, хорошо изолируют от шума,
поддаются 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
водостойкость, 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
цели 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
прочности при сжатии бетонов на ГЦПВ через 2 ч составляет 20.. .30 %
от 28-с>точной прочности. Это позволяет распалубливать
изделия вскоре после формования.
313
Из гипсобетонов изготовляют различные строительные
изделия - от мелких камней до крупных панелей. Мелкие стеновые
камни выпускают из чистого гипса плотной или ячеистой
структуры и из легких гипсовых бетонов. Широко применяются
камни с тремя рядами щелевидных пустот по ширине,
расположенных в шахматном порядке. Гипсовые камни выпускают
размерами 250x120x140 мм, 390x190x140 мм и др. Средняя плотность
гипсобетонных пустотелых камней - 1000... 1350 кг/м^,
влажность ~ не более 8 %, морозостойкость - не менее 10... 15 циклов.
Гипсобетонные панели выпускают размером на комнату
(высотой - до 3 м, длиной - до 6 м, толщиной - 60... 100 мм),
сплошными и с проемами для дверей и фрамуг. Панели,
предназначенные для помещений с влажностью не более 60 %,
изготовляют из бетона на строительном гипсе прочностью при
сжатии не менее 3,5 МПа, для санузлов и вентиляционных
коммуникаций - 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
панелей в высушенном состоянии составляет 1100... 1400 кг/м^.
Получают гипсобетонные панели методами непрерывного
проката или вертикального формования в кассетах. Панели
армируют каркасом из деревянных реек, а по контуру панели
выполняют обвязку из деревянных брусков. Весь цикл
производства 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
высушивания. Плиты изготовляют в разборных формах или на
карусельных 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/м\
прочность 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
гипсового сердечника, прочно соединенного с картонной
оболочкой. Технологический процесс производства гипсокартонных
листов включает приготовление формовочной массы,
подготовку картона, формование непрерывной ленты штукатурки,
разрезание ее на отдельные листы после схватывания гипса и сушку в
многоярусных туннельных сушилках. В гипсовое тесто при
перемешивании вводят пенообразующие добавки для снижения
плотности, органические волокна с целью армирования
гипсового 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/м^, влажность их - не более 1 %. Гипсоволокнистые
плиты без оболочки размерами 1000x1200x10 A2) мм
используют 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
достигается высокая производительность труда каменщика, а стоимость
1 м^ 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
наружных несущих и ограждающих конструкциях, во внутренних
стенах и перегородках гражданских и промышленных зданий, а
также в архитектурных элементах и малых формах. Для
фундаментов камни изготовляют только из тяжелого бетона без
пустот. Лицевые камни могут быть окрашены пигментами, с
декоративным 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 М35 получают из легких бетонов на
пористых 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
вибропресс. Из керамзитобетонной смеси следующего состава:
цемента - 230 кг, песка -170 кг, керамзита - 520 кг и воды ~ 170...
...200 л - формуют блоки, укладывают на стеллажи и
направляют на тепловую обработку в напольные щелевые пропарочные
камеры. Для сокращения энергозатрат смесь подогревают до
40 ^С, 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 «Demler» работают в ПО «Лида-
стройконструкция» и на ССК, г. Слуцк.
Цементно-песчаные блоки на оборудовании американской
фирмы «Besser» выпускает СП «Бессер-Бел».
Технологическая линия включает: формовочный конвейер с вибропрессом,
конвейер распалубки, конвейер возврата поддонов,
перегружатель, камеры тепловлажностной обработки, ленточный конвейер
подачи бетонной смеси из бстоносмесительного цеха. Марки по
прочности готовых блоков - от Ml50 до МЗОО, средняя
плотность - 1700...2200 кт1и. 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,
выполняющее роль теплоизоляции. Свежеотформованный
пустотелый блок заливают пеноцементом (пеногипсом) и подают на
тепловлажностную обработку. Предварительно в турбулентном
растворосмесителе готовят пену на основе раствора СДО и
извести, а затем вводят цемент. Средняя плотность псноцемента
р - 350...400 кг/м^ Лсж^ 0,3...0,4 МПа.
Опилкогипсоцементные блоки формуют из смеси
примерного состава: цемента - 180 кг, гипса - 500 кг, опилок -
100... 130 кг (в зависимости от влажности), воды - 650 л, добав-
316
Рис 51. Технологическая схема линии «Besser»: 1 - камера твердения; 2 - перегружатель;
3 - вибропресс; 4 ~ ленточный конвейер подачи бетонной смеси; 5 ~ узел приготовления
бетонной смеси; 6 - конвейер распалубки
ка лет - 9 л. Производство блоков организовано на
передвижной установке. Одновременно формуют восемь пустотелых
блоков объемом по восемь кирпичей каждый. Формовочную смесь
заливают в гнезда формующей установки, выравнивают
поверхность, дают 10-минутную выдержку и гидроцилиндрами
выталкивают блоки. Средняя плотность блоков ~ 800 кг/м^, марка по -
прочности М20. При использовании блоков для возведения
наружных 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
общественных зданий и сооружений. При этом блоки и камни с
использованием органического заполнителя или воздушных вяжущих
для наружных стен необходимо защищать от увлажнения.
Наибольшее 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
изделий?
8. Какие изделия называют гипсовыми и гипсобетонными? Чем
различаются их свойства? Назовите виды изделий и поясните технологию
изготовления.
9. Какие свойства характерны для стеновых камней и блоков? Где их
используют?
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
работает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению.
Прочность бетона на растяжение составляет всего около Vio...Vi5
его прочности на сжатие. Это затрудняет его применение в ряде
строительных конструкций - плитах перекрытий, прогонах,
балках. В сечениях таких конструкций возникают не только
сжимающие, 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
называют комплексный строительный материал, в котором бетон и
стальная арматура замоноличены взаимным сцеплением и
совместно 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-
тов^ Кроме того, плотный бетон (с достаточным содержанием
цемента) защищает стальную арматуру от коррозии, а также от
непосредственного действия огня при пожаре. Это делает
железобетонные конструкции весьма стойкими и долговечными.
Каменные конструкции, армированные металлом, были
известны давно, но в современном виде железобетон появился
лишь во второй половине XIX в., когда было освоено
промышленное производство портландцемента. В настоящее время
это - основной конструкционный материал и в жилищном, и в
^ Более точные интервалы этих коэффициентов: для бетона ~ @,7...
,.. 1,48)' 10~^ град'^, для стали - 1,1 • 10"^ град"^.
319
промышленном строительстве. Из железобетона выполняют
разнообразные строительные конструкции и изделия. Их
классифицируют по способу производства, виду применяемого
бетона, виду напряженного состояния.
гл
с и
/'У'Л
,JL.^r^
Л .у
-\:
К
1 А-А
\^ S'
\у
Б-Б
Рис 52 Балка прямоугольного сечения под нагрузкой' а - бетонная;
б - железобетонная; 1 - сжатая зона; 2 - нейтральный слой; 3 -
растянутая зона, 4 - арматура; 5 - трещины
По способу производства различают монолитные, сборные и
сборно-монолитные конструкции Монолитные конструкции
изготовляют непосредственно на месте строительства,
укладывая бетонную смесь в опалубку. Сборные изделия и конструкции
производят в виде крупноразмерных элементов на
специализированных заводах, транспортируют к месту строительства и
затем монтируют в сооружение. Сборно-монолитные конструкции
представляют собой сочетание сборных элементов с
монолитным бетоном.
По виду применяемого бетона различают конструкции из
тяэюелого и легкого бетонов на пористых заполнителях. Кроме
того, изготовляют конструкции из ячеистого и специальных
бетонов, например жаростойкого.
В зависимости от вида напряэюенного состояния
конструкции могут быть обычными и предварительно напряженными.
320
в обычных ж:елезобетонных конструкциях стальная арматура и
бетон не испытывают заметных напряжений jxo начала
приложения 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
напряжения воспринимает стальная арматура, обеспечивая заданную
несущую способность конструкции. Поэтому в ряде случаев
допускается раскрытие трещин в бетоне до нормируемой
величины, 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
другого. 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
хранения жидкостей и газов, к частям сооружений, подверженных
агрессивному влиянию окружающей среды. Кроме того,
экономически целесообразно использовать в железобетонных
конструкциях высокопрочную сталь. Чтобы сократить расход стали и
повысить несущую способность изделий, применяют
предварительное напряжение железобетона.
Предварительно напряэюенными 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
натяжения арматуры. Для этой цели применяют высокопрочную
арматурную сталь в виде стержней, проволоки, канатов или
пучков. Вначале арматуру растягивают jxo 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
нагрузку. В результате стержни стремятся вернуться к
первоначальной (до натяжения) длине и обжимают прочно сцепленный
с ними бетон. Таким образом, после передачи предварительного
напряжения бетон оказывается сжатым, а арматура -
растянутой.
Применяют два способа создания предварительного
напряжения: 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
заданного напряжения (рис. 53а). Затем производят бетонирование.
После приобретения бетоном заданной прочности арматуру
освобождают из упора; происходит так называемый отпуск
натяжения. В результате усилие натяжения арматуры передается на
бетон (рис. 536).
:z:
Й
y//V/A .:''>:■■ t- >/,-' уу у ^/ <^^v^ 'Л »)J//
/
л -N^W^NS.; -
{^
:)■■
/?
g^^^.•^Vч--J^^^^^^c'^cC^-<^:::I^
t^^y- -"-у^ '•--- -^ >^rN: ^>ч^Ч<->^^^>^
Рис 55. 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 -
анкер; 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 "^С, 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
натяжения.
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
прочность, в каналы вводят арматуру и натягивают ее
непосредственно 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
обеспечивает совместную работу арматуры с бетоном на всех стадиях
изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций,
предохраняет арматуру от агрессивной среды, высокой температуры.
Толщину защитного слоя бетона назначают в зависимости от
вида и диаметра арматуры, размера сечения конструкции и
класса по условиям эксплуатации. В частности, при изготовлении
конструкций, эксплуатируемых внутри помещений без
воздействия агрессивных сред (класс по условиям эксплуатации ХО по
СНБ 5.03.01), толщина защитного слоя бетона должна быть не
менее 20 мм. Для ненапрягаемой арматуры конструкций,
подвергающихся 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
превосходят бетонные по несущей способности и другим
механическим свойствам. Особенно эффективны предварительно напря-
21* 323
женные конструкции. В сравнении с обычными они обладают
более высокой трсщиностойкостью, лучше сопротивляются
динамическим нагрузкам, хорошо противостоят коррозионным
воздействиям.
Более 85 % всех железобетонных конструкций,
применяемых в гражданском и промышленном строительстве,
составляют типовые унифицированные конструкции, при разработке
которых в качестве одного из основных учтено требование
заводской технологичности изделий. Это обусловливает
предельную массу, размеры, форму и сечение элементов, их
армирование и др.
Сборные железобетонные элементы выполняют в основном
линейными, плоскостными или блочными. К линейным
элементам относятся колонны, фермы, ригели, балки, прогоны; к
плоскостным - плиты покрытий и перекрытий, панели стен и
перегородок, стенки бункеров и резервуаров, подпорные стенки и
другие; к блочным - массивные изделия фундаментов, стен
подвалов 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
оборудования длина элементов, как правило, не превышает 25 м, ширина -
3 м и масса - 25 т.
Для устройства стыков элементов конструкций широко
применяют выпуск из бетона концов арматурных стержней. Такие
выпуски арматуры, за исключением выпусков по верхней
открытой 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
различных каркасных зданий и сооружений. В последние годы в
Республике Беларусь возводят каркасные многоэтажные жилые
дома (рис. 54) с плоскими дисками перекрытий.
324
«tit
Piic 54 Возведение каркасного жилого дома улучшенной
планировки с высокими энергосберегающими свойствами
Применен сборно-монолитный пространственный каркас с
плоскими дисками перекрытий и поэтажно опирающимися на
перекрытия 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
материалоемкость и массу здания (по сравнению с КПД) примерно вдвое и,
как следствие, на 25...30 % сократить себестоимость
строительства. Конструкция здания обеспечивает сокращение потерь
теплоты при эксплуатации на 45...60 % по сравнению с
крупнопанельным домом. Не ограничено разнообразие
объемно-планировочных 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
подразделяется на рабочую, конструктивную (распределительную) и
монтажную. Рабочая арматура воспринимает усилия, возникающие
под действием нагрузок на конструкцию и ее собственной
массы. Количество арматуры рассчитывают в соответствии с этими
нагрузками. В зависимости от ориентации в железобетонной
конструкции рабочая арматура может быть продольной или
поперечной.
Продольная рабочая арматура воспринимает усилия
растяжения 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,
действующих при изгибе под углом 45° к продольной оси балки, стержни
2 и 3 отгибают. В колоннах продольную арматуру
устанавливают 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
обеспечивает цельность конструкции, учитываемой при расчете
прочности, а также в распределении действия сосредоточенных сил
326
или ударной нагрузки на большую площадь. Стержни рабочей и
распределительной арматуры сваривают либо связывают в
единый пространственный каркас или плоские сетки. Иногда
распределительную арматуру используют для того, чтобы придать
арматурному каркасу необходимую жесткость.
А-А
5 3 2
Рис. 55. Армирование балки: I - распределительная арматура; 2, 3, 5 -
продольные рабочие арматурные стержни; 4-поперечная арматура (хомуты);
6 - монтажные петли
Конструктивная арматура слуокит для восприятия таких
усилий, на которые конструкцию не рассчитывают. В частности,
сюда относятся усилия от усадки бетона, температурных
деформаций. Конструктивную арматуру обязательно устанавливают в
местах резкого изменения сечения конструкций, где происходит
концентрация напряжений.
Монтаэюную арматуру устанавливают в зависимости от
конструктивных и технологических требований, она не имеет
непосредственного статического значения. Монтажная арматура
необходима для создания из рабочих и конструктивных
стержней жесткого транспортабельного каркаса. Рабочая и
конструктивная арматура одновременно могут вьтолнять функции монтажной.
По способу изготовления стальную арматуру
железобетонных конструкций подразделяют на горячекатаную стержневую,
холоднотянутую проволочную и проволочную обыкновенную
катаную.
327
Стержневую арматуру железобетонных конструкций
изготовляют следующих видов: горячекатаную - диаметром 6...80 мм;
термически или термомеханически упрочненную ~ диаметром
6...40 мм; упрочненную вытяжкой - диаметром 20...40 мм.
Стерэюневую горячекатаную арматуру в зависимости от
механических характеристик подразделяют на шесть классов,
условно обозначаемых A-I (А240), А-П (АЗОО), А-Ш (А400),
A-IV (А600), A-V (А800), А-VI (А1000). Арматуру класса
A-I (А240) выпускают гладкого профиля, остальных классов -
периодического. В арматурных стержнях класса А-П (АЗОО)
профиль образован двумя диаметрально расположенными
продольными ребрами и многочисленными поперечными выступами,
идущими по винтовым линиям с одинаковым заходом (рис. 56а).
В арматуре остальных классов поперечные выступы
расположены «в елочку» (рис. 566).
Термическому и термомеханическому упрочнению
подвергают стержневую арматуру десяти классов; в ее обозначении
упрочнение отмечается дополнительным индексом т: Ат400С,
Ат500С, АтбОО, АтбООС, АтбООК, Ат800, Ат800К, АтЮОО,
АтЮООК и Ат1200. Буква С указывает на возможность
стыкования стержней сваркой, К - на повышенную стойкость арматуры
против коррозионного растрескивания. Арматурную сталь
изготовляют с периодическим профилем согласно ГОСТ 5781-82
или ГОСТ 10884-94.
Стержневую арматуру, упрочненную вытяж:кой,
производят 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 Jh- Для стержней гладкого профиля (класса A-I
(А240)) номинальный диаметр равен фактическому. В стержнях
периодического профиля J„ соответствуют диаметрам
одинаковых 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
арматуры, PviM, АтбООС - арматура термически упрочненная свариваемая.
328
%JiJtuuUiLJtJ(LJo
^Ц-^
^^/"K^J
л^
-1
A-A
;Y>
4^
/) ^
Ar
-J
4
t*^
Их4
к-
в
Рис. 56. Арматурная сталь классов: а - А-П (АЗОО); б - А-1П (А400);
б, B-A-IV(A600) A-V(A800), A-VI(AIOOO); г-Вр-I; д-Вр-П;
е - семипроволочный арматурный канат
Классификация и механические характеристики
стержневой арматуры
Класс
арматуры
A-I (А240)
А-П (АЗОО)
Ас-П (АЗОО)
A-II1 (А400)
A-IV (А600)
A-V (А800)
А-VI (А 1000)
Ат400
Ат500
АтбООС
АтбОО
АтбООК
Ат800
Ат800К
АтЮОО
Ат1200
Марки сталей
СтЗкп; СтЗпс; СтЗсп
ВСт5сп2; ВСт5пс2
18Г2С
ЮГТ
35ГС; 25Г2С j
32Г2РПС
80С
20ХГ2Ц
23Х2Г2Т
20Х2Г2СР
22Х2Г2АЮ
22Х2Г2Р
СтЗсп, СтЗпс
БСт5пс; БСт5сп;
ВСт5пс; ВСт5сп
25Г2С; 35ГС; 28С; ,
27ГС
20ГС
08Г2С; 25С2Р; 10ГС2
08Г2С; 25Г2С; 28С
20ГС; 10ГС2;22С
35ГС; 25С2Р; 20ГС2
35ГС; 25С2Р
20ГС; 20ГС2; 25С2Р
30ХС2 1
Диаметр
армату-
i ры4,
мм
6...40
10...40
40... 80
10.,.32
6...40
6...22
10...18
10...32
10...32
10...22
6...40
6...40
10...40
10...40
10...32
18...32
18...32
10...32
Предел
текучести,
МПа, не
менее
235
294
294
392
590
785
-
980
400
500
600
600
590
800
785
1000
10...32 1 1200 i
Временное
сопротивление
разрыву,
МПа, не
j менее
1 373
490
441
590
883
1030
1230
550
590
800
800
785
1000
980
1250
1450 1
Относительное
удлинение, %,
не менее
i 25
19 1
25
14
6
7
6
16
14
12
12
11
8
7 1
7 ]
6 J
С повышением класса арматуры возрастает ее прочность,
характеризуемая пределом текучести и временным
сопротивлением разрыву. Одновременно уменьшается относительное
удлинение после разрыва. Наибольшее удлинение наблюдается в
арматуре класса A-I (А240) - не менее 25 %.
330
Арматурную сталь классов A-I (А240) и А-П (АЗОО)
диаметром до 12 мм и класса А-Ш (А400) диаметром до 10 мм
включительно поставляют в мотках или прутках, а сталь этого же
класса 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,
конструктивную и поперечную рабочую). Сталь хорошо сваривается. Из
стали класса A-I (А240) марок ВСтЗсп2; ВСтЗпс2 производят
монтажные (подъемнью) петли железобетонных элементов, а также
закладные детали.
Арматура класса А-П (АЗОО) обладает более высокими
механическими свойствами. Область ее применения та же, что
и арматуры класса A-I (А240). Периодический профиль
улучшает сцепление арматуры с бетоном, и это позволяет считать
железобетонные конструкции, армированные сталью класса
А-П (АЗОО), более эффективными.
Арматуру класса А-Ш (А400) наиболее часто применяют
при изготовлении конструкций, не подвергаемых
предварительному напряжению. Арматура данного класса бывает как
рабочей, так и конструктивной. Кроме того, из арматуры класса
А-Ш (А400) диаметром 6 и 8 мм выполняют поперечные
стержни сварных сеток.
Арматуру класса A-IV (А600) выпускают того же
периодического 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
А-Г/ (А600) используют для изготовления продольной рабочей
арматуры сварных и вязаных каркасов и сеток. Допускается
применять их также в качестве напрягаемой арматуры
предварительно напряженных железобетонных элементов длиной до
12 м, эксплуатируемых под воздействием агрессивной среды.
Стержневую арматуру класса А-Г/ (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 А-VI (А1000) - наиболее
прочная, поэтому используется в основном для армирования
331
предварительно напряженных конструкций. Ее применяют
также 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
конструкций. Термическое упрочнение арматуры заключается в
закалке стали с последующим высокотемпературным отпуском.
Так упрочняют арматуру классов Ат600...Ат1200. Для арматуры
класса Ат400 и Ат500 применяют термомеханическое
упрочнение. Оно заключается в том, что арматурные стержни быстро
охлаждают струями воды после прохождения через валок
прокатного стана. Тем самым фиксируется состояние наклепа, при
котором сталь приобретает повышенную прочность.
Нельзя сваривать стали, упрочненные термически или
вытяжкой, так как в результате сварки эффект упрочнения
утрачивается: 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
поперечных выступов и окраской концов стержней: Ат400 - 3
выступа (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. Арлштурную проволоку в
зависимости от механических свойств подразделяют на обыкновенную
332
и высокопрочную, а по форме поверхности - на гладкую и
периодического профиля (рис. 56в, г).
Обыкновенную арматурную проволоку изготовляют из
низкоуглеродистой стали. Диаметр проволоки - 3; 4 и 5 мм. Она
может быть двз^х классов: B-I - гладкая; Вр-1 - периодического
профиля. Проволока хорошо сваривается, что позволяет
использовать ее в составе арматурных изделий. Гладкую проволоку
класса В500 (диаметром 3; 3,5; 4; 4,5; 5 мм) в Беларуси
производят по СТБ 1341-2002.
Периодический профиль проволоки класса Вр-1 образован
диаметрально расположенными на ее поверхности вмятинами.
Размеры рифов (вмятин) зависят от диаметра проволоки.
Глубина вмятин h = 0,15...0,25 мм, шаг s = 2.,.3 мм, длина выступа
b = 0,6... 1 мм.
Из проволоки класса Вр-1 изготовляют сварные сетки и
каркасы, которые используют в качестве ненапрягаемой рабочей
арматуры, из гладкой проволоки класса B-I - только
конструктивную арматуру.
Высокопрочную арматурную проволоку изготовляют из
углеродистой стали путем многократного волочения и
низкотемпературного 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
несколько отличается от профиля проволоки класса Вр-1.
Расстояние между центрами вмятин s в зависимости от диаметра
проволоки 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
значительно превосходит обыкновенную. Например, предел
текучести проволоки диаметром 3 мм класса B-I составляет 3500 Н,
а класса В-П - 10600 Н. Проволоку классов В-П и Вр-П не
сваривают, так как в результате высокотемпературного нагрева
прочность ее может сильно понизиться. Допускается лишь сваривать
стыки конструктивной (монтажной) арматуры, используя
специальные 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-
333
тельно напряженных конструкциях, испытывающих в процессе
эксплуатации постоянное давление жидкостей, газов или
сыпучих тел, например в силосах.
Основной механической характеристикой обыкновенной
арматурной проволоки служит ее временное сопротивление
разрыву (предел прочности), а высокопрочной - условный предел
текучести. Эти характеристики возрастают с уменьшением
диаметра проволоки (табл. 26).
Таблица 26
Характеристики стальной арматурной проволоки
Класс
B-I, Вр-1
В-П, Вр-П
Диаметр,
мм
3...5
3...8
Предел
текучести, МПа
-
1500...1230
Временное
сопротивление, МПа
550...525
1780...1470
Относительное
удлинение, %
2...3
4...6
Арматурные канаты состоят из нескольких проволок,
свитых так, чтобы было исключено их раскручивание. Вокруг
центральной проволоки по спирали в одном или в нескольких
концентрических 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
номинальных 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
соприкасающихся проволок. Номинальный диаметр канатов этого
класса- 14 мм.
Выпускают также многопрядные канаты класса K-w. Их
изготовляют из большого числа тонких проволок диаметром
1...3 мм. Такие канаты обладают повышенной деформативно-
стью, поэтому перед применением их подвергают
предварительной 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
давлением 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
допускается сваривать канаты только по особому режиму с
применением опрессовываемых гильз.
Действующие нормы проектирования бетонных и
железобетонных конструкций СНБ 5.03.01 «Бетонные и железобетонные
конструкции» вводят новые требования к обозначению и
применению арматуры.
Согласно СНБ 5.03.01-02, класс арматуры - показатель,
характеризующий ее механические свойства согласно
требованиям соответствующих стандартов, обозначаемый буквой S
(заглавная буква английского слова Steel) и числом,
соответствующим 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
напрягаемой и три класса ненапрягаемой. Данная классификация
исключает применение в конструкциях рабочей арматуры
упрочненной вытяжкой класса по прочности 400 МПа (ранее
обозначаемую как А-Шв). Соответствие обозначений классов
арматуры по СНиП 2.03.01 и СНБ 5.03.01 приведено в табл. 27.
Кроме стальной арматуры, в последние десятилетия
получила распространение неметаллическая арматура, в которой
применяют углеродные, борные и другие виды волокон. В Беларуси
в основном используется стеклопластиковая арматура,
изготовляемая из алюмоборосиликатных волокон и применяемая в
предварительно напряженных конструкциях взамен
высокопрочной проволоки Вр-П и канатов. Связующее вещество
склеивает 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
качество арматуры
1 Ненапрягаемая арматура
S240
S400 ■
S500
А-1 (А240)
А-П1 (А400)
Вр-1
ГОСТ 5781-82
ГОСТ 5781-82 ,
ГОСТ 10884-94
1ТУРБ 400074854.001
ТУ РБ 190266671.001
ГОСТ 10884-94
ТУ РБ 400074854.001
ТУ РБ 400074854.047
ТУ РБ 400074854.025
ТУ РБ 190266671.001
ГОСТ 6727-80
СТБ 1341-2002 1
1 Напрягаемая арматура |
S800
S1200
JS1400
A-V (А800)
07, 08 В-П
06, 07, 08 Вр-П
А-VI (А 1000)
05, 06 В-П
04, 05 Вр-П
09,012,015К-7
03, 04 В-П 1
03 Вр-П
06 К-7
К-19
ГОСТ 5781-82 1
ГОСТ 10884-94
ТУ РБ 400074854-001
ТУ РБ 400074854.025
ТУ РБ 400074854 037
ГОСТ 7348-81
ГОСТ 10884-94
ТУ РБ 400074854.025
ТУ РБ 400074854.037
ГОСТ 7348-81
ГОСТ 13840-68
ГОСТ 7348-81
ГОСТ 13840-68 1
ТУ 14-4-22 ]
Сварные сетки изготовляют из обыкновенной арматурной
проволоки класса Вр-1 диаметром 3..-5 мм и стержневой
арматуры класса А-Ш диаметром 6... 10 мм. Сетки бывают плоские и
рулонные. Наибольший диаметр продольных стержней в
рулонных сетках - 5 мм (рис. 57).
Рис. 57. Виды арматурных изделий: а, и- плоские сетки;
б, в - плоские каркасы; г - з - пространственные каркасы
Сварные каркасы могут быть плоскими и
пространственными. 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
соединительные стержни. Размеры арматурных изделий выдерживают
в строгом соответствии с рабочими чертежами.
Арматурные проволочные пучки состоят из параллельно
расположенных проволок класса В-П или Вр-П. В одном пучке
может быть 14, 18 или 24 проволоки, расположенные по
окружности. Диаметр пучка в зависимости от числа проволок может
быть в пределах 30...50 мм. В конструкции пучков
предусмотрены зазоры между соседними проволоками, через которые в про-
22 Зак 508 337
цессе бетонирования конструкции цементный раствор
проникает внутрь пучка, создавая надежное сцепление арматуры с
бетоном. Применяют пучки для армирования большепролетных
конструкций, например мостов, путепроводов.
Закладные детали служат для соединения сборных
элементов при монтаже конструкций. Изготовляют эти детали из
сортовой прокатной стали ВСтЗкп2; ВСтЗпсб; ВСтЗГпсЗ; ВСтЗсп5.
Устанавливаемые по конструктивным соображениям, т. е. не
рассчитываемые на силовые воздействия, закладные детали
допускается изготовлять из прокатной стали БСтЗкп2.
Закладные детали приваривают к арматуре железобетонного
элемента или заанкеривают в бетоне, а при монтаже
конструкций соединяют между собой болтами, скобами, но чаще всего
сваривают.
13.3, Технология монолитного железобетона
Монолитным называют железобетон, изготовляемый
непосредственно на строительной площадке. На месте возведения
конструкции устанавливают опалубку, куда укладывают и
уплотняют бетонную смесь. Назначение опалубки - придать
бетонной смеси при ее укладке форму будущей конструкции.
Опалубку выполняют из дерева, фанеры или стали. Обычно
применяют разборно-переставную опалубку из мелких или крупных
металлических щитов.
Для возведения высоких сооружений (монолитных зданий,
труб, башен) применяют скользящую или
подъемно-переставную опалубку. Когда бетон, уложенный в скользящую
опалубку, достаточно затвердеет, опалубку вместе с рабочими
подмостями двигают вверх и цикл повторяют.
Арматуру заготовляют в арматурно-сварочных цехах
железобетонных заводов и доставляют на место установки в
опалубку. Бетонную смесь приготовляют на механизированных
бетонных заводах и в виде «товарного бетона» (бетонной смеси)
доставляют 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
стенки, 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
поверхностными, навешиваемыми на опалубку. Монолитные
конструкции бетонируют непрерывно или участками, блоками.
Непрерывную укладку бетонной смеси производят в том случае,
когда необходимо получить повышенную монолитность и
однородность бетона в конструкции или изделии. При
бетонировании конструкций большой площади (железобетонные
перекрытия) работы ведут участками, предусматривая устройство
рабочих 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
горизонтальные поверхности конструкции покрывают слоем влажного
песка, 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
составы или полимерные пленки.
Бетон твердеет обычно в естественных условиях, зимой
возможен его подогрев. Опалубку снимают по достижении бетоном
прочности 4...5 МПа и более. Прочность бетона зависит от
высоты здания, темпа и температуры условий бетонирования.
Монолитные железобетонные конструкции применяют
главным образом в зданиях и сооружениях, не поддающихся
членению на элементы, при нестандартности и малой повторяемости
элементов зданий и сооружений, при особенно больших
нагрузках на элементы зданий или сооружений (фундаменты и
каркасы многоэтажных зданий, гидротехнические и другие
сооружения). Во всех этих случаях монолитный бетон и железобетон,
как правило, экономичнее сборного. Эффективно его
применение и в сборно-монолитных конструкциях, например в
жилищном строительстве, где в последнее время он успешно вытесняет
сборный железобетон.
.0* 339
13.4. Производство сборных железобетонных изделий
и конструкций
Сборные железобетонные конструкции (сборный
железобетон) 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
применять новые эффективные материалы (легкие и ячеистые
бетоны, отделочную керамику, пластмассы и др.).
Основные операции при производстве железобетонных
изделий: приготовление бетонной смеси, изготовление
арматурных изделий, армирование и формование изделий и их
ускоренное твердение.
Бетонную смесь приготовляют в бетоносмесител*ьном цехе
завода по технологии, описанной в 11.2.3, арматуру - в
арматурном цехе. Поступающую на завод арматурную сталь (в бухтах
или прутках) на специальных станках очищают от рэюавчины,
правят и реэ/сут 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
каркасы 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
технологических переделов. Он состоит из сборки форм, установки
арматуры, укладки бетонной смеси в форму и уплотнения.
Качество железобетонных изделий в значительной
степени зависит от прочности и жесткости форм, которые должны
обеспечить получение изделий точно заданных размеров с
правильными очертаниями и с гладкой лицевой поверхностью.
При массовом изготовлении применяют только металлические
формы.
340
Перед укладкой арматуры и бетона формы очищают и
покрывают смазочным материалом, препятствующим сцеплению
бетона с металлом формы. Бетонная смесь из бетоносмеситель-
ного цеха поступает в приемный бункер бетоноукладчика,
который подает ее в форму и разравнивает.
Бетонную смесь уплотняют на виброплощадках или
посредством поверхностных, глубинных и наружных вибраторов. Реже
используют приемы уплотнения центрифугированием,
вибропрессованием и прокатом.
Для ускорения твердения изделия подвергают тепловлаж-
ностной обработке. Сущность тепловлажностной обработки
заключается в нагреве бетонной смеси до температуры 40...90 "^С
таким образом, чтобы она не теряла влагу. Применяют
следующие виды тепловлажностной обработки: пропаривание при
нормальном давлении и температуре 40...90 "^С, контактный нагрев
и электропрогрев до 100 "^С. Пропаривание в автоклавах
применяют для риликатобетонных изделий (параграф 12.1).
Наиболее распространено пропаривание при нормальном
давлении в камерах непрерывного или периодического
действия, где изделия нагревают насыщенным паром.
Камеры непрерывного действия представляют собой
туннель, в котором изделия в формах, установленных на
вагонетках, проходят последовательно зоны подогрева, изотермической
выдержки и охлаждения. Эти камеры (горизонтальные или
вертикальные) используются главным образом при конвейерной
технологии.
В камеры периодического действия изделия загружают
краном и устанавливают в несколько рядов по высоте. Затем камеру
закрывают крышкой и подают насыщенный пар. Из камер про-
паривания периодического действия широкое применение
имеют камеры ямного типа глубиной до 2 м. Наиболее
рациональный размер камер пропаривания в плане должен
соответствовать кратным размерам изделий, которые подаются в камеру в
формах или на поддонах. Пар в камеру подают так, чтобы
обеспечить скорость подъема температуры не более 20...35 ^С в час
до максимальной 70...85 ""С. При этой температуре изделие
прогревается 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
смесей. За это время бетон набирает отпускную (не менее 70 %
марочной) или распалубочную прочность. Применение быстро-
твердеющих цементов, добавок ускорителей твердения и другие
приемы позволяют сокращать продолжительность
изотермической выдержки и уменьшать общее время пропаривания.
После извлечения из форм изделия проходят технический
контроль на соответствие требованиям ГОСТа или ТУ.
Качество железобетонных изделий контролируют работники ОТК
завода, проверяя внешний вид, форму и размеры изделий,
фактическую прочность. От каждой партии изделий отбирают
образцы и испытывают на прочность.
Изделия, удовлетворяющие требованиям стандарта,
маркируют несмываемой краской. В маркировке указывают: марку
изделия, прочность (класс) бетона, наименование
завода-изготовителя и др. На каждую партию изделий составляют паспорт в
двух экземплярах: для потребителя и завода-изготовителя.
Способы производства железобетонных изделий.
Железобетонные изделия изготовляют способами: стендовым, агрегат-
но-поточным, конвейерным и вибропрокатным.
При стендовом способе изделия изготовляют в
неподвижных формах (на стенде). Механизмы (бетоноукладчики,
вибраторы и др.) поочередно подают к стенду для выполнения
необходимых операций. Изделие, находясь в стационарной форме в
течение всего производственного цикла (до момента
затвердевания бетона), остается на месте. В то же время технологическое
оборудование для выполнения отдельных операций по укладке
арматуры, бетонной смеси и уплотнению перемещается
последовательно от одной формы к другой. Этим способом
изготовляют, как правило, крупногабаритные изделия (фермы, колонны,
балки) на полигонах.
Кассетный способ ~ вариант стендового способа, основой
которого является формование изделий в стационарно
установленных 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
вынимают мостовым краном. Кассетным способом изготовляют
плоские изделия (панели перекрытий, стеновые панели и др.).
При агрегатно-поточном способе формы с изделиями
перемещаются от одного технологического агрегата к
другому краном, а при конвейерном ~ на вагонетках, движущихся
по рельсовому пути. Все операции по изготовлению изделия
(распалубка, чистка и смазка форм, укладка арматуры и
бетонной смеси, твердение) выполняются на специализированных
постах, образующих определенную поточную технологическую
линию.
Основное преимущество агрегатно-поточного способа
производства заключается в универсальности основного
технологического оборудования. Так, при незначительной затрате средств
на изготовление новых форм можно быстро переходить на
выпуск другого вида изделий. Этот способ производства
железобетона получил в нашей стране наибольшее распространение.
Конвейерный способ производства представляет собой более
совершенную поточную технологию и позволяет максимально
механизировать и автоматизировать основные операции.
Технологическая линия работает по принципу замкнутого
пульсирующего 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
типоразмера.
При вибропрокатном способе процессы получения
железобетонного изделия происходят на одной установке
непрерывного действия - вибропрокатном стане. Вибропрокатный стан -
это конвейер из стальной обрезиненной формующей ленты,
движущейся вдоль постов укладки арматуры и бетона,
виброуплотнения бетона и контактной тепловой обработки.
Вибропрокатным 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
переоснасткой стана.
13.5. Маркировка, транспортирование и складирование
железобетонных изделий
Каждое железобетонное изделие, выпускаемое заводом и
удовлетворяющее требованиям ГОСТа или ТУ, маркируется
несмываемой краской. Марка содержит обозначения основных
характеристик изделия. Она состоит из трех групп знаков,
разделенных дефисом: в первой группе указывается тип изделия
(например, ФБ - фундаментный блок, К - колонна, ПС - панель
стеновая), во второй - несущая способность изделия, класс
арматуры, вид бетона (Т - тяжелый, Я - ячеистый и т. п.) и в
третьей - специальные свойства, соответствующие условиям
применения изделия. Марка должна быть хорошо видна при хранении
и монтаже конструкций, по ее расположению судят о рабочем
положении изделия. В некоторых случаях верх изделия
помечают специальным знаком ТТ.
Кроме марки, на изделии ставятся паспортный номер, в
котором 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
последовательности: день месяца, месяц, год. Например, дату 10 февраля
2003 г. и вторую смену обозначают: 10 02 03-2.
Транспортируют железобетонные изделия с завода на
строительную площадку автомобильным транспортом:
малогабаритные изделия ~ на обычных грузовых машинах; крупноразмерные
и тяжелые изделия (сваи, колонны, балки) - на тягачах с
прицепом; стеновые панели, фермы - на специальных панелевозах,
фермовозах.
При поставке на стройплощадку каждая партия конструкций,
группа конструкций из разных партий или поставляемые
поштучно конструкции сопровождаются документом о качестве.
Последний должен содержать: наименование и адрес предпри-
344
ятия-изготовителя; номер и дату выдачи документа; номер
партии или конструкции; наименование и марку конструкции;
класс или марку бетона по прочности; дату изготовления;
отпускную прочность и обозначение стандарта или ТУ, число
конструкций калсдой марки.
Укладывают железобетонные изделия на приобъектных
складах согласно рекомендациям ГОСТа или ТУ на эти изделия.
Изделия складируют в штабеля так, чтобы была видна их
заводская марка, а монтажные петли были обращены вверх.
Положение железобетонных изделий должно воспроизводить условия
их работы в здании: стеновые панели устанавливают почти
вертикально (отклонение от вертикали 8... 12°); плиты перекрытий,
лестничные марши, балки, перемычки - горизонтально.
Исключение составляют лишь колонны и сваи, которые хранят в
горизонтальном 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
досками толщиной не менее 30 мм.
13.6. Защита от коррозии бетона и железобетона
На бетонные и железобетонные конструкции,
эксплуатируемые в промышленных, гражданских, жилых и
сельскохозяйственных зданиях, могут воздействовать агрессивные среды.
Долговечность конструкций определяется стойкостью как бетона,
так и арматуры при воздействии на них агрессивной среды.
Степень агрессивного воздействия среды на бетон определяется
специальными нормами по антикоррозионной защите
строительных 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, П или III видом
коррозии. Разрушение конструкции в данном случае наступает
вследствие недостаточной стойкости бетона. При
проектировании конструкции необходимо учитывать состав агрессивной
среды, условия службы конструкции, правильно выбрать мате-
345
риалы и назначить плотность бетона, чтобы обеспечить
заданную долговечность конструкции.
В железобетонных конструкциях необходимо рассматривать
также вопрос сохранности арматуры в бетоне. При воздействии
на бетон жидких сред, не содержащих агрессивных по
отношению к стали ионов (СГ^ S04^ и др.), в первую очередь, как
правило, разрушается бетон, т. е. процесс коррозии бетона является
ведущим. В условиях газовоздушной среды (при повышении
относительной влажности воздуха более 60 %), а также при
воздействии на конструкцию жидких или твердых сред,
содержащих агрессивные по отношению к стали ионы (например, СГ'),
возможно развитие коррозии арматуры. Разрушение
железобетонной конструкции в данном случае может наступить
вследствие коррозии арматуры. Продукты ржавчины накапливаются на
арматуре, оказывают давление на бетон из-за увеличения в
объеме, вызывают появление трещин, а затем и отслоение
защитного слоя. Наибольшую опасность вызывает применение
высокопрочных арматурных сталей, подверженных коррозионному
растрескиванию. В этом случае возможен обрыв напряженной
арматуры.
Защита бетонных и железобетонных конструкций от
коррозии должна предусматриваться, начиная со стадии
проектирования сооружений и конструкций. Создавая проект сооружения,
необходимо разработать мероприятия, которые обеспечат
требуемую долговечность строительным конструкциям, т. е.
необходимо 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
защиты, произвести выбор материалов для ее осуществления,
выработать конструктивные решения по защите и подобрать
требуемые 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
условий, ограничивающих или исключающих воздействие
агрессивные сред на бетонные или железобетонные конструкции
после 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
агрессивных веществ на их поверхности, толщины защитного слоя
бетона, обеспечения трещиностойкости конструкции и
допустимого раскрытия трещин при эксплуатационных нагрузках.
Первичная защита включает также нанесение защитного
металлического, пленочного или лакокрасочного покрытия на поверхность
арматуры. Металлические покрытия для защиты стальной
арматуры, стальных закладных деталей и соединительных элементов
железобетонных конструкций должны образовывать слой
толщиной от 0,05 до 0,2 мм. В качестве материалов для покрытий
следует применять алюминий или цинк. Защитные свойства
металлических покрытий могут быть усилены посредством
последующего нанесения на них лакокрасочных покрытий или
полимерных материалов.
В качестве вяжущего вещества при создании
железобетонных конструкций для газовой и твердой агрессивных сред
необходимо применять:
• портландцемент с большим содержанием трехкальциевого
силиката (например, портландцемент для производства асбес-
тоцементных изделий и т. п.) - при возможном проявлении
коррозии П 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
добавки. Введение ускорителей твердения в виде хлористых солей
не допускается в конструкциях:
• с напрягаемой арматурой;
• с арматурой класса B-I диаметром, равным и менее 5 мм;
• эксплуатируемых вблизи источников постоянного тока;
• изготовляемых с автоклавной обработкой;
• для замоноличивания швов конструкций с напрягаемой
арматурой;
• для инъецирования каналов в железобетонных конструкциях.
В качестве арматуры для железобетонных конструкций
используют все разновидности арматурной стали, за исключением
сильноагрессивных сред, где недопустимо применение
термически упрочненной стали.
Вторичную защиту от коррозии следус! проектировать в
зависимости от требуемой химической стойкости, проницаемости,
адгезии с защищаемой поверхностью, трещиностойкости и
прочности путем выбора вида покрытий для защиты,
материалов для защитной обработки или пропитки бетона, способов ее
выполнения. Вторичную защиту от коррозии осуществляют
путем пропитки бетона или нанесения лакокрасочного,
пленочного, облицовочного или футеровочного защитного покрытия на
поверхность бетонной или железобетонной конструкции с
целью 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
поверхности. 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
непроницаемый 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
поверхности конструкции слой толщиной 3...15 мм,
предохраняющий поверхность не только от коррозии, но и от
механических повреждений. Для облицовки строительных конструкций
применяют изделия из каменного литья, шлакоситаллы,
керамические кирпич и плитки кислотоупорные, фенолитовые плитки и
углеграфитовые изделия. Для крепления этих материалов
применяют в зависимости от вида агрессивной среды серные,
битумные мастики, арзамитовые замазки. В качестве вяжущего
вещества при облицовочных и футеровочных работах
используют фурановые, эпоксидные и полиэфирные смолы.
Защитные покрытия строительных конструкций производят
в строгой технологической последовательности: подготовка
защищаемой поверхности; грунтовка (для окрасочных,
мастичных, наливных и оклеечных покрытий); нанесение покрытия;
сушка или термообработка покрытия с подъемом температуры
не более 30 ""С в час.
349
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. Для чего армируют бетонные конструкции?
I. 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-И?
II. По каким внешним признакам можно отличать арматуру класса A-III от
арматуры класса А-И?
12. Почему не рекомендуется сваривать стали, упрочненные термически
или вытяжкой?
13. Чем различаются свойства и области применения стержневой и
проволочной 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
железобетонных 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 -
пластмассы - сравнительно новая разновидность строительных
материалов 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»
введен Й. Я. Берцелиусом в 1833 г.
В современном представлении полимеры - это
высокомолекулярные 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
пространственные решетки. Молекулы полимерных соединений,
состоящие из очень большого числа элементарных звеньев,
называют макромолекулами,
К высокомолекулярным соединениям принято относить
вещества, молекулярная масса которых превышает 5000, к
низкомолекулярным - вещества с молекулярной массой менее 500.
Соединения с промежуточными значениями молекулярной
массы, т. е. продукты синтеза с молекулярной массой до 1000
единиц, имеющие линейное строение молекул и способные к
дальнейшему укрупнению, называют олигомерами. Чаще всего это
вязкие жидкости, например эпоксидные или полиэфирные
смолы до их отверждения.
В настоящее время большинство полимеров получают путем
синтеза из простых низкомолекулярных веществ, причем в
образовании 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,
содержащие в главной цепи и боковых радикалах атомы углерода,
водорода, 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
непосредственно 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
высокомолекулярные соединения, не содержащие атомов углерода.
Простые низкомолекулярные соединения, из которых
построены цепи полимеров, а также исходные вещества,
образующие 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
кристаллической и аморфно-кристаллической структурой, т. е.
состоящие как из ориентированных (кристаллических) участков,
так и неориентированных (аморфных).
По способу соединения мономерных звеньев различают
полимеры линейные, разветвленные и сетчатые.
Линейные полимеры - это соединения, макромолекулы
которых представляют длинные цепи:
...-А-А-А-А-А~А-...
Разветвленные полимеры образованы цепями с боковыми
ответвлениями. Число ответвлений и их длина различны:
352
А
...~А-А-А-А-А"А—... главная цепь
I
А
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-...
..."А-А-А~А-А-А-А~А-А-...
Различают также природные, искусственные и синтетические
полимеры.
Природные полимеры - это в основном биополимеры
(белковые вещества, природные смолы, целлюлоза и др.). Однако в
строительстве используются в основном искусственные и
синтетические полимеры.
Искусственными называют полимеры, полученные путем
химической модификации природных. Например, ацетилцеллю-
лоза (ацетатный шелк), нитроцеллюлоза и карбоксиметилцел-
люлоза - продукты химических превращений природного
полимера - 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.
Первый 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
нагревании 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
термопластов способны растворяться в соответствующих растворителях.
К термопластам относятся битумы, смолы, многие широко
распространенные полимеры - полиэтилен, поливинилхлорид,
полистирол и др.
Термореактивные - вепдества, у которых переход из жидкого
состояния в твердое происходит необратимо. При этом у них
меняется молекулярная структура: линейные молекулы
соединяются в пространственные сетки - гигантские макромолекулы.
Такое необратимое твердение (этот процесс называют также
«отверждение», «сшивка», «вулканизация») происходит под
действием не только нагрева (отсюда пошел термин
«термореактивные вепдества»), но и веществ-отвердителей, УФ- и у-из-
лучения и других факторов. Отвержденные
термореактивные полимеры, как правило, более теплостойки, чем
термопластичные.
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
конструкций из них.
Основным сырьем для производства полимеров являются
углеводороды, получаемые из нефти, природный газ, продукты
углепереработки, целлюлоза и др.
По химическому характеру реакций, лежапдих в основе
получения синтетических полимеров, их разделяют на полимериза-
ционные и поликонденсационные.
Полимеризациопные полимеры получают методом
полимеризации. При этой реакции происходит объединение молекул
одного и того же вепдества в одну большую молекулу
высокомолекулярного вепдества - полимера без выделения побочных
продуктов. 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
применение Б технологии строительных материалов.
Поликонденсацгюнные полимеры получают в процессе
реакции поликонденсации двух или нескольких низкомолекулярных
веществ. В этом случае наряду с основным продуктом
поликонденсации - полимером образуются побочные соединения (вода,
спирты, хлористый водород и др.). Масса получаемого полимера
меньше массы исходных веществ, а его химический состав
отличается от химического состава исходных продуктов. В
отличие от полимеризации поликонденсация происходит только
между веществами, содержащими функциональные группы.
Методом 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
целенаправленное изменение структуры полимера путем изменения
состава его функциональных групп, образования
дополнительных боковых цепей и сшивок, изменения полярности и фазового
состава. Этот метод получения полимеров используется при
переработке целлюлозы (нитроцеллюлоза, карбоксиметилцеллю-
лоза) и растительных масел (олифы).
14.2. Термопластичные полимеры
Термопластичные полимеры способны многократно
размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и
многие другие свойства термопластичных полимеров
объясняются 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
изделий 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
температуры их текучести (поливинилхлорид, фторопласты и др.). В
таком случае используют различные технологические приемы,
снижающие температуру текучести (например, вводя
пластификаторы) или задерживающие термодеструкцию (введением
стабилизаторов, переработкой в среде инертного газа).
Линейным строением молекул объясняется также
способность термопластов не только набухать, но и хорошо
растворяться в правильно подобранных растворителях. Тип
растворителя зависит от химической природы полимера. Растворы
полимеров даже очень небольшой концентрации B...5 %)
отличаются довольно высокой вязкостью. Причиной этого являются
большие размеры полимерных молекул по сравнению с
молекулами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения
растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние. На
этом основано использование растворов термопластов в
качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и
полимеррастворах.
К недостаткам термопластов относятся; низкая
теплостойкость (обычно не выше 80... 120 ^С), низкая поверхностная
твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при
высоких, склонность к старению под действием солнечных
лучей и кислорода воздуха.
Наибольшее применение в строительстве имеют следующие
термопластичные полимеры: полиэтилен, полипропилен,
полистирол, поливинилхлорид, перхлорвинил, поливинш1ацетат и
поливиниловый спирт, полиизобутилен и полиакрилаты.
Полиэтилен, (-CH2-CH2-~);i, - продукт полимеризации
этилена, значительную часть которого получают при термической
переработке нефтяных газов (этана, пропана, бутана) и
гидролизе нефтепродуктов. Реакции полимеризации протекают при
высоких давлении (до 250 МПа) и температуре 240...280 ^С в при-
сутс ВИИ кислорода, а каталитической полимеризации - при
среднем или низком давлении.
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
продукт плотностью 0,92...0,95 г/см^. 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 ^С и давлении 0,05...0,6 МПа в среде растворителя
(бензина) и в присутствии катализаторов. Он более хрупок и
более 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/м^, температура плавления -110... 125 ""С. При
длительном действии нагрузки, составляющей более 50...60 % от
предельной, у полиэтилена начинает проявляться свойство
текучести. Он сохраняет эластичность до температуры минус 70 ^С,
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
воздействиям в полиэтилен вводят различные стабилизаторы.
Например, при введении в полиэтилен 2 % сажи срок службы его в
атмосферных условиях увеличивается в 30 раз.
Из полиэтилена делают пленки (прозрачные и
непрозрачные), 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
полипропилена образуется несколько различных по строению
полимеров: изотактический, атактический и синдиотактический.
Тактичность - это способ, которым выстроены боковые группы
вдоль основной цепи молекулы полимера.
В основном применяется изотактический полипропилен,
когда все метильные группы расположены с одной стороны мак-
357
ромолекулы. Он отличается от полиэтилена большей твердостью,
прочностью и теплостойкостью (температура размягчения - около
170 "^С), но переход в хрупкое состояние происходит уже при
минус 10...20 °С Плотность полипропилена - 920...930 кг/м^;
прочность 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
пропилена как неизбежная примесь, но легко отделяется от изотакти-
ческого пропилена экстракцией (растворением в
углеводородных растворителях). АПП - мягкий эластичный продукт
плотностью 840...845 ktIu' с температурой размягчения 30...80 X.
Применяют АПП как модификатор битумных композиций в
кровельных материалах.
Используя специальные металлоценовые катализаторы
получают синдиотактический полипропилен, когда метильные
группы расположены упорядоченно с обеих сторон основной цепи
макромолекулы. Этот полимер похож на резину и является
хорошим эластомером.
Полиизобутилен ~ каучукоподобный термопластичный
полимер (параграф 17.5).
Полистирол, (-СНг-СН-)^,-прозрачный жесткий полимер
I
СбНз
плотностью 1050... 1080 кг/м^; при комнатной температуре он -
жесткий и хрупкий, размягчается при нагревании до 80... 100 "^С.
Прочность при растяжении - 35...50 МПа. Полистирол хорошо
растворяется в ароматических углеводородах, сложных эфирных
и хлорированных углеводородах; горюч и хрупок; стоек к
действию 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 вьтускают
в виде прозрачных листов, гранул, бисера или белого порошка.
358
в строительстве полистирол применяют для изготовления
теплоизоляционного материала - пенополистирола плотностью
10.. .50 кг/м\ облицовочных плиток и мелкой фурнитуры. Раствор
полистирола в органических растворителях - хороший клей.
Блок - сополимер бутадиена и стирола (СБС) - это твердая
резина, которая используется для модификации битума покровного
слоя в гидроизоляционных материалах.
Поливинилацетат, (-СНг-СН-)^, получают полимеризацией
I
ОСОСНз
винилацетата. Это прозрачный, жесткий при комнатной
температуре полимер плотностью 1190 кт/м^. Поливинил ацетат
растворим в ацетоне, сложных эфирах, хлорированных и
ароматических углеводородах, набухает в воде. Его положительное
свойство - высокая адгезия к каменным материалам, стеклу и
древесине.
В строительстве поливинилацетат применяют в виде поливи-
пилацетатпой дисперсии (ПВАД) - сметанообразной массы
белого или светло-кремового цвета, хорошо смешивающейся с
водой. ПВАД получают полимеризацией жидкого винилацетата,
находящегося в виде мельчайших частиц (менее 5 мкм) в воде. При
этом капельки винилацетата превращаются в твердые частицы по-
ливинилацетата. Стабилизатором эмульсии является
поливиниловый 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
строительстве, содержание пластификатора следующее (% от массы
полимера): 5... 10 (индекс4), 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
пластификатор перемешивают с дисперсией и выдерживают 3...4 часа
для его проникновения в частицы полимера. Непластифициро-
ванная дисперсия вьщерживает не менее четырех циклов замо-
359
раживания-оттаивания при температуре до минус 40 ""С. Срок
хранения ПВАД при температуре 5.. .20 ""С - 6 месяцев.
Поливинилацетат широко применяют в строительстве.
Наличие полярной группы приводит к тому, что молекулы ПВАД
обладают 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
цементных растворов (полимерцементные растворы и бетоны
рассмотрены в 14ЛЗ). Дисперсией, разбавленной до 5... 10%-й
концентрации, грунтуют бетонные поверхности перед
приклеиванием облицовки на полимерных мастиках и перед нанесением
полимерцементных растворов.
Недостаток материалов на основе дисперсий поливинилаце-
тата - гидролиз в щелочной среде с образованием
поливинилового спирта и кислоты. Поскольку образующиеся продукты
гидролиза хорошо растворимы в воде, материалы набухают и на
них могут появиться высолы. Это объясняется наличием в
дисперсиях заметного количества водорастворимого стабилизатора
и способностью самого полимера набухать в воде. Так как
дисперсия имеет слабокислую реакцию (рН 4,5...6), при ее
нанесении на металлические изделия возможна коррозия металла.
Поливинил хлор ид, (-СН2-СНС1~),„ - самый
распространенный полимер в строительстве. Он представляет собой твердый
материал без запаха, бесцветный или желтоватый (при
переработке 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/м^, предел прочности при
растяжении - 40...60 МПа. Благодаря высокому содержанию хлорида
поливинилхлорид не воспламеняется и практически не горит.
Температура текучести поливинилхлорида ~ 180...200 ""С, но
уже при нагревании выше 160 °С он начинает разлагаться с
выделением 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
изготовления материалов для полов (различные виды линолеума,
плитки) 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/м^. Он
характеризуется очень высокой химической стойкостью к
кислотам, щелочам, окислителям; трудносгораем. В отличие от
поливинилхлорида перхлорвинил легко растворяется в
хлорированных углеводородах, ацетоне, толуоле, ксилоле и других
растворителях. Положительное качество перхлорвинила - высокая
адгезия к металлу, бетону, древесине, коже и поливинилхлори-
ду. Сочетание высокой адгезии и хорошей растворимости
позволяет использовать перхлорвинил в клеях и окрасочных
составах. Перхлорвиниловые краски благодаря высокой стойкости
этого полимера используются для отделки фасадов зданий.
Полиакрилаты получают полимеризацией акриловой и
метакриловой кислот и их производных. Наиболее широкое
применение из полиакрилатов получили полиметилметакрилат, по-
лиметилакрилат, полиэтилакрилат и полибутилакрилат. Это
бесцветные, светостойкие, прозрачные полимеры,
Полиметилметакрилат, например, называют еще органическим стеклом.
По сравнению с обычным оно менее хрупко и легко
обрабатывается. Изделия из органического стекла имеют относительно
высокую 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.
Используют органическое стекло для остекления зданий специального
назначения, витрин магазинов, оранжерей, фонарей
производственных цехов и т. п. Однако высокая стоимость этого полимера
и недостаточная абразивостойкость ограничивают его
применение 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
термопластичных 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
содержат либо двойные (ненасыщенные) связи, либо химически
активные группы. Поэтому при определенных условиях
(нагревании, облучении или добавлении веществ-отвердителей)
молекулы термореактивных олигомеров соединяются друг с другом,
образуя сплошную пространственную сетку, как бы одну
гигантскую макромолекулу-
После отверждения свойства полимеров изменяются: они
перестают размягчаться при нагревании, не растворяются, а только
набухают в растворителях, становятся более прочными,
твердыми и термостойкими.
К термореактивным полимерам, используемым в
строительстве, относятся фенолоальдегидные, карбамидные,
полиэфирные, 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
альдегидного - формальдегид, фурфурол, уротропин и лигнин.
Фенолоформалъдегидные полимеры ~ наиболее
распространенные полимеры этого класса. Их получают поликонденсацией
фенола с формальдегидом. Фенол представляет собой
бесцветные кристаллы с характерным сильным запахом; токсичен.
Вдыхание его приводит к отравлению, а попадание на кожу
вызывает ожоги. Формальдегид - газ, тоже с резким удушливым
запахом. 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
необратимо переходить в твердое состояние.
До отверждения фенолоформальдегидные смолы хорошо
растворяются в спиртах, ацетоне и других растворителях.
Фенолоформальдегидные полимеры имеют хорошую адгезию к
тканям, древесине и другим материалам и хорошо совмещаются с
наполнителями. Отвержденные полимеры обладают высокой
химической стойкостью; они прочны, но хрупки. Для
повышения эластичности и улучшения клеящих свойств их
модифицируют другими полимерами. Например, совмещая фенолофор-
мальдегидную смолу резольного типа с поливинилбутиралем
получают водостойкие и прочные клеи типа БФ. Такие клеи
могут склеивать материалы при обычной температуре, но при
горячем отверждении имеют большую прочность.
Фенолоформальдегидные смолы используют для производства
древесноволокнистых, древесно-стружечных плит, слоистых пластиков,
водостойкой фанеры, минераловатных и стекловатных плит,
спиртовых лаков и т. п.
Резорциноформальдегидные смолы аналогичны по свойствам
фенолоформальдегидным. Так как резорцин значительно
активнее фенола, отверждение резорциноформальдегидных смол
может 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
Карбамидные полимеры - продукты поликонденсации
мочевины и ее производных с формальдегидом; к ним относятся
мочевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные
полимеры. По своим свойствам карбамидные полимеры имеют много
общего с фенолоформальдегидными. Особенностью карбамид-
ных полимеров является их бесцветность, светостойкость,
отсутствие запаха и меньшая токсичность.
Мочевиноформальдегидные полимеры - один из самых
дешевых полимеров, что объясняется доступностью и простотой
синтеза. В строительстве мочевиноформальдегидные полимеры
широко 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 ~
большая усадка при отверждении и недостаточная водостойкость
отвержденного полимера.
Большинство мочевиноформальдегидных полимеров
используют для склеивания древесины и изготовления
древесностружечных плит.
Меламиноформальдегидные полимеры - более
дорогостоящие, так как для их синтеза применяют более дорогое сырье ~
меламин. В отвержденном состоянии они имеют лучшие, чем
мочевиноформальдегидные полимеры, свойства и
характеризуются высокой твердостью и водостойкостью.
Из меламиноформальдегидных полимеров получают клеи
для склеивания древесины, бумаги. Пример материала,
получаемого на таких клеях, - декоративный бумажно-слоистый
пластик и ламинированные покрытия для полов (ламинат).
Большое количество карбамидных полимеров после
соответствующей модификации используют для получения
высококачественных лаков и красок, например для окраски автомашин.
Ненасыщенные полиэфиры - олигомерные продукты в
виде вязких жидкостей, способные переходить в твердое состояние
при введении отвердителей. В строительстве применяют
полиэфирные смолы двух типов: полиэфирмалсинаты и полиэфирак-
рилаты.
364
Полиэфирмалеинатные смолы представляют собой раствор
линейного ненасыщенного, т. е. способного к сшивке,
полиэфира в стироле. Если в эту смолу ввести инициирующую пару: пе-
рекисный инициатор (например, гипериз) и ускоритель
разложения перекиси (например, нафтенат кобальта), то перекись,
распадаясь, инициирует химическую активность стирола и он
сшивает молекулы полиэфира по ненасыщенным связям в
пространственную сетку. При этом жидкая смола превращается в
твердый прочный материал. Обычно принимают соотношение
смолы, инициатора и ускорителя 100 : 3 : 8. При температуре
20 ''С процесс отверждения длится 20...60 ч, но смола теряет
текучесть (желируется) через 0,5...2 ч.
Полиэфиракрилаты - олигомерные смолы, но не
содержащие стирола и отверждаемые перекисными отвердителями в
сочетании с ускорителями.
В отвержденном виде полиэфирные полимеры
характеризуются высокой прочностью и химической стойкостью. Для
снижения хрупкости и получения высокопрочных конструкционных
материалов их армируют стекловолокном. Такие материалы
называют стеклопластиками.
В строительных отделочных работах полиэфирные смолы
используют для устройства наливных бесшовных полов,
изготовления полимербетона, замазок и шпатлевок. Большое
количество полиэфирных смол применяют для лакирования и
полирования поверхности древесины.
Эпоксидные полимеры - большая группа олигомерных
продуктов (от низковязких жидкостей до твердых смол),
получивших свое название по эпоксидным группам, входящим в
молекулу олигомеров. По этим эпоксидным группам линейные
молекулы олигомерных смол можно сшивать отвердителями,
главным образом аминными соединениями, например полиэтилен-
полиамином (НЭПА), 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... 150 МПа.
365
в строительстве чаш;е применяют эпоксидные смолы марок
ЭД-16, ЭД-20, представляющие собой жидкости желтого цвета
различной вязкости. При введении отвердителя уже при
нормальной температуре смола через 2...4 ч желируется, а через
8... 12 ч - необратимо затвердевает. Нагревание ускоряет
твердение и увеличивает степень отверждения. Положительное
качество эпоксидных смол - малая усадка при твердении, что
повышает прочность и трещиностойкость изделий на их основе.
Для повышения эластичности в смолы можно вводить
пластификаторы, например дибутилфталат, растительные масла. Для
снижения вязкости композиций вводят растворители или
маловязкие 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,
изготовления конструкционных строительных клеев (для
склеивания и ремонта металлических и бетонных конструкций),
применяют также в красках и шпатлевочных составах, в герметиках,
полимеррастворах и полимербетонах специального назначения.
Полиуретановые полимеры в главной цепи макромолекулы
содержат уретановую группу (-NH-CO-0-). Промышленное
производство полиуретанов с каждым годом увеличивается. Они
обладают высокой прочностью и очень высокой стойкостью к
истиранию, поэтому их применяют при изготовлении шин,
конвейерных лент, подошв для обуви, покрытий полов
общественных и промышленных зданий и спортивных площадок. Большое
количество полиуретанов используют для получения пенопла-
стов, эластичных материалов (поролона) и жестких
строительных пенопластов. Одна из интереснейших разновидностей
пенополиуретанов - пенополиуретаны, наносимые напылением
(жидкую полиуретановую смолу разбрызгивают из распылителя на
изолируемую поверхность, на которой в течение 10...30 с
полиуретан вспенивается и отвердевает). Отвердителем одного из
типов полиуретановых смол служит вода, поэтому лаками,
изготовленными 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
полимеры в результате конденсации алкилхлорсиланов (RSiCb,
R2SiCl2, RsSiCl) или замещенных эфиров ортокремниевой
кислоты (К81(ОК)з, R2Si(ORJ, RsSiOR). Состав и свойства
образующихся продуктов зависят в значительной степени от условий
реакции: кислотности среды, присутствия растворителя, его
полярности и т. п. В результате продуктами реакции могут быть:
низкомолекулярные жидкие полиорганосилоксаны;
высокомолекулярные линейные полиорганосилоксаны, обладающие
свойствами каучуков; высокомолекулярные жидкие или твердые
полиорганосилоксаны, образующие в конечной стадии полимеры
пространственного строения (термореактивные полимеры).
I
Полиорганосилоксаны благодаря связи -Si-O- в главной це-
I
пи по многим свойствам превосходят органические
высокомолекулярные вещества. Для полиорганосилоксанов характерна
стойкость к термической и термоокислительной деструкциям.
При термическом разрушении этих полимеров происходит
отщепление органических радикалов, а остаточным продуктом
является полимер (Si02)„, не проводящий электрический ток и
способный сохранять некоторую механическую прочность, тогда
как продуктами разложения органических полимеров являются
летучие вещества или кокс.
Органические боковые радикалы, связанные с атомами
кремния в полиорганосилоксанах, придают им водостойкость,
эластичность и другие полезные свойства. Если, например, боковые
радикалы содержат метильные группы, теплостойкость
полимера равна 200 ""С, фенильные - 250, этильные - 140 ""С. Все крем-
нийорганические полимеры обладают невысокой механической
прочностью, но их отличает морозостойкость, высокие
диэлектрические свойства, стойкость к действию слабых кислот и
щелочей, органических растворителей, минеральных масел и
топлива. При нанесении на твердую поверхность эти полимеры
проявляют свойства гидрофобизирующих веществ. Это
происходит 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
материала. Происходит ориентация кремнийорганических молекул
в пленке: органический радикал ориентирован в сторону окру-
I
жающей среды, а связь -Si-O к поверхности материала, в ре-
I
зультате чего образуется защитная пленка.
Для изготовления жаростойких лаков, эмалей, красок
используют полиорганосилоксаны разветвленного или циклоли-
нейного строения, обладающие в зависимости от соотношения
исходных веществ свойствами термопластичных или
термореактивных полимеров. Полифенилсилоксаны, модифицированные
каучуками, эпоксидными или фенолоформальдегидными
полимерами, применяют как конструкционные клеи, способные
работать при температуре от минус 60 до плюс 1200 ""С. Кремний-
органические каучуки используют для уплотнительных мастик и
герметиков. Они устойчивы к старению, работоспособны в
температурном интервале от -70 до +250 ""С, обладают адгезией к
бетону. Низкомолскулярные полиорганосилоксаны (этилсилико-
нат натрия ГКЖ-10, метил сил иконат 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
обыкновенных полимеров при приложении растягивающей силы могут
удлиняться в 2... 10 раз, а при прекращении действия этой
силы - восстанавливать свои первоначальные размеры. Это
свойство объясняется особенностью строения каучуков: во-первых,
их молекулы не вытянуты в линию, а как бы свернуты в
спираль; 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
плохо растворяются, но сильно набухают в органических
растворителях. Улучшить растворимость каучуков можно с помощью
термомеханической деструкции их молекул, интенсивно
перемешивая или перетирая материал на валках при повышенной
температуре.
368
При сшивке молекул каучука (этот процесс называют
вулканизацией) число связей между ними увеличивается. У
образовавшегося продукта - резины - по сравнению с каучуком
несколько снижается эластичность и совершенно пропадает
способность растворяться. При очень большом количестве сшивок
образуется твердый прочный материал - эбонит.
Каучуки выпускают в виде твердого эластичного продукта,
вязкой жидкости (жидкие каучуки), водных дисперсий -
каучуковых латексов. Латексы содержат 30...60 % каучука в виде
мельчайших частиц средним диаметром 0,1-.-0,5 мкм,
взвешенных 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,
наполнителями), легко распределяются на поверхности тонкой
пленкой, абсолютно негорючи и в них отсутствуют дорогостоящие и
токсичные органические растворители.
В строительстве каучук и каучукоподобные полимеры
используют главным образом для изготовления эластичных клеев
и мастик, модификации битумных и полимерных материалов,
изготовления материалов для полов и герметиков, а также
модификации бетонов.
Чаще других в строительстве применяют бутадиен-сти-
рольный, полихлоропреновый, тиоколовый и бутилкаучук;
кроме того, используют каучукоподобные полимеры: полиизобути-
лен и хлорсульфированный полиэтилен.
Бутадиен-стирольные каучуки получают обычно
совместной 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
содержание по массе стирола в каучуке).
Наиболее широко используется каучук марки СКС-30. Он
хорошо растворяется в бензине, бензоле и хлорированных
углеводородах. Клеящая способность каучуков СКС невысокая. Для
ее повышения в них добавляют канифоль, кумароноинденовую
■^Л Ч.^ SOS 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 -
поверхностно-активного вещества ОП-7 (ОП-10) или смеси ОП-7 (ОП-10)
с казеинатом аммония A:1).
На основе латекса СКС-65 получают клеящие мастики
(например, клей «Бустилат»), латексно-цементные краски, составы
для наливных полов. Латексом модифицируют строительные
растворы.
Полихлоропреновый каучук (наирит) - синтетический
каучук, получаемый сополимеризацией хлоропрена с добавкой
5...30 % других мономеров (стирола, изопрена и др.).
Выпускают твердые высокомолекулярные каучуки молекулярной массой
100000...500000, жидкие олигомерные каучуки, используемые
для пластификации и антикоррозионных покрытий, и латексы.
Плотность твердого каучука - 1230 кг/м^. Он хорошо
растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах,
частично - в кетонах и эфирах. Хлоропреновый каучук обладает
хорошими клеящими свойствами (наиритовый клей), поэтому его
используют в клеящих мастиках (например, кумарононаирито-
вых КН). Вулканизированные полихлоропреновые каучуки
(вулканизуются окислами металлов при 90... 100 °С) обладают высокой
масло-, бензо-, свето- и теплостойкостью.
Бутилкаучук - продукт полимеризации изобутилена с
небольшим количеством (L..5 %) изопрена. Бутилкаучук - один
из самых ценных видов каучуков. Он обладает высокой
морозостойкостью, эластичностью, стойкостью к воздействию
кислорода и озона и исключительно высокой газонепроницаемостью.
Бутилкаучук растворяется в бензине, ароматических
углеводородах 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.
Вулканизированный бутилкаучук отличается высокой термостойкостью,
температура деструкции составляет 160... 165 °С- 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
промышленности (автомобильные камеры), для получения
прорезиненных тканей, гуммирования химической аппаратуры, в пищевой
промышленности и для многих других целей. В строительстве
бутилкаучук используют для получения клеящих мастик и
герметизирующих материалов, а также для модификации битумных
и полимерных материалов,
Тиоколовые (полисульфидные) каучуки ~ синтетические
каучуки, в молекулах которых в основной цепи содержатся
атомы серы D0...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
покрытий, стойких к солнечному свету и растворителям,
герметизации стыков крупнопанельных зданий и в качестве
пластифицирующего компонента в химически стойких мастиках и
компаундах. Недостаток тиокол ового каучука - стойкий неприятный
запах.
СНз
I
Полиизобутилен, (- СН2 - С - )^, - термопластичный каучу-
I
СНз
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
хорошо растворяется в алифатических ароматических и
хлорированных углеводородах и хорошо смешивается с различными
наполнителями. Это - один из самых легких полимеров; его плот-
24* 371
ность - 910...930 кг/м^. Полиизобутилен щелоче- и
кислотостоек. По химической стойкости и диэлектрическим свойствам он
уступает только полиэтилену и фторопласту. Полиизобутилен
сохраняет эластичность до температуры -50 °С. Поэтому его
применяют для модификации полимерных и битумных
материалов с целью улучшения их свойств при низких температурах.
Низкомолекулярный полиизобутилен и растворы
высокомолекулярного полиизобутилена обладают очень высокими адге>
зионными свойствами к большинству строительных материалов
(дереву, бетону, штукатурке и т. п.). Из низкомолекулярного
полиизобутилена изготовляют невысыхающие клеи и мастики для
приклеивания полимерных отделочных материалов из поливи-
нилхлорида, полиэтилена и друп^х полимеров с плохой
адгезией. 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
пластификатор в пластмассах.
Хлорсульфированный полиэтилен - каучукоподобный
продукт, получаемый при взаимодействии полиэтилена с хлором
и сернистым ангидридом SO2. Обработанный таким образом
полиэтилен проявляет способность к вулканизации.
Хлорсульфированный полиэтилен хорошо растворим в
ароматических растворителях (толуоле, ксилоле) и хлорированных
углеводородах, хуже - в ацетоне и совсем не растворим в
ароматических углеводородах. Отличительная черта хлорсульфиро-
ванного полиэтилена - высокая атмосферо- и химическая
стойкость; он хорошо противостоит действию кислот, щелочей и
сильных окислителей, разрушающе действуют на него лишь
уксусная кислота, а также ароматические и хлорированные
углеводороды.
Вулканизированный хлорсульфированный полиэтилен
характеризуется высокой термостойкостью. Изделия из него
способны длительно работать при температуре от -60 до +180 ""С.
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 коррозионностоиких покрытий полов. На
его основе получают атмосферо- и коррозионностойкие лаки и
краски для защиты металла, бетона и других материалов от
атмосферных 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,
применяемым в строительстве и других отраслях хозяйства,
относятся природные смолы, ненасыщенные (высыхающие) масла,
целлюлоза и некоторые белковые вещества. Для получения
связующих веществ природные продукты, как правило,
модифицируют с целью улучшения их свойств.
Природные смолы - продукты растительного
происхождения, содержащиеся в жидкостях, которые выделяются на
поверхности коры деревьев самопроизвольно или в результате
ранения. Смолы состоят из смеси органических высоко- и
низкомолекулярных веществ. Различают молодые (свежие)
смолы, собираемые непосредственно с деревьев (например, эюиви-
ца ~ сосновая или еловая смола), и ископаемые смолы -
продукты жизнедеятельности давно погибших деревьев (янтарь,
копалы). Молодые смолы содержат много низкомолекулярных
летучих веществ, ископаемые смолы - твердые, хрупкие
материалы. В строительстве чаще применяют продукты,
получаемые при переработке смолы хвойных деревьев, - канифоль и
скипидар.
Канифоль ~ остаток от отгонки скипидара из смолистого сока
хвойных деревьев (живицы); хрупкая стекловидная масса
желтого цвета, состоящая в основном из смоляных кислот (до 90 %),
одной из которых является абиетиновая (С19Н29СООН).
Канифоль растворяется почти во всех органических растворителях,
хорошо совмещается с растительными маслами. Ее в основном
применяют для модификации других пленкообразующих
веществ с целью повышения адгезионных свойств.
Скипидар (терпентинное масло) применяют как растворитель
для масляных и глифталсвых красок.
373
Олифы (от греческого aleipha - мазь, масло) -
пленкообразующие вещества на основе жидких растительных масел или
алкидных полимеров (глифталевых или пентафталевых),
модифицированных 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,
особенно под действием УФ-излучения, становятся хрупкими и
растрескиваются. Процесс отвердевания необратимый, т. е.
высохшая масляная краска не растворяется повторно.
По составу и технологии приготовления олифы могут быть:
натуральные, полунатуральные (олифы-оксоль) и алкидные
(табл. 28).
Составы и области применения олиф
Таблица 28
Тип олифы
Натуральная
Полунатуральная
(олифа-оксоль)
Алкидная
Содержание
масла, %
100
50...55
30
Область применения
Приготовление грунтовок,
шпатлевок, густотертых и готовых к
употреблению красок, пропитка пористых
поверхностей J
Разбавление масляных красок
Приготовление густотертых и
готовых к употреблению масляных
красок и грунтовок 1
Примечание. Под названием «олифа» выпускаются и другие
пленкообразующие жидкие продукты, отличающиеся, однако, худшими свойствами.
Натуральную олифу получают из ненасыщенных
растительных масел (льняного и конопляного) двумя способами:
окислением - продувкой воздуха через подогретое до 150... 160 *^С
масло или полимеризацией - нагревом масла до температуры
270...280 °С. При этом происходит частичная полимеризация
молекул масел благодаря наличию в них двойных связей, т. е.
натуральная олифа - олигомерный продукт. Для ускорения
отвердевания олифы в нее вводят сиккативы (латинское siccati-
374
vus - высушивающий) - соли жирных кислот РЬ, Мп, Со,
катализирующие окислительную полимеризацию ненасыщенных
масел. Количество вводимого сиккатива~ 0,01...0,1 % (по
сухому веществу) от массы масел. При отсутствии кислорода
процесс полимеризации практически не идет. Например, краска,
залитая водой, не отвердевает.
Полунатуральную олифу (олифу-оксоль) получают более
глубокой 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
подсолнечного, соевого (марки ПВ, СМ) и др.
Краски на олифе марки В используют для наружных и
внутренних работ; марки ПВ - только для внутренних работ. Краски
на олифе-оксоль менее долговечны и дают более хрупкую
пленку, чем краски на натуральной олифе.
Алкидные олифы представляют собой растворы низковязких
жирных алкидных смол F0...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
масел. Последние являются внутренними пластификаторами,
придающими 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
органического вяжущего целлюлозу не применяют. Она практически
не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях.
Обычно используют простые и сложные эфиры целлюлозы:
нитроцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу и др.
375
Нитроцеллюлозу (коллоксилин) получают, обрабатывая
целлюлозу азотной кислотой (до содержания азота 10..Л2 %).
Она легко растворяется в ацетоне, этилацетате; хорошо
пластифицируется дибутилфталатом, камфорой. Нитроцеллюлозу
применяют 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
качестве клея для обоев, а также в отделочных композициях для
улучшения связности и реологических свойств смеси.
Карбоксиметилцеллюлоза биостойка, не токсична, стойка к действию
жиров, масел и органических растворителей. Ее в больших
количествах используют в строительстве, нефтедобывающей и
горнообогатительной промышленности для повышения вязкости
воды, в текстильной промышленности как аппретирующее
вещество и в полиграфии.
Белковые вещества применяют в строительстве все в
меньших объемах из-за их пищевой ценности и недостаточной водо-
и биостойкости. В ограниченных количествах находят
применение казеин и глютин.
Казеин - порошкообразный продукт, получаемый
обработкой кислотой обрата (обезжиренного молока). Казеин
плохо растворяется в воде, но хорошо - в щелочных водных
растворах. Его применяют для приготовления клеев и мастик, а также
после растворения в аммиачной воде (т. е. в виде казеината
аммония) для стабилизации латексов в полимерцементных
композициях.
Глютин (столярный клей) получают вывариванием из
костей, 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
нагревают до образования вязкого раствора - клея. При
охлаждении и испарении воды клей переходит в студнеобразное состоя-
376
ние (желируется), а затем затвердевает. Применяют глютиновый
клей в столярных (отсюда название - столярный клей) и
малярных 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
улучшающие их эксплуатационные свойства. К таким добавкам относятся
растворители, наполнители, пластификаторы, отвердители,
инициаторы отверждения и др.
Пластическими массами называют композиционные
материалы, изготовляемые разнообразными технологическими
приемами на базе органических связующих, наполнителей и
модификаторов. Первой промышленной пластмассой был эбонит,
полученный в 1843 г. вулканизацией натурального каучука серой.
По составу пластмассы разделяют на ненаполненные
(полиэтиленовая пленка, органическое стекло), наполненные
(содержат порошкообразные, листовые, волокнистые и другие
наполнители) и газонаполненные (пено- и поропласты).
В зависимости от вязкоупругих свойств различают жесткие,
полужесткие, мягкие и эластичные пластмассы.
Жесткие пластмассы - это твердые, упругие
материалы аморфной структуры, имеющие модуль упругости более
1000 МПа. Они хрупко разрушаются с незначительным
удлинением при разрыве. Примерами жестких пластмасс являются
фенопласты, аминопласты, глифталевые полимеры.
Полулсесткие пластмассы - это твердые вязкоупругие
материалы кристаллической структуры, имеющие модуль упругости
более 400 МПа и высокое относительное удлинение при
разрыве. Остаточные деформации их обратимы и полностью исчезают
при нагревании. Примерами служат полипропилен и полиамиды.
Для мягких пластмасс характерны низкий модуль упругости
B0..-100 МПа) и высокое относительное удлинение при
разрыве. Остаточные деформации обратимы и медленно исчезают при
377
нормальной температуре. К таким пластмассам относятся поли-
винилацетат, полиэтилен и др.
Эластичные пластмассы ~ это мягкие гибкие
материалы, имеющие модуль упругости менее 20 МПа и
характеризуемые большими деформациями при растяжении, причем все
деформации 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
(асбестовые, древесные и стеклянные волокна) и слоистые (бумагу,
стеклоткань, древесный шпон и др.). Они уменьшают расход
полимера и изменяют свойства пластмасс в нужном
направлении (повышают теплостойкость, механическую прочность,
долговечность, придают тиксотропные свойства). Наполнители
намного дешевле полимеров, поэтому введение их в состав
пластических масс значительно снижает стоимость материалов и
изделий.
Эффект наполнителя в части повышения прочности
наполненных пластмасс объясняют ориентацией макромолекул
полимеров в силовом поле вокруг частиц наполнителя и эффектом
микроармирования, проявляющимся при усадке и нагружении
полимеров (частицы наполнителя сдерживают развитие
микротрещин).
Пластификаторы применяют для придания пластичности,
улучшения формовочных свойств и эластичности пластмасс.
Молекулы пластификатора, не связываясь с полимером
химически, ослабляют энергию межмолекулярного взаимодействия и
таким образом облегчают скольжение макромолекул
относительно друг друга. Пластификаторы не улетучиваются из
полимера, однако способны экстрагироваться растворителями.
В строительстве применяют низко- и высокомолекулярные
пластификаторы. Из низкомолекулярных пластификаторов
используют эфиры фталевой (дибутилфталат, диоктилфталат) и
фосфорной (трикрезилфосфат) кислоты. Например,
диоктилфталат - прозрачная маслянистая жидкость плотностью 980 кг/м^,
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
растворителями.
Растворители - органические летучие жидкости,
снижающие вязкость полимеров и композиций и образующие со
связующими истинные растворы, стабильные во времени.
Разбавители - это тоже органические жидкости, но способные
растворять полимеры только в смеси с активным растворителем или
образующие с ним устойчивые смеси (суспензии или эмульсии).
Одновременно растворители и разбавители улучшают
смачивание поверхности, облегчают ориентировку полимера
относительно наполнителя, однако замедляют процесс
отвердевания, снижают прочность, повышают пористость конечного
продукта.
Способность растворителя растворять связующее
(растворяющая способность) зависит от его молекулярного строения и
определяется в основном соотношением полярностей
растворителя 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
растворяются в кислородсодержащих растворителях (спирте, ацетоне);
краски на олифе, молекулы которой имеют длинные
углеводородные цепи, хорошо растворяются в алифатических
углеводородах (пентан, гексан). При этом растворители для одних
полимеров являются лишь разбавителями для других. В связи с этим
для большей универсальности применяют смеси двух и более
соединений, называемые комплексными растворителями.
Промышленность выпускает такие растворители под условными
номерами.
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
химических свойств полимеров под воздействием различных
факторов называют модификацией. Вещества, способные
видоизменить полимер с целью устранения или ограничения тех или
иных недостатков, например хрупкости, горючести, плохой
растворимости и т. п., ид^зът?сют модификаторами.
Стабилизаторы и антиоксиданты тормозят старение
пластмасс под действием солнечного света и кислорода воздуха,
повышают долговечность пластмассовых изделий.
Красящие вещества включают пигменты - тонкодисперсные
цветные порошки, минеральные или органические, не
растворимые в пленкообразующих веществах и органических
растворителях, и красители - синтетические продукты, хорошо
растворимые в жидких компонентах пластмасс.
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,
вспенивающие 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/моль \ Между макромолекулами в
термопластичных полимерах образуются либо водородные связи
A0...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
элементы полимерной структуры, подавляет гибкость цепных
молекул и способствует повышению жесткости полимера, в итоге
повышаются его плотность, температура плавления и
уменьшается коэффициент линейного термического расширения.
380
Повысить энергию межмолекулярной связи можно разными
способами. Во-первых, этого добиваются путем увеличения
полярности полимерных звеньев. Например, полярность винил-
хлорида больше, чем этилена, следовательно, энергия
межмолекулярных связей в поливинилхлориде (ПВХ) больше, чем в
полиэтилене (ПЭ), что и подтверждается большей прочностью
ПВХ. Второй путь заключается в создании трехмерной
пространственной структурной сетки из ковалентных химических
связей. На практике это может быть достигнуто введением в
полимер 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
взаимодействующий с макромолекулами. Например, при введении сажи
в резину прочность ее возрастает.
Другое направление изменения свойств полимеров
заключается в ориентации макромолекул в направлении
предполагаемого воздействия внешней силы. Она осуществляется
вытягиванием полимерного материала в заданном направлении или другими
способами. При этом увеличивается количество линейных
молекул полимера, для разрыва которых необходимо преодолеть
энергию межатомных связей. Например, пленка полиэтиленте-
рефталата (лавсана), ориентированная во
взаимно-перпендикулярных направлениях, не уступает по прочности алюминиевой
и медной фольге равной толщины.
Пластические массы обладают рядом физико-механических
свойств, которые позволяют им иметь значительные
преимущества перед наиболее распространенными строительными
материалами. Это следующие свойства.
Плотность пластмасс чаще всего находится в пределах
900-. .1800 кг/м\ т. е. они в два раза легче алюминия и в 5.. .6 раз
легче стали. Средняя плотность пластмасс колеблется в
широких пределах и составляет у пористых 15...30 и у плотных -
1800...2200 кг/м\ Замена металлов и силикатных материалов
пластмассами значительно снижает массу конструкций,
уменьшает 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
сжатии пластмасс с порошкообразным наполнителем составляет
100... 150 МПа, данный показатель стекловолокнистых пластмасс
достигает 400 МПа. По прочности пластмассы превосходят
многие традиционные материалы - бетон, кирпич, древесину.
Теплопроводность пластмасс зависит от их пористости:
теплопроводность пено- и поропластов составляет 0,03...0,04 Вт/(м • X),
остальных - 0,2...0,7 Вт/(м • ""С). Пластмассы, наполненные
минеральными или металлическими порошками, графитом,
минеральными волокнами, значительно более теплопроводны, чем
пластмассы, наполненные органическими наполнителями
(древесной мукой, лигнином) или газами.
Пластмассы обладают высокой химической стойкостью по
отношению к воде, кислотам, растворам солей и органическим
растворителям. Особенно стойки к коррозии пластмассы на
основе политетрафторэтилена, полиэтилена, полиизобутилена,
полистирола, эпоксидных полимеров. Химическая стойкость
пластмасс 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
истираемость. Это свойство особенно важно в случае применения
пластмасс для устройства полов. Коэффициент истираемости
полимерных материалов для пола составляет 0,06...0,12 г/см^ при
испытании на машине Грассели.
Пластмассы хорошо окрашиваются в массе в любые цвета.
Хорошая окрашиваемость пластмасс по всей толще изделия
исключает необходимость дополнительных декоративных отделок
изделий. Некоторые ненаполненные пластмассы прозрачны и
обладают высокими оптическими свойствами. Так, прозрачность
органических стекол определяется в пределах 83...94 по
сравнению с алмазом, прозрачность которого принята за 100 %.
Пластмассы легко обрабатывать: пилить, строгать,
сверлить. Ценным свойством пластмасс является легкость их
технологической переработки - возможность придания им
разнообразной формы.
382
Вместе с тем имеются и ограничения по применению
пластмасс в строительстве, так как им присущи некоторые
недостатки, 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
переработки (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
традиционные процессы - дозировку и приготовление полимерной
композиции, формование изделий и стабилизацию их формы и
физико-механических свойств.
Приготовление композиций производят на смесителях
различных систем. Для перемешивания сухих композиций обычно
используют турбулентные и шнековые смесители.
Специфическим широко используемым способом приготовления
полимерных композиций является вальцевание.
Вальцевание - операция, при которой масса перетирается в
зазоре между обогреваемыми валками, вращающимися в
противоположном направлении. Вальцевание позволяет равномерно
перемешать компоненты смеси. При многократном пропускании
массы через валки полимер в результате термомеханических
воздействий переходит в пластично-вязкое состояние. Этот
процесс 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
получаемой 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
электрообогревом поддерживается заданная высокая температура.
Периодически приводимый в движение поршень выдавливает
размягченный до пластического состояния материал в разборные
охлажденные прессформы. Отформованные изделия
освобождают из форм и направляют на склад. Этим способом
изготовляют сплошные изделия небольших размеров, например
облицовочные плитки из полистирола.
^Е
Рис. 58 Схемы переработки пластмасс в материалы и изделия, а - литье
под давлением (инжекция); б - непрерывное профильное выдавливание
(экструзия); в "- вальцевание и каландрирование; г - формование под давлением в
прессформах
При простом литье жидкая композиция или расплав
заливаются в формы и отвердевают в результате реакций
полимеризации, поликонденсации или вследствие охлаждения.
Непрерывное профильное выдавливание (экструзия)
(рис. 586). Гранулы термопластичного полимера из загрузочного
бункера поступают в пресс, в котором, нагреваясь,
размягчаются. Затем материал шнеком подается к головной части машины.
384
где продавливается через мундштук с сечением,
соответствующим требуемому профилю изделия.
Методом непрерывного выдавливания изготовляют трубы и
погонажные изделия - лестничные поручни, плинтусы, пленки,
стержни и др.
Переработка на вальиах с последующим
каландрированием. Исходные сырьевые смеси, состоящие из
термопластичной смолы, пластификатора и других компонентов, после
тщательного перемешивания в обогреваемых механических
смесителях 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
каландре, состоит в появлении анизотропии механических
свойств, называемой каландровым эффектом. Этот эффект
возникает благодаря ориентации частиц полимера в направлении
каландрирования и оценивается разницей прочности вдоль и
поперек листа.
Пластмассы на основе термореактивных полимеров
перерабатывают в изделия прессованием. При формовании
прессованием пресс-порошок, состоящий из порошкообразной
термореактивной смолы и измельченного наполнителя, подается в
обогреваемую 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
электротехнического оборудования, оконные и дверные приборы, фурнитуру,
детали строительных машин и механизмов.
Для плоского прессования строительных листовых пластиков
и панельных изделий применяют многоэтажные A5...20 ярусов)
гидравлические прессы усилием 100...500 кН, обогреваемые
перегретой водой или паром. Пакеты для прессования разделяют
металлическими листами и помещают в пресс. При температуре
140... 160 °С в обжатом состоянии происходит склеивание частиц
в изделие. Методом плоского прессования формуют
древесностружечные плиты, бумажные слоистые пластики, фанеру.
Методом вспенивания изготовляют пористые
теплоизоляционные пластмассы и амортизирующие прокладки. Пористая
25 Зак. 508 385
структура пластмасс получается в результате вспенивания
жидких или вязкотекучих композиций под влиянием газов,
выделяющихся при реакции между компонентами или разложении
специальных добавок (порофоров) от нагревания. Вспенивание
также производится механически путем смешивания
полимерной композиции с пеной или нагнетания (растворения) в
полимере газообразных и легкоиспаряющихся веществ (производство
пенопо листирола).
Термоформованием называют переработку нагретых
листовых, пленочных, трубчатых пластмассовых заготовок с целью
придания им более сложной формы и получения готовых
изделий. Усилие, необходимое для формования, создается
механически, гидравлически, пневматически, при помощи вакуума или
комбинацией двух из этих способов.
Штампованием нагретых заготовок изготовляют детали
канализационных систем, световые колпаки из оргстекла; вакуум-
формованием нагретых листов - детали санитарно-технического '
оборудования из ударопрочного полистирола, виниловых
полимеров.
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,
широко применяют в качестве конструкционных и отделочных
материалов. Причем одни из них, например стеклопластики и дре-
весно-стружечные плиты, являются
конструкционно-отделочными материалами, другие, например полистирольные
облицовочные плитки, - только отделочными.
Конструкционные материалы. В качестве
конструкционных материалов применяют главным образом следующие
армированные пластмассы: стеклопластики, древесно-слоистые
пластики, сотопласты, а также органическое стекло и винипласт
листовой.
Стеклопластики представляют собой материалы,
состоящие 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
основе рубленого волокна и стеклопластик на основе стеклоткани
(стеклотекстолит).
Стетюволокнистый анизотропный материал получают
методом 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
формируют пакеты, которые подвергают горячему прессованию.
Наибольшей прочностью обладает СВАМ, изготовленный из
волокон 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/м^ 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/м . 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,
свегопрозрачных 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
правильными слоями в пакеты полотнищ стеклоткани, которую
предварительно пропитывают растворами фенолоформальдегидных
смол и подсушивают. Стеклотекстолит выпускают в виде листов
длиной 2400, шириной - 600... 1200 и толщиной - 9...35 мм.
Плотаость стекловолокнистых листов - 1850 кг/м^, предел
прочности при растяжении - 230, при сжатии - 95 и при изгибе -
120 МПа. Стеклотекстолит, как и другие стеклопластики,
обладает 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.
Органическое 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,
световых одинарных и двойных вертикальньос проемов и куполов
верхнего света общественных и промышленных зданий.
Отделочные материалы - наиболее обширная группа
полимерных материалов: листовых, плиточных, рулонных,
профильно-погонажных и др. К листовым отделочным материалам
относят декоративные бумажно-слоистые пластики, отделочные дре-
весно-волокнистые и древесно-стружечные плиты и др.
Декоративный бумаж'но-слоистый пластик - листовой
материал, изготовляемый методом горячего прессования пакетов
из нескольких A5...20) слоев крафтбумаги, предварительно
пропитанной синтетическими смолами. Верхний слой бумажно-
слоистого пластика представляет собой лист одно- или
многоцветной текстурной ненаполненной бумаги или же бумаги с
рисунком, 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/м^, предел прочности при изгибе -
не менее 100 МПа. Он не расслаивается, атмосферо- и
морозостоек, легко поддается механической обработке (распиловке,
сверлению, строганию и даже гнутью).
Листы декоративного бумажно-слоистого пластика служат
для внутренней отделки культурно-бытовых, торговых и
общественных зданий, а также для изготовления щитов встроенной и
обычной мебели.
Древесно-болокнистые отделочные плиты производят
методом горячего прессования древесно-волокнистых материалов.
Листы формируют по технологии, изложенной в 15.2. При
использовании сырья с содержанием древесины лиственных пород
более 30 % или при изготовлении сверхтвердых (СТ) и твердых
водостойких (Т-В, Т-СВ) плит плотностью 950...1100 кт1м в
древесно-волокнистую массу вводят упрочняющие добавки -
белковый клей или фенолоформальдегидную смолу СФЖ-3014.
Отделочные древссно-волокнистые плиты имеют длину
2140 A220)...6100 E500) мм, ширину- 1220 F10)...2140 A700)
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-струэюечные отделочные плиты получают
горячим 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
связующим; на поддонах формируют ковер, который вначале
подвергают холодному A,5...1,9 МПа в течение 10...30 с), а затем -
горячему прессованию при температуре 140... 165 ""С.
Длина древесно-стружечных отделочных плит - 2500., .3500 мм,
ширина- 1250... 1750 мм и толщина- 10...25 мм. Плотность их
обычно - 600.. .700 кг/м^. Лицевую поверхность плит покрывают
лаками, эмалями и красками, облицовывают шпоном, листовыми
пластиками и другими материалами. Их применяют для
устройства перегородок, отделки встроенной мебели, подвесных
потолков 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 древесно-полимерных композиций
методом 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
гранулируют. Затем методом непрерывного формования изготовляют
изделия, которые имеют текстуру древесины и могут быть
окрашены в любые цвета. Рейки сайдинга легко соединяются друг с.
другом.
Полистиролъные облицовочные плитки изготовляют методом
литья под давлением на специальных литьевых
прессах-автоматах 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.
Полистиролъные плитки применяют для внутренней
облицовки стен и панелей в помещениях с повышенными
гигиеническими 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)
пленки, окрашенные по всей толщине и имеющие с лицевой
стороны рисунок или тиснение, которые имитируют древесину,
ткань, керамическую плитку и т. п. Пленку производят
каландрированием, а рисунок наносят способом глубокой печати.
Выпускают 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
поверхность.
390
14.10. Лакокрасочные материалы
Лакокрасочными называют природные или синтетические
материалы, наносимые в жидком состоянии на поверхность
изделия тонким слоем и образующие после отвердевания
покровные пленки. Их наносят на изделия или конструкции с целью
защиты от вредного воздействия атмосферы, пара и газов,
предохранения 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
покрытия заданного колера; связующие вещества, пигменты и
красители, служащие для изготовления красочных веществ; лаки,
применяемые для образования отделочного прозрачного
покровного слоя; эмали и вспомогательные материалы -
шпатлевки, грунтовки, растворители лаков и красок, пластификаторы и
отвердители полимерных составов и специальные добавки,
например сиккативы.
Пигменты характеризуются химическим составом,
дисперсностью, укрывистостью, маслоемкостью, красящей
способностью, светостойкостью, химической стойкостью и
антикоррозионной стойкостью. Химический состав обусловливает цвет,
коррозионную и химическую устойчивость, термостойкость,
укрывистость - способность краски, приготовленной на олифе
и пигменте, закрывать первоначальный цвет при равномерном
нанесении на поверхность. Укрывистость характеризуется
количеством пигмента в граммах на 1 м^ окрашиваемой поверхности.
Красящая способность (интенсивность цвета) - свойство
пигмента передавать свой цвет в смеси с белыми, черными или
синими пигментами. Маслоемкостъ - способность пигмента
удерживать 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
превышать толщину пленки красочного покрытия во избежание
шероховатостей и неровностей. Наибольшая укрывистость пигмента
достигается при измельчении его в пределах 0,2... 10 мкм. Све~
тостойкостъ - способность пигмента сохранять свой цвет под
воздействием света. Атмосферостойкостъ - способность
пигмента, не изменяя цвета, противостоять воздействию
атмосферных факторов: кислорода воздуха, сернистых и других газов,
а также попеременному замораживанию и оттаиванию,
увлажнению 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
металлы. Некоторые пигменты (свинцовый и железный сурик,
свинцовые белила и др.) обладают весьма высокими
антикоррозионными свойствами.
В целях экономии пигментов и придания краскам
повышенной кислото- и огнестойкости в них вводят наполнители -
тонкодисперсные 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
синтетические лакокрасочные материалы, эмульсионные краски и
новые минеральные красочные вещества, иногда требующие
перед употреблением введения растворителей или разбавителей.
Красочные вещества в зависимости от связующего
компонента разделяют на масляные краски; лаки; эмалевые и
эмульсионные краски; полимерные, полимерцементные и водоразбав-
ляемые красочные вещества.
Масляные красочные вещества представляют собой
суспензии 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
содержат минимальное количество олифы - 12...20 %, а готовые
392
к употреблению красочные вещества - 30...50 % по массе.
Наибольшей атмосферостойкостью обладают краски,
приготовленные на натуральной олифе.
Масляные краски на олифах из растительных масел
применяют 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
поверхность 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
растворителей лаки разделяют на следующие виды.
Смоляные и масляно-смоляные лаки - растворы алкидных и
других синтетических полимеров (смол) в органических
растворителях. Масляно-смоляные лаки дополнительно содержат
высыхающие масла. В строительстве получили распространение
лаки на основе мочевиноформальдегидных, перхлорвиниловых
и поливинилхлоридных композиций. Такие лаки широко
применяются для наружной и внутренней отделки по дереву.
Битумные лаки представляют собой растворы битумов в
органических растворителях. Такие лаки образуют пленки черного
цвета, обладают высокими антикоррозионными свойствами,
атмосферостойкостью. Для улучшения свойств, снижения
хрупкости при отрицательных температурах в битумный лак вводят
высыхающие растительные масла. Битумные лаки применяют
для защиты металлических конструкций.
Нитроцеллюлозные лаки - растворы нитроцеллюлозы
совместно с пластификатором в органических растворителях. Эти
лаки 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
повышенной температурной устойчивостью и способностью
выдерживать кратковременное воздействие высоких температур (до
500 °С). Их применяют обычно для окраски дымовых труб,
печей и других сооружений, испытывающих при эксплуатации
повышенные температуры.
Эмалевыми красками (эмалями) называют красочные
вещества, получаемые путем тщательного смешения лака с
пигментом 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
покраски.
Перхлорвиниловые лаки и эмалевые краски водостойки и
используются в основном для наружных малярных работ. Их
выпускают в виде дисперсии полимера в растворителе.
Эпоксидные эмали получают на основе эпоксидного
полимера 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-дисперсионные акриловые краски, краски на основе силиконовых смол
и полимеризационной смолы).
394
Водно-известковые краски приготовляют с использованием
воздушной или гидравлической извести и щелочестойких
пигментов. Для предотвращения чрезмерно быстрого высыхания
пленки в состав краски вводят хлористые соли. Красочная
пленка образуется благодаря процессу карбонизации извести. Этот
процесс протекает довольно медленно, что необходимо
учитывать при обработке материала. Известковые краски не
отличаются долговечностью, однако широко используются в
строительстве благодаря их низкой стоимости. Известковые
красочные 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
портландцемент, известь-пушонка, щелочестоикии пигмент и другие
компоненты, повышающие водостойкость. Образование
прочной пленки красочного вещества обусловлено гидратацией
цемента и затвердеванием суспензии. Они применяются для
отделки фасадов зданий и стен внутренних помещений.
Силикатные краски представляют собой смеси из
растворимого калиевого стекла, щелочестойких пигментов и
наполнителей (мела, талька, диатомита, трепела и др.). Пленка силикатной
краски становится прочной и малорастворимой в воде
вследствие гидролиза силиката калия и образования нерастворимых
силикатов кальция и водного кремнезема
K2Si03 + ЗН2О - 2К0Н + S1O2 • 2Н2О,
Образовавшаяся едкая щелочь связывается наполнителем -
диатомитом или трепелом
2К0Н + mSi02 = К2О ■ wSi02 + Н2О.
В процессе отвердевания силикатных красок, который
обычно называют окременением, для улучшения их качества и
прочности необходимо, чтобы активный кремнезем присутствовал в
подложке и в краске (в качестве наполнителя).
Силикатные краски достаточно атмосферостойкие и
используются для окраски фасадов зданий. Наиболее
атмосферостойкие красочные покрытия получаются при окраске поверхностей
свежего цементного бетона, содержащего свободную
гидроокись кальция, а также цементной и известковой штукатурки.
395
Немецкая фирма Caparol поставляет на рынок Беларуси
дисперсионные и модифицированные силикатные краски,
содержащие дополнительно дисперсии полимеров и гидрофобных
веществ. Такие краски обладают высокой проницаемостью для
водяного пара и СО2, хорошей адгезией к основанию, высокой
водоотталкивающей способностью и атмосферостойкостью.
Краски на основе силиконовых смол Caparol (AmphiSilan,
ThermoSan) сочетают в себе лучшие свойства силикатных и
дисперсионных красок. В качестве связующего вещества
используются кремнийорганические соединения в виде водных дисперсий.
Силиконовые краски отличает высокая адгезия к основанию,
долговечность и высокая паропроницаемость, в то же время
окрашенные ими стены надежно защищены от всех вредных
атмосферных воздействий. Особенность силиконовых красок - это
совместимость с практически всеми типами подложек и
способность к самоочищению, т. е. частицы пыли и грязи не
прилипают к поверхности окрашенного фасада и смываются вместе
с дождем, что позволяет фасаду надолго оставаться чистым.
Водно-дисперсионные акриловые краски предназначены для
окраски цементно-известковых и полимерцементных штукату-
рок. В Беларуси широкое применение получила
водно-дисперсионная акриловая краска Muresko-plus производства фирмы
CaporoL Это - модифицированная сил океаном,
водоотталкивающая матовая краска, особо стойкая к старению и воздействию
ультрафиолета.
Краски на основе полимеризационной смолы (Duparol)
применяют для нанесения на рыхлые, сильно обветренные
поверхности или такие, которые приходилось очищать от высолов, а
также при покраске фасада в зимних условиях. Связующее
вещество 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 ^С.
Краски для внутренних работ не должны выделять вредные
вещества в окружающую среду и должны быть стойкими к
бытовым дезинфицирующим веществам, а при необходимости -
и к истиранию, мойке или сухой протирке.
Следует отметить, что современные защитно-отделочные
составы 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
растворителем, или специально приготовленная композиция, как правило,
на том же связующем, что и краска.
14Л1. Материалы для полов
Среди различных видов материалов полимерные в
наибольшей степени отвечают всем требованиям, предъявляемым к
покрытиям полов. Они - гигиеничны и технологичны, затраты
времени и труда на устройство покрытия пола из полимерных
материалов значительно (в 5.,. 10 раз) ниже, чем из
традиционных (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
компонентов 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
гибкое 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
легкими мраморными разводами или вкраплениями.
Основной объем выпускаемого линолеума приходится на
долю поливинилхлоридного (ПВХ). Его отличают такие свойства,
как биостойкость, гигиеничность, декоративность, малые
себестоимость 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
полимерных 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,
хлопчатобумажные, стеклянные и другие ткани. Наполнителями
служат обычно тонкоизмельченные минеральные (каолин, мел,
тальк, барит) либо органические (древесная мука) порошки. Для
окрашивания полотна применяют минеральные или
органические пигменты и красители.
ПВХ линолеум изготовляют промазным, вальцово-каландро-
вым и экструзионным способами. Последними двумя способами
изготовляют безосновный линолеум. Процесс производства
основного линолеума промазным способом включает следующие
основные операции: приготовление пигментной пасты,
приготовление 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
способом служит суспензионный поливинилхлорид, который
смешивают с порошкообразным наполнителем и добавками
пластификаторов и стабилизаторов в обогреваемом роторном
смесителе, 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
линолеума- 1,2...6 мм.
К основанию пола линолеум крепят на специальных
мастиках. От правильности настилки во многом зависит его
долговечность. Это относится и ко всем остальным полимерным
материалам - только при строгом соблюдении правил монтажа
398
и эксплуатации пластмассы в полной мере проявляют свои
положительные свойства.
Рулоны линолеума хранят в вертикальном положении в
сухом помещении при температуре не ниже 10 "^С. Если он был
доставлен с более низкой температуры, его выдерживают в
помещении, 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
синтетических каучуках, а нижние - из резиновой смеси с
использованием старой дробленой резины. Часто средний слой делают
пористым. Каждый слой изготовляют отдельно, затем
соединяют и вулканизируют каучук. Релин настилают в помещениях с
повышенной влажностью, к которым предъявляются высокие
гигиенические требования (кухни, санитарно-техкические узлы,
раздевалки).
Мастичные бесшовные покрытия получают нанесением
путем полива или распыления на бетонные основания полов
вязкотекучих полимерных составов с последующим
отвердеванием 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
термореактивных олигомерах (на полиэфирных и эпоксидных смолах).
Второй тип мастичных составов дает более прочное и
химически стойкое покрытие. Высокими физико-механическими
свойствами характеризуется покрытие состава: смола эпоксидная
алкилрезорциновая ЭИС-1 - 1 мае. ч.; наполнитель (андезитовая
мука) - 4 мае. ч.; модификатор (низкомолекулярный
полиэтилен) ~ 20 % от массы смолы, отвердитель (полиэтиленполиа-
мин) - 12 % от массы смолы.
Связующим для поливинилацетатных составов служит
пластифицированная водная дисперсия с содержанием поливинил-
399
ацетата не менее 50 %. Наполнителями являются молотые песок,
перлит, золы ТЭС, маршалит и др. Приготовляют мастику в
растворомешалках, 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
после высыхания предыдущего. В целом покрытие имеет толщину
2...3 мм. Мастичные поливинилацетатные полы целесообразно
применять в помещениях, где предъявляются повышенные
требования 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
двухслойные ворсовые ковры, верхний слой которых выполнен из
ворсовой пряжи, а нижний - из вспененной поливинилхлорид-
ной пленки или латекса. Верхнее покрытие выполняется из
синтетических волокон: полиамидных, полиэфирных, полиакрило-
нитрильных, полипропилс>10вых 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
материалы подразделяются на тканые, ворсово-прошивные (тафтин-
говые), клеевые (нетканые) и иглопробивные (войлочные).
Тканый ковролин - самый прочный и дорогой, потому что его
делают так же, как обычные ковры. Ковролины могут быть также
беспетлевые, петлевые и с разрезным ворсом. Высота ворса
составляет, 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
изготовлении 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
работы 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
основу. С изнаночной стороны нить подхватывается крючком,
который делает петельку, формируя петельчатый ворс. Если это
необходимо, крючок снабжается режущим лезвием, которое
разрезает петельку, после того как она сформирована. Таким
образом 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
основные операции: получение поливинилхлоридной пасты или
другой основы, изготовление петель из ворсовой пряжи на
специальной петлеформующей машине и формирование ковра.
Ворсолин 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
жидким связующим (латексом), сушку, термообработку и отделку
ходюта. Последняя заключается в тиснении, крашении,
нанесении печатного рисунка и антистатической обработке. Ширина
ворсонита - 1600 мм, толщина ворсового покрытия - 2, 5 мм.
Применяют ковры для устройства полов в гостиницах,
читальных и концертных залах, жилых помещениях.
Ламинатные покрытия. Слово «ламинат» - сокращенный
вариант от слова «ламинированный». Специалисты
называют этот вид покрытия еще «ламинированный пол». Ламинат -
это пластины длиной 1,2...2 м, шириной 19...20 см и
толщиной 7...8 мм. Бывает ламинат и квадратной формы C8x38 или
26.3ак.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
изображением каких-то предметов - скажем, фруктов. Пластины ламина-
та «под дерево» обычно длинные, как доски. Крупные квадраты
чаще всего используют для ламинатов с «каменным» и
«металлическим» декором, а мелкие ~ для орнаментов и других
декоративных элементов. Пластины разных форм при укладке легко
комбинировать.
Согласно европейскому стандарту существует шесть
классов 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,
которые способны выдерживать нагрузки, характерные для
общественных помещений. Для легких нагрузок подойдет ламинат
31-го класса (конференц-зал), для средних ~ 32-го (офис,
классные комнаты), для высоких - 33-го класса (магазин,
спортзал, бар).
Структура и свойства ламината. Ламинат не имеет
практически ничего общего ни с паркетной доской, ни тем более со
штучным паркетом. Разве только то, что основу ламината
делают 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
смолой бумага с нанесенным на нее рисунком); основной (несущая
древесно-волокнистая плита высокой плотности ~ HDF) и
стабилизирующий нижний (парафинированная или пропитанная
смолой бумага) (рис. 59).
402
Рис. 59, Схема устройства
ламинированного покрытия: 1 - защитный; 2 -
декоративный; 3 - основной (HDF); 4 -
стабилизирующий 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
электронными лучами, покрывают сверху неэлектризующейся
пленкой и т. п. Этот слой «отвечает» за такие свойства ламината, как
абразивная устойчивость (сопротивление истиранию),
невосприимчивость к пятнам, химикатам, действию солнечных лучей,
устойчивость к появлению царапин и других механических
повреждений.
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
плита высокой плотности толщиной 6,7...7,7 мм (HDF, что по-
английски звучит как high density flag). Она существенно
отличается по своим свойствам от обычной ДВП^ 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 <^ревесно-
волокнистая плита средней плотности». Но многие почему-то считают, что
ДВП и МДФ - разные вещи. Даже пытаются находить различия между ними.
403
затем прессуют при определенном давлении и температуре
(параграф 14.9). В зависимости от режима прессования получают
либо MDF, либо HDF. Последняя отличается высокой
механической прочностью (в частности, прочностью на излом),
водостойкостью, 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.
Дополнительные слои служат для улучшения какого-то свойства
ламината. В большинстве случаев это специальная пленка, которая
находится между декоративным слоем и основой и служит для
повышения ударопрочности покрытия.
14.12. Трубы, санитарно-технические
и погонажные изделия
В последние годы в строительстве широко применяют трубы,
санитарно-технические изделия и детали оборудования,
изготовленные из пластмасс.
Пластмассовые трубы получают методом непрерывной
шнековой экструзии из полиэтилена, полибутилена,
полипропилена, поливинилхлорида и других полимерных материалов.
Трубы 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
народного хозяйства, в том числе и в строительстве, где они
служат для водоснабжения, канализации, вентиляции и др.
Пластмассовые 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
жидкостям в пластмассовых трубах меньше, чем в чугунных. Кроме
того, за счет выпуска длинномерных пластмассовых труб
обеспечивается 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
монтировать вблизи источников выделения теплоты, имеющих на
своей поверхности температуру выше 60 ""С (для полиэтилена),
40...70 "^С - для поливинилхлорида. Кроме того, полимерные
трубы обладают большим коэффициентом линейного
расширения, а поливинилхлоридные выделяют при горении ядовитые
вещества - диоксины. Несмотря на высокую стоимость
пластмассовых 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
инертных 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 кислородонепроницасмыми.
Полимерные трубы соединяют в раструб с помощью
резиновых колец, сварки и клея, а металлополимерные ~ с помощью
резьбовых соединений.
Санитарно-технические изделия. Пластмассы являются
хорошим материалом для изготовления самых различных санитар-
но-технических изделий и приборов - умывальников, раковин,
унитазов, смывных бачков, ванн, сифонов, смесителей,
вентиляционных решеток и т. п. В зависимости от вида изделий и
условий эксплуатации они могут быть либо полностью
пластмассовыми, либо с частичным применением металлов. Методы
изготовления санитарно-технических изделий различны и зависят от
массы и размеров изделия.
Погонажные изделия. К погонажным строительным
изделиям, изготовляемым на основе полимеров, относят плинтусы,
поручни для лестниц, балконов и других ограждений, накладки
на ступени лестничных маршей, раскладки для крепления и
обработки 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,
теплостойкостью, малой горючестью, химической стойкостью,
водонепроницаемостью, 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 морозо- и коррозионностойким, а также
проницаемым для жидкостей. Цементные бетоны быстро
разрушаются под действием кислот. В некоторых случаях бетон нельзя
применять из-за его хрупкости и невысокой износостойкости;
кроме того, свежий бетон плохо сцепляется с поверхностью
старого бетона. Подобных недостатков не имеют бетоны, в которых
минеральное вяжущее частично или полностью заменено
полимерами.
Эта группа включает бетоны, в которые вводится
значительное количество полимеров, создающих в структуре материала
полимерную фазу и существенно влияющих на его строение и
свойства. В мировой практике для таких бетонов начали
употреблять термин «П-бетоны». Их можно подразделить на четыре
группы: цементно-полимерные бетоны, полимербетоны и поли-
меррастворы, бетонополимеры и бетоны, содерэюащие
полимерные материалы (заполнители, дисперсную арматуру или
микронаполнители).
Цементно-полимерные бетоны ~ это цементные бетоны с
добавками различных высокомолекулярных органических
соединений в виде водных дисперсий полимеров (продуктов
эмульсионной полимеризации различных полимеров: вини л
ацетата, винилхлорида, латексов и др.) или водорастворимых
коллоидов (поливинилового и фурилового спиртов, эпоксидных
водорастворимых смол, полиамидных и мочевиноформальдегид-
406
ных смол). Добавки вводят в бетонную смесь при ее
приготовлении.
Цементно-полимерные бетоны характеризуются наличием
двух активных составляющих - минерального вяжущего и
органического связующего. Вяжущее вещество с водой образует
цементный камень, склеивающий частицы заполнителя в монолит.
Полимер по мере удаления воды из бетона образует на
поверхности пор и капилляров, зерен цемента и заполнителей тонкую
пленку, которая обладает хорошей адгезией и способствует
повышению сцепления между заполнителем и цементным камнем,
улучшает монолитность бетона и работу материала под
нагрузкой. В результате цементно-полимерный бетон приобретает
повышенную по сравнению с обычным бетоном прочность при
растяжении и изгибе, более высокую непроницаемость,
морозостойкость и адгезию к основанию. В то же время такой бетон
имеет повышенную деформативность и иногда проявляет
снижение прочности при водном хранении.
Наиболее распространенными добавками полимеров в
цементные бетоны являются поливинилацетатная эмульсия
(ПВАЭ) и латексы (в количестве 5...25 % от массы цемента в
расчете на сухое вещество), а также водорастворимые смолы
@,5.. .2 % от массы цемента).
Применяют цементно-полимерные бетоны для покрытия
полов промышленных предприятий, взлетных полос аэродромов,
устройства резервуаров для воды и нефтепродуктов, для
наружной отделки по бетонным и кирпичным поверхностям.
Полильербетоны и полимеррастворы ~ это материалы,
полученные в результате затвердевания рационально
подобранной смеси полимерного связующего, наполнителей и
заполнителей.
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.
Отвердевание полимерного связующего осуществляется при обычной
температуре, 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
песок и щебень фракции 5.. .20 мм в высушенном состоянии.
Свойства полимербетонов зависят от вида смолы, состава
бетона, технологии получения. Наибольшей прочностью при
сжатии (до 100 МПа) обладают полимербетоны на основе
эпоксидной смолы. Для них характерна также низкая пористость
A...2 %), высокая химическая стойкость, стойкость к
истиранию, высокая клеящая способность. Наряду с этим
полимербетоны характеризуются повышенной деформативностью и
невысокой термостойкостью.
Полимербетоны находят применение для изготовления кор-
розионностойких конструкций химических производств,
устройства полов на промышленных предприятиях, ремонта
каменных и бетонных конструкций.
Бетонополимеры - это композиционные материалы,
полученные пропиткой обычного тяжелого бетона полимерами с
последующим отвердеванием в порах. Готовые бетонные или
железобетонные изделия или конструкции подвергают
специальной обработке, которая включает сушку изделий, ваку-
умирование, пропитку специальным составом и полимеризацию,
если для пропитки используются мономеры. В результате
обработки либо достигают увеличения долговечности и
непроницаемости бетона, если его пропитывают вязкими составами без их
последующей полимеризации и упрочнения, например
битумами, петролатумом, либо получают новые материалы, по
свойствам 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
обеспечивает более глубокую очистку пор и капилляров, а также
удаляет из бетона воздух; является желательной, но не всегда
обязательной 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
ваннах в течение 6... 15 ч, а затем охлаждение - 3...8 ч. Глубина
пропитки составляет 1...3 см. Для более значительного изменения
структуры и свойств бетона используют жидкие мономеры (ме-
тилметакрилат или стирол), полимеры (эпоксидные и
полиэфирные смолы) и различные композиции на их основе. Нагретые
изделия помещают в автоклав, вакуумируют 1...2 ч, затем
подают пропиточный состав и вакуум заменяют на избыточное
давление 0,8..Л,2 МПа. Глубина пропитки жидкими мономерами
составляет 10...20 см и более.
Пропитка бетона мономером с его последующей
полимеризацией 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
бетона 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 усзювиях, а также для получения изделий с
особыми свойствами (износостойких, электроизоляционных,
газонепроницаемых 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 °С (полистирол, поливинилхло-
рид, полиэтилен и др.), у некоторых - не более 200 °С (на основе
фенолоформальдегидных смол) и лишь у кремнийорганичсских
полимеров - до 350 °С.
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,
полиэфирные стеклопластики, фенопласты, которые при
повышенной температуре способны лишь обугливаться. Совершенно
негорючими являются пластмассы с большим содержанием
хлора, фтора или кремния. Кроме горючести необходимо учитывать
свойства вьщеляющихся при нагревании продуктов разложения,
среди которых могут быть такие опасные, как соляная кислота,
фосген, угарный газ. Опасность отравления ядовитыми
продуктами может устраняться введением специальных добавок в
процессе изготовления пластмасс.
При переработке пластмасс и их эксплуатации внутри
помещений нередко выделяются токсичные вещества (фенол и
формальдегид из древесно-стружечных плит, растворители или
пластификаторы из линолеумов или плиток и т. п.) из-за
незавершенности процессов полимеризации (поликонденсации) или
содержания летучих растворителей. Поэтому применение в
строительстве новых полимерных материалов должно быть
санкционировано органами санитарного надзора.
Значительный недостаток пластмасс - высокий
коэффициент термического расширения ~ B5... 120) • 10"^ град"^ т. е. в
2,5... 10 раз выше, чем у стали. Это свойство необходимо
учитывать при проектировании большеразмерных элементов. В то же
время пластмассам свойственна усадка при отвердевании,
достигающая 5...8 %.
Отдельные виды пластмасс склонны к старению, т. е. их
свойства под влиянием теплоты, света, кислорода воздуха,
ионизирующего излучения со временем ухудшаются. Процесс
старения может ускоряться под действием механических нагрузок, а в
отдельных случаях - также сопровождаться выделением
химических соединений, имеющих неприятный запах и иногда
вредных для здоровья. Поэтому при выборе полимерных материалов
для облицовки стен, устройства полов в жилых и
производственных 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
изменяться в особенно широких пределах.
У большей части пластмасс модуль упругости
значительно 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
зависимости от характера и длительности нагрузки, а также от
атмосферных воздействий (температуры и относительной влажности
воздуха) может изменяться от 1 до 10 ГПа.
Изделия и конструкции из пластмасс, находящиеся под
длительной нагрузкой, обладают большой ползучестью (рост
деформаций). С повышением температуры ползучесть возрастает и
приводит к нежелательным деформациям конструкций
(прогибы, провисание).
На механические свойства пластмасс и их внешний вид
(цвет, прозрачность и т. п.) влияют влажность воздуха,
содержание в нем кислорода, озона, промышленных газов и паров,
солнечный свет.
Широкое использование пластмасс породило новую
экологическую проблему. Готовые полимеры и материалы на их
основе (при условии правильно проведенного синтеза и
переработки) 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
низкомолекулярных продуктов. Пластмассы на основе
термопластичных 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
протяжении заданного периода эксплуатации должны подтверждаться
результатами испытаний в аккредитованных испытательных
центрах.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. Что такое природные и искусственные полимеры?
2. Какие полимеры полу^1ают 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?
Назовите основные свойства пигментов.
12. Что представляют водоразбавляемые фасадные краски? Где Pfx
используют?
13. Назовите виды, свойства и способы производства полимерных
материалов для полов
14. Какие полимерные санитарно-технические и погонажные изделия
применяются в строительстве? В чем их преимущества?
15. Что такое цементно-полимерные бетоны и где их используют?
16. Как получают полимербетоны и полимеррастворы? Назовите их
свойства 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
ограждающих конструкций и тепловых агрегатов. С 1994 г. в
Республике Беларусь установлены новые нормативные значения
теплового сопротивления стен и других ограждающих
конструкций. Они в 2,5...3,5 раза выше прежних. Побудительной
причиной для этого явились большие потери тепловой энергии
через поверхности зданий, сооружений, теплотрасс и возросшая
цена на энергоносители.
Решить эту задачу, используя только традиционные
материалы, нельзя (например, для этого надо увеличить толщину
кирпичной стены в 3 раза). Обеспечить заданные значения
теплового сопротивления ограждающих конструкций можно только с
помощью использования специальных высокоэффективных
теплоизоляционных материалов.
15Л* Классификация теплоизоляционных материалов
Теплоизоляционными материалами называют разновидность
строительных материалов, обладающих низкой
теплопроводностью и предназначенных для тепловой изоляции зданий,
сооружений и оборудования. Применение этих материалов в
строительстве позволяет снизить массу конструкций и облегчить
нагрузку 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 ■ ^С). Средняя плотность их
в сухом состоянии ~ не более 500 кг/м"^.
Малая теплопроводность обусловлена наличием в структуре
материала большого числа пор, заполненных воздухом - плохим
проводником теплоты. Теплопроводность воздуха составляет
413
0,025 Вт/(м • °С). Пористость теплоизоляционных материалов
может достигать 98...99 %, следовательно, все они очень легкие.
На теплопроводность сильно влияет влажность материала:
теплопроводность воды составляет 0,58 Вт/(м • °С), что в 20 раз
больше, чем воздуха, а льда - 2,3 Вт/(м • °С) - 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-монтаэю-
ные - для утепления трубопроводов и промышленного
оборудования. Однако деление это условно, так как некоторые
материалы используют для изоляции как строительных конструкций,
так и промышленных объектов.
Теплоизоляционные материалы классифицируют по:
• форме ~ плоские (плиты, блоки, кирпичи), шнуровые,
рыхлые (вата, перлитовый песок и др.) и фасонные (цилиндры,
сегменты и др.);
• структуре - волокнистые (минераловатные,
древесноволокнистые 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);
• cDicuMacMocmu ~ на группы и марки, указанные в табл. 29;
• теплопроводности -
класс А ~ низкой теплопроводности (теплопроводность при
средней температуре 25 °С - до 0,06 Вт/(м -^С));
класс Б ~ средней теплопроводности (теплопроводность при
средней температуре 25 ""С ~ от 0,06 до 0,115 Вт/(м -^С));
класс В - повышенной теплопроводности
(теплопроводность ~ от 0,115 до 0,175 Вт/(м -^С)).
414
Таблица 29
Классификация теплоизоляционных материалов по сжимаемости
Вид изделий
Мягкие (М)
1 Полужесткие (П)
Жесткие (Ж)
1 Повышенной жесткости (ПЖ)
Твердые (Т)
Относительное сжатие, % при удельной
нагрузке, МПа
0,002
Более 30
От 6 до 30
До 6
-
-
0,04
-
-
-
До 10
-
0,1 1
-
-
-
-
До 10
15.2. Органические теплоизоляционные материалы
Органические теплоизоляционные материалы применяют
для теплоизоляции конструкций при температуре, как правило,
не более 100 ""С. В сравнении с неорганическими органические
материалы характеризуются меньшей теплопроводностью при
одинаковой средней плотности, однако имеют невысокие
предельную температуру применения F0... 150 °С) и биостойкость,
являются горючими.
Древесно-болокнистые плиты изготовляют измельчением
неделовой древесины или других растительных материалов
(камыша, костры, соломы) в водной среде до получения
волокнистой массы. В смесь добавляют парафиновую эмульсию,
антисептики и антипирены. Из этой массы отливкой формуют плиты,
а затем сушат. Таким образом производятся мягкие
изоляционные плиты плотностью от 100 до 400 кг/м\ Если перед сушкой
плиты уплотняют или высушивают под горячим прессом, то
получают полутвердые и твердые плиты меньшей толщины, но
большей прочности.
Прочность высокопористых изоляционных плит
обеспечивается за счет переплетения тонких и длинных волокон между
собой. Прочность других видов плит достигается путем
применения горячего прессования, при котором древесные
волокна склеиваются выделяющимися из древесины клеющими
веществами.
415
Мягкие плиты выпускают размерами: длина-1220.. .3000 мм,
ширина - 1220 мм и толщина - 8, 12 и 16 мм.
Льнокостричиые плиты по свойствам и технологии
производства аналогичны мягким ДВП. Для улучшения свойств
изделий в размолотую волокнистую массу вводят 5...7%
грубого льняного волокна Средняя плотность плит составляет
200...220кг/м1
Применяют древесно-волокнистые плиты в конструкциях
сборно-щитовых зданий, для изоляционно-отделочной обшивки
стен, а также устройства звукоизоляционных прокладок в
конструкциях пола.
Газонаполненные пластмассы относятся к наиболее
эффективным теплоизоляционным материалам. Их получают
вспениванием 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
известных теплоизоляционных материалов: X = 0,023...0,045 Вт/(м -^С).
Пенополистирол составляет более 50 % общего объема
выпуска пенопластов. Пенополистирол марки ПСБ плотностью 15,
25, 35 и 50 кг/м^ производится для целей строительства
беспрессовым способом. Бисерный полистирол, насыщенный при
изготовлении легкокипящей жидкостью (изопентаном),
обрабатывают 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 -
способность смеси вспениваться и отверждаться при комнатной
температуре без подогрева. Основой пенополиуретанов
являются полиэфирные смолы, которые при смешивании с изоцианата-
ми отверждаются с выделением СО2. Для регулирования
пористости вводят эмульгаторы, а скорости отверждения и
вспенивания - катализаторы. Получаемые пенопласты характеризуются
416
средней плотностью 35.. .350 кг/м^, водопоглощением 0,1.. .0,2 %
и рабочей температурой применения (- 60 ...+150) ^С.
На основе полиуретановых и фенольных пенопластов
изготовляют 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
легкостью и простотой монтажа, высокими теплозащитными
свойствами и малой массой. Напыляемый пенополиуретан применяют
для теплоизоляции труб и оборудования, в качестве монтажной
изоляции.
Арболит изготовляют из смеси цемента, органических
заполнителей, химических добавок и воды. В качестве
органических 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,
дробление отходов древесных пород), смешивание заполнителя с
раствором химдобавок, а затем - с цементным тестом, укладку
полученной смеси в формы и уплотнение, твердение
отформованных изделий. В качестве химдобавок применяют хлористый
кальций или жидкое стекло.
Арболит характеризуется невысокой плотностью - менее
700 кг/м^, прочность при сжатии колеблется от 0,5 до 3,5 МПа,
теплопроводность ~ 0,1...0,22 Вт/(м -^С). Он обладает рядом
ценных строительных качеств: биостоек, трудносгораем,
морозостоек, хорошо пилится и сверлится. Изделия из арболита в
виде плит и панелей применяют для возведения навесных и
самонесущих стен и перегородок, а также в перекрытиях и
покрытиях малоэтажных зданий в сочетании с железобетоном.
Торфяные плиты получают прессованием торфяной
гидромассы с отводом воды и последующей тепловой
обработкой. Водостойкость плит низкая. Плотность торфяных плит -
150...250 кг/м^. 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
плотности плиты выпускают трех марок: 175, 200 и 250,
теплопроводность их - 0,06...0,09 Вт/(м -""С), влажность по массе - не
более 18%.
Из камышитовых плит устраивают каркасные стены и
внутренние перегородки, они служат для утепления перекрытий
жилых малоэтажных зданий и сельскохозяйственных построек.
15.3. Неорганические теплоизоляционные материалы
Основные положительные свойства неорганических
теплоизоляционных материалов - огнестойкость и биостойкость -
сочетаются с высокими теплоизоляционными качествами. Из
неорганических теплоизоляционных материалов наиболее
распространены минеральная вата и изделия из нее, стеклянная
вата, ячеистые бетоны, пеностекло, вспученный перлит.
Минеральная вата и изделия из нее по объему производства
занимают первое место среди всех теплоизоляционных
материалов благодаря хорошим теплоизоляционным свойствам,
неограниченной 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
других - каменная вата) или металлургических шлаков - гилако-
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
минеральное сырье и топливо (кокс) загружают поочередно. Расплав с
температурой 1300... 1400 ^С непрерывно выпускают из нижней
части печи.
418
Существуют три способа превращения расплава в
минеральное волокно: дутьевой, центробеэюный и комбинированный.
Сзодность дутьевого способа заключается в том, что на струю
жидкого расплава, вытекающего из летки вагранки,
воздействует струя водяного пара или газового потока. Центробежный
способ основан на использовании центробежной силы
вращающихся валков или дисков для превращения струи расплава в
тончайшие минеральные волокна толщиной 2...7 мкм и длиной
2...40 мм. Комбинированный способ представляет собой
сочетание двух предыдзодих и позволяет получать наиболее
качественную вату диаметром до 1 мкм и без корольков
(неволокнистых 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..Л000 ""С.
Она трудоемка в применении и склонна к слеживанию, поэтому
из нее в основном выпускают готовые изделия,
Минераловатные изделия получают путем склеивания
волокон различными связующими (синтетическими смолами,
битумом, крахмалом) или, реже, прошивкой минеральной ваты,
покрытой с двух или одной стороны бумагой (сеткой или
тканью). Выпускают гибкие, полужесткие, жесткие и твердые
минераловатные изделия. К гибким изделиям относят
минеральный войлок, прошивные маты и теплоизоляционный шнур.
Минеральный войлок получают путем уплотнения
минеральной ваты, смоченной битумной эмульсией или синтетической
смолой. Он бывает марок от 100 до 200 в виде рулонов или
листов толщиной 30.. .60 мм.
Минераловатные прошивные маты - полотнища из
минеральной 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,
плотностью З0...130кг/м^.
27* 419
Минераловатные плиты различной жесткости производят
путем пропитки минераловатного ковра синтетическим
связующим и уплотнения с последующей термообработкой; плотность
плит в зависимости от вида изделий составляет 50...250 кг/м^.
Минеральную вату и изделия из нее применяют для
утепления наружных конструкций зданий, а также для устройства
звукоизолирующих слоев в перекрытиях и внутренних стенах
зданий. В промышленном строительстве минеральную вату и
изделия из нее, кроме того, приме11яют для изоляции
холодильных камер, тепловых сетей (трубопроводы горячей воды, пара и
т. п.), оборудования теплоэлектростанций, котельных и др.
Каменная вата на базальтовой основе ROCKWOOL
производства 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
характеристик изделий и не влияет на долговечность.
Стеклянная вата и изделия из нее. Стеклянная вата -
материал, 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 "^С,
изготовление стекловолокна и формование изделий.
Стеклянное волокно значительно большей длины, чем
волокна минеральной ваты, и отличается большими
химической стойкостью и прочностью. Плотность стеклянной ваты -
75... 125 кг/м^, теплопроводность - 0,04...0,052 Вт/(м • X),
предельная температура применения стеклянной ваты составляет
450 '^С. Из стекловолокна выполняют маты, плиты, полосы и
другие изделия, в том числе тканые.
420
в Республике Беларусь находит широкое применение
стекловата ISOVER производства Финляндии и России. Стекловата
используется для теплоизоляции полов, стен, потолков в
кирпичных, 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 @,5...3 % мела или угля от
массы стекла). Полученную смесь измельчают в мельнице,
загружают в формы и нагревают до вспенивания, а затем быстро
охлаждают. Газообразователь, разлагаясь или сгорая, выделяет
газообразные продукты, вспенивающие размягченные
тонкодисперсные частицы стекла, при охлаждении которых
образуется пеностекло. Поры в пеностекле замкнутые, поэтому оно
практически не поглощает влагу и не тонет в воде. Пеностекло
хорошо обрабатывается - пилится, сверлится.
Плотность пеностекла - 200...300 кг/м^; прочность при
сжатии - 3...6 МПа, теплопроводность - 0,06...0,12 Вт/(м - "^С).
Промышленность выпускает пеностекло в виде плит толщиной
около 100 мм и размером 500x1000 мм. Применяют пеностекло для
тепловой изоляции при возведении гидротехнических
сооружений, машинных отделений судов, наружных стен и покрытий
гражданских и промышленных зданий.
Теплоизоляционные плиты из ячеистого бетона
производят по технологии, изложенной в 8.2. Они выпускаются
следующих марок по плотности: 250; 300; 350 и 400;
теплопроводность - 0,07...0,11 Вт/(м • Х); прочность при сжатии - от 0,6 до
2 МПа. Плиты имеют размеры (мм): длина от- 500 до 1000,
ширина - 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 "^С.
Вспученный перлит получают обжигом природных
вулканических стекол - перлита, обсидиана, витрофира. Исходную
421
породу дробят до заданных размеров, подсушивают в
сушильном барабане, а затем обжигают в печи при температуре
900... 1200 "^С. Вспучивание зерен происходит за счет
интенсивного удаления химически связанной воды (в виде пара) в момент
перехода перлита в пиропластическое состояние. Перлит
является стеклом и при нагреве размягчается.
Частицы сыпучих материалов светлые, часто белые.
Пористость перлитового песка - свыше 90 %, средняя плотность --
75...500 кг/м^. Теплопроводность перлитового песка зависит от
его средней плотности и составляет 0,047...0,093 Вт/(м • °С).
Вспученный перлит легко впитывает воду и медленно ее отдает.
Водопоглощение перлита очень высокое и возрастает с
уменьшением его частиц: для зерен крупнее 2 мм - 300 % по массе,
0,25...0,5 мм - более 800 % по массе.
Песок применяют для устройства теплоизоляционных
засыпок, а также в составе изделий - битумоперлита, цементоперли-
та, пластоперлита, керамоперлита и других, перлитовый
щебень - для изготовления легкого бетона. Температура
применения засыпок из вспученного перлита - (-200.. .+800) °С.
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
древесного 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
основной недостаток?
422
Глава 16. ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
16.1. Классификация гидроизоляционных материалов
и общие требования к ним
Гидроизоляционными называют материалы, предназначенные
для защиты строительных конструкций от увлажнения и
фильтрации воды. Пароизоляция - разновидность гидроизоляции,
которая предотвращает проникновение пара в утеплитель (в
результате охлаждения происходит конденсация пара и снижаются
теплозащитные свойства изоляции).
Основное свойство гидроизоляционных материалов -
водостойкость - обусловлено тем, что в их состав входят
органические вяжущие вещества - битумы, дегти, синтетические смолы
(полимеры). Все перечисленные вяжущие придают
гидроизоляционным материалам кроме водостойкости также способность
сопротивляться агрессивному действию солей, кислот и
щелочей. Вяжущие гидрофобны и водонепроницаемы, так как
практически не содержат пор. При повышении температуры
органические 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
вяжущих и органических связующих);
• штукатурные (коллоидный цементный клей, цементно-
песчаные растворы с уплотняющими добавками, растворы на
расширяющихся цементах, асфальтовые растворы);
• оклеечные (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;
пластично-вязкие; твердые и упруговязкие;
по виду вяэюущего - битумные; дегтевые; битумно-полимер-
ные; полимерные; резино-битумные; минеральные.
Тип гидроизоляции выбирают в зависимости от условий
эксплуатации сооружений. Гидроизоляция должна быть эластичной
и гибкой, чтобы не давать трещин во время эксплуатации,
легкой 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
водонепроницаемые 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
углеводородов 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
воздействия на породу органических растворителей. Этот способ
называют экстрагированием.
Для битумов характерны следующие свойства. При
комнатной температуре они находятся в твердом, вязком, вязкопла-
стичном и жидком состояниях. Твердые битумы при нагревании
до 80... 160 °С или добавлении растворителей (керосина,
лигроина, уайт-спирита и др.) переходят в жидкое состояние и в таком
виде хорошо смачивают и пропитывают другие материалы.
Вязкость пропитывающего битума должна быть 5...25 с по
стандартному вискозиметру с диаметром 3 мм при 25 °С. При охла-
424
ждении до 20...25 °С или испарении растворителя битумы
затвердевают, прочно склеиваясь с другими материалами.
Материалы, покрытые битумом, приобретают гидрофобные
(водоотталкивающие) свойства, так как сам битум водонепроницаем и
водостоек.
По своему внутреннему строению битум представляет
коллоидную систему, где дисперсионной средой служит раствор
смол в маслах, а фазой ~ асфальтены, карбены и карбоиды,
коллоидно растворенные в виде макромолекул. Под влиянием
солнечной радиации, кислорода воздуха и высоких температур
состав битума изменяется путем перехода масел в смолы, а смол -
в асфальтены.
Недостатки битума - горючесть и малый интервал
температур, когда битум находится в виде твердого, но не хрупкого
вещества. При понижении температуры до -10...-20 °С битумы
становятся хрупкими, а при температурах выше 50...60 °С
начинают течь. Чтобы увеличить интервал рабочих температур,
к битуму добавляют резину, синтетический каучук и полимеры,
а для повышения теплостойкости - минеральные порошки
(наполнители). Технические свойства битумов изменяются в связи
с их способностью «стареть». Под влиянием атмосферных
факторов битум может менять свои пластичные и вяжущие
свойства, 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 °С, а вторая -
вязкость (глубину проникания иглы).
Битумные эмульсии приготовляют путем тонкого
диспергирования расплавленного битума в воде в специальных
машинах - диспергаторах, гомогенизаторах, установках с
использованием ультразвуковых колебаний. Производство эмульсии
включает следующие процессы: разогрев битума до 90... 120 °С,
приготовление эмульгатора, диспергирование вяжущего в воде с
добавлением водного раствора эмульгатора. Чтобы капельки
битума не слипались, т. е. чтобы эмульсия была устойчива,
вводят эмульгаторы (сульфитно-спиртовая барда, асидол, олеиновая
425
кислота). Приблизительный состав эмульсий (%): битум -
50...60, вода - 50...40, добавки - 1...3. Для увеличения
водостойкости битумных эмульсий в их состав вводят известковое
молоко B...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
гидроизоляцию 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
сухой перегонке твердых топлив (угля, торфа, древесины).
Деготь представляет собой сложную дисперсную систему,
средой в которой служат масла, а дисперсной фазой -
свободный углерод и твердые смолы. На поверхности частиц углерода
содержатся слои молекул вязкопластичных смол, кислых и
основных веществ. В зависимости от концентрации таких мицелл
изменяются структура и вязкостные свойства дегтя. Его
структура приближается к типу суспензии, поэтому вязкость
существенно зависит от концентрации твердой фазы, механических и
тепловых воздействий. Дегти быстрее стареют, чем битумы, что
приводит к охрупчиванию искусственных конгломератов,
изготовленных на их основе.
Дегти, в отличие от битумов, обладают сильным
характерным запахом, обусловленным присутствием в них фенола и его
производных. Эти вещества являются антисептиками. Поэтому
деготь и материалы на его основе применяют не только для
гидроизоляции, но и для защиты от гниения.
Кроме самого дегтя в строительстве применяют
каменноугольный пек - остаточный продукт перегонки каменноугольных
смол, представляющий собой черную хрупкую массу.
Используют пек как добавку к жидким дегтям для получения дорожных
и строительных дегтей, лаков и пропиточных составов.
Растворением каменноугольного пека в ароматических продуктах (то-
426
луоле, ксилоле) получают кузбасслак. Недостаток дегтя и
дегтевых материалов - меньгиая долговечность, чем битумов.
В качестве пропиточной гидроизоляции применяют гидро-
фобизирующие кремнийорганические эюидкости ГКЖ-10 A1) в
виде водно-спиртовых растворов 3...5%-й концентрации или
ГКЖ-94 в виде растворов 0,5... 10%-й концентрации в
ароматических растворителях. Растворы наносят кистью или
распылением на поверхность железобетонных конструкций, при этом
водоотталкиваюгций эффект сохраняется 2...5 лет.
В настоягцее время для пропиточной гидроизоляции
строительные фирмы глироко используют материалы, произведенные
в США и Германии, например материалы типа Пенетрон, в
состав которого входят портландцемент, молотый кварцевьгй
песок и добавки. При нанесении на бетонную поверхность он
кольматирует поры, капилляры и трегцины, повышая
водонепроницаемость, морозо- и коррозионную стойкость бетона.
16.3, Пластично-вязкие материалы
Для создания слоя гидроизоляции на изолируемой
поверхности или приклейки рулонных материалов к основанию
применяют битумные и дегтевые мастики, эмульсии, пасты, растворы
и бетоны.
Мастики представляют собой пластичные вещества,
получаемые смешением органических вяжугцих вегцеств (битумов,
дегтей, синтетических каучуков и полимеров) с наполнителями
и пластификаторами. Наполнители снижают текучесть мастик
при высоких температурах и придают им тиксотропные
свойства. 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
смешивании расплавленного битума при температуре 180... 185 ^С
с предваргггельно высушенным наполнителем (молотый извест-
427
няк, доломит, трепел). Марку битума и расход наполнителя
подбирают в соответствии с температурными условиями, в которых
будет находиться кровля или гидроизоляция.
В зависимости от степени теплостойкости выпускают
мастики битумные кровельные горячие следующих марок: МБК-Г-55,
МБК-Г-65, МБК-Г-75, МБК-Г-85 и МБК-Г-100 (МБК-Г -
сокращенное название мастики, а цифры указывают ее
теплостойкость, 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
готовом разогретом виде (температура - 160... 180 °С) в
специальных 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
битумные мастики, в которых наполнителем служит резиновая
крошка, 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
трубопроводов и защиты строительных конструкций от коррозии.
Холодные битумные мастики представляют собой растворы
битума в органических растворителях (соляровое масло,
керосин и др.) с наполнителем и добавками (бутилкаучук, хлорсуль-
фополиэтилен и др.), которые придают ей тиксотропные
свойства и улучшают деформативные и адгезионные свойства.
Мастика 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
повышает ее теплостойкость и эластичность.
Холодную мастику поставляют на стройки в готовом виде и
применяют при температуре не ниже 5 °С. При более низких
температурах мастику подогревают до 50...70 ^С на водяной
бане. Хранят ее в плотно закрытой таре. Так как мастика
приготовлена на летучих растворителях, при работе с нею соблюдают
правила противопожарной безопасности. Нельзя забывать
также, что пары растворителя в большой концентрации токсичны.
Битумная эмульсионная паста - разновидность битумных
эмульсий, в которых роль эмульгатора играют мельчайшие
частицы 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
расплавленный битум с температурой 140... 160 ^С и горячую воду.
Процесс 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
тонкодисперсным 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.
Горячие асфальтобетоны готовят из тугоплавкого битума и
укладывают при температуре не ниже 130 °С, теплые ~ на битумах
пониженной вязкости; их температура при укладке - 40... 100 ^С.
Отвердевают такие асфальтобетоны в результате охлаждения
битума. Холодные асфальтобетоны готовят с применением
органических растворителей или на битумных эмульсиях и
укладывают при температуре окружающего воздуха не ниже 5 ^С.
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
высокопористые с пористостью 12... 18 %.
Применяют асфальтобетон для устройства полов на
промышленных предприятиях, а также оснований под полы и
гидроизоляционных прослоек. Основное назначение - покрытие
автомобильных дорог.
16,4. Рулонные и пленочные материалы
Битумные и дегтевые рулонные кровельные и
гидроизоляционные материалы представляют собой тонколистовой материал,
поставляемый на стройку в рулонах. Преимущество рулонных
материалов - простота устройства из них кровельных или
гидроизоляционных покрытий любой сложной конфигурации.
Тонкое легкое и эластичное покрытие из рулонных материалов
обладает водонепроницаемостью, атмосферо- и химической
стойкостью.
В зависимости от назначения рулонные материалы
делятся на:
• кровельные, которые должны обладать стойкостью к
воздействию дождя, солнечной радиации, замораживанию и
оттаиванию;
• гидроизоляционные, которые помимо требований,
предъявляемых к кровельным материалам, должны обладать
повышенной 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
(основные) и безосновные.
Рулонные основные кровельные материалы изготовляют из
специального картона или стекловолокна путем пропитки его
органическими вяжущими веществами с последующим
нанесением с одной или двух сторон тугоплавких нефтяных или
дегтевых 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
битумами с посыпкой (мелкоизмельченный тальк или другой
минеральной 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
размотки 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
кровельный (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 м^ которого составляет 400 г.
Рубероид, удовлетворяющий техническим условиям, в
разрезе черного цвета, без светлых прослоек непропитанного
картона, полотно в рулоне не слипается, торцы ровные.
Ширина полотна - 1000, 1025 и 1050 мм, общая площадь в рулоне -
10, 15и20м1
Стеклорубероид - рулонный кровельный и
гидроизоляционный материал. Его получают путем двустороннего нанесения
битумного вяжущего на стекловолокнистый холст. В
зависимости от вида посыпки и назначения стеклорубероид выпускают
следующих марок: С-РК (с крупнозернистой посыпкой), С-РЧ (с
чешуйчатой посыпкой) и С-РМ (гидроизоляционный с
мелкозернистой посыпкой). Производятся рулоны стеклорубероида с
шириной полотна 1000 мм и площадью 10 м^. В отличие от
рубероида этот материал содержит более прочную основу, не
подверженную гниению. Применяют стеклорубероид для
устройства кровельного ковра и оклеечной гидроизоляции.
Применение новых прочных и долговечных основ
потребовало модификации битумного связующего полимерами с целью
повышения его долговечности и расширения диапазона рабочих
температур. Полимерные добавки позволяют расширить
интервал рабочих температур битума, снижая температуру хрупкости
и повышая температуру размягчения, и обеспечивают
сохранение эластичности вяжущего длительное время. В настоящее
время для модификации битума используют в основном термо-
эластопласты, в частности атактический^ полипропилен (АПП),
и синтетические каучуки, например стирол-бутадиен-стироль-
ный (СБС).
' Атактические полимеры ~ полимеры с нерегулярно построенной
структурой макромолекулы.
432
Материалы кровельные и гидроизоляционные на битумном и
битумно-полимерном вяэюущем получают путем нанесения
битумного или битумно-полимерного вяжущего на стекло- или
полиэфирную основы. Они предназначены для устройства
верхнего и нижних слоев кровельного ковра и гидроизоляции
подземных сооружений. В зависимости от вида вяжущего их
подразделяют 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
площадью рулона 5; 7,5 и 10 м^. Они отличаются повышенными
физико-механическими показателями: теплостойкостью,
прочностью на разрыв, гибкостью, водонепроницаемостью, а кровля -
повышенной долговечностью (до 10..Л5 лет по сравнению с
3.. .4 годами для кровли на основе рубероида или толя).
Пергамин ~ рулонный кровельный материал на основе
картона, пропитанного нефтяными битумами. В отличие от
рубероида 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 м^. Пергамин применяют в качестве подкладочного
материала под рубероид при укладке на горячих мастиках, а также для
устройства пароизоляции.
Дегтевые кровельные материалы получают пропиткой с
покрытием кровельного картона каменноугольными или
сланцевыми 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
посыпкой (ТКП-350 и ТКП-400). Его выпускают в рулонах площадью
10 м^ при ширине полотна 1000, 1025 и 1050 мм.
Толь быстро стареет под действием солнечных лучей,
поэтому его используют для устройства кровель временных
сооружений. В то же время в качестве материала для гидро- и пароизо-
28.3ак.508 433
ляции благодаря антисептическим свойствам дегтя толь
предпочтительнее 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
рулонах с шириной полотна 950 мм и площадью 20 м^. В
зависимости от качественных показателей гидроизол подразделяют на
марки ГИ-Г и ГИ-К. Гидроизол марки ГИ-Г имеет лучшие
показатели по водонепроницаемости, величине прочности на разрыв
и эластичности, его употребляют для многослойной оклееч-
ной гидроизоляции подземных сооружений, а гидроизол марки
ГИ-К - для гидроизоляции плоских кровель.
Изол - это безосновный биостойкий эластичный рулонный
материал, получаемый каландрированием резино-битумного
вяжущего, наполнителя, пластификатора и антисептика. Его
выпускают в виде полотен шириной 800, 1000 и 1100 мм,
толщиной 2 мм и площадью 10 и 15 м^, свернутых в рулоны. В
зависимости от физико-механических показателей и наличия
полимерной 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,
изготовляемым из резиновой крошки, нефтяного битума,
асбестового наполнителя и пластификаторов. Его выпускают рулонами
толщиной 2 мм и площадью 10 и 15 м^.
Бризол предназначен для гидроизоляции подземных
сооружений, антикоррозионной защиты подземных металлических
трубопроводов, устройства кровель. Его наклеивают на
битумные или резино-битумные мастики. При гидроизоляции
больших поверхностей его полотнища сваривают, как и изол.
434
Фольгоизол представляет собой рулонный двухслойный
материал из тонкой рифленой или гладкой фольги, покрытой с
нижней стороны слоем резино- или полимербитумного
вяжущего с наполнителем и антисептиком. Его выпускают двух марок
(ФК - фольгоизол кровельный и ФГ - фольгоизол
гидроизоляционный) в рулонах с шириной полотна 960... 1020 мм и
площадью рулона 10 м^.
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
температура нагрева солнечными лучами кровли из него ниже
температуры нагрева аналогичных кровель черного цвета. Он
податлив в обработке, гибок, хорошо режется и гвоздится.
Металлоизол - рулонный материал, состоящий из
алюминиевой фольги, покрытой с обеих сторон слоем битума
или полимербитумной массы. Материал имеет высокую проч-'
ность на разрыв, хорошую гибкость и долговечность.
Металлоизол служит для оклеечной гидроизоляции подземных
сооружений, к которой предъявляются требования повышенной
прочности.
Полимерные пленки. Перспектива применения в
строительстве полиэтиленовой пленки как гидроизоляционного материала
подземной части зданий и сооружений промышленного и
гражданского строительства, а в водохозяйственном строительстве -
в качестве противофильтрационных экранов обусловлена ее
водонепроницаемостью, высокой прочностью, гибкостью,
сравнительно невысокой стоимостью.
Для изготовления полиэтиленовых пленок используют
полиэтилен высокого давления в чистом виде, с добавками
антистарителей и светостабилизаторов или пигментов. Основной способ
производства полиэтиленовой пленки ~ экструзия с последую-
щим пневмомеханическим растяэюением (рис. 61).
28* 435
Рис. 61. Технологическая схема производства полиэтиленовой пленки: 1 -
электродвигатель экструдера; 2 - редуктор экструдера; 3 - бункер
гранулированного полиэтилена низкой плотности; 4 - шнек экструдера; 5 - позонныи
обогрев корпуса экструдера; 6 - рулон полиэтиленовой пленки; 7 -
направляющие валики; 8 - зона охлаждения пленки; 9 - позонныи обогрев
термокамеры; 10 - термокамера; 11 - головка экструдера; 12 - подача воздуха в пузырь
полиэтиленовой пленки
Полиэтилен в виде гранул подают в шнековый пресс.
Подхваченный шнеком материал перемещается вдоль
обогреваемого цилиндра, нагревается и переходит в пластическое состояние.
Расплав полиэтилена с температурой 120... 130 ""С выдавливается
через мундштук в виде толстостенной @,9 мм) трубки. Под
давлением 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
раздувания около 40 см/мин.
Пленка обладает высокой химической стойкостью, особенно
к минеральным кислотам, в том числе к концентрированной
плавиковой кислоте и щелочам, за исключением
концентрированной азотной кислоты.
Арлшрованные пленки ~ это композиционные материалы,
арматура которых в виде тонких и высокопрочных синтетических
или стеклянных волокон обеспечивает прочность и жесткость
волокна, а полимерное связующее - создание единого
водонепроницаемого материала. В качестве армирующего слоя
используются различные техноткани: капрон, стеклоткани, холст
жесткий конструктивный нитевой, марля.
Армированные пленки по прочности в 5... 10 раз превосходят
неармированные.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1- Как классифицируют падроизоляционные материалы? Какие
предъявляют к ним требования?
2. Что такое битумы?
3. Каким образом осуществляют пропитку строительных материалов
биту\юм?
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
битумных 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
ограждения 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
вибрациях и температурном воздействии на панели в цементном
уплотнении появляются трещины, нарушающие герметизацию.
Герметизирующими называют строительные материалы,
предназначенные для придания стыкам строительных
конструкций 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
эксплуатации здания. При применении для заделки стыков и
сопряжений 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
использования различают герметизирующие мастики и эластичные
пористые прокладки.
17.2. Мастичные материалы
Герметизирующие мастики предназначены для заделки и
уплотнения наружных и внутренних швов, отверстий и стыков
строительных констр>тсций. 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
наиболее распространенными, имеют самые высокие
физико-механические показатели и состоят из герметизирующей
(полимерная основа, наполнитель, адгезив и модификаторы) и
вулканизирующей (отвердитель, пластификатор, катализатор) пасты.
Перед употреблением обе пасты смешивают в требуемом
соотношении.
Герметики получают различной консистенции - от жидкой
до вязкотекучей. Жизнеспособность герметиков - 2...8 ч,
полный процесс вулканизации при температуре 20 ^С 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 атмосферо- и
морозостойкостью. Они нормально вулканизируются при температуре
до 5 °С; температура хрупкости - минус 40 ^С.
В качестве наполнителя в тиоколовых мастиках применяют
сажу (черные мастики) и каолин (светлые мастики). В
строительстве преимущественно используют тиоколовые мастики
У-ЗОМ, 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 °С.
Цвет мастик - светло-серый.
Бутилкаучуковую вулканизирующуюся мастику ЦПЛ-2
получают 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
порошкообразным мелом или известняком.
Из нетвсрдеющих герметиков широкое применение нашла
полиизобутиленовая мастика УМС-50. Цвет мастики - от
светло-серого до коричневого. Мастика характеризуется
относительным удлинением при разрыве от 10 до 40 % и прочностью
0,01...0,1 МПа, рабочий интервал температур - от минус 40 до
плюс 70 "^С. УМС-50 рекомендуется для герметизации
вертикальных 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
масел или синтетических каучуков и смол. Обязательными
компонентами 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
металлических конструкций, химической защиты конструкций и
оборудования, 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.
Применение штучных изделий при выполнении работ по герметизации и
гидроизоляции обеспечивает, как правило, понижение
трудоемкости, повышение механизации и производительности труда.
Штучные изделия в эксплуатационный период можно
сравнительно легко заменять' новыми. Однако штучная изоляция дает
большое количество швов, что требует специальных работ по
склеиванию или свариванию.
Упруговязкие штучные герметики ~ герметизирующие
эластичные прокладки получают в виде пористых или плотных
жгутов, лент и трубок различной конфигурации. Эластичные
пористые прокладки применяют как самостоятельный
герметизирующий 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
каучука (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,
предварительно обмазывая кумароно-каучуковой мастикой КН-2, которая
обеспечивает адгезию гернитового жгута к бетону и полную
непроницаемость стыка. Гернит сохраняет свои свойства в
интервале температур от минус 40 до плюс 70 "^С.
Вилатерм - пористый эластичный полый внутри жгут белого
цвета диаметром 40.. .60 мм и длиной более 2,5 м. Он
изготовляется из вспененного полиэтилена и применяется для уплотнения
стыков по аналогии с гернитом.
Пороизол - пористый эластичный герметизируюгций
материал, выпускаемый в виде жгутов круглого, овального или
прямоугольного сечения диаметром (стороной) 30, 40, 50 и 60 мм. Его
изготовляют из дешевого недефицитного сырья - старой
резины, которую перерабатывают в крошку и девулканизируют
вместе с нефтяным дистиллятом, затем в массу вводят порообразо-
ватель, вулканизируюгций реагент и антисептик. Тщательно
перемешанная 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 °С в специальных термокамерах.
Пороизол 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
горизонтальных, постоянно обжатых стыков.
Поробит изготовляется пропиткой эластичного полиурета-
нового поропласта горячим битумом с добавкой 2,5 %
пластификатора - технического скипидара. Выпускается в виде полос
от 10x10 до 100x100 мм в заводских условиях или
непосредственно на стройплощадке. Его применяют для герметизации
стыков сборных подземных сооружений, подвергающихся
давлению 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 ^С до плюс 120 °С, водопо-
глощение - 0,2 %. Она обладает хорошей адгезией к бетону,
металлу, стеклу. Дублированная нетканым материалом лента
«Герлен-Д» применяется для герметизации стыков зданий, швов,
трещин кровель; недублированная «Герлен-Т» - для
герметизации водонепроницаемых стыков труб; лента «Герлен-АГ» - для
герметизации неплотностей в автомобиле.
CASCO «ПЕНА № 3936» {монтаэюная 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
находится жидкий предполимер и пропеллент (газ-вытеснитель).
Когда содержимое «выходит» из баллона, под воздействием
влажности воздуха и влаги поверхности происходит реакция
полимеризации (застывания). В конечном итоге образуется довольно
жесткий пенополиуретан.
МП не применяют на замерзших, мыльных основаниях, на
очень сухих и очень влажных поверхностях. При работе
необходимо учесть, что пена увеличивается в объеме до 30 раз.
Высыхание «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
преимущество 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
применяют в строительстве?
5. Чем характеризуются штучные герметизирующие материалы на основе
битума? Как их изготовляют?
442
Глав а 18. МЕТАЛЛЫ
И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
18.1. Общие сведения о металлах и сплавах
Металлы - кристаллические вещества, характерными
свойствами которых являются высокая прочность, пластичность,
тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый
металлическим. Свойства металлов обусловлены наличием в их
кристаллической решетке большого числа перемещающихся
электронов. Металлы составляют около 75 % элементов
периодической системы Д. И. Менделеева. Свойства некоторых из
них представлены в табл. 30.
Таблица 30
Физические свойства металлов
Металл
1 Алюминий
1 Вольфрам
1 Железо
Магний
Марганец
Медь
Никель
Хром
Цинк
Плотность,
кг/м^
2700
19300
7874
1740
7440
8960
8900
7190
7130
Временное
сопротивление,
МПа
80
1100
280
180
-
220
450
-
80
Относительное
удлинение, %
40
-
40
5
-
50
40
-
12
Температура
плавления,
660
3410
1539
651
1245
1083
1453
1903
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
(сплавы железа с углеродом - чугун и сталь). Изменяя компоненты и
соотношения между ними, получают сплавы с самыми
разнообразными физическими, механическими или химическими
свойствами. После затвердевания в составе сплавов могут
образоваться твердые растворы, химические соединения или
механические смеси.
Твердые растворы возникают в результате проникновения в
кристаллическую решетку основного металла (растворителя)
атомов другого металла или неметалла (растворимого
компонента). 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
растворов замещения служат сплавы меди с никелем, железа с
никелем, хромом, кремнием, марганцем. В твердом растворе
внедрения атомы растворенного компонента размещаются в
свободных промежутках между атомами основного металла.
Обычно твердый раствор внедрения возникает в системе,
состоящей из металла и неметалла, например в сплаве железа с
углеродом. При образовании твердых растворов металлов
повышаются 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
определенном количественном соотношении компонентов. К химическим
соединениям относится, например, карбид железа (цементит),
входящий в состав сплавов железа с углеродом:
3Fe + С = РезС.
Цементит отличается высокой прочностью и твердостью, но
весьма хрупок. Химические соединения металла с металлом
называют интерметаллическими. Сюда входят, например, соеди-
444
нения алюминия с медью СиАЬ, магния с цинком MgZn2 и др.
Интерметаллические соединения чаще всего не подчиняются
правилу нормальной валентности. Присутствие химических
соединений упрочняет сплавы, но одновременно снижает их
пластичность.
Механические смеси возникают в результате срастания
кристаллов компонентов, одновременно выпадающих из жидкого
расплава при его охлаждении. В кристаллах, входящих в состав
механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка
исходных компонентов сплава. Таким образом, каждый из
компонентов сохраняет свои специфические свойства. Механические
смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых
растворов или химических соединений.
Все металлы и сплавы подразделяют на черные и цветные.
К черным металлам относят железо и сплавы на его
основе ~ сталь и чугун. На долю черных металлов приходится около
95 % производимой в мире металлопродукции. С целью
придания 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 тали разделяют на мартеновские,
конвертерные и электростали. По химическому составу в
зависимости от входящих в сплав химических элементов стали Ьы-
ьгют углеродистые и легированные.
Углеродистая сталь'изряду с железом и углеродом
содержит 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, кремнийд
фосфор. Основная масса чугуна идет на производство стали.
Кроме того, его используют как самостоятельный конструкци-
445
онный материал В зависимости от формы связи углерода
различают белый и серый чугун.
Белый чугун содержит углерод в химически связанном
состоянии в виде карбида железа РсзС.
В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в
виде графита.
К цветным (нежелезным) относят все металлы, кроме
железа. 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
(прокатом, волочением, штамповкой и др.), во-вторых,
металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с
помощью болтов, заклепок и сварки.
Однако, с точки зрения строителя, металлы имеют и
недостатки. 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
металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются.
Большой ущерб народному хозяйству наносит коррозия
металлов (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 °С)
шихты - смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса.
Железная руда состоит из рудного минерала (обычно в виде
оксидов РсгОз и Рез04), пустой породы, не содержащей железа
(кварцит, песчаник, известняк), и примесей. К вредным
примесям относятся сера, фосфор, мышьяк, содержание которых в
руде строго ограничивают, поскольку они ухудшают качество
чугуна и стали-
446
Для выплавки чугуна используют красный, бурый,
магнитный и шпатовый железняки, содержащие 30...70 % железа в виде
оксидов РсгОз или Рез04.
Флюсы ~ это материалы минерального происхождения,
вводимые в шихту для образования шлака и регулирования его
состава. 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
сгорает, образуя углекислый газ СОг- В результате горения
температура в этой зоне поднимается до 1900 °С.
и
\ 900 У
Рис 62 Схема доменной печи: 1 -
летка для выпуска жидкого чугуна;
2 - расплавленный шлак; 3 -
загрузочное устройство; 4 -
газоотводная труба; 5 - капли
расплавленного чугуна; 6 - капли
шлакового расплава; 7 - фурмы для
подачи воздуха; 8 - летка для
выпуска 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
восстанавливают руду ступенчато, образуя металлическое железо по
реакциям:
РсзОз + ЗСО ^ 2Fe + ЗСО2;
FeO + С = Fe + CO.
Таким образом, углерод кокса при высоких температурах
восстанавливает железную руду до чистого железа. Железо
плавится и при этом насыщается углеродом (науглероживается
примерно до 3,5...4 %), превращаясь в чугун:
3Fe + 2С0 = ¥е,С + СО2;
3Fe + С = РезС.
Одновременно из шихты восстанавливаются марганец,
кремний и фосфор, которые также переходят в расплав металла.
Расплавленный 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
получают около 0,6 т огненно-жидкого шлака. Шлак - ценное сырье
для промышленности строительных материалов. Из него
получают 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.
Излом такого чугуна серебристого цвета, поэтому чугун называют
белым.
Литейный чугун служит для производства фасонных
отливок. 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
такой чугун дает серый цвет.
Специальные чугуны (доменные ферросплавы) содержат
кремний или марганец в повышенном количестве и их
используют как добавки при выплавке стали.
Чугуны обладают высокими литейными свойствами и
хорошо 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
(кремния, марганца, серы и фосфора). Для получения стали
используют 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,
продуваемого через расплавленный чугун, или введения в печь
железной руды либо металлолома. В расплавленном чугуне
протекают следующие реакции:
FeO + С = Fe + СО;
FeO + Мп = Fe + МпО;
2FeO + Si - 2Fe + ЗЮз;
5FeO + 2Р - 5Fe + Р2О5.
Все приведенные реакции, за исключением реакции
взаимодействия оксида железа с углеродом, протекают с выделением
теплоты, что приводит к повышению температуры
расплавленного металла. Получаемые при этих реакциях соединения
кремния и марганца не растворимы в расплавленном железе и,
обладая меньшей плотностью, чем железо, всплывают на
поверхность и затем удаляются в виде шлака. Оксид углерода СО
29 Зак 508 449
в виде газовых пузырей поднимается на поверхность и
улетучивается.
Для удаления фосфора и серы, которые растворяются в
расплавленном железе, в состав плавки вводят оксид кальция СаО,
который образует с серой сернистый кальций CaS, а с
фосфором - соединение 4СаО • Р2О5. Эти соединения, не
растворимые 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
пузырей поднимается на поверхность и вызывает как бы
«кипение» стали у поверхности слитка. Газовые пузыри, не вышедшие
на поверхность, могут стать причиной образования мелких
трещин 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
ферросилиция).
При раскислении протекают следующие реакции:
FeO + Мп = Fe + МпО;
2FeO + Si - 2Fe + SiOz;
3FeO + 2Al-3Fe + Al203.
Образующиеся оксиды марганца MnO, кремния SiOa,
алюминия AI2O3 удаляют в виде шлаков. Чем лучше раскислена
сталь, тем меньше она вскипает и тем выше ее механические
свойства.
Полностью раскисленную сталь называют спокойной,
частично раскисленную - полуспокойной и мало раскисленную -
кипящей, В процессе разливки выплавленной стали могут
образоваться усадочные раковины и другие дефекты. Для их
сокращения используют особые приемы разливки.
450
Применяют конвертерный, мартеновский и
электроплавильный способы производства стали,
В настоящее время используют в основном кислородно-
конвертерный процесс выплавки стали. Он заключается в
продувке жидкого чугуна технически чистым кислородом в
конвертерах с глухим дном. Кислород подают сверху под
давлением 0,8... 1,2 МПа через опущенные в конвертер трубы. Весь
металл в конвертере сильно разогревается, температура его в зоне
действия кислорода достигает 3000 "^С. 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
обязана высоким физико-механическим показателям,
технологичности (возможности получения из нее конструкций различными
методами) и большим объемам производства.
Плотность стали -7850 кг/м^, что приблизительно в три
раза выше плотности каменных материалов.
Прочностные и деформативные свойства обычно
определяются испытанием стали на растяжение. При этом строится
диаграмма «напряжение - деформация». Сталь, как и другие
металлы, ведет себя как упругопластичный материал (рис. 13). В
начале испытаний деформации у стали пропорциональны
напряжениям. Максимальное напряжение, при котором
сохраняется эта зависимость, называется пределом пропорциональности
Оу (при этом напряжении остаточные деформации не должны
превышать 0,05 %).
При дальнейшем повышении напряжения начинает
проявляться текучесть стали - быстрый рост деформаций при
небольшом подъеме напряжений. Напряжение, соответствующее
началу течения, называют пределом текучести а^.
Затем наступает некоторое замедление роста деформаций
при подъеме напряжений («временное упрочнение»), после чего
19* 451
происходит разрушение образца. Наибольшее напряжение
называется временным сопротивлением Gb, что является
фактическим пределом прочности стали Лр.
Относительное удлинение стали е в момент разрыва
характеризует ее пластичность. Оно рассчитывается по формуле
e^iLziL.ioo, A8.1)
где /о - начальная длина расчетной части образца, мм; Д - длина
этой части в момент разрыва образца, мм.
Испытание на растяжение является основным при оценке
механических свойств сталей. Модуль упругости стали
составляет 2,1 • 10^ МПа.
Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ)
или Роквелла (HR) по величине вдавливания индентера
(закаленного 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
динамическим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по
величине работы, необходимой для разрушения образца на
маятниковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали,
наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении
температуры. Так, у СтЗ ударная вязкость при +20 ^С составляет
0,5...1 МДж/м', апри-20 Х-0,3...0,5 МДж/м'.
С помощью технологических испытаний обнаружена
способность стали принимать определенные деформации, аналогичные
тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей
обработке 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 - ""С).
Коэффициент линейного термического расширения стали
составляет 10"^ К.
452
Температура плавления стали зависит от ее состава и для
обычных, углеродистьгс сталей находится в пределах 1500...1300 ^С
(чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 ^С).
Температуроустойчивость стали связана с тем, что при
нагревании в ней происходят полиморфные превращения,
приводящие к снижению прочности. Небольшая потеря прочности
наблюдается уже при нагреве выше 200 ^С; после достижения
температуры 500...600 ^С обычные стали становятся мягкими и
резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не
огнестойки и их необходимо защищать от действия огня,
например, покрытием цементными растворами.
18.4. Углеродистые и легированные стали
Углеродистой называют нелегированную сталь,
содержащую 0,04...2 % углерода. Кроме того, в состав стали входят
постоянные 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- @,25...0,6 %) и
высокоуглеродистые (свыше 0,65 %)- С повышением содержания углерода
уменьшается пластичность и повышается твердость стали;
прочность ее также возрастает, но при содержании углерода
более 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости
стали объясняется увеличением содержания в стали твердого
компонента - цементита.
По назначению углеродистые стали подразделяют на
конструкционные 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
качества, качественные и специальные.
Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют
на группы А, Б, В, учитывающие условия поставки. Сталь
группы 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
химический состав и механические свойства.
Маркировка сталей. Каждая группа включает несколько
марок 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
степени раскисления делают в-виде индекса: кп ~ кипящая, пс -
полуспокойная, сп - спокойная. Стали марок СтЗГпс, СтЗГсп и
Ст5Гпс содержат повышенное количество марганца, на что
указывает 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
группы А, но в начале обозначения марки вводят букву Б, например
сталь БСт1кп. Для сталей группы А букву впереди марки не
ставят.
В обозначении марок сталей всех групп вводят также цифры
от 1 до б, характеризующие категорию стали. Категория
определяется совокупностью механических свойств стали либо
особенностями 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,
полуспокойная, категория 2; ВСт2спЗ - группа В, сталь 2, спокойная,
категория 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
качества расходуется на изготовление листового, круглого,
швеллерного, двутаврового проката.
Легированные стали, кроме железа, углерода и нормальных
примесей, содержат легирующие элементы, например хром,
никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан, которые повышают
качество стали и придают ей специальные свойства. К таким
454
элементам относят также марганец и кремний, если их
содержание в стали превышает 1 %.
Легирующие элементы образуют с железом химические
соединения и твердые растворы замещения, которые играют роль
упрочняющей фазы. Кроме того, большинство легирующих
элементов образуют с углеродом простые и сложные карбиды,
являющиеся, как и цементит РезС, хрупкими и твердыми
веществами. В результате изменяется строение и существенно
улучшаются механические свойства сталей.
Стали, применяемые для изготовления арматуры
железобетонных конструкций, содержат в качестве легирующих
элементов чаще всего марганец, кремний, хром. Марганец и кремний
увеличивают прочность легированной стали, но снижают ее
ударную вязкость. Хром и никель повышают не только
прочность, но и ударную вязкость. Практически все легирующие
элементы улучшают термическую обрабатываемость сталей.
По химическому составу различают низко-, средне- и
высоколегированную сталь.
По назначению легированные стали разделяют на
конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.
В строительстве наиболее часто применяют
низколегированные (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
используют буквенно-цифровую систему. В начале обозначения
приводят цифры, указывающие содержание углерода в сотых
долях процента. Далее ставят буквы, обозначающие
легирующий элемент: Ю - алюминий, Р - бор, Ф - ванадий, В -
вольфрам, С - кремний, Г - марганец, Д - медь, М - молибден, Н -
никель, Т - титан, X - хром, Ц - цирконий. Наконец, цифра,
стоящая за буквами, указывает содержание легирующего
элемента 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 %,
марганца - 2 %, кремния - менее 1 %.
Сталь для металлических конструкций обладает высокими
пластичностью и ударной вязкостью, причем эти свойства
незначительно ухудшаются при отрицательных температурах (до -
40...50 °С). Основная характеристика такой стали - предел
текучести - составляет в среднем 350 МПа, в то время как у
углеродистой стали он равен 225 МПа. Низколегированные
строительные стали весьма пластичны: относительное удлинение в них
достигает 18...20 %. Для изготовления металлоконструкций
чаще всего применяют стали марок ЮХСНД, 15ХСНД, 16ГС,
10Г2СД,09Г2, 14Г2.
Сталь для армирования лселезобетонных конструкций
должна обладать хорошей свариваемостью, высокой
прочностью и быть достаточно пластичной. Этим условиям отвечают
легированные стали марок ЮГТ, 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
плотность B700 кт1м). В чистом виде алюминий мягок, пластичен,
хорошо отливается, прокатывается, температура плавления
составляет 657 °С. Алюминий обладает повышенной стойкостью к
коррозии на воздухе за счет образования защитной пленки
(АЬОз), имеет высокую тепло- и электропроводность. Предел
прочности у алюминия при растяжении - 90,.. 120 МПа,
относительное удлинение - 20.. .30 %, твердость НВ = 25,. .30,
коэффициент теплопроводности - 200 Вт(м • °С).
В чистом виде в строительстве алюминий применяется для
отливки деталей, изготовления порошков (алюминиевые краски
и газообразователи при изготовлении ячеистых бетонов),
фольги, электропроводов. Из алюминиевой фольги делают
высокоэффективный утеплитель (альфоль), используют ее в качестве
отражателя тепловых лучей, а также декоративного материала.
456
Путем анодного оксидирования из алюминиевых сплавов
получают 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
сплавов весьма эффективны для устройства оконных коробок и
переплетов, дверей и дверных коробок, наружной облицовки
зданий и для изготовления легких трехслойных панелей с
пенопластовым утеплителем.
Медь и ее сплавы. Медь - металл красного цвета с
плотностью 8800 кг/м^, температурой плавления - 1083 °С, 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
латунью. Латунь обладает высокими механическими и
антикоррозийными 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
название безоловянистых бронз. Бронзу применяют в виде изделий
для внутреннего оборудования зданий (сантехническая
арматура, вентиляционные решетки, детали карнизов, фурнитуры
и др.)-
Кроме бронз и латуни известны др)тие сплавы, содержащие
медь. Например, мельхиор B0 % никеля и 80 % меди), никелин
D5 % никеля и 55 % меди), копстантан D0 % никеля, 59 %
меди и 1 % марганца).
Цинк получают из сульфидных цинковых руд ZnS.
Плотность цинка - 7000 кг/м^. Его температура плавления - 410 °С.
457
При обычной температуре цинк хрупок, при нагревании до
150 "^С он становится пластичным. Его применяют главным
образом для оцинкования различных стальных изделий (гвоздей,
болтов, кровельной стали), в качестве компонента сплавов.
Свинец ~ мягкий пластичный тяжелый металл. Плотность
свинца - 11400 кг/м^; температура плавления - 325 "^С. 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
рентгеновских лучей и частично не пропускает у-лучи. Он
применяется в строительстве для специальных труб, антикоррозионных
покрытий, звуко- и гидроизоляции и как составная часть
некоторых легких сплавов. Свинец добывают из сульфидных руд.
Олово. Плотность олова - 7230 кг/м^; температура
плавления - 232 "^С. Олово - мягкий, стойкий против коррозии металл.
Применяется для лужения стали и меди в качестве припоя и как
составная часть цветных легкосплавких сплавов. Предел
прочности при растяжении - 35...45 МПа, относительное
удлинение - 40 %, твердость НВ = 12. Олово добывают из руды,
которая называется оловянным камнем.
Титан, а точнее, титановые сплавы, приобретают в
последнее время все большую популярность; они сочетают в себе
низкую плотность D500 кг/м^), высокие прочность (Rp - 700...
.. .1200 МПа), твердость (НВ > 1000) и ко .озионную стойкость.
Из-за очень высокой стоимости и дефицитности титан в
строительстве применяют только для уникальных сооружений.
18.6. Изделия из стали
и сборные металлические конструкции
Металлургическая промышленность выпускает стальные
изделия различной номенклатуры.
Профильную сталь применяют для изготовления
разнообразных 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,
полосовой 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
профиль выпускают нескольких типоразмеров,
регламентированных стандартами.
Листовая прокатная сталь для строительных конструкций
применяется четырех видов: листовая, универсальная
широкополосная, рифленая и просечно-вытяжная. Сталь листовая
горячекатаная поставляется толщиной 0,4... 160 мм, шириной -
500...1800 мм и длиной - 710...12000 мм .
Сталь прокатная широкополосная универсальная
поставляется 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
толщиной 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
лестничных маршей.
Просечно-вытяэюная сталь изготовляется из толстолистовой
стали толщиной 4; 5 и 6 мм методом просечки на прессах
надрезов по длине с последующей растяжкой листа поперек и
образованием 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
металла 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
болтами, 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,
головку прижимают поддержкой, а выступающую часть стержня
ударами обжимки расплющивают, образуя замыкающую
головку. При этом стержень утолщается, полностью заполняет
высверленное отверстие и элементы конструкции соединяются
наглухо. Заклепки обычно изготовляют из низкоуглеродистой
пластичной 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
напряжение 150.,.200 МПа. При этом используются упругие свойства
стали: благодаря напряжению в теле болта соединяемые
элементы сжимаются очень плотно.
Колонны бывают сплошные, из одного или нескольких
профилей, или решетчатые, которые состоят из двух или четырех
ветвей, соединенных между собой решеткой. Верхняя часть
колонны называется оголовком, нижняя - башмаком. Колонна
воспринимает сжимающие нагрузки.
Прогоны {балки), обычно двутаврового сечения, изготовляют
из двутавровых балок, а в случае перекрытия больших
пролетов - сварными из стального листа.
Фермы - плоские решетчатые конструкции, перекрывающие
весь пролет здания (длина ферм - 18; 24; 30; 36 м и более) -
выпускаются обычно из угловой стали с креплением сборочных
единиц листовой сталью.
В последние годы широкое применение находят легкие
металлические конструкции (ЛМК). Применение ЛМК по
сравнению с традиционными металлоконструкциями снижает в 3...4
раза расход металла на 1 м^ площади здания, на 20...50 %
сокращаются сроки строительства, в 1,5...2 раза уменьшается
трудоемкость и на 8,.. 10 % снижается стоимость строительства.
462
Массовое применение ЛМК комплектной поставки в СНГ
потребовало создания поточного машинного производства
специальных экономичных профилей и типовых элементов зданий,
в том числе: автоматизированных линий по производству
профилированного 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,
должны быть огрунтованы или окрашены. Места соединений и
повреждения покрытия окрашивают после монтажа. Для
временной защиты стальных конструкций на период
транспортирования, 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
высокопрочных болтах, места монтажной сварки на ширину по 100 мм
в обе стороны от шва, фрезерованные торцы элементов,
строганые плоскости, шарнирные болты и отверстия для них, которые
покрываются тонким слоем технического вазелина, тавота или
солидола, части конструкций, подлежащие бетонированию,
которые покрываются цементным молоком.
Необходимо помнить, что стальные конструкции, имеющие
большую несущую способность в рабочем положении, могут
легко деформироваться от небольших усилий во время
транспортирования 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
вследствие 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 -
местной (рис, 646). Коррозию, протекающую по границам зерен
металла, называют межкристаллитной (рис. 64в). Начало коррозии
сопровождается потерей поверхностью металла блеска. По мере
протекания коррозии уменьшается сечение детали или
конструктивного элемента.
/
Рис 64. Виды коррозионных разрушений металлов: а - сплошная
поверхностная; б - местная; в - межкристаллитная; 1 - кристаллиты металла; 2 -
коррозионное пятно; 3 - подповерхностная коррозия, 4 - точечная коррозия
По характеру взаимодействия со средой коррозия бывает
химической и электрохимической.
Химическая коррозия протекает в средах, не проводящих
электрический ток, например в сухих газах, жидкостях
органического происхождения ~ нефти, бензине, спирте и др. Наиболее
интенсивно такая коррозия проявляется при повышенной
температуре. В результате на поверхности металла образуется
оксидная пленка.
Окислительные пленки имеются на поверхности всех
металлов. На одних металлах они не обнаруживают себя, а на
других - 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
последняя 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 а-Ре20з), то она не защищает
металл от коррозии.
Электрохимическая коррозия является наиболее
распространенным типом коррозии металлов. Она происходит во влажном
воздухе и в различных водных растворах, проводящих
электрический ток. Строительные металлические конструкции, большей
частью работающие во влажном воздухе, подвержены, в
основном, электрохимической коррозии, которая усиливается с
ростом концентрации в воздухе углекислого и сернистого газов.
Интенсивно корродируют конструкции, находящиеся в грунте,
например трубопроводы.
При электрохимической коррозии часть атомов из
кристаллической решетки металла или сплава переходит в раствор
электролита в виде ионов. В металле остается эквивалентное
количество электронов. В результате металл заряжается отрицательно,
а окружающий его раствор электролита - положительно.
Возникает гальваническая пара, в которой частицы разрушающегося
металла постепенно переходят в раствор:
Fe + ПЯ2О -^ Fe^' • 72Н2О + 2е.
При появлении разности потенциалов между отдельными
участками поверхности металла электроны начинают
перемещаться по металлу к поверхности катода, а ионы железа
группируются у анода, т. е. происходит снижение разности
потенциалов. При отсутствии посторонних факторов деструкция металла
на этом могла бы закончиться. Однако к поверхности катода
может поступать кислород, который связывает свободные
электроны:
02 + 2Н20 + 4е = 40Н'.
В результате этого процесса на катоде накапливается гидро-
ксил ОН .
30. Зак. 508 465
Накопление гидроксила вызывает появление разности
потенциалов, 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 0H" + Fe^^-^Fe(OHJ;
4Fe(OHJ + О2 + 2Н2О -^ 4Ре(ОН)з,
Эти продукты по сравнению с железом имеют менее
отрицательный нормальный электродный потенциал и образуют с
металлом разность потенциалов, стимулируя процесс его коррозии.
Схематически процесс электрохимической коррозии стали
изображен на рис. 65.
Рис. 65. Схема электрохимической коррозии железа: а - воздух;
б - пленка влаги; в - железо
Таким образом, для протекания процесса
электрохимической 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
осуществляться движение ионов между анодом и катодом.
Процесс электрохимической коррозии зависит от вида
металла. 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
медью - железо. В паре металл - неметалл в электролите
растворяется металл.
Электрохимическая коррозия стали в щелочной среде
значительно замедляется. Это обстоятельство используют при
изготовлении железобетона. В процессе твердения большинства
цементов возникает щелочная среда, которая способствует
образованию на поверхности стальной арматуры защитной пленки из
нерастворимых соединений железа типа Ре(ОН)з, Происходит
так называемое пассивирование железа. Пленка предохраняет
металл от коррозии. Это характерно для бетона при рН среды
более 11,5. Поэтому в железобетонных конструкциях,
находящихся в воздушной или водной среде при отсутствии
агрессивного воздействия, коррозии арматуры не происходит.
Обязательным 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,
протекторную защиту.
Конструктивные и профилактические меры заключаются в
повышении качества обработки поверхности металлических
изделий, а также в защите конструкций от атмосферных осадков.
Благодаря этому сокращается реальная площадь поверхности
металла, контактирующего со средой. Для профилактики
коррозии консервируют дорогостоящие машины и механизмы
защитными смазочными материалами.
Повышение коррозионной стойкости достигается введением
в состав стали легирующих добавок - хрома, никеля, марганца,
титана, меди. Весьма стойки к атмосферной коррозии
нержавеющие легированные стали, содержащие в большом
количестве хром, который создает на поверхности изделий плотную
оксидную 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 -
наиболее распространенный способ защиты строительных
конструкций путем использования покрытий либо получения на
поверхности металла защитной пленки.
Неметаллические покрытия образуют на поверхности
изделий 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
неорганическими эмалями. Нередко защитные покрытия
выполняют из полимеров - полиэтилена, поливинилхлорида,
полистирола, эпоксидных смол. Поверхности закладных деталей
сборных железобетонных конструкций защищают с помощью
цсментно-полистирольных или цементно-перхлорвиниловых
обмазок.
Металлические покрытия получают нанесением на
поверхность изделия тонкой пленки из другого металла {металлизация
и горячие покрытия). Различают покрытия анодные и катодные.
Анодные покрытия выполняют из металла, стоящего в ряду
напряжений правее защищаемого металла. Для стальных изделий
анодной защитой служит пленка из цинка, алюминия. Если
покрытие окажется нарушенным, то разрушается покрывающий, а
НС основной металл. Цинковые и алюминиевые покрытия часто
применяют для защиты поверхности закладных деталей в
сборных железобетонных конструкциях.
Катодные покрытия предохраняют металл от прямого
контакта с коррозионной средой. Катодную защиту выполняют из
олова, свинца, никеля. Такая защита работоспособна до тех пор,
пока не нарушена целостность покрытия. При местном
нарушении защитной пленки начнется коррозия стали.
Защитные пленки формируют путем целенаправленной
обработки деталей специальными химическими реагентами. После
такой обработки на поверхности металла образ>ются 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
правее в ряду напряжений. В образованной таким путем
гальванической паре металл протектора служит анодом. Он и будет
постепенно разрушаться, а основной металл останется целым.
Данный способ применяют для защиты конструкций в морской
воде, влажных q^yHTax. Стальные конструкции опор ЛЭП,
электроконтактной 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
заключаются 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
обозначают их марки?
10. Что такое легированные стали и как их подразделяют?
1 \. 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
сущность 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
бетонной смеси и прессвакуумбетона. ~ Мн.: Наука и техника, 1977. - 232 с.
5. Технологическое обеспечение производства железобетонных
конструкций: Учеб. пособие / Э. И. Батяновский, В. В. Бабицкий, Е. В. Коробко,
П. И. Юхневский. - Мн.: БП1А, 2001. ~ 161 с.
6. Горчаков Г. И., Баженов Ю. М. Строительные материалы: Учеб. для
вузов. ~ М.: Стройиздат, 1986. ~ 688 с.
7. Дворк1н Л. Й. Теоретичн! основы буд1вельного матер1алознавства. ~
К1ев:НМКВ0, 1992.~154с.
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.:
Стройиздат, 1977.-220 с.
13- Рыбьев И. А. Строительное материаловедение. ~ М.: Высш. шк.,
2003.-700 с.
14. Смеси растворные и растворы строительные: Приготовление и
применение 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 изделий / Под
ред. К. В. Михайлова и А. А. Фаломеева. - М.: Стройиздат, 1982, - 440 с.
16. Урецкая Е. А., Батяновский Э. И. Сухие строительные смеси:
Материалы и технологии. - Мн.: Стринко, 2001. - 182 с.
470
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 3
Раздел 1, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 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
вещества 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
строительных материалов 35
3.1. Принципы выбора и использования сырья 35
3.2. Характеристика общих технологических переделов 39
3.2.1. Подготовительные работы 40
3.2.2. Перемешивание компонентов смеси 43
3.2.3. Формование и уплотнение изделий из смеси 45
3.2.4. Формирование и фиксация структурных связей ~
отвердевание 49
3.3. Стандартизация материалов и контроль качества 54
Вопросы для самопроверки 56
Глава 4. Прочность, деформативность и долговечность
строительных 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 111
5.3. Производство природных каменных материалов 116
5.4. Защита от коррозии и хранение природных каменных
материалов 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. Стеклокристаллические 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 бе гонов 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. Технолоп^ческие 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
строительстве 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
железобетонных конструкций 326
13.3. Технология монолитного железобетона 338
13.4. Производство сборных железобетонных изделий и конструкций . 340
13.5. Маркировка, транспортирование и складирование
железобетонных 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
требования 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 ... 43 8
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 А. К Нефедов
Сдано в набор 4.03.04. Подписано в печать 23.04.2004. Бумага офсетная. Формат
60x84Vjg. Гарнитура Тайме. 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.