/
Автор: Горчаков Г.И.
Теги: строительные материалы и изделия строительные материалы учебник для вузов
Год: 1981
Текст
Г. И. ГОРЧАКОВСТРОИТЕЛЬНЫЕ1981
ББК 38.3
Г67
УДК 691Рецензенты:кафедра «Строительные материалы» Горьковского
инженерно-строительного института им. В. П. Чкалова
(зав. кафедрой проф. Г. JI. Баженов);
д-р техи, наук, проф. А. В. НехорошееГорчаков Г. И.Г67 Строительные материалы. Учебник для студентов вузов. —
М.: Высш. школа, 1981. —412 с. ил.В пер.: 1 р. 10 к.Книга отличается от ранее изданных учебников высоким иаучным уровнем.
Установление количественных зависимостей между структурными характернстнкпми
^СТ"Т^"°-Тех"ИЧеСКИМН свойствами материала использовано для управления
Долговечностью и другими показателями качества. Впервые осуще-
™ математизаиия курса строительных материалов на базе модели строениястроительного мЖГиЛпЬ0ЙСТВ‘ СистематизиР°ванное изложение теоретических основ
строительного материаловедения служит для лучшего усвоения сведений поикляп.бое внимааКнТиГуделеноТолСи пеЙШИХ строительных материалов и изделий. Оса-снижеиию расхода топлива^ и “нерп™*8 * °беСПе,енни Д"~вечяостн конструкций.Предназначается для студентов инженерно-строительных вузов.30209-026 г001(01)—81 1,3-81 3203000000 ББК 38.3© Издательство «Высшая школа», 1981ПРЕДИСЛОВИЕКурс «Строительные материалы» в учебном плане подготовки
инженеров-строителей является базисным для специальных дисцип¬
лин: архитектуры, технологии строительного производства, железо¬
бетонных конструкций, конструкций из дерева и пластмасс, эконо¬
мики и организации строительства и др.Учебник составлен применительно к программе курса «Строи¬
тельные материалы» для строительных специальностей вузов, ут¬
вержденной Учебно-методическим управлением по высшему образо¬
ванию Минвуза СССР.Настоящий учебник соответствует требованиям методологиче¬
ского обучения, воспитывающего у будущего специалиста стремле¬
ние и умение самостоятельно обобщать информацию, пополнять и
обновлять свои знания. Весь учебный материал изложен на базе об¬
щих связей внутреннего строения и свойств твердых тел. Качество
строительного материала всегда определяется его структурой. При
необходимости получить материал с заданными свойствами нужно
создать внутреннюю структуру, обусловливающую требуемые тех¬
нические характеристики. На этой методологической основе объеди¬
нено изучение многообразных неорганических и органических строи¬
тельных материалов.Зависимости между структурой и свойствами рассматриваются с
помощью моделей строения и свойств материалов. В результате из¬
ложение материала доходчиво и позволяет осуществить рациональ¬
ную математизацию курса, необходимую для прогнозирования
свойств материалов.Теоретические вопросы излагаются с использованием законов
и фундаментальных данных из смежных дисциплин: физики, химии,
сопротивления материалов, минералогии.Потребовалось ввести в учебник элементы теории композицион¬
ных материалов, поскольку большинство строительных материалов
(бетоны, растворы, пластмассы и др.) структурно неоднородны. Их
изучение на единой основе теории композитов необходимо для ус¬
воения принципов создания новых эффективных материалов.Введен раздел по контролю качества и стандартизации материа¬
лов, отвечающий установке на повышение эффективности и ка¬
чества продукции. Расширены физико-химические основы курса,
необходимые для понимания процессов твердения вяжущих веществ,
регулирования свойств материалов и их защиты от коррозии. Дается
представление о реологии дисперсных систем, являющейся научной
основой разнообразных способов изготовления изделий и конст¬
рукций.Построение учебника обусловлено программой курса и принятой
классификацией. Каждый раздел объединяет определенную группу3
материалов, что позволяет выявить общие закономерности форми¬
рования их структуры и свойств.Во всех разделах учебника даются сведения об основных направ¬
лениях технического прогресса в области строительных материалов,
определенные решениями XXV съезда КПСС и последующими пос¬
тановлениями партии и правительства. Особое внимание уделяется
повышению качества и эффективности материалов, снижению ма¬
териалоемкости и трудоемкости строительства, повышению произво¬
дительности труда. Рассматривается комплексное использование по¬
бочных продуктов промышленности (шлаков, зол и др.) в связи с
требованиями охраны окружающей среды. Показана эффективность
применений в индустриальном строительстве крупноразмерных кон¬
струкций полной заводской готовности с привлечением данных кон¬
кретной экономики. Особое внимание уделено роли материала в
обеспечении долговечности строительных конструкций и экономии
топливно-энергетических ресурсов. Учебник предназначен для сту¬
дентов инженерно-строительных специальностей вузов, а также мо¬
жет быть использован инженерно-техническими работниками строи¬
тельства и промышленности строительных материалов.Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры
«Строительные материалы» Горьковского инженерно-строительного
института (зав. кафедрой проф. Г. Л. Баженов) и проф., д-ру техн.
наук А. В. Нехорошеву за ценные замечания и пожелания, сделан¬
ные ими при рецензировании.АвторВВЕДЕНИЕСодержание предмета «Строительные материалы» охватывает:
получение материалов оптимального строения, имеющих требуе¬
мые свойства, определение области и условий их рационального при¬
менения в строительстве. Без этих сведений нельзя правильно выб¬
рать и применить материалы, предназначенные для различных
частей.сооружения, а если потребуется, то и целенаправленно изме¬
нить свойства материала.Основой строительства служат строительные материалы. Затраты
на материалы составляют более половины общей стоимости строи¬
тельно-монтажных работ и около одной трети капитальных вложе¬
ний в народное хозяйство СССР. Производство строительных мате¬
риалов связано с добычей и переработкой огромных количеств
сырья (более 2 млрд. т ежегодно). Только на минеральные строи¬
тельные материалы приходится более 25% общих грузовых перево¬
зок железнодорожным транспортом и более 57% речным транспор¬
том СССР. Снижение массы материалов позволяет сократить
транспортные затраты, укрупнить конструкции, уменьшить трудоем¬
кость и стоимость строительства. Каждый процент снижения затрат
на строительные материалы ежегодно экономит более 400 млн. руб.Промышленность строительных материалов получила значитель¬
ное развитие уже в 1928—1940 гг., когда были реконструированы
действующие предприятия и построены десятки новых заводов по
производству вяжущих материалов, кирпича, стекла, рубероида, ас¬
бестоцементных и других изделий.Для быстрого развития производства строительных материалов
в послевоенный период исключительно важное значение имели пос¬
тановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР по вопросам строи¬
тельства. В них предусматривается расширение выпуска новых эф¬
фективных строительных материалов, легких крупноразмерных кон¬
струкций улучшенного качества с высокой степенью заводской
готовности, обеспечивающих повышение уровня индустриализации,
снижение материалоемкости и стоимости строительства.Советский Союз опередил развитые капиталистические страны
по выпуску ряда важнейших строительных материалов. Еще в
1962 г. СССР по производству цемента обогнал США и вышел на
первое место в мире по производству сборного железобетона, асбес¬
тоцементных листовых материалов и труб, оконного стекла и др.XXV съезд КПСС наметил дальнейшее увеличение объема про¬
изводства строительных материалов в десятой пятилетке в 1,3 раза.
Основной задачей в капитальном строительстве является повышение
эффективности капитальных вложений на базе индустриализации,
означающей перевод строительства на непрерывный процесс комп¬
лексной механизированной сборки зданий и сооружений из укруп-&
ненных готовых конструкций и узлов заводского изготовления.
Поэтому развиваются домостроительные и сельские строительные
комбинаты, а также предприятия по производству прогрессивных
облегченных строительных конструкций и изделий.Основным материалом современного строительства является
сборный железобетон — универсальный и долговечный материал.
Общий объем его производства возрос в 1980 г. до 135 млн. м3, а ка¬
чественные показатели будут совершенствоваться за счет снижения
объемной массы, совмещения бетона с полимерными и другими спе¬
циальными материалами.В промышленности строительных материалов предпочтение от¬
дается менее энергоемким технологиям. Например, развивается су¬
хой способ производства портландцемента, сокращающий затраты
энергии в 1,5—2 раза по сравнению с мокрым способом. Для охраны
окружающей среды и экономии топливно-энергетических ресурсов
большое значение приобретает безотходное производство строи¬
тельных материалов, включающее комплексную переработку побоч¬
ных продуктов промышленности: металлургических шлаков, зол
ТЭС и шламов — в вяжущие вещества, заполнители для бетона,
теплоизоляционные материалы. Эффективная теплоизоляция необ¬
ходима для снижения расхода топлива и уменьшения потерь энергии
при эксплуатации зданий, промышленного оборудования и трубо¬
проводов.Быстро возрастает производство полимерных строительных ма¬
териалов и изделий. Особенно эффективны легкие конструкции из
стеклопластиков, полимерные материалы для полов, санитарно-тех-
ническое^ оборудование, трубопроводы из пластмасс, теплоизоля-*
ционные, лакокрасочные и другие долговечные материалы.Широкое применение в строительстве получают клееные дере¬
вянные конструкции, эффективные изделия из стекла, керамики, ас¬
бестоцемента и др.В учебнике отражены достижения науки и техники в области
строительных материалов, в частности плодотворно использовано
учение о связи состава и внутреннего строения материала с его
свойствами. Теория твердения портландцемента и формирования
структуры цементного камня изложена на основе новейших сведе¬
ний, содержащихся в трудах VI и VII Международных конгрессов
по химии цемента. Для оценки групповой пористости бетона исполь¬
зованы предложенные автором формулы. Развитая теория строе¬
ния бетона позволила объяснить физический смысл закона проч¬
ности и особенности деформативных свойств, уяснить главные фак¬
торы, определяющие проницаемость и морозостойкость. На этой
теоретической основе рассмотрены новые способы придания бетону
специальных свойств, включая совмещение его с полимерами, дис¬
персное армирование и др.Введены в учебник и новые прогрессивные теплоизоляционные
материалы: минераловатные твердые плиты на синтетическом свя¬
зующем, стеклопор, пенопласты, наполненные стеклопором, и др.
Потребовалось ввести также специальный, раздел, посвященный6акустическим материалам и изделиям, написанный в соответствии с
новыми нормативными документами.Изложена элементарная теория полимерных волокнистых компо¬
зитов, позволяющая понять принципы создания новых легких конст¬
рукционных материалов с нужными физико-механическими свойст¬
вами.Из числа лакокрасочных материалов более подробно рассмотре¬
ны полимерные, эмульсионные красочные составы, не требующие
затрат природного пищевого сырья. Освещены термостойкие покры¬
тия на основе кремнийорганических полимеров.За годы Советской власти промышленность строительных мате¬
риалов и изделий превратилась в крупную отрасль индустрии, рас¬
полагающую механизированными и автоматизированными пред¬
приятиями, квалифицированными кадрами и крупной научной
базой.1
РАЗДЕЛ 1ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВГлава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ§ 1. Работа строительных материалов в конструкции,
их классификацияВсякая конструкция воспринимает те или иные нагрузки и под¬
вергается действию окружающей среды.Нагрузки вызывают деформации и внутренние напряжения в ма¬
териале, поэтому проектирование зданий и сооружений требует
точных характеристик прочностных и деформативных свойств при¬
меняемых материалов, называемых механическими свойствами.Кроме прочности строительные материалы должны обладать
стойкостью, т. е. способностью сопротивляться физическим и хими¬
ческим воздействиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров
и газов, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям темпера¬
туры и влажности, совместному действию воды и мороза при много¬
кратном замораживании и оттаивании.Исходя из условий работы материала в сооружении, Н. А. Попов
разделил строительные материалы по назначению на две группы.Первую группу составляют материалы универсального типа, при¬
годные для несущих конструкций: 1) природные каменные материа¬
лы; 2) искусственные каменные материалы: а) получаемые на ос¬
нове вяжущих веществ без обжига (бетоны, строительные раство¬
ры); б) получаемые обжигом минерального сырья (керамические
материалы и изделия, стекло, ситаллы); 3) металлы (сталь, чугун,
алюминий, сплавы); 4) конструкционные пластмассы (стеклопласти¬
ки и др.); лесные материалы.Вторая группа объединяет строительные материалы специально¬
го назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных
влияний среды, а также для повышения эксплуатационных свойств
зданий и создания комфорта: 1) теплоизоляционные материалы;2) акустические; 3) гидроизоляционные, кровельные и герметизи¬
рующие; 4) отделочные; 5) антикоррозионные; 6) огнеупорные.§ 2. Классификация и стандартизация свойствОсновные и специальные свойства строительных материалов
можно разделить на следующие группы с учетом тех воздействий
на материалы, которые встречаются в эксплуатационных условиях:8параметры состояния и структурные характеристики, определяю¬
щие технические свойства: химический, минеральный и фазовый
состав; удельные характеристики массы (плотность и объемная
масса) и пористость; дисперсность порошкообразных материалов;физические свойства: реологические свойства пластично-вязких
материалов; свойства гидрофизические, теплофизические, акусти¬
ческие, электрические, определяющие отношение материала к раз¬
личным физическим процессам; стойкость против физической кор¬
розии (морозостойкость, радиационная стойкость, водостойкость);механические свойства, определяющие отношение материала к
деформирующему и разрушающему действию механических нагру¬
зок (прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость
и др.);химические свойства: способность к химическим превращениям,
стойкость против химической коррозии;долговечность и надежность.Свойства материалов оценивают числовыми показателями, ус¬
танавливаемыми путем испытаний в соответствии со стандартами,
В СССР создана единая государственная система стандартизации,
которая позволяет применять стандартизацию во всех отраслях на¬
родного хозяйства. Тем самым обеспечивается эффективность дей-1
ствия стандартов как одного из средств ускорения научно-техниче¬
ского прогресса и повышения качества продукции.Система органов и служб стандартизации представлена обще¬
союзным органом по стандартизации (Государственный комитет
стандартов Совета Министров СССР) и его службами — службой
стандартизации в отраслях народного хозяйства, службой стандар¬
тизации в союзных республиках. В зависимости от сферы действия
стандарты делят на четыре категории: государственные (ГОСТ),
отраслевые (ОСТ), республиканские (РСТ) и стандарты предприя¬
тий (СТП).Государственные стандарты — это обязательный документ для
всех предприятий, организаций и учреждений, независимо от их
ведомственной подчиненности, во всех отраслях народного хозяйст¬
ва СССР и союзных республик. В соответствии с постановлением
Совета Министров СССР их утверждает Госстандарт, а стандарты
в области строительства и строительных материалов — Государст¬
венный комитет СССР по делам строительства (Госстрой СССР),
Особо важные государственные стандарты (по специальному переч¬
ню) утверждает Совет Министров СССР.В области строительных материалов и изделий наиболее рас¬
пространены стандарты: технических условий; технических тре¬
бований; типов изделий и их основных параметров, методов ис¬
пытаний; правил приемки, маркировки, упаковки, транспортирова¬
ния и хранения.Стандарпы технических требований нормируют показатели ка¬
чества, надежности и долговечности продукции, ее внешний вид.
Вместе с тем такие стандарты устанавливают гарантийный срок
службы и комплектность поставки изделий. Большинство стандар¬9
тов на строительные материалы и изделия — это стандарты техни¬
ческих требований. Значительная часть требований в стандартах
связана с физико-механическими характеристиками материалов
(объемной массой, водопоглощением, влажностью, прочностью, мо¬
розостойкостью).Одна из особенностей государственной системы стандартизации
в строительстве и технологии строительных изделий состоит в том,
что кроме стандартов здесь действует система нормативных доку¬
ментов, объединенная в Строительные нормы и правила (СНиП).
СНиП — это свод общесоюзных нормативных документов по проек¬
тированию, строительству и строительным материалам, обязатель¬
ный для всех организаций и предприятий.Методическую основу стандартизации размеров в проектирова¬
нии, изготовлении строительных изделий и при возведении сооруже¬
ний составляет Единая модульная система (ЕМС). Эта система
представляет собой совокупность правил координации размеров
элементов зданий и сооружений, строительных изделий и оборудо¬
вания на базе основного модуля, равного 100 мм (обозначается
1М). Применение ЕМС позволяет унифицировать и сократить чис¬
ло типоразмеров строительных изделий. Это обеспечивает взаимо¬
заменяемость деталей, выполненных из разных материалов или
отличающихся по конструкции. Изделия и детали одинаковых типо¬
размеров, изготовленные в соответствии с требованиями ЕМС, мо¬
гут быть использованы в зданиях разнообразного назначения.В Единую модульную систему входят и производные модули, ко¬
торые получают путем умножения основного модуля на целые или
дробные коэффициенты. При умножении на целые коэффициенты
образуются укрупненные модули, а при умножении на коэффициен¬
ты менее единицы — дробные модули (табл. 1).Производные укрупненные модули (60М, ЗОМ, 12М) и кратные
им размеры рекомендуется применять для назначения продольных
и поперечных шагов зданий. Модули 6М, ЗМ, 2М предназначены
для членения конструктивных элементов в плане зданий, назначенияТаблицаIРазмеры модулей в ЕМСОбозначениеРазмер, ммОбозначениеРазмер, ммПроизводные укрупненные модулиПроизводные дробные модули1М2М1001М100ЗМ2001/2М506М3001/5М2012М6001/ЮМ1015М12001/20М5ЗОМ15001/50М260М300060001/100М110ширины проемов. Основной модуль 1М и дробные модули от 1/2М
до 1/20М применяют для назначения размеров сечения относитель¬
но малых элементов (колонн, балок и т. д.). Наиболее мелкие
дробные модули (от 1/10М до 1/100М) используют для назначения
толщин плитных и листовых материалов, ширины зазоров, допусков.Созданные в СССР Строительные нормы и правила имеют боль¬
шое международное значение. Решением Постоянной комиссии СЭВ
по строительству СНиП взят за основу унифицированных норм и
правил в области строительства для всех стран — членов СЭВ.Работы по стандартизации в интернациональном масштабе про¬
водятся специально созданной в 1947 г. Международной организа¬
цией по стандартизации (ИСО). Деятельность ИСО, как указано в
ее уставе, имеет целью содействовать благоприятному развитию
стандартизации во всем мире для того, чтобы облегчить междуна¬
родный обмен товарами и развивать взаимное сотрудничество в
области научной, технической и экономической деятельности. Кро¬
ме ИСО активную работу в области международной стандартизации
и социалистической экономической интеграции проводят Совет
Экономической Взаимопомощи и его Международный институт по
стандартизации.§ 3. Связь строения и свойствЗнание строения строительного материала необходимо для по¬
нимания его свойств и в конечном итоге для решения практического
вопроса, где и как применить материал, чтобы получить наибольший
технико-экономический эффект.Строение материала изучают на трех уровнях: 1) макрострукту¬
ра материала — строение, видимое невооруженным глазом; 2) мик¬
роструктура материала — строение, видимое в оптический микрос¬
коп; 3) внутреннее строение веществ, составляющих материал, на
молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-струк-
турного анализа, электронной микроскопии и т. п.Макроструктура твердых строительных материалов* может быть
следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волок¬
нистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).Искусственные конгломераты — это обширная группа, объеди¬
няющая бетоны различного вида, ряд керамических и других мате¬
риалов.Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свой¬
ственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам.Мелкопористая структура свойственна, например, керамическим
материалам, поризованным способами высокого водозатворения и
введением выгорающих добавок.Волокнистая структура присуща древесине, стеклопластикам,
изделиям из минеральной ваты и др. Ее особенностью является рез-* Природные каменные материалы сюда не относятся, так как горные поро¬
ды имеют собственную геологическую классификацию.11
кое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль
и поперек волокон.Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, листовых,
плитных материалов, в частности у пластмасс со слоистым напол¬
нителем (бумопласта, текстолита и др.).Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетона, зер¬
нистые и порошкообразные материалы для мастичной теплоизоля¬
ции, засыпок и др.Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть
кристаллическая и аморфная. Кристаллические и аморфные формы
нередко являются лишь различными состояниями одного и того же
вещества. Примером служит кристаллический кварц и различные
аморфные формы кремнезема. Кристаллическая форма всегда более
устойчива. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между квар¬
цевым песком и известью, в технологии силикатного кирпича приме¬
няют автоклавную обработку отформованного сырца насыщенным
водяным паром с температурой не менее 175°С и давлением 0,8 МПа.
Между тем трепел (аморфная форма двуокиси кремния) вместе с
известью после затворения водой образует гидросиликат кальция
при нормальной температуре 15—25°С. Аморфная форма вещества
может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.Практическое значение для природных и искусственных камен¬
ных материалов имеет явление полиморфизма — когда одно и то же
вещество способно существовать в различных кристаллических
формах, называемых модификациями. Наблюдаются, например,
полиморфные превращения кварца, сопровождающегося изменени¬
ем объема.Особенностью кристаллического вещества является определен¬
ная температура плавления (при постоянном давлении) и опреде¬
ленная геометрическая форма кристаллов каждой его модификации.Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направлениях.
Это механическая прочность, теплопроводность, скорость растворе¬
ния, электропроводность и др. Явление анизотропии является след¬
ствием особенностей внутреннего строения кристаллов.В строительстве применяют поликристаллические каменные ма¬
териалы, в которых разные кристаллы ориентированы беспорядочно.
Подобные материалы рассматриваются как изотропные по своим
строительно-техническим свойствам. Исключение составляют слоис¬
тые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).Внутреннее строение веществ, составляющих материал, опреде¬
ляет механическую прочность, твердость, тугоплавкость и другие
важные свойства материала.Кристаллические вещества, входящие в состав строительного
материала, различают по характеру связи между частицами, обра¬
зующими пространственную кристаллическую решетку. Она может
быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемен¬
та, как в алмазе, или разных элементов, как в S1O2); ионами (разно¬
именно заряженными, как в СаС03, или одноименными, как в метал¬
лах); целыми молекулами (кристаллы льда).12Ковалентная связь, осуществляемая обычно электронной парой,
образуется в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) И в крис¬
таллах некоторых соединений из двух элементов (кварц, карборунд,
другие карбиды, нитриды). Такие материалы выделяются очень вы¬
сокой механической прочностью и твердостью, они весьма туго¬
плавки.Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в кото¬
рых связь имеет преобладающе ионный характер. Распространенные
строительные материалы этого типа гипс и ангидрид имеют невысо¬
кую прочность и твердость, не водостойки.В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных
материалах (кальцит, полевые шпаты), осуществляются и ковалент¬
ная, и ионная связи. Внутри сложного иона С03~2 связь ковалент¬
ная, но сам он имеет с ионами Са+2 ионную связь. Свойства подоб¬
ных материалов весьма разнообразны. Кальцит СаС03 при доста¬
точно высокой прочности обладает малой твердостью. У полевых
шпатов сочетаются довольно высокие показатели прочности и твер¬
дости,, хотя и уступающие кристаллам алмаза с чисто ковалентной
связью.Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им
молекулярные связи образуются преимущественно в кристаллах тех
веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Крис¬
талл этих веществ построен из целых молекул, которые удержива¬
ются друг около друга сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми
силами межмолекулярного притяжения (как в кристаллах льда).
При нагревании связи между'молекулами легко разрушаются, поэ¬
тому вещества с молекулярными решетками обладают низкими тем¬
пературами плавления.Силикаты, занимающие особое место в строительных материа¬
лах, имеют сложную структуру, обусловившую их особенности. Так,
волокнистые минералы (асбест) состоят из параллельных силикат¬
ных цепей, связанных между собой положительными ионами, распо¬
ложенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных свя¬
зей внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия, недос¬
таточные для разрыва цепей, разделяют такой материал на волок¬
на. Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикат¬
ных групп, связанных в плоские сетки.Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров Si04,
связанных между собой общими вершинами (общими атомами кис¬
лорода) и образующих объемную решетку. Это дало основание рас¬
сматривать их как неорганические полимеры.§ 4. Связь состава и свойствСтроительный материал характеризуется химическим, минераль¬
ным и фазовым составом.Химический состав строительных материалов позволяет судить о
ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических
и других технических характеристиках. Химический состав неорга¬13
нических вяжущих веществ (цемента, извести и др.) и каменных
материалов удобно выражать количеством содержащихся в них окис¬
лов (в %). Основные и кислотные окислы химически связаны между
собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойст¬
ва материала.Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком ко¬
личестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном материа¬
ле. Например, в портландцементе содержание трехкальциевого си¬
ликата (ЗСаО-ЭЮг) составляет 45—60%, причем при большем его
количестве ускоряется твердение, повышается прочность цементного
камня.Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находя¬
щейся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение
материала при эксплуатации. В материале выделяют твердые ве¬
щества, образующие стенки пор, т. е. «каркас» материала, и поры,
заполненные воздухом и водой. Если вода, являющаяся компонен¬
том этой системы, замерзает, то образовавшийся в порах лед изме¬
няет механические и теплотехнические свойства материала. Увели¬
чение же объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние
напряжения, способные разрушить материал при повторных циклах
замораживания и оттаивания.Глава 2
ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Параметры состоянияПлотность р (г/см3, кг/м3) — масса единицы объема абсолютно
плотного материала. Если масса материала т, а его объем в плот¬
ном СОСТОЯНИИ Ка, ТОр = m/V&. (1)Относительная плотность выражает плотность материала по от¬
ношению к плотности воды (это безразмерная величина).За немногими исключениями (металлы, стекло, мономинералы)
строительные материалы пористы. Объем пористого материала в ес¬
тественном состоянии (т. е. вместе с заключенными в нем порами)
Ve слагается из объема твердого вещества Ка и объема пор Va
(рис. 1)V^VR + VU.Перед определением объема пор пробу материала высушивают в
сушильном шкафу при температуре 105°С до постоянной массы,
т, е. до полного удаления гигроскопической влаги. Подготовленную
пробу помещают в герметически закрытый сосуд, из которого отка¬
чивают воздух, и в вакууме насыщают материал жидкостью. Объемижидкости, полностью заполнившей поровое пространство, равен
объему пор в пробе материала. В качестве замещающей жидкости
применяют воду и керосин (для цементных материалов). Для точ¬
ных измерений объема пор используют сжиженный гелий, учитывая
его сверхтекучесть и способность проникать в тонкие поры. Зная
объем материала в естествен¬
ном состоянии и определив
объем заключающихся в нем
пор, находят объем, занимае¬
мый веществом Ка=Уе—Vm и
вычисляют плотность по при¬
веденной выше формуле.Стандартный метод опреде¬
ления плотности и пористости
материалов (бетона, кирпича и
др.) предусматривает измель¬
чение предварительно высу¬
шенной пробы в порошок, про¬
ходящий через сетку с отвер¬
стиями 0,25 мм. Абсолютный
объем Уа навески т порошка
измеряют с помощью пикно¬
метра: его принимают равным
объему вытесненной порошком
жидкости. Плотность вычис¬
ляют по формуле (1).Объемная масса у (г/см3,
кг/м3) есть масса единицы объема материала в естественном со¬
стоянии (объем Ve определяется вместе с порами):Т = mlV*. (2)Значения объемной массы данного материала в сухом у и влаж¬
ном состояниях ув связаны соотношением7 = 7в/(1+^м). (3)где Wm — количество воды в материале, доли от его массы.Объемная масса пористых материалов всегда меньше их плот¬
ности. Например, объемная масса легкого бетона — 500—1800 кг/м3,
а его плотность — 2600 кг/м 3.Объемная масса строительных материалов колеблется в очень
широких пределах: от 15 (пористая пластмасса — мипора) до
7850 кг/м3 (сталь).Основные свойства распространенных строительных материалов
даны в табл. 2.Объемная насыпная масса -ун — масса единицы объема рыхло на¬
сыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка,
гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т. п.). Напри¬
мер, плотность известняка — 2700 кг/м3, его объемная масса —Уе*1‘Va1f I
!'IVaVtoflVtOiРис. 1. Схема составных частей пори¬
стого материала:Va — абсолютный объем; Ve — объем в есте¬
ственном состоянии (с порами); У'вод — объем
воды; Илоэ — объем воздуха; Vn — объем пор15
Таблица 2Основные свойства строительных материалов
(в воздушно-еудом состоянии)Наименование материалаПлотность,г/см®Объемная
масса, г/смяПористость,%Теплопровод¬
ность ,
Вт/(м-'°С)Бетой:тяжелый2,62,4101,16легкий2,61,061,50,35ячеистый2,60,5810,2Кирпич:обыкновенный2,651,8320,80,55пустотелый2,651,351Природные камни:гранит2,72,671,42,8вулканический туф
Стекло:2,71,4520,5оконное2,652,650,00,58пеностекло2,650,30880,11Полимерные материалы:2,02,00,00,5стеклопластикмипора (вспененный по¬1,20,015980,03лимер)Древесные материалы:сосна1,530,5670,17древесноволокнистая1,50,2860,06плита2500 кг/м3, а объемная насыпная масса известнякового щебня—•
1300 кг/м3. По этим данным можно вычислить пористость известня¬
ка и пустотность щебня, пользуясь приведенными ниже формулами.§ 2. Структурные характеристикиСтроение пористого материала характеризуется общей, открытой
и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, сред*
ним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.Пористость П есть степень заполнения объема материала по*
рами:п = VjVe. (4)Пористость выражают в долях от объема материала, принимае*
мого за 1, или в % от объема.Экспериментальный (прямой) метод определения пористости ос*
нован на замещении порового пространства в материале сжижен¬
ным гелием или другой средой и описан выше.Экспериментально-расчетный метод определения пористости ис¬
пользует найденные опытным путем значения плотности и объем¬
ной массы высушенного материала (р и у), входящие в формулу для
вычисления пористости (в %)Я-(1_Л-)100.46Пористость строительных материалов колеблется в широких пре-
делах: от 0 до 98% (табл. 2).Коэффициент плотности &Пл — степень заполнения объема мате¬
риала твердым веществом:^пл ~ 'T/P*В сумме П+кПл = 1 (или 100%), т. е. высушенный материал
можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечиваю¬
щего прочность, и воздушных пор.Открытая пористость П0 равна отношению суммарного объема
всех пор, насыщающихся водой, к объему материала Ve:уу _ m2 ml 1Ке РН„0 ’где mi и т2 — масса образца соответственно в сухом и насыщенном
водой состоянии.Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и
могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при
обычных условиях насыщения, например при погружении образцов
материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницае¬
мость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостой¬
кость.Закрытая пористость П3 равна:Я3 = Я —Я0.Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые
поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает
его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и из¬
делиях умышленно создается от¬
крытая пористость и перфорация,
необходимые для поглощения
звуковой энергии.Распределение пор по разме¬
рам характеризуется: а) инте¬
гральной кривой распределения
объема пор по их радиусам в еди¬
нице объема материала (рис. 2);
б) дифференциальной кривой
распределения объема пор по их
радиусам (рис. 3).Ртутная порометрия позволя¬
ет определить размер (радиус)
пор и объем пор каждого разме¬
ра, а также оценить форму пор.Ртуть не смачивает большинство
неорганических строительных ма¬
териалов и проникает в порыЛ-ИШЬ ПОД ДеИСТВИеМ приложен- Пунктиром показана кривая гистерезиса)ДаИление ртути, МПа
1,5 1 5 10 51 Ш МО 1Радиус пустот и пор, мтРис. 2. Интегральные кривые распре¬
деления пор по радиусам17
ного давления; при повышении давления ртуть будет проникать во
все более мелкие поры, что видно из следующего уравнения:Pd = — 4а cos б,где Р — прилагаемое давление; d — диаметр пор; о — поверхност¬
ное натяжение ртути; 0 — краевой угол смачивания ртути и анали¬
зируемого материала.Рис. 3. Дифференциальная кривая Рис. 4. График зависимости междураспределения пор по радиусам давлением ртути (в поромере) иразмером порУравнение показывает, что при нулевом избыточном давлении
несмачивающая жидкость не будет проникать в поры. Диаметр пор
для определенного давления получают из приведенного уравнения,
правая часть которого для данного материала величина постоянная.
На рис. 4 приведено соотношение между давлением и диаметром
пор.Интегральные кривые распределения пор по их размерам приве¬
дены на рис. 2 для четырех различных материалов: по оси х отло¬
жены радиусы пор, а по оси у — объем пор данного размера (он ра¬
вен объему заполняющей их ртути). Кривая 1 характерна для ма¬
териалов с большим объемом крупных пустот размером более
10 мкм. Гистерезис (на кривой 1) показывает, что поры имеют «бу¬
тылочную» форму и некоторый объем ртути в них остается после
снятия давления. Кривая 2 получена для порошка с большим объе¬
мом пустот (4—6 мкм) между зернами. Наоборот, для материала.?
характерна мелкая пористость. Кривая 4 характерна для материала
с однородной структурой с порами 0,02—0,04 мкм.В современных поромерах измерение пористости автоматизиро¬
вано, и результат выдается в готовом виде в цифровой и графиче¬
ской формах.Дифференциальная кривая распределения объема пор Va по их
оазмерам (см. рис. 3):= / (г)dr\аdV nгде —1 — тангенс угла наклона касательной к интегральной кри-
drвой.Площадь под дифференциальной кривой (на рис. 3 заштрихова¬
на) равна суммарному объему пор в единице объема материала.Удельную поверхность порового пространства вычисляют, ис¬
пользуя средний условный радиус пор, или определяют прямыми
адсорбционными методами (по адсорбции водяного пара, азота и
другого инертного газа).Удельная поверхность S (см2/г) пропорциональна массе m адсор¬
бированного водяного пара (или газа), необходимой для полного
покрытия мономолекулярным слоем всей внутренней поверхности
пор (в 1 г на 1 г сухого материала):где at — поверхность, покрываемая одной адсорбированной молеку¬
лой. Для молекулы воды ai = 10,6-10-16 см2; А/-=6,06• IО23 — число
Авогадро; М — молекулярная масса адсорбированного газа (для
водяного пара М=18).Все свойства материала определяются его составом и строением
и прежде всего величиной и характером пористости. Это видно из
данных табл. 2, в которой попарно сопоставлены плотные и порис¬
тые материалы, имеющие в основном общий химический состав.Глава 3
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Гидрофизические свойстваГигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого
материала поглощат^ водяной пар из влажного воздуха. Поглоще¬
ние влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией
водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной кон¬
денсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и
является обратимым. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и
другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверх¬
ностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.С повышением давления водяного пара (т. е. с увеличении от¬
носительной влажности воздуха при постоянной температуре) воз¬
растает сорбционная влажность данного материала (рис. 5). Со¬
гласно эмпирическому уравнению Фрейндлиха количество адсорби¬
рованного газаа = kp1/n ,где р — давление газа при достижении равновесия; k и п — эмпири¬
ческие параметры, постоянные для данных адсорбента и газа при
определенной температуре.19
В логарифмических координатах это уравнение выражается от¬
резком прямойlg а = lg k + — lg p.пКривая, выражающая зависимость количества адсорбируемого
газа от давления, после насыщения внутренней поверхности пор
стремится к прямой, параллельной оси абсцисс (точка А на рис. 5).Дальнейшее увеличение гигроскопичес¬
кой влажности материала происходит
вследствие капиллярной конденсации.
В узких капиллярах материала, который
хорошо смачивается водой (древесина,
кирпич, бетон и т. п.), мениск всегда бу¬
дет вогнутым и давление насыщенного
пара под ним будет ниже, чем над пло¬
ской поверхностью. В результате пар,
не достигший давления насыщения по
отношению к плоской поверхности, может
быть пересыщенным по отношению к жид¬
кой фазе в тонких капиллярах и будет
конденсироваться в них. Вследствие про¬
цессов адсорбции и капиллярной конден¬
сации водяного пара из атмосферы влажность пористых строитель¬
ных материалов даже после их длительной выдержки в воздухе до¬
статочно велика. Так, равновесная влажность воздушно-сухой дре¬
весины составляет 12—18%, стеновых материалов 5—7% по массе.
Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции,
поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты
утеплителя гидроизоляционной пленкой.Капиллярное всасывание воды пористым материалом происхо¬
дит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды
могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть сте¬
ны здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидро¬
изоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции
стены от ее надземной части.Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия во¬
ды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью
всасывания.Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по форму¬
ле Жюренаh = 2 a cos 0/(rpg),где а—поверхностное натяжение; 0 — краевой угол смачивания;
г — радиус капилляра; р — плотность жидкости; g — ускорение сво¬
бодного падения.Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму
и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула
годна лишь для качественного рассмотрения явления; высоту всасы¬20ДаВление пара (газа)РА' РРис. 5. Изотерма адсорбции(при р>рЛ круто поднимается
вверх вследствие капиллярной
конденсации)вания воды определяют, применяя метод «меченых атомов», либо
по изменению электропроводности материала.Объем воды, поглощенный материалом путем капиллярного вса¬
сывания за время t, в начальной стадии подчиняется параболичес¬
кому законуV*- = Kt,где К — константа всасывания.Уменьшение интенсивности всасывания (т. е. значения К) отра¬
жает улучшение структуры материала (например, бетона) и повы¬
шение его морозостойкости.Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.)
определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде.
Температура используемой воды должна быть 20±2°С. Водопогло¬
щение, определяемое погружением образцов материала в воду, ха¬
рактеризует в основном открытую пористость, так как вода не про¬
никает в закрытые поры. К тому же при извлечении образцов из
ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопогло¬
щение обычно меньше пористости. Например, пористость легкого
бетона может быть 50—60%, а его водопоглощение составляет 20—
30% объема.Водопоглощение определяют по объему и массе.Водопоглощение по объему (%) —степень заполнения объе¬
ма материала водой:w _ тв — тс. юогде тв — масса образца материала, насыщенного водой, г; тс —
масса образца в сухом состоянии, г.Водопоглощение по массе Wa (%) определяют по отношению к
массе сухого материалаWM = т°- 100.тсРазделив почленно на W0/WM, получим (%)причем объемная масса сухого материала у выражается по отноше¬
нию к плотности воды (безразмерная величина).Водопоглощение различных материалов колеблется в широких
пределах: гранита —0,02—0,7%, тяжелого плотного бетона —2—
4%, кирпича —8—15%, пористых теплоизоляционных материалов —
100% и больше. Водопоглощение по массе высокопористых мате¬
риалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объе¬
му никогда не может превышать пористость.Водопоглощение используют для оценки структуры материала,
привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой kn,
равный отношению водопоглощения по объему к пористости:ka = WjI7.Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в ма¬
териале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда W0 = n.21
Уменьшение ka (при той же пористости) свидетельствует о сокра¬
щении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении
морозостойкости.Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства ма¬
териала: увеличивается объемная масса, материал набухает, его
теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость пони¬
жаются.Коэффициент размягчения kp — отношение прочности материа¬
ла, насыщенного водой Яв, к прочности сухого материала Rckp — RB/RC.Коэффициент размягчения характеризует водостойкость мате¬
риала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (метал¬
лы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не
применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, ес*
ли их коэффициент размягчения меньше 0,8.Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду
под давлением.Коэффициент фильтрации k$ (м/ч) характеризует водопрони¬
цаемость материала£ф = VBa/[S {pi — p^t],где йф=Ув — количество воды, м3, проходящей через стенку пло¬
щадью 5 = 1 м2, толщиной а— 1 м за время t= 1 ч при разности
гидростатического давления на границах стенки рх—р2= 1 м вод. ст.
Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости.Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется мар¬
кой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление
(в кгс/см2), при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает
воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом
фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определен¬
ное соотношение: чем ниже /?ф, тем выше марка по водонепроницае¬
мости.С водопроницаемостью борются в строительстве гидротехниче¬
ских сооружений, резервуаров, коллекторов, при возведении стен
подвалов. Стремятся применять достаточно плотные материалы с
замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны.Газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхностей
ограждения разности давления газа происходит его перемещение
через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет мак-
ро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно
вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соот¬
ветственно законам Пуазейля и Кнудсена.Использование закона Дарси — Пуазейля при небольших пере¬
падах давлений, когда можно пренебречь изменением плотности га¬
за, приводит к упрощенной формуле для определения массы газа
Vp (плотностью р), прошедшего через стенку площадью 5 и толщи¬
ной а за время t при разности давлений на гранях стенки Ар:Vp = krStAp/a.22Отсюда можно определить коэффициент газопроницаемости
Гг/(м-ч-Па)]kr ь= aVp/(StAp).При определении коэффициента газопроницаемости объем про¬
ходящего газа приводят к нормальным условиям.Стеновой материал должен обладать определенной проницаемо¬
стью. Тогда стена будет «дышать», т. е. через наружные стены бу¬
дет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для
жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха.
Поэтому стены жилых зданий, больниц и т. п. не отделывают мате¬
риалами, задерживающими водяной пар. Наоборот, стены и покры¬
тия влажных производственных помещений необходимо защищать
с внутренней стороны от проникновения водяного пара. В зимнее
время внутри теплых помещений (текстильных фабрик, коммуналь¬
ных предприятий, коровников, свинарников и т. п.) в 1 м3 воздуха
содержится водяного пара значительно больше, чем снаружи, по¬
этому пар стремится пройти через стену или покрытие. Попадая в
холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая
влажность в этих местах. Создаются условия, способствующие
быстрому разрушению материала (легкого бетона, кирпича) наруж¬
ной ограждающей конструкции при действии мороза.Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той
стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воз¬
духе больше.В ряде случаев необходима практически полная газонепрони¬
цаемость; это относится к емкостям для хранения газов, а также
к специальным сооружениям, внутреннее пространство которых
должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха
(например, газоубежища).Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от струк¬
туры материала (объемной массы и пористости) (табл. 3).Влажностные деформации. Пористые неорганические и органи¬
ческие материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влаж¬
ности изменяют свой объем и размеры.Таблица 3Относительные значения паро- и газопроницаемости
(за 1 принята проницаемость кнрпнча)МатериалОбъемная
масса, кг/м*Пористость, %Огносителыпаропрони-цаемости|ые значениягазопрони¬цаемостиКирпич глиняный18003111Легкий бетон1800310,80,9Кирпич трепельный1100582,24,2Известняк2000230,71,2Бетон на гравии2200150,250,123
Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала'
при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев
воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних,
капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала
водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между
частицами или волокнами, слагающими материал, как бы раскли¬
нивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг час¬
тиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.Чередование высыхания и увлажнения пористого материала,,
часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными
деформациями усадки и набухания. Такие многократные цикличе¬
ские воздействия нередко вызывают появление трещин, ускоряю¬
щих разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорож¬
ных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооружений.Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), спо¬
собные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой::Вид материала Усадка, мм/мДревесина (поперек волокон) 30—100Ячеистый бетон 1—3Строительный раствор 0,5—1Кирпич глиняный 0,03—0,1Тяжелый бетон 0,3—0,7Гранит 0,02—0,06Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаляет¬
ся вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких
порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению час¬
тиц материала и практически не вызывает объемных изменений.Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала вы¬
держивать попеременное замораживание и оттаивание. Морозостой¬
кость материала количественно оценивается маркой по морозо¬
стойкости. За марку материала по морозостойкости принимают
наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаи¬
вания, которое выдерживают образцы материала без снижения
прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не долж¬
ны иметь видимых повреждений — трещин, выкрашивания (потери
массы — не более 5%). От морозостойкости зависит долговечность
строительных материалов в конструкциях, подвергающихся дейст¬
вию атмосферных факторов и воды.Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом
вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатиче¬
ские условия характеризуются среднемесячной температурой наибо->
лее холодного месяца и числом циклов попеременного заморажива¬
ния и оттаивания по данным многолетних метеорологических на*
блюдений.Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен
зданий обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35. Од¬
нако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен24иметь марку Мрз50, МрзЮО
•и Мрз200, а гидротехничес¬
кий бетон — до Мрз500.Рассмотрим причины
разрушения пористого мате¬
риала под влиянием сов¬
местного действия на него
воды и мороза. Для примера
возьмем материал, находя¬
щийся в ограждающей кон¬
струкции. Осенью наружная
часть стены промерзает.В это время происходит ми¬
грация (перемещение) пара
«от тепла к холоду», т. е. пар
стремится наружу, посколь¬
ку его давление при отрица¬
тельной температуре ниже, чем при положительной. Например, дав¬
ление пара при +20°С составляет 2,33 кПа, а при—10°С оно равно
только 0,27 кПа. Стремясь выйти наружу, водяной пар попадает в зо¬
ну низких температур и конденсируется в порах возле наружной гра¬
ни стены. Таким образом, поры наружной промерзающей части
стены оводняются (рис. 6), причем вода прибывает сюда как сна¬
ружи (дождь с ветром), так и изнутри (миграция водяного пара).
При наступлении даже небольших морозов (от —5 до —8°С) вода
в крупных порах замерзает и при переходе в лед увеличивается в
объеме на 9% (плотность льда 0,918). Если коэффициент насыще¬
ния водой хотя бы части пор приблизится к 1, то в стенках пор
возникнут большие растягивающие напряжения. Разрушение начи¬
нается обычно в виде «шелушения» поверхности бетона, затем оно
распространяется вглубь.Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаива¬
ния подобно многократному воздействию повторной растягивающей
нагрузки, вызывающей усталость материала.Испытание морозостойкости ма¬
териала в лаборатории проводят
на образцах установленной формы
и размеров (бетонные кубы, кирпич
и т. п.). Перед испытанием образцы
насыщают водой. После этого водо¬
насыщенные образцы заморажива¬
ют в холодильной камере при темпе¬
ратуре от —15 до —20°С, чтобы за¬
мерзла вода в тонких порах. Извле¬
ченные из холодильной камеры об¬
разцы оттаивают в воде с темпера¬
турой 15—20°С, что обеспечивает
водонасыщенное состояние образ¬
цов.Циклы зторожибония и атаикнияРис. 7. Кривая изменения прочно¬
сти бетона при попеременном за¬
мораживании и оттаивании1 2Рис. 6. Распределение температуры в на¬
ружной стене здания (а) и заполнение поры
водой (б), выделенной вблизи фасадной
грани:I — адсорбированная вода; 2 — устье поры; 3—
дождевая вода; 4 — конденсат25
Для оценки морозостойкости все шире применяют физические
методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуковой метод.
С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля
упругости бетона в процессе циклического замораживания (рис. 7)
и определить марку бетона по морозостойкости в циклах заморажи¬
вания и оттаивания, число которых соответствует допустимому сни¬
жению прочности (AR) или модуля упругости (ДЕ).§ 2. Теплотехнические свойстваТеплопроводностью называют свойство материала передавать
тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является глав¬
ным как для большой группы теплоизоляционных материалов, так
и для материалов, применяемых для устройства наружных стен и
покрытий зданий.О 250 500 750 1000 1250 1500 1750 W00 2250 2500
Одммная масса, ив/м3Рис. 8. Зависимость теплопроводности неорганических материалов
от объемной массы:1 — сухие материалы; 2 и 3 — воздушно-сухне материалы с разной влажно¬
стью; 4 — материалы, насыщенные водойТепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздушные
ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха [А,=0,023
Вт/(м-°С)] меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит
«каркас» строительного материала. Поэтому увеличение пористости
материала является основным способом уменьшения теплопровод¬
ности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые поры,
чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвекцией и из¬
лучением.На практике удобно судить о теплопроводности по объемной
массе материала (рис. 8). Известна формула В. П. Некрасова, свя¬
зывающая теплопроводность X [Вт/(м-°С)] с объемной массой ка¬
менного материала \0б, выраженной по отношению к воде:\= 1,16^0,0196 + 0,22т|б — 0,16.26Точное значение X определяют для данного материала эксперимен¬
тально.Влага, попадающая в поры материала, увеличивает его тепло¬
проводность, так как теплопроводность воды (0,58 Вт/(м-°С) в
25 раз больше, чем теплопроводность воздуха. Замерзание воды в
порах с образованием льда еще более увеличивает X, так как коэф¬
фициент теплопроводности инея равен 0,1, а льда — 2,3 Вт/(м-°С),
т. е. в 4 раза больше, чем воды. При повышении температуры теп¬
лопроводность большинства материалов возрастает и лишь у не¬
многих (металлов, магнезитовых огнеупоров) она уменьшается.Теплоемкость определяется количеством тепла, которое необхо¬
димо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его темпе¬
ратуру на 1°С. Теплоемкость неорганических строительных мате¬
риалов (бетонов, кирпича, природных каменных материалов) изме¬
няется в пределах от 0,75 до 0,92 кДж/(кг-°С). Теплоемкость сухих
органических материалов (например, древесины) — около
0,7 кДж/(кг-°С), вода имеет наибольшую теплоемкость —1 кДж/(кг-°С), поэтому с повышением влажности материалов их
теплоемкость возрастает.Показатели теплоемкости разных материалов нужны для теп¬
лотехнических расчетов.Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное
воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размяг¬
чаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для
внутренней футеровки промышленных печей.Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше
1350°С.Огнестойкость — свойство материала сопротивляться действию
огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от
сгораемости материала, т. е. от его способности воспламеняться и
гореть.Несгораемые материалы — это бетон, кирпич, сталь и др. Одна¬
ко необходимо учитывать, что некоторые несгораемые материалы
при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются
(металлы) при температуре, начиная с 600°С. Поэтому конструкции
из подобных материалов нередко приходится защищать более ог¬
нестойкими материалами.Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой
температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горе¬
ние и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипи¬
ренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты).Сгораемые органические материалы, которые горят открытым
пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко использу¬
ют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздей¬
ствие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные
вещества — антипирены.Коэффициент линейного температурного расширения бетона и
стали 10-10_6СС-1, гранита —10-10~6OC_1, дерева —20-10_6°С_!.
При сезонном изменении температуры окружающей среды и мате-27
риала на 50°С относительная температурная деформация достигает
0,5-10-3 или 1-10"3, т. е. 0,5— 1 мм/м. Во избежание растрескива¬
ния сооружения большой протяженности разрезают деформацион¬
ными швами.Глава 4
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Деформативные свойстваУпругостью твердого тела называют его свойство самопроиз¬
вольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после
прекращения действия внешней силы. Упругая деформация полно¬
стью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому
ее принято называть обратимой.Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять
форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, при¬
чем после прекращения действия силы тело не может самопроиз¬
вольно восстановить свои размеры и форму, и в теле остается не¬
которая остаточная деформация, называемая пластической дефор¬
мацией.Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезающую
после снятия нагрузки, называют необратимой.Основными характеристиками деформативных свойств строи¬
тельного материала являются: модуль упругости (Юнга), коэффи¬
циент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (мо¬
дуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяжения,
сжатия и др.), ползучесть. Другие характеристики могут опреде¬
ляться для специальных условий нагружения.Рассмотрим связь строения и деформативных свойств мате¬
риала.Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение меж¬
атомных расстояний, отчего происходит изменение размеров дефор¬
мируемого тела на величину А1 в направлении действия силы '(при
сжатии — укорочение, при растяжении — удлинение).Относительная деформация е равна отношению абсолютной де¬
формации А/ к первоначальному линейному размеру I тела:е = Д///.Деформация происходит вследствие удаления или сближения
атомов, причем смещения атомов пропорциональны деформации
тела.На частицы, из которых состоит твердое тело, одновременно
действуют силы притяжения и силы отталкивания: кулоновская си¬
ла притяжения разноименных ионов и сила отталкивания электрон¬
ных оболочек (рис. 9, а). Результирующая сила F, равная сумме
сил притяжения и отталкивания, изменяется в зависимости от меж¬
атомного расстояния. Ее изменение можно наглядно представить,28используя пружинную модель межатомных сил (рис. 9, б). Когда
твердое тело не нагружено, межатомное расстояние остается посто¬
янным (хотя атомы совершают непрерывные колебания) и резуль¬
тирующая сила равна нулю. При превышении равновесного меж¬
атомного расстояния (растяжение стержня) атомы находятся под
действием сближающей силы. Наоборот, если расстояние междуРи. 9. Схема сил взаимодействия между атомами:
а — межатомные силы в зависимости от расстояния между атомами; б — пружинная
модель; 1 — сила притяжения; сила отталкивания; 3 — результирующая силаатомами уменьшается (сжатие стержня), то возникает отталкиваю-dFщая сила сжатой пружины (см. рис. 9, б). Наклон производнойв точке О связан с величиной модуля упругости и по существу за¬
кон Гука является приближенным соотношением, отражающим ха¬
рактер межатомных взаимодействий в диапазоне упругих дефор¬
маций.Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую дефор¬
мацию е и одноосное напряжение а линейным соотношением, выра¬
жающим закон Гукае = а/Е.При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяет¬
ся по формуле o — P/F, где Р — действующая сила; F — площадь
первоначального поперечного сечения элемента.Модуль упругости представляет собой меру жесткости материа¬
ла. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они пла¬
вятся при высокой температуре) характеризуются и большим моду¬
лем упругости (табл.4).Механические свойства материала характеризуются диаграммой
деформаций, построенной на основании результатов испытания в
координатах «напряжение — относительная деформация» (а—е).29"
Таблица 4Зависимость модуля упругости Е от температуры плавления ?пл материалаМатериал£•10-*,МПа*пл'°СМатериал£-10-*.МПаt . °спл'Карбид кремния35,52800Алюминий7,0660Периклаз24,62800Свинец1,5327Корунд37,22050Полистирол0,3300Железо21,11539Каучук0,007300Медь11,21083daМодуль упругости определяет тангенс угла наклона производной-^-к оси деформаций. На рис. 10 представлены кривые а—е для строи¬
тельных материалов пластичных, хрупких и эластомеров.Поликристаллические изотропные материалы (металлы, кри¬
сталлические полимеры и др.) сохраняют упругость при значитель¬
ных напряжениях; для многих из них характерно пластическое раз¬
рушение, отмеченное площадкой текучести на диаграмме а—е
(рис. 10, а). При хрупком же разрушении пластические деформа¬
ции невелики (рис. 10, б).Нелинейное соотношение между напряжением и деформацией у
некоторых материалов проявляется при относительно невысоких на¬
пряжениях. Так, у материалов с конгломератным строением (бето¬
нов различного вида) оно отчетливо наблюдается уже при напря¬
жениях, больших 0,2 предела прочности.Упругая деформация эластомеров (каучуков) может превышать
100%. Первоначально для распрямления цепей молекул эластоме¬
ра требуется низкое напряжение. По мере распрямления цепей
молекул сопротивление дальнейшему деформированию возрастает,
так как увеличение деформаций вызывает разрыв связей уже вы¬
прямленных молекул (рис. 10, в).Таким образом, диаграммы деформаций позволяют определить
модуль упругости и установить его изменение в зависимости от
уровня напряженного состояния.Рис. 10. Схемы диаграмм деформаций:
а — стали; б —бетона; в — эластомера■30Модуль упругости Е связан с другими упругими характеристи¬
ками материала посредством коэффициента Пуассона. Одноосное
растяжение (сжатие) аг вызовет деформацию по этой оси +ez и.
сжатие по боковым направлениям —е* и —еу, которые у изотроп¬
ного материала равны между собой.Коэффициент Пуассона, или коэффициент поперечного сжатия,
ц равен отношению:t* = — е*/ег.Если бы объем материала при одноосном упругом нагружений
оставался постоянным, то наибольшее теоретическое значение
ц.=0,5. Силы притяжения и отталкивания в материале различным
образом зависят от изменения межатомного расстояния, поэтому
значения коэффициента Пуассона реальных материалов сильно от¬
личаются от теоретического и различаются между собой: у бето¬
на — 0,17—0,2, полиэтилена — 0,4.Объемный модуль упругости, или модуль всестороннего сжатия
(растяжения), К связан с модулем Юнга следующим соотноше¬
нием:К = £'/[3(1 — 2|х)].Модуль сдвига связан с модулем Юнга посредством коэффици¬
ента ПуассонаG = E/[ 2(1 +ц)].Поскольку ц = 0,2—0,3, G составляет 35—42% от Е. Используя
приведенную выше формулу для К, получимG == 3/С (1 — 2[i)/[2(l -f [i)].Экспериментально определив модуль Юнга и коэффициент Пу¬
ассона, можно вычислить модуль сдвига и объемный модуль упру¬
гости, пользуясь приведенными формулами (вывод этих формуя
дается в курсе сопротивления материалов).§ 2. ПрочностьПрочность — свойство материала сопротивляться разрушении?
под действием внутренних напряжений, вызванных внешними сила¬
ми или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное на¬
гревание и т. п.).Прочность материала оценивают пределом прочности (времен¬
ным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформа¬
ции. Для хрупких материалов (природных каменных материалов,
бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочно¬
стной характеристикой является предел прочности при сжатии.
Поскольку строительные материалы неоднородны, то предел проч¬
ности определяют как средний результат испытания серии образ¬
цов (обычно не менее трех образцов). Форма и размеры образцов,
состояние их опорных поверхностей, существенно влияют на ре¬
зультаты испытания. Например, у кубиков малых размеров предел
прочности при сжатии оказывается выше, чем у кубиков больших3L
размеров из того же материала. Призмы показывают меньшее со¬
противление сжатию, чем кубы одинакового поперечного сечения.
Это объясняется тем, что при сжатии образца возникает его попе¬
речное расширение. Силы трения, возникающие между опорными
транями образца и плитами пресса, удерживают части образца,
прилегающие к плитам, от поперечного расшире¬
ния и, следовательно, от разрушения. Средние
же части образца, испытывая поперечное расши¬
рение, разрушаются в первую очередь. Поэтому
при испытании кубов из хрупких материалов (бе¬
тона, раствора, камня и др.) получается харак¬
терная форма разрушения: образуются две усе¬
ченные пирамидки, сложенные вершинами
(рис. 11). Если же хорошо смазать опорные гра¬
ни куба (например, парафином) и тем самым
уменьшить силы трения, то под нагрузкой куб
вследствие свободного поперечного расширения
распадается на ряд слоев, разделенных верти¬
кальными трещинами. При смазке прочность ку¬
ба при сжатии составляет лишь около 50% проч¬
ности того же образца с несмазанными опорными
поверхностями.На результаты испытания влияет скорость на¬
гружения образца. Если нагрузка возрастает
быстрее, чем установлено стандартом, то резуль¬
тат испытания получается завышенным, так как
не успевают развиться пластические деформации.Приведенные примеры говорят о том, что по¬
казатели прочности строительного материала,
используемые в качестве характеристик его ка¬
чества, являются условными величинами, полу¬
чаемыми по стандартным методикам, единым для
всей страны.В зависимости от прочности строительные ма-
ми териалы разделяются на марки. Марка материа¬ла по прочности является важнейшим показате¬
лем его качества. В нормативных документах марка указывается
в кгс/см2; например, марки портландцемента М400, М500, М550 и
М600. Чем выше марка, тем выше качество конструкционного
строительного материала. Единая шкала марок охватывает все
строительные материалы.Предел прочности при осевом сжатии Rcж (МПа) равен част¬
ному от деления разрушающей силы Рразр на первоначальную пло¬
щадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы):^сж ' Рразр IF.В табл. 5 систематизированы характерные образцы, применяе¬
мые для определения предела прочности строительных материалов
при сжатии.?Рис. 11. Схемы
разрушения хруп¬
ких материалов
при:а — сжатии куба; б —
то же, со смазанны¬
ми опорными граня-•32Таблица SСхема стандартных методов определения прочности при сжатииОбразецЭскизРасчетнаяформулаМатериалРазмер стандарт¬
ного образца, смКубЦилиндрПризмаСоставной об¬
разецПоловина об¬
разца-призмы ,
изготовленной
из цементно-пес¬
чаного раствораПроба щебня
(гравия) в ци¬
линдресечR =Р~а*R =-4 Рit dlБетонРастворПрирод¬
ный каменьБетонПриродныйкаменьБетон15x15x157,07 Х7.07 XХ7.075x5x5;10X10X10;15X15X15;20X20X20d = 15; А = 30
d = А = 5; 7;
10; 15а = 10; 15; 20;
h = 40; 60; 80
Древесина а = 2; А = 3КирпичЦементКрупный за¬
полнитель для
бетонаа = 12; Ь== 12,3; А = 14а = 4;S = 25 см3d = 15; А = 15Предел прочности при осевом растяжении Rv (МПа) использу¬
ется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волок¬
нистых и других материалов (табл. 6). В зависимости от соотноше¬
ния Rp/RcHi можно условно разделить материалы на три группы:1) материалы, у которых RP>RCж (волокнистые — древесина и др.);2) Rp~Rcm (сталь); 3) Rp<.RCm (хрупкие материалы — природные
камни, бетон, кирпич).332—664
Таблица 6Схема стандартных методов определения прочности
при изгибе и растяженииМатериалРазмерОбразецСхема испытанийформуластандартногообразцаПризма, кир¬
пич в натуреПризмаИспытание на изгиб
3 Р1Р/2' Р[2
Щ | f/jr/?И='2 6/t2ЯР.И =Р1ЦементКирпич4x4x1612x6,5x25БетонДревесина15x15x6»2x2x30Испытание на растяжениеСтержень (
восьмерка,
призмаЦилиндр€/?„ = •4 Р
it d2Ря2^р.р —2РтойБетонСтальБетон5x5x50;10X10X8»— 1»10 =5; />!»15x15Предел прочности при изгибе Ярв (МПа) определяют путем ис¬
пытания образца материала в виде балочек на двух опорах. Их на¬
гружают одной или двумя сосредоточенными силами до разруше¬
ния. Предел прочности условно вычисляют по той же формуле со¬
противления материалов, что и напряжение при изгибе:Яр.н = M/W,где М — изгибающий момент; W — момент сопротивления.34В табл. .6 приведены схемы испытания и соответствующие им
расчетные .формулы. Эти формулы, строго говоря, справедливы в
пределах упругой работы материала и при одинаковом его сопро¬
тивлении сжатию и растяжению. Эти условия не выполняются в ста¬
дии разрушения материала. При испытании на изгиб кирпича, бе¬
тонных балочек разрушение начинается в нижней растянутой зоне,
так как эти материалы имеют значительно меньшую прочность при
растяжении, чем при сжатии. Поэтому по формулам вычисляют ус¬
ловное значение предела прочности при изгибе, являющееся стан¬
дартной прочностной характеристикой кирпича, строительного гип¬
са, цемента, дорожного бетона.Динамической (или ударной) прочностью называют свойство
материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках.
Она характеризуется количеством работы, затраченной на разруше¬
ние стандартного образца, отнесенной к единице объема (Дж/сМ3)
или площади поперечного сечения образца (Дж/м2). Сопротивление
удару важно для материалов, используемых при устройстве фунда¬
ментов машин, полов промышленных зданий, дорожных покрытий
и т. п.Коэффициент конструктивного качества (к. к. к.) материала
равен отношению показателя прочности R (МПа) к относительной
объемной массе Y (безразмерная величина):к. к. к. = R/y.Следовательно, это прочность, отнесенная к единице объемной мас¬
сы. Лучшие конструкционные материалы имеют высокую проч¬
ность при малой собственной объемной массе.Для некоторых материалов значения к. к. к. (Rply) приведены
ниже: для стеклопластика — 450:2 = 225 МПа, древесины (без по¬
роков) — 100 : 0,5 = 200 МПа, стали высокопрочной — 1000 : 7,85 =
= 127 МПа, стали — 390 : 7,85 = 51 МПа.Для каменных материалов значения к.к.к. (Rcmjy) составляют:
для легкого конструкционного бетона — 40 : 1,8 = 22,2 МПа, тяжело¬
го бетона — 40 : 2,4= 16,6 МПа, легкого бетона— 10 : 0,8 = 12,5 МПа,
кирпича — 10 : 1,8 = 5,56 МПа.Повышения к. к. к. можно добиться снижением объемной массы
материала или увеличением его прочности.Теоретическая прочность однородного материала характеризует¬
ся напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих
друг к другу слоев атомов. Теоретическую прочность аТеор получают
из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой дефор¬
мации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, пере¬
ходит в поверхностную энергию двух бновь образовавшихся при
разрушении поверхностей. Согласно уравнению Орована— Келли *;СТтеор = V ЕЭ/о, ,где Е — модуль упругости; Э — поверхностная энергия твердого те¬
ла на 1 см2; а — межатомное расстояние (в среднем 2-10~8 см).* Келли А. Высокопрочные материалы. М., 1976.35
Следовательно, теоретическая прочность материала тем вышег
чем больше его модуль упругости и поверхностная энергия и чей
меньше межатомное расстояние.Согласно приведенному выражению прочность твердого тела
должна находиться между значениями Е/Ь и £/10. Например, тео¬
ретическая прочность стали 30 ООО МПа, в то время как прочность
обычной стали около 400 МПа, а специальной проволоки —
3000 МПа. Теоретическая прочность стекла при комнатной темпе¬
ратуре — 14 000 МПа, прочность на растяжение тонких стеклянных
волокон (толщиной 3—5 мкм) — 3500—5000 МПа, а обыкновенного-
стекла — только 70—150 МПа. Следовательно, используется срав¬
нительно небольшая доля потенциальной прочности материала:
прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов
структуры материала.§ 3. Влияние строения на прочность материалаПрочность материала одного и того же состава зависит от его
пористости. На рис. 12 представлен график прочности цементного
бетона, показывающий, что увеличение пористости с 12,4 до 15,2%-
снизило прочность при сжатии с 37,5 до 26 МПа. Подобная зависи¬
мость характерна и для других материалов (известняка, керамиче¬
ских материалов и пр.).Реальные кристаллические материалы имеют большее или
меньшее количество точечных дефектов. Одни из них заключаются
в том, что некоторые атомы или ионы смещены в другие положения
и могут располагаться даже между узлами кристаллической ре¬
шетки (дефекты Френкеля). Их нормальные места остаются сво¬
бодными и затем замещаются другими ионами. Следовательно, в
узлах решетки могут быть свободные места (вакансии). Другого
рода дефекты возникнут в результате размещения посторонних ато¬
мов или ионов примеси в узлах решетки, где они заменяют основ-новное вещество (примеси замеще¬
ния), или между ними (примеси
внедрения).Свойства кристаллических мате¬
риалов зависят от дислокаций кри¬
сталлов.Дислокация — это всегда одно¬
мерный (линейный) дефект кри¬
сталлической решетки, возникаю¬
щий или в процессе образованиякристалла, или в результате после¬
дующих механических, тепловых и
других воздействий. Дислокации
бывают краевые, винтовые и сме¬
шанные — криволинейные.На рис. 13 схематически изобра-%I# 30г.20101213 П 15
Пористость ктона, %Рис. 12. Кривая зависимости проч
ности цементного бетона От пори
стости36жена краевая дислокация. Отклонение от идеального строения кри¬
сталла вызвано тем, что один слой атомов (он расположен на ри¬
сунке в экстраплоскости) по каким-то причинам оказался незавер¬
шенным. Кромка 1—1' «лишнего» слоя атомов образует линейный
дефект, называемый краевой дислокацией (она обозначена на
рис. 13 знаком _L). По обе стороны от кромки экстраплоскостиsssssssjty///1 /—---•дг-г-г-/123k5вл. А' 2'3'5‘6'Рис. 13. Краевая дислока¬
ция в кристаллической ре¬
шетке:1 — экстраплоскостьРис. 14. Схема пластиче¬
ского сдвига путем дви¬
жения дислокации (по
П. И. Полухину)атомы сдвинуты на угол, соответствующий теоретической прочности
кристалла на сдвиг. Стоит приложить внешнее усилие, значитель¬
но меньшее теоретической прочности данного кристалла, чтобы
осуществить сдвиг на одно межатомное расстояние в плоскости
А—А, нормальной к экстраплоскости (рис. 14).Продолжая нагружать кристалл, перемещаем дислокацию из
одного ряда атомов в другой, пока не вытолкнем дислокацию на
грань кристалла. Механизм скольжения, основанный на движении
дислокаций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ков¬
ра с предварительно созданной складкой (рис. 15). При таком спо¬
собе требуется значительно меньшее усилие, чем в случае переме¬
щения ковра как единого целого. Дислокационная теория рассмат¬
ривает пластический сдвиг в кристаллических материалах как
скольжение путем движения дислокаций. Подвижность дислокаций
зависит от того, насколько легко межатомная связь может быть
разрушена и вновь восстановлена; ведь каждый раз, когда дисло¬
кация перемещается на один шаг (межатомное расстояние), долж¬
ны рваться старые связи и устанавливаться новые. В этом отноше¬
нии предпочтительнее связи, обеспечивающие одинаковое притяже¬
ние во всех направлениях: ме¬
таллическая и ионная. Дисло- А _ А' —*- В в'
кации в ковалентных кристал- d-~ 'rawmmtmmmwmrsssiлах при нормальной темпера- pHCi jg> Складка ковра в качестве мо-
туре малоподвижны, так как дели скольжения37
ковалентная связь является направленной, наиболее прочной и
жесткой.Дислокации присутствуют почти во всех кристаллических мате¬
риалах. Они значительно понижают прочность монокристаллов, но
зато придают пластичность поликристаллическим телам с металли¬
ческой связью, делают металл ковким, затрудняют распростране¬
ние трещин. По данным Ван Флека, теоретическая прочность желе¬
за на сдвиг около 7000 МПа, но практически кристалл очень чисто¬
го железа сдвигается при напряжении, меньшем в 1000 раз,—
около 7 МПа; для рядовых сталей (по Гордону) прочность на сдвиг
150—250 МПа, для высокопрочных 1500 МПа. Доказательством,
подтверждающим объяснение низкой прочности кристаллов движе¬
нием дислокаций, являются результаты изучения механических
свойств «усов». Эти нитевидные кристаллы различных материалов,
выращенные без краевых дислокаций, способны претерпевать упру¬
гую деформацию до 5—6% без признаков пластического течения.
Бездислокационные «усы» способны выдержать напряжения сдви¬
га, достигающие 5% от модуля сдвига; это на несколько порядков
больше, чем у обычных кристаллов. В реальности дислокаций убеж¬
дают и непосредственные наблюдения. Те места, где дислокации
выходят на поверхность, выявляются с помощью химического трав¬
ления в виде серий «оспинок» — ямок травления. Снят кинофильмо движении дислокаций.Плотность дислокаций (т. е. число дислокаций, пересекающих
площадь в 1 см2) может быть весьма велика — до 107—10® (в отож¬
женных металлах). При механических воздействиях дислокации пе¬
ремещаются, взаимодействуют между собой и порождают новые
дислокации, в особенности в местах концентрации напряжений.
В результате этого их плотность возрастает до 1010—1013 (в сильно
наклепанных металлах). Когда дислокаций много (больше некото¬
рой критической плотности), они переплетаются (словно спутан¬
ные нитки), тормозят перемещение друг друга, в результате мате¬
риал упрочняется. Однако при дальнейшем деформировании мате¬
риал может сделаться хрупким.Вакансии в кристаллической решетке, межузельные (внедрен¬
ные) атомы, дислокации играют важную роль в процессах диффу¬
зии, повышают химическую активность, что используется, в част-,
ности, в технологии быстротвердеющих цементов. Однако наличие
дислокаций и дефектов структуры в готовом материале снижает его
стойкость, так как деформированные межатомные связи (как и мес¬
та концентрации напряжений) более уязвимы для химических и
физических воздействий среды. Следовательно, дислокации следу¬
ет рассматривать как структурный фактор, регулирующий комплекс
наиболее важных свойств кристаллических материалов.§ 4. Механическое разрушениеРазличают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел.
Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пла¬
стической деформацией, поэтому хрупкость определяют как свойст*.38во материала разрушаться «внезапно», не
претерпевая существенной деформации.Хрупкость присуща не только кристалличе¬
ским, но и стеклообразным и даже полимер¬
ным материалам.Разрушению пластичных (вязких) мате¬
риалов предшествует изменение формы и
большая деформация.Большинство материалов при пониже¬
нии температуры охрупчиваются, у них про¬
исходит переход от пластического разруше¬
ния к хрупкому. Так ведут себя битумные
материалы, некоторые полимеры, металлы
и др.Хрупкое разрушение происходит в ре¬
зультате образования и быстрого роста од¬
ной или нескольких трещин при возрастаю¬
щей нагрузке.Трещина (как и надрез) вызывает кон¬
центрацию напряжений около ее вершины
(рис. 16). В этом месте напряжение оказы¬
вается значительно большим, чем можно
ожидать из простого уменьшения площади
поперечного сечения.Напряжение сгк на конце трещины зави¬
сит от номинального напряжения он, длины
(глубины) трещины / и радиуса кривизны в= сгн (1 + 2 V1JF).Коэффициент концентрации напряжений а„/<тн =1 + 2 VTjF ;
- может быть равен 100 и даже 1000, если радиус вершины трещины
соизмерим с радиусом атома, хотя глубина трещины лишь 0,1 и
10 мкм. Следовательно, местное напряжение может превысить
7000 МПа при номинальном (т. е. среднем по сечению) напряжении
35—100 МПа. Трещина как бы разрезает атомные цепочки, и зна¬
чительная часть нагрузки, которую несли разрезанные атомные це¬
почки, приходится теперь на атомную связь у конца трещины. Пере¬
груженная связь лопнет раньше других и положение ухудшится,
так как следующее звено будет еще больше перегружено. Таким
образом, трещина становится (по словам Гордона) тем инструмен¬
том, с помощью которого приложенная извне слабая сила рвет
прочные межатомные связи.При распространении трещины материал вблизи трещины раз¬
гружается, и вследствие этого выделяется энергия упругой дефор¬
мации. Объем, в котором выделяется энергия, изображается на
рис. 16 как половина объема цилиндра единичной высоты, численно
равного я1212. Выделенная энергия ил зависит от приложенного на-Рнс. 16. Концентрация
напряжений в пластине
с трещиной (по Ван
Флеку):/ — концентрация напряже¬
нийвершине трещины г:39
пряжения о, модуля упругости Е и глубины трещины I (половину
длины внутренней трещины):Образование двух новых поверхностей трещины требует затрат
энергииUa = 25,/,где Эг — поверхностная энергия единицы площади поверхности.Трещина будет самопроизвольно расти, если длина трещины пре¬
вышает некоторую «критическую длину Гриффитса», при которой
освобождающаяся энергия упругой деформации больше энергии об¬
разующихся новых поверхностей, тогдаizlo2/E = 23„откудаа = (25,£/и0,/2. ^Напряжение, необходимое для
разрушения растянутой пластины,
возрастает у материалов с высоким
модулем упругости и большей по¬
верхностной энергией, оно уменьша¬
ется при наличии более глубоких пот-
верхностных трещин.В данном материале для каждо¬
го напряжения существует своя кри¬
тическая длина трещин. Трещины,
глубина которых превышает /кр, спо¬
собны при данном а самопроизволь¬
но расти со скоростью, приближаю¬
щейся к скорости распространения
упругой волны (1,5—2 км/с).Сжимающие усилия, в отличие
от растягивающих могут переда¬
ваться через трещины, не вызывая
концентрации напряжений. Поэтому
хрупкие материалы всегда оказыва¬
ются значительно прочнее при сжа¬
тии, чем при растяжении.Торможение трещин при помощи
создаваемых в материале внутрен¬
них поверхностей раздела использу¬
ется в современных композиционных
материалах.Механизм торможения трещины
по Куку — Гордону основан на том,
что при распространении трещины
кроме напряжений, перпендикуляр-Рис. 17. Схема торможения
трешин (по Куку—Гордону)< а)Рис. )8. Влияние внутренних по-
j верхностей на торможение разви¬
тия трещин:: а — волокнистый материал, содержа*
, ш.ий внутренние поверхности; б — од¬
нородный материал (по Гордону)40ных трещине, достигающих максимума в ее вершине, воз¬
никает растяжение в направлении, параллельном трещине. Растя¬
гивающее напряжение, параллельное трещине, равно нулю в вер¬
шине трещины и достигает максимума впереди трещины на
расстоянии одного-двухатомных размеров от ее вершины. В растя¬
нутом материале отношение максимального напряжения, парал¬
лельного трещине, к максимальному напряжению, направленному
перпендикулярно ее поверхности, равно приблизительно 1/5. Если
прочность сцепления на поверхности раздела больше 1/5 прочности
материала, то поверхность не разрушится, трещина ее только пе¬
ресечет и поведение материала не изменится, т. е. он останется
хрупким. Если же прочность сцепления меньше 1/5 прочности на
растяжение самого материала, то прежде чем трещина достигнет
поверхности раздела, последняя будет разрушена на небольшом
участке, и образуется ловушка, способная остановить трещину
(рис. 17).Кончик трещины, который был очень малым, при встрече с по¬
верхностью раздела становится очень большим, устраняется кон¬
центрация напряжений в вершине трещины и тенденция к ее рас¬
пространению (рис. 18).§ 5. Твердость, истираемость и износТвердостью называют свойство материала сопротивляться про¬
никновению в него другого более твердого тела. Твердость мине¬
ралов оценивают шкалой Мооса| представленной десятью минера¬
лами, из которых каждый последующий своим острым концом ца¬
рапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке
возрастающей твердости от 1 до 10:Л. Тальк Mg3[Si40ioIOH]2 — легко царапается ногтем.2. Гипс CaS04-2H20 — царапается ногтем.3. Кальцит СаСОз — легко царапается стальным ножом.4. Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 — царапается стальным
ножом под небольшим нажимом.5. Апатит Сзб [РО4] 3F — царапается ножом под сильным на¬
жимом.6. Ортоклаз K[AlSi308J — ца7. Кварц Si028. Топаз Al2 [Si04] (F, 0Н)29. Корунд А1а03
10 Алмаз СТвердость древесины, металлов, бетона и некоторых других
строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной
; шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды).
В результате испытания вычисляют число твердости НЕ = Р/F, где
F — площадь поверхности отпечатка."fr* От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше
Твердость, тем меньше истираемость.эапает стекло.легко царапают стекло, применя¬
ются в качестве абразивных (ис¬
тирающих и шлифующих) мате¬
риалов.41
Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образ¬
ца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F и
вычисляют по формуле (г/см2)И = (m, — m2)/F,где mi и т2 — масса образца до и после истирания.Сопротивление материала истиранию определяют, пользуясь
стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварце¬
выми песком или наждаком). Это свойство важно для эксплуата¬
ции дорог, полов, ступеней лестниц и т. п.Износом называют свойство материала сопротивляться одновре¬
менному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на
образцах материалов, которые испытывают во вращающемся ба¬
рабане со стальными шарами или без них. Показателем износа слу¬
жит потеря массы пробы материала в результате проведенного
испытания (в % от первоначальной массы).§ 6. Модели механических свойств строительных материаловДля моделирования поведения упругого материала используют
пружину. Упругая деформация идеального подчиняющегося зако¬
ну Гука твердого тела возникает тотчас после приложения силы и
не зависит от времени, как это показано на рис. 19. После снятия
нагрузки деформация становится равной нулю, следовательно," де¬
формация упругого твердого тела постоянна и обратима.Идеальная (ньютоновская) жидкость подчиняется уравнению
вязкого теченияевязк = ^/^1где т — напряжение сдвига, Па; / — время, с; rj — вязкость, Па-с.Деформация вязкого течения еВязк при постоянном напряжении
сдвига возрастает пропорционально времени (рис. 20, а). Поведе¬
ние жидкости моделируют демпфе¬
ром (рис. 20,6), в котором поршень
перемещается под действием при¬
ложенных сил, при этом жидкость
протекает через кольцевой зазор
между стенками цилиндра и порш¬
нем.Поведение материалов, сочетаю¬
щих упругие и вязкие свойства, мож¬
но описать с помощью модели Макс¬
велла, состоящей из пружины и
демпфера, соединенных последова¬
тельно (рис. 21,6), при постоянном
напряжении. В первый момент вре¬
мени to сопротивление создается
упругим элементом и возникает
упругая деформация еупр, сохраняю-
42о]ё)ВремяРис. 19. Модель идеального (под¬
чиняющегося закону Гука) твер¬
дого тела:
а — график упругой деформации; 6 —
модель-пружинащаяся неизменной при постоянном напряжении. В период времени
от /о до t\ деформация возрастает вследствие вязкого течения (оно
моделируется демпфером, присоединенном к пружине). В момент
времени ti при снятии нагрузки упругая составляющая деформа¬
ции равна нулю, но вязкое смещение еВяэк сохраняется, так как оно
необратимо. Следовательно, общая деформация е асфальтобетона,
пластика и т. п. содержит упругую и вязкую составляющую:в ==вуПр +евязк •о)0)5)ВремяРис. 20. Модель идеальной (ньюто¬
новской) жидкости:
а — график деформации вязкого течения;
б — модель-демпферВремяРис. 21. Сочетание упругих и вязких
свойств:а — график упруговязкнх деформаций; б —
упругий и вязкий элементы расположены
последовательно (модель Максвелла)В соответствии с законом Гука и приведенной выше формулой
для евязк получаем следующее уравнение упруговязкой дефор¬
мации:е = а/Е + ot/ri,6 = 0(1 lE + t/rj).-ч Соответствующий график приведен на рис. 21, а. Примером вяз¬
кого течения является след шин, вдавившихся в асфальтовое покры¬
тие дороги. Он напоминает о повышенной склонности к вязкому
течению материала покрытия в жаркую погоду. При высокой темпе¬
ратуре вязкое течение проявляется у стекла, металла и других
твердых материалов.§ 7. Релаксация напряженийМодели деформации твердых тел дают возможность получить
количественную характеристику скорости релаксационных явлений,
протекающих в полимерных и других строительных материалах.
Если быстро деформировать тело (например, полимер), сохраняя
Деформацию постоянной, то напряжение постепенно уменьшается.
Деформация вызывает перестройку внутренней структуры тела, и
требуется некоторый промежуток времени, пока все частицы тела
придут в равновесие в соответствии с новыми условиями.43
Элементарная модель релаксации
напряжений при постоянной деформа¬
ции представляет собой последователь¬
ное соединение пружины и демпфера
(модель Максвелла). Для этой моде¬
ли общая деформация е равна суммеупругой и вязкой составляющих
(рис. 21)Рис. 22. Релаксация напряже- е = еупр + евязк = const.нии при постоянной деформа* * уции ЛуПр dt вяэк
Следовательно, ~— ’Поскольку еупР = а/Е, а евязк = — at/^,da 1получим ■ —at Еdaоткуда—0/71,da= —(Е/гц) dt.Введем постоянную времени релаксации А,=т]/Е, тогда а = a0e~i/x,
где о — напряжение по прошествии времени t\ ао — первоначаль¬
ное напряжение. Из формулы видно, что релаксация напряжения
следует экспоненциальному закону (рис. 22). Скорость релаксации
напряжения характеризуется временем релаксации — промежутком
времени, в течение которого напряжение уменьшается в е раз посравнению с первоначальным (где е — основание натуральных ло¬
гарифмов).Пример (по Ван Флеку). Для увеличения длины каучуковой ленты с 10 до140 мм необходимо приложить напряжение 8,44 МПа. После выдержки ленты вэтом положении в течение 42 сут напряжение снизилось до 4,22 МПа. Определить:1) постоянную времени релаксации; 2) действующее напряжение после выдерж¬
ки в течение 90 сут.Решение. 1. Согласно уравнению релаксации напряжений1п а/а0 = — <Д;1п[4,22/8,44] = —42Д, откуда Я.=61 сут.2. аи«8,44е-»°/в1-1,92 МПа.Другое решение п. 2 с учетом 48 дополнительных суток:
с+4»-4,22е-«/«|.. 1,92 МПа.Глава 5
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ
§ 1. ДолговечностьДолговечность — свойство изделия сохранять работоспособность
до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт.
Предельное состояние определяется разрушением изделия, требова¬
ниями безопасности или экономическими соображениями. Долго-44вечность строительных изделий измеряют обычно сроком службы
■без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических
условиях и режиме эксплуатации. Например, для железобетонных
конструкций нормами предусмотрены три стёпени долговечности:1 — соответствует сроку службы не менее 100 лет, II — 50 лет,
III — 20 лет.§ 2. НадежностьНадежность представляет собой общее свойство, характеризую¬
щее проявление всех остальных свойств изделия в процессе экс-
.«плуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказ¬
ности, ремонтопригодности и сохраняемости. Эти свойства связаны
между собой.Безотказностью называют свойство изделия сохранять работо¬
способность в определенных режимах и условиях эксплуатации в те¬
чение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт.
К показателям безотказности относят вероятность безотказной ра¬
боты.Отказом называют событие, при котором система, элемент или
изделие полностью или частично теряют работоспособность. Потеря
работоспособности вызывается такой неисправностью, при которой
хотя бы один из основных параметров выходит за пределы уста¬
новленных допусков.Ремонтопригодность — свойство изделия, характеризующее его
приспособленность к восстановлению исправности и сохранению за¬
данной технической характеристики в результате предупреждения,
выявления и устранения отказов. Показателем ремонтопригодности
является среднее время ремонта на Один отказ данного вида, а так¬
же трудоемкость и стоимость устранения отказов.Сохраняемость — свойство изделия сохранять обусловленные
эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и
транспортирования, установленного технической документацией.
Сохраняемость количественно оценивают временем хранения и
транспортирования до возникновения неисправности.
РАЗДЕЛ IIПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫГлава 6
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯГорные породы являются главным источником для получения
строительных материалов.Горные породы используют в промышленности строительных ма¬
териалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизо¬
ляционных и других изделий, а также для производства неоргани¬
ческих вяжущих веществ — цементов, извести и строительного
гипса.Сотни миллионов кубометров песка, гравия и щебня применяют
ежегодно в качестве заполнителей для бетонов и растворов.Широко используют природные каменные материалы и изделия,
получаемые механической обработкой горных пород (раскалыва¬
нием, распиливанием, шлифованием, полированием, дроблением
и т. п.). Это плиты из гранита, мрамора, известняка и других гор¬
ных пород для декоративной облицовки и защиты строительных
конструкций от коррозии,СССР по запасам и разнообразию горных пород не имеет себе
равных. Изыскания, проведенные в больших масштабах за годы
Советской власти, дают полное представление о запасах и геогра¬
фическом размещении минерального сырья. Сырьевые запасы пол¬
ностью обеспечивают возрастающие потребности строительства к
промышленности строительных материалов в минеральном сырье.Под названием «горная порода» понимают природный минераль¬
ный агрегат более или менее определенного состава и строения,,
являющийся продуктом геологических процессов и образующий &
земной коре самостоятельные тела.Под названием «минералы» понимают природные физически и
химически однородные тела, возникающие в земной коре в резуль¬
тате физико-химических процессов. С физико-химической точки
зрения каждый минерал отвечает определенному состоянию и со¬
ставу среды, в которой он возникает. В большинстве случаев ми¬
нералы — твердые тела, иногда — жидкие и газообразные. Всеп>
минералов в природе более 2000.В зависимости от условий формирования горные породы делят
на три генетические группы *: 1) магматические породы, образо¬* Классификация горных пород по условиям их образования (генетическому
признаку) предложена М. В, Ломоносовым и разработана акад. Ф. Р. Левинсо¬
ном-Лессингом и акад. А. П. Карпинским.46вавшиеся в процессе кристаллизации сложного природного сили¬
катного расплава — магмы; 2) осадочные, возникшие в поверхно¬
стных условиях из продуктов разрушения любых других пород и
.3) метаморфические, являющиеся продуктом перекристаллизации
и приспособления пород к изменившимся в пределах земной коры
•физико-химическим условиям.Глава 7
МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
§ 1. Общая характеристикаОбразование магматических пород тесно связано со сложней¬
шими проблемами происхождения магм и строения Земли. Соглас¬
но современным представлениям Земля имеет концентрически-зо-
нальное строение и состоит из ядра, промежуточной оболочки (или
мантии) и внешней оболочки — коры. Последняя, в свою очередь,
имеет три слоя: нижний — базальтовый, выше него — гранитный и
верхний — тонкий чехол осадочных пород (рис. 23). Базальтовый
слой коры состоит из пород основного состава. В пределах океанов
верхняя его часть доступна непосредственному изучению; мощность
базальтового слоя под океанами не превышает 5—б км, тогда как в
пределах континентов она достигает 40 км. Гранитный слой состо¬
ит преимущественно из пород кислого состава и различных мета¬
морфических пород. Этот слой развит в пределах континентов и
континентальных склонов. Мощность его колеблется от 10 км в
пределах платформ до 30 км в складчатых областях. Общая мощ*кмРис. 23. Схема строения земной коры (по В. Е. Хайну, 1964):1 — осадочный чехол; 2 —гранитный слой; 3 — базальтовый слой; 4 — верхняя мантия
•перндотитового состава; S — верхняя иантня эклогитового (граиито-пироксенового)
состава; 5—7, 10—12 и т. д.— средние мощности (в км)4?
ность земной коры на платформах составляет 30—40 км, в склад¬
чатых зонах достигает 30—70 км.В зависимости от условий образования выделяют все основные
группы магматических пород — интрузивные и эффузивные. Интру¬
зивные — это породы, образовавшиеся при застывании магмы на
разной глубине в земной коре. Эффузивные породы образовались
при вулканической деятельности, излиянии магмы из глубин и за¬
твердевании на поверхности. В составе интрузивных пород в зави¬
симости от глубины образования различают глубинные (абиссаль¬
ные) и полуглубинные (гипабиссальные) породы.§ 2. Главные породообразующие минералыОсновными породообразующими минералами магматических по¬
род являются: 1) кварц (и его разновидности); 2) полевые шпаты;
3) железисто-магнезиальные силикаты.Все эти минералы отличаются друг от друга по свойствам, по¬
этому преобладание в породе тех или иных минералов меняет ее
строительные свойства: прочность, стойкость, вязкость и способ¬
ность к обработке (к полировке, шлифовке и т. п.).Кварц, состоящий из двуокиси кремния (Si02) в кристалличе¬
ской форме, является одним из самых прочных и стойких минера¬
лов. Он обладает: 1) исключительно высокой прочностью при сжа¬
тии (до 2000 МПа) и высокой для хрупких материалов прочно¬
стью при растяжении (около 100 МПа); 2) высокой твердостью,,
уступающей только твердости топаза, корунда и алмаза; 3) весьма
высокой кислотостойкостью и вообще химической стойкостью при
обычной температуре; из кислот на него действует фтористоводо¬
родная кислота и горячая фосфорная; едкие и углекислые щелочи,
вступают во взаимодействие с кварцем при повышенной темпера¬
туре; 4) высокой огнеупорностью — плавится при температуре око¬
ло 1700°С.Благодаря высокой прочности и химической стойкости кварц ос¬
тается почти неизменным при выветривании магматических пород, &
состав которых он входит (например, при разрушении гранитов).
Поэтому является также одним из самых важных минералов и в;
осадочных породах (в песчаниках и кварцевых песках).Полевые шпаты — это самые- распространенные минералы в;
магматических породах (до 2/з от общей массы породы). Они пред¬
ставляют собой, так же как и кварц, светлые составные части по¬
род (белые, розоватые, красные и т. п.).Главной разновидностью полевых шпатов являются ортоклаз и
плагиоклазы.Ортоклаз — КгО-АЬОз-бБЮг или K[AlSi30g] (по-гречески
«прямораскалывающийся») характеризуется следующими свойства¬
ми: угол между спайностями 90°, твердость 6—6,5, плотность
2,57 г/см3, плавится при 1170°С, полное расплавление при 1450°С..48Встречается в кислых (гранит) и средних (сиенит) по кислотности
магматических породах.Плагиоклазы (по-гречески «косораскалывающиеся») образуют
изоморфный ряд от альбита — ЫагО'АЬОз-бБЮг или Na[AlSi3Os],
входящего в состав кислых пород, до анортита — Ca0-Al203-2Si0^
или Ca[Al2Si208], характерного для основных пород (габбро, ба¬
зальт и др.).По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают значительно
меньшей прочностью (120— 170 МПа на сжатие) и стойкостью,
поэтому они реже встречаются в осадочных породах (главным об¬
разом, в виде полевошпатовых песков).Выветривание полевых шпатов происходит под влиянием воды,
содержащей углекислоту. Результатом выветривания является но¬
вый минерал — каолинит (важнейшая часть самой распространен¬
ной осадочной породы — глины).К цветным (темноокрашенным) минералам, встречающимся в
магматических породах, относятся железомагнезиальные и магнези¬
альные силикаты и некоторые алюмосиликаты.В группе железо-магнезиальных силикатов наиболее распро¬
странены оливин, пироксены (например, авгит), амфиболы (рого¬
вая обманка). Среди магнезиальных силикатов встречаются вто¬
ричные минералы, чаще всего замещающие оливин — серпентин,,
хризотил-асбест.В группе алюмосиликатов наиболее распространены слюды:
1) обыкновенные — мусковит (почти бесцветный), флогопит и био¬
тит (темного цвета), 2) гидрослюды — гидромусковит, гидробиотит.
Твердость слюд 2—3.Все вышеперечисленные минералы, за исключением мусковита
н гидромусковита, отличаются от кварца и полевых шпатов тем¬
ной окраской (зеленого, темно-зеленого, иногда черного цвета).Характерными свойствами цветных минералов (за исключением
слюд) являются высокая прочность и вязкость, а также повышен¬
ная плотность по сравнению с другими минералами, которые вхо¬
дят в состав магматических пород.Увеличение содержания цветных минералов (за исключением
алюмосиликатов) придает породам высокую прочность, вязкость и
стойкость против выветривания.Водные алюмосиликаты (слюды) являются нежелательной со¬
ставной частью пород. Они понижают прочность пород, ускоряют
их выветривание и затрудняют шлифовку и полировку, так как в
результате совершенной спайности слюды весьма легко разделяют¬
ся на очень тонкие пластинки. Слюды встречаются и в песках,,
где также считаются вредной примесью. Бетоны и строительные
растворы на песке с значительным содержанием слюды обладают
пониженной морозостойкостью.Для специальных отделочных штукатурок в растворы иногда на¬
меренно вводят слюду в целях достижения определенного художе¬
ственного эффекта.4»
§ 3. Интрузивные абиссальные горные, породыМагматические породы, образующиеся в различной геологиче¬
ской обстановке, отличаются специфическими признаками, к кото¬
рым прежде всего относятся форма магматических тел и их взаи¬
моотношения с вмещающими породами.По классификации Р. Дэли интрузивные тела в зависимости от
их взаимоотношений с вмещающими породами делят на согласные
(рис. 24, а) и несогласные( рис. 24, б).Особенности строения горных пород, зависящие от условий об¬
разования, выражаются в структурных и текстурных признаках.Рис. 24. Схематическое изображение интрузивных тел
(черное):а — согласных: 7 —лакколит; 2 — лополит; J — силлы; 4 —фа¬
колиты; б — несогласных: 1 — батолит; 2— шток. Точки — кон¬
тактовый ореол метаморфических пород60Структура определяется степенью кристалличности и размера¬
ми зерен, а также формой и взаимными отношениями составных
частей породы.При медленном остывании магмы в глубинных условиях возни¬
кают полнокристаллические структуры. По размерам зерен среди
кристаллических пород выделяют: крупнозернистые (средний раз¬
мер зерен более 5 мм), среднезернистые (1—5 мм) и мелкозерни¬
стые (0,5—1 мм), а также равномерно¬
зернистые и неравномернозернистые
структуры (рис. 25).Текстура — совокупность призна¬
ков, определяемых расположением и
распределением составных частей по¬
роды относительно друг друга в зани¬
маемом ими пространстве. Подавляю¬
щее большинство магматических пород
характеризуется массивной текстурой.Следствием медленного охлажде¬
ния магмы является ряд общих свойств
для разных глубинных горных пород:
весьма малая пористость и, следова¬
тельно, большая объемная масса и вы¬
сокая прочность. Кроме того, в связи
с очень малой пористостью эти породы
обычно обладают весьма низким водо-
поглощением, морозостойки и сравни¬
тельно высокотеплопроводны. Обра¬
ботка таких пород из-за их высокой
прочности затруднительна. Однако благодаря высокой плотности
они хорошо полируются и шлифуются.Средние показатели важнейших строительных свойств таких по¬
род: прочность при сжатии *— 100—300 МПа; объемная масса —
2600—3000 кг/м3; водопоглощение — меньше 1 % по объему; тепло¬
проводность — около 3 Вт/ (м • °С).Граниты обладают благоприятным для строительного камня ми¬
неральным составом, отличающимся высоким содержанием кварца
(25—30%), натриево-калиевых шпатов (35—40%) и плагиоклаза
(20—25%), обычно небольшим количеством слюды. (5—10%) и от¬
сутствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую-проч¬
ность при сжатии— 120—250 МПа (иногда до 300 МПа). Сопро¬
тивление растяжению, как у всех каменных материалов, относи¬
тельно невысокое и составляет лишь около 7зо—’До от сопротивле¬
ния сжатию.Необходимо отметить, что в каменных материалах вследствие
хрупкости сравнительно легко могут появиться тонкие (волосные)
местные трещинки — от взрывов при добыче, от ударов, резких ко-
лебаний температуры и т. п. Эти трещинки оказывают сравнительно
небольшое влияние на предел прочности при сжатии, но могут зна~
чительно понизить прочность на растяжение.а)Рис. 25. Типы структур
(схемы):
а — неравномернозернистая; б—*
равиомернозерннстая51.
Одним из важнейших свойств гранитов является также малая
пористость, не превышающая 1,5%, что обусловливает водопогло-
щение около 0,5% (по объему). Поэтому морозостойкость их вы¬
сокая.Огнестойкость гранита недостаточна, так как он растрескива¬
ется при температурах выше 600°С вследствие полиморфных пре¬
вращений кварца.Гранит, так же как и большинство других плотных магматиче¬
ских пород, обладает высоким сопротивлением истиранию.Граниты весьма разнообразны по цвету, зависящему в основном
от окраски полевых шпатов, которые могут быть белыми, серыми,
желтыми, розовыми, красными. Различные сочетания отдельных
компонентов и изменение структуры обусловливают разнообразие
цветов, оттенков и декоративного рисунка гранитов, поэтому грани¬
ты являются прекрасным облицовочным декоративным материалом.
В связи с высокой прочностью на сжатие, морозостойкостью грани¬
ты применяют для защитной облицовки набережных, устоев мос¬
тов, цоколей зданий, а также в качестве щебня для высокопрочных
и морозостойких бетонов. Кроме этого, благодаря значительной
кислотостойкости граниты применяют в качестве кислотоупорной
облицовки.Из всех изверженных пород граниты наиболее широко использу¬
ют в строительстве, так как они являются самой распространенной
из глубинных магматических пород. Остальные глубинные породы
(сиениты, диориты, габбро и др.) встречаются и применяются зна¬
чительно реже.Сиениты. Горные породы группы сиенитов занимают около 2,6%
магматических пород. Породы эти окрашены в розовые, серые и
зеленоватые тона, что зависит от цвета полевых шпатов. Сиениты со¬
стоят из калиевых (50—70%) и натриевых полевых шпатов (10—
30%), цветных минералов (10—20%)- Если присутствует кварц
(10—15%), то породу называют кварцевым сиенитом. По физико¬
механическим свойствам сиениты близки к гранитам, несколько ус¬
тупая им в прочности из-за отсутствия кварца.Гранодиориты менее распространены, чем граниты, и отличают¬
ся от них меньшим содержанием кварца (20—25%), повышенным
количеством цветных минералов (15—20%), в составе которых пре¬
обладает роговая обманка, поэтому эти породы темнее гранитов.
В гранодиоритах всегда присутствует полевой шпат (45—50%).
Гранодиориты по механической прочности уступают гранитам, что
связано с меньшим содержанием кварца. Подобно гранитам, они
находят в строительстве самое разнообразное применение — от бу¬
та и щебня до облицовочного и скульптурного камня.Диориты и кварцевые диориты. Это породы серого цвета; состо¬
ят они из плагиоклаза (65—70%) и роговой обманки, иногда вместе
с пироксенами или биотитом, составляющими в сумме около 25—
30%. Структура породы равномернозернистая, средне- или мелко¬
зернистая. Текстура массивная или пятнистая, что обусловлено на¬£2личием обособлений (шлиров), обогащенных темноцветными мине¬
ралами.Кварцевые диориты характеризуются присутствием кварца в
количестве 5—20% и меньшим содержанием роговой обманки.
Структура и текстура аналогичны диоритам.Физико-механические свойства диоритов характеризуются сле¬
дующими, показателями:-объемной массой — 2,9 г/см3, пределом
прочности при сжатии 180—240 МПа. Наиболее прочны диориты с
мелко- и среднезернистой структурой, массивной текстурой и с по¬
вышенным содержанием роговой обманки. Разности, включающие
биотит, имеют пониженную прочность. Диориты и особенно кварце¬
вые диориты превосходят по прочности граниты и сиениты.Габброиды. Среди габброидов важнейшими являются габбро и
анортозиты.Габбро — порода в свежем состоянии темно-серого или почти
черного цвета, что объясняется темной окраской плагиоклазов и
высоким содержанием цветных минералов. В результате вторичных
изменений плагиоклазы приобретают светло-серый и зеленовато¬
серый цвет. Типичное габбро состоит примерно из равного количе¬
ства натриево-кальциевого полевого шпата и моноклинного пирок¬
сена.. В очень малых количествах в габбро могут присутствовать
оливин, ромбический пироксен, роговая обманка, биотит. Постоян¬
ными компонентами габброидов являются магнетит и титаномаг-
нетит.Анортозиты представляют собой темноокрашенные породы, со¬
стоящие почти из одного натриево-кальциевого полевого шпата —
лабрадора. Эти породы благодаря иризирующему свойству (ириза-
ция — яркий цветной отлив на гранях или плоскостях спайности
лабрадора) применяют в строительстве в качестве облицовочного
камня.Для пород группы габбро характерна объемная масса
2,99 г/см3, большая прочность (при сжатии 200—280 МПа) и доста¬
точно высокая стойкость против выветривания.Красивый вид и хорошая полируемость позволяют применять
наиболее декоративные разновидности габбровых пород и лабрадо-
ритов в качестве ценной облицовки. Так, темные и светлые лабрадо-
риты с синим оттенком использованы для облицовки Мавзолея
. В. И. Ленина, памятника неизвестному солдату и ряда других вы¬
дающихся сооружений.Перидотиты — черные породы, иногда с зеленоватым оттенком,
обычно среднезернистой структуры. Текстура массивная, нередко
пятнистая или полосчатая. В составе перидотитов присутствует оли¬
вин в количестве 30—70% и пироксены 70—30%. Используются для
Получения щебня. Свойственная перидотитам эллипсоидальная
отдельность не позволяет использовать их в качестве штучного кам-
яя, а большая твердость камня вызывает большие расходы на раз¬
работку месторождений.
§ 4. Интрузивные гипабиссальные горные породыГипабиссальная горная порода — магматическая порода, обра¬
зовавшаяся при кристаллизации магмы на небольших глубинах и
занимающая по условиям залегания и структуре промежуточное
положение между глубинными (абиссальными) и излившимися(эффузивными) породами. Гипабиссаль¬
ные породы, так же как и абиссальные,
образуют согласные и несогласные тела
(рис. 26).При кристаллизации магмы в припо¬
верхностных условиях образуются полно¬
кристаллические неравномернозернистые
и неполнокристаллические структуры.
В связи с тем, что скорость выделения
минералов из магматического расплава
при его кристаллизации различна, в ги¬
пабиссальных условиях не все минералы
успевают в одинаковой степени выкри¬
сталлизоваться и принять свойственную
им форму.Среди неравномернозернистых струк¬
тур выделяют порфировидные и порфиро¬
вые структуры. Порфировидные структу¬
ры обусловлены наличием относительно
крупных кристаллов на фоне полнокри¬
сталлической основной массы породы.
Порфировые структуры характеризуют¬
ся наличием хорошо образованных крис¬
таллов — порфировых «вкрапленников»,
погруженных в стекловидную основную
массу породы.Структура — существенный признак,
определяющий физико-механические
свойства породы. Наиболее прочными яв¬
ляются равномерносреднезернистые по¬
роды, тогда как породы такого же мине¬
рального состава, но крупнозернистой
порфировидной структуры быстрее раз¬
рушаются как при механическом воздей¬
ствии, так и при резких колебаниях температур.Из гипабиссальных интрузивных пород в строительстве наибо¬
лее широко применяют кварцевые и бескварцевые (полевошпа¬
товые) порфиры. Кварцевые порфиры по своему минеральному со¬
ставу близки к гранитам. Прочность, пористость, водопоглощение
у порфиров в общем сходны с показателями этих свойств, прису¬
щими гранитам. Но порфиры более хрупки и менее стойки вследст¬
вие наличия крупных вкраплений. Бескварцевые (полевошпато¬54Рис. 26. Формы интузивных
тел:а — внедрение интузивного тела
согласно границам вулканоген¬
но-осадочной толщи; I — пес¬
чаники мелкозернистые; 2 —
песчаники крупнозернистые; 3 —
лава среднего состава; 4 — ин¬
трузия андезитовых порфири-
тов; б — дайка (пластинообраз-
иое магматическое тело) диори¬
товых порфирнтов, прорвавшая
толщу осадочных пород; 1 —
известняки; 2 — мергели; 3 — до¬
ломиты; 4 — органогенные пес¬
чаники; 5 —дайка диоритовых
порфнритоввые) порфиры по своему составу близки к сиенитам, но в связи с
иным генезисом обладают худшими физико-механическими свойст¬
вами.§ 5. Эффузивные горные породыЭффузивные породы образовались в результате излияния маг¬
мы, ее охлаждения и застывания на поверхности земли, поэтому
в большинстве случаев они состоят из отдельных кристаллов, вкра¬
пленных в основную мелкокристаллическую, скрытокристалличе¬
скую и даже стекловатую массу.Выделяют следующие две группы эффузивных тел: 1) тела, свя¬
занные с излияниями магмы-потоки (рис. 27, а, б) и 2) тела,
возникшие в результате деятельности вулканов центрального ти¬
па — некки, купола (рис. 27, в).Текстуры эффузивных пород, в отличие от интрузивных, неодно¬
родны: 1) флюидальная текстура определяется характером течения
лавы; 2) пористая — наличием округлых или неправильных пустот,
возникших в результате выделения газов при охлаждении магмы;3) миндалекаменная образуется при заполнении пустот вторичны¬
ми минералами — опалом, халцедоном и др.Эффузивные породы в результате неравномерного распределе¬
ния минеральных компонентов сравнительно легко разрушаются
при выветривании и под воздействием внешних условий, а также
обнаруживают анизотропность механических свойств.Различают эффузивы: излившиеся плотные и излившиеся пори¬
стые.К плотным эффузивным породам относят трахиты, липариты,
андезиты, базальты, диабазы.Трахиты. По своему минеральному и химическому составу тра¬
хиты схожи с сиенитами, но более пористы. Поэтому предел проч¬
ности при.сжатии трахитов невысок (60—70 МПа), а морозостой¬
кость ниже, чем у сиенитов. Трахиты легко обрабатываются, но не
полируются. Трахиты используют как кислотоупорный материал и
отчасти в качестве строительного камня.Излившиеся аналоги гранитов представлены липаритами. Сре¬
ди эффузивных пород кислого состава широко распространены вул¬
канические стекла с полным отсутствием или небольшим количест¬
вом кристаллов.В зависимости от содержания воды выделяют следующие разно¬
видности вулканических стекол: обсидиан — темные, часто черные
породы со стеклянным блеском и характерным раковистым изло¬
мом, почти не содержащие воды; перлиты — вулканические стекла
с 3—4% воды; пехштейны — черные породы со смоляным блеском,
содержащие до 10% воды.Начиная с 1955 г. в Советском Союзе стали использовать неко¬
торые вулканические стекла,‘применяемые после термической об¬
работки в виде «вспученного перлита», обладающего рядом ценных
свойств — малой объемной массой, большой пористостью, малыми
звуко- и теплопроводностью и т. д.55
Рис. 27. Формы эффузивных тел:а схема лавовой данки на Этне; 6 — поток стекловатой лавы, вливаю¬
щийся в озеро; в — центральный купол Везувия с лаврвым потоком (1892)Андезиты — излившиеся аналоги диоритов — порода серого или
желтовато-серого цвета, порфировой структуры, с плотной основной
массой. Андезиты содержат плагиоклазы, роговую обманку, неко¬
торые пироксены и биотит. Структура может быть неполнокристал¬
лическая или стекловатая, текстура — массивная или пористая.
Физико-механические свойства сходны со свойствами базальтов.
Плотность андезитов —2,7—3,1 г/см3, предел прочности при сжа¬
тии — 140—250 МПа. Андезиты, содержащие в своем составе боль¬шое количество роговой обманки или пироксенов, отличаются более
высокими техническими качествами, чем биотитсодержащие разнос¬
ти. Андезиты применяют в качестве кислотостойкого материала —
облицовочных изделий, в виде щебня для кислотоупорного бетона.Базальты — излившиеся аналоги габбро — породы черного цве¬
та, очень плотные, скрытокристаллические или тонкозернистые,
иногда порфировые. Плотность базальтов — 2,7—3,3 г/см3; предел
прочности при сжатии колеблется в широких пределах—110—
500 МПа, в среднем — 200—250 МПа. Базальты ввиду большой
твердости и хрупкости трудно обрабатываются, но хорошо полиру¬
ются. Применяют главным образом в качестве бутового камня и
щебня для бетонов. При наличии благоприятной отдельности (плас¬
товой, призматической) применяют в дорожном строительстве (для
мощения улиц); особо плотные породы используют в гидротехниче¬
ском строительстве. Базальты являются исходным материалом для
литых каменных изделий.Диабазы — порода мелкозернистая, по составу аналогичная
габбро, но с типичной диабазовой микроструктурой (структура пол¬
нокристаллическая представлена кристаллами плагиоклаза, между
которыми располагаются зерна цветных минералов). Диабазы име¬
ют черный цвет, выветренные — зеленовато-серый. Диабазы отлича¬
ются высокой твердостью, прочностью (300—400 МПа на сжатие) и
вязкостью, что связано с большим содержанием в их составе желе¬
зомагнезиальных силикатов и свойственной этим породам структу¬
рой. Диабазы мало изнашиваются и в виде брусчатки применяются
для мощения дорог и улиц.К пористым эффузивным породам относят пемзу, вулканические
туфы и пеплы, туфолавы.Пемза представляет собой пористое вулканическое стекло, об¬
разовавшееся в результате выделения газов при быстром застыва¬
нии кислых и средних лав. Цвет пемзы белый или серый. Порис¬
тость ее достигает 60%; стенки между порами сложены стеклом.
Твердость пемзы около 6, плотность 2—2,5 г/см3, объемная масса
0,3—0,9 г/см3 (пемза плавает в воде). Большая пористость пемзы
обусловливает хорошие теплоизоляционные свойства, а замкну¬
тость большинства пор — достаточную морозостойкость. Пемза слу¬
жит заполнителем в легких бетонах (пемзобетоне). Наличие в пем¬
зе активного кремнезема позволяет использовать ее в виде гидрав¬
лической добавки к цементам и извести. В качестве абразивного
материала пемзу применяют для шлифовки металлов и дерева, по¬
лировки каменных изделий.Месторождения пемзы относятся к вулканическим и встречаются
в областях распространения действующих и потухших вулканов.Вулканический пепел — наиболее мелкие частицы лавы, облом¬
ки отдельных минералов, выброшенные при извержении вулкана.
Происхождение пепла объясняется размельчением лавы при вулка¬
нических взрывах. Размеры частичек пепла колеблются от 0,1 до2 мм. Вулканический пепел является активной минеральной до¬
бавкой.57
Вулканические туфы — горные породы, образовавшиеся из твер¬
дых продуктов вулканических извержений: пепла, пемзы и дру¬
гих, впоследствии уплотненных и сцементированных; Цё'ментом ту^
фов является вулканический пепел, глинистое или кремнистое ве¬
щество, иногда с примесью продуктов разложения пепла.Туфолава — горная порода, занимающая промежуточное поло¬
жение между лавой и туфом. Образование туфолав связывают с
быстрым вспениванием лав при резком падении давления и связан¬
ным с этим дроблением вкрапленников и стекла без разрыва сплош¬
ности лавового потока. В состав вулканических туфов и туфолав
входят S1O2, АЬОз, РегОз и др.Вулканические туфы и туфолавы хорошо сопротивляются вывет¬
риванию, мало теплопроводны и, несмотря на большую пористость,
морозостойки. Они легко обрабатываются, распиливается, проби¬
ваются гвоздями, шлифуются, но не полируются.Типичным представителем туфолав является артйкский туф,
добываемый в Армении (вблизи г. Ленинакана). При плот¬
ности около 2,6 г/м3 объемная масса породы, колеблется в преде¬
лах от 750 до 1400 кг/м3. Соответственно пористость ее составляет
70—46%. Теплопроводность артикского туфа меньше, чем обыкно¬
венного кирпича, что позволяет уменьшать толщину наружных стен
зданий.Прочность туфов находится в тех же примерно пределах, что и
у обыкновенного кирпича, т. е. от 5 до 15 (иногда до 30) МПа.Туф и туфолавы используют в виде пиленого камня для кладки
стен жилых зданий, устройства перегородок и огнестойких перекры¬
тий. Используются они также в качестве декоративного камня, че¬
му благоприятствует наличие туфов разных цветов — лиловых, жел¬
тых, красных, черных и др. Применяются туфы и в виде щебня для
легких бетонов.Глава 8
ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
§ 1. Общая характеристикаОсадочная порода находятся в термодинамических условиях,
характерных для поверхностной части земной коры, и образуется в
результате переотложения продуктов выветривания и разрушения
различных горных пород, химического и механического выпадения
осадка из воды, жизнедеятельности растений.В результате воздействия агентов химического выветривания
происходит окисление минералов, их гидратация, а также разложе¬
ние минералов сложного состава с образованием новых минераль¬
ных видов и выносом в растворенном состоянии различного рода
соединений. В качестве примера подобного рода процессов рас¬
смотрим схему разложения полевых шпатов под воздействием во-
ды и растворенной в ней углекислоты.58На первом этапе химического выветривания полевые шпаты пе¬
реходят в глинистые минералы типа гидрослюды6К [ AlSi808] + 2СОа 4- п Н20 = 2КА12 [AlSiAol (ОН), х
X п НаО + 2КгС03 + 128Юг
При более глубоком разложении образуется другой глинистый ми¬
нерал — каолинит
4К [AlSigOg] + 2COs + 4НгО = А1* [Si4O10] (ОН)8 + 2К2С03 + 8SiOaПреобладающая часть продуктов выветривания выносится из
зоны выветривания и отлагается вдали от места разрушения мате¬
ринских пород. Основными агентами переноса являются текучие во¬
ды, движущийся лед и ветер. Процессы переноса и отложения оса¬
дочного материала неразрывно связаны и составляют единую ста¬
дию осадкообразования — седиментогенез. При разрушении
материнских пород, а также при последующем переносе и отложе¬
нии осадочного материала происходит его разделение (дифферен¬
циация) по размеру частиц, плотности и химическому составу.
В результате этого в бассейнах конечного стока отлагается не пест¬
рая смесь всевозможных компонентов, а происходит их раздельное
накопление, что обусловливает формирование осадков определенно¬
го состава.По классификации В. И. Лучнцкого, осадочные породы в зави¬
симости от условий нх образования делят на следующие три основ¬
ные группы: 1) обломочные породы, или механические осадки:
а) рыхлые (например, гравий, глины, пески), оставшиеся на месте
разрушения пород или перенесенные водой, а также льдом (ледни¬
ковые отложения) или ветром (эоловые отложения); б) сцементи¬
рованные (песчаники, конгломераты, брекчии); 2) химические осад¬
ки (например, гипс и известковые туфы), образовавшиеся из про¬
дуктов разрушения пород, перенесенных водой в растворенном ви¬
де; 3) органогенные породы, образовавшиеся из остатков некото¬
рых водорослей и животных (скелеты губок, кораллов, раковины й
панцири ракообразных и др.); к органогенным породам относятся
мел, большинство известняков, диатомиты.Кроме обломочных рыхлых пород встречаются также породы
(конгломераты, брекчии, песчаники), зерна которых сцементирова¬
ны различными природными «цементами». Эти цементы находи¬
лись в растворенном или коллоидном состоянии в воде и выпали в
толще рыхлых осадков, сцементировав их зерна в сплошные горные
породы различной плотности.Большинство осадочных пород имеет более пористое строение,
чем плотные магматические породы, а следовательно, и меньшую
прочность. Некоторые из них сравнительно легко растворяются (на¬
пример, гипс) или распадаются в воде на мельчайшие нераствори¬
мые частицы (например, глины).В составе осадочных пород можно выделить две различные по
своему происхождению группы минералов: 1) реликтовые и 2) ми¬
нералы осадочного происхождения. К первой группе относят мине-59
ралы магматические и метаморфические; обычно зерна З^их мине¬
ралов окатаны, ко второй — минералы, образовавшиеся на месте в
осадке или в породе.§ 2. Главные породообразующие минералыГруппа кремнезема. Наиболее распространенные минералы этой
группы — опал, халцедон и осадочный кварц.Опал (SiOa-лНгО)—аморфный минерал, содержание воды в
нем колеблется от 2 до 14% и достигает иногда 34%. При нагрева¬
нии часть воды теряется. Опал чаще всего бесцветен или молочно-
белый, но в зависимости от примесей может быть желтым, голубым
или черным. Плотность 1,9—2,5 г/см3, максимальная твердость 5—
6, хрупок.Халцедон (БЮг) является волокнистой или скрытокристалличе¬
ской разновидностью кварца. Цвет белый, серый, светло-желтый,
бурый, зеленый. Плотность 2,6 г/см3, твердость 6. Халцедон являет¬
ся продуктом кристаллизации опала, а также выпадает непосредст¬
венно из растворов, отлагаясь совместно с опалом и кварцем.Кварц (БЮг). В осадочных породах присутствует кварц магма¬
тического происхождения и кварц осадочный. Осадочный кварц
отлагается непосредственно из растворов, а также образуётся в ре¬
зультате перекристаллизации опала и халцедона. Он широко рас¬
пространен в кремнистых породах, заполняет трещины, поровые
пространства и другие полости в песчаниках и известняках.Группа карбонатов. Минералы группы карбонатов имеют широ¬
кое распространение в осадочных породах. Наиболее важную роль
в них играют кальцит, доломит и магнезит.Кальцит (СаСОз). Бесцветный или белый, при наличии механи¬
ческих примесей серый, желтый, розовый или голубоватый минерал.
Блеск стеклянный. Плотность 2,7 г/см3, твердость 3. Характерным
диагностическим признаком является растворимость с бурным вски¬
панием в 10%-ной соляной кислоте.Разновидность карбоната кальция называется арагонитом.
В условиях земной поверхности арагонит неустойчив и переходит в
кальцит.Доломит [CaMg(C03),2] —бесцветный, белый, часто с желтова¬
тым или буроватым оттенком минерал. Блеск стеклянный. Плот¬
ность 2,8 г/см3, твердость 3—4. В 10%-ной соляной кислоте вскипает
только в порошке и при нагревании. Доломит обычно мелкозернист,
крупные кристаллы встречаются редко. Образуется он либо как
первичный химический осадок, либо в результате доломитизации
известняков. Минерал доломит слагает породу того же названия.
Применяется в качестве сырья для производства магнезиальных и
доломитовых вяжущих веществ, доломитовых огнеупорных мате¬
риалов, а также в качестве строительного камня и щебня для бе¬
тона.Магнезит (MgCOe) — бесцветный, белый, серый, желтый, ко¬
ричневый минерал. Плотность 3,0 г/см3, твердость 3,5—4,5. Раство-
60ряется в НС1 при нагревании. Применение магнезита основано на
высокой огнеупорности и вяжущих свойствах окиси магния. Магне¬
зит, обожженный при 1500—1650°С, представляет собой высокоог¬
неупорный материал, применяющийся для изготовления магнези¬
тового кирпича, а обожженный при 750—800°С дает окись магния
(каустический магнезит) и образует с растворами хлористого или
сернокислого магния магнезиальное вяжущее.Группа глинистых минералов. Глинистые минералы играют в
составе осадочных пород исключительно важную роль. Они слага¬
ют глины, а также могут находиться в качестве примеси в песчани¬
ках, алевролитах, известняках и многих других породах, сущест¬
венно изменяя их физико-химические свойства. Минералы этой
группы относятся к водным алюмосиликатам. Наиболее широкое
распространение имеют каолинит, монтмориллонит и гидрослюды.Каолинит — Al4[Si40io] (ОН)8 или АЬОз^БЮг^НгО. Белый,
иногда с буроватым или зеленоватым оттенком минерал. Плотность
его 2,6 г/см3, твердость 1. На ощупь жирный. Встречается в виде
мелоподобных плотных агрегатов. Каолинит образуется в результа¬
те разложения полевых шпатов, слюд и некоторых других силика¬
тов в процессе их выветривания и переноса продуктов разрушения.
На земной поверхности устойчив в условиях кислой среды. Каоли¬
нит слагает каолиновые глины, входит в состав полиминеральных
глин, иногда присутствует в цементе обломочных пород.Гидрослюды образуются при разложении слюд и некоторых дру¬
гих силикатов (например, полевых шпатов).Гидрослюды используют в строительстве; например, вермику¬
лит, обладающий свойством увеличиваться при нагревании в 20 и
более раз, применяется как пористый заполнитель легкого бетона.Монтмориллонит образуется в условиях щелочной среды в мор¬
ских осадках и в коре выветривания. Слагает бентонитовые глины,
иногда служит цементирующим материалом в песчаниках. Минера¬
лы группы монтмориллонита широко распространены в осадочных
породах, а в некоторых глинах играют роль главных породообра¬
зующих. Примеси глинистых минералов в известняках и песчани¬
ках нежелательны, так как содержание уже 3—4% глины резко по¬
нижает их водостойкость и морозостойкость.Группа сульфатов. Наиболее распространенными минералами
этой группы являются гипс и ангидрит.Гипс CaS04‘2H20 представляет собой скопление белых или бес¬
цветных кристаллов, иногда окрашенных механическими примеся¬
ми в голубые, желтые или красные тона. Блеск стеклянный. Плот¬
ность 2,3 г/см3, твердость 2. Для гипса, развивающегося в пустотах
и трещинах, характерно волокнистое строение и шелковистый блеск.
Иногда гипс встречается в виде тонкозернистых и землистых агре¬
гатов, а также слагает цемент песчаника. Гипс применяют в произ¬
водстве вяжущих веществ: строительного и формовочного гипса
и др.Ангидрит CaS04 — белый, серый, светло-розовый, светло-голу¬
бой минерал. Блеск стеклянный. Плотность 3 г/см3, твердость 3—61
3,5. Как правило, встречается в виде сплошных мелкозернистых
агрегатов; крупные кристаллы образуются редко, они обычно име¬
ют таблитчатый, игольчатый или призматический облик.Красиво окрашенные ангидрит и гипс иногда применяют как об¬
лицовочный материал для внутренних отделок,зданий, а после про¬
питки водостойкими эмульсиями и для наружных отделок. Ангид¬
рит используют для производства вяжущих веществ. Гипс и ангид¬
рит слагают породы того же назва¬
ния, широко распространенные в
соленосных отложениях.Органические остатки в осадоч¬
ных породах. Осадочные породы не¬
редко содержат органические остат¬
ки животного и растительного про¬
исхождения, сложенные кремнистым
или известковым веществом.Наиболее важными по своим
строительным свойствам из групп
пород биохимического происхожде¬
ния являются диатомиты, сложен¬
ные остатками диатомей. Диатомо¬
вые водоросли — мельчайшие одно¬
клеточные растения, заключенные
в тонкий пористый панцирь, состоя¬
щий из опала. Встречаются преимущественно в кремнистых и гли¬
нисто-кремнистых породах.Вулканогенный материал в осадочных породах представлен об¬
ломками вулканического стекла (вулканический пепел), размеры
которых колеблются от 0,01 до 1 мм и характеризуются остроуголь¬
ными причудливо изогнутыми формами (рис. 28).Структура осадочной породы определяется размером и формой
ее минеральных компонентов, текстура — их взаимным расположе¬
нием и ориентировкой в пространстве. Структура и текстура харак¬
теризуют строение породы. Наиболее характерной особенностью
строения осадочных пород является их слоистость. В том случае,
когда слоистость отсутствует, текстуру называют беспорядочной,
так как частицы располагаются в ней без всякой ориентировки.
Беспорядочная текстура характерна для песков и грубообломочных
пород.§ 3. Осадочные обломочные породыОбломочными породами называют такие, в составе которых пре¬
обладает обломочный материал. Породы рассматриваемой группы
сложены преимущественно зернами устойчивых при выветривании
минералов и горных пород. В грубообломочных породах преоблада¬
ют обломки крупнее 1 мм.Грубообломочные рыхлые породы делят на несколько типов в
зависимости от размеров и формы обломочных частиц (табл. 7).Рис. 28. Форма пирокластических
обломков вулканического стекла
(размер в мм)62Таблица 7Классификация грубообломочных породПороды рыхлые | Породы цементированныеРазмер
обломков, ммс окатанными
обломками ;>1000Глыбы1000—100Валуны10—1ГалькаГравийс угловатыми
обломкамис окатанными
обломкамиНеоката.нныеглыбыНеокатанные
валуны
I Щебень
ДресваГлыбовые конг¬
ломератыВалунные конг¬
ломератыКонгломератыГравелитыс угловатыми
обломкамиГлыбовыебрекчииВалунныебрекчииБрекчииДресвяникиПесчаные породы состоят из обломочных зерен размером 0,1—1 мм.Алевритовые породы слагаются обломочными частицами разме¬
ром 0,1—0,01 мм.Рыхлые разности песчаных пород называют песками, алеврито¬
вых— алевритами; сцементированные породы — соответственнопесчаниками и алевролитами.Термины «алеврит» и «алевролит» предложены А. Н. Завариц-ким и являются в настоящее время общепринятыми.Песчаные и алевритовые породы классифицируются по разме¬
рам и минеральному составу обломочных зерен (табл. 8).Таблица 8Классификация песчаных и алевритовых пород по
гранулометрическому состалуПородыГранулометрическиегруппыРазмеры обломочных
верен, мм. Песчаные
АлевритовыеКрупнозернистыеСреднезернистыеМелкозернистыеКрупнозернистыеМелкозернистые1—0,50,5—0,250,25—0,10,1—0,050,05—0,01Зависимость прочности пород от их гранулометрического соста¬
ва показана на примере молодых песчаников долины верхнего Аму¬
ра (табл. 9).Наиболее распространены кальцитовый, опаловый, глинистыйприродные цементы.Обломочные породы с кремнистым (опаловым) цементом наибо¬
лее прочны и устойчивы против выветривания. Сравнительно высо¬
кой прочностью характеризуются породы с карбонатным цементом.63
Таблица 9Изменение предела прочности песчаников при сжатии
в зависимости от их гранулометрического состава (по Н. С. Красиловой)Прочность пород, МПаСтруктура песчаниковв воэдушно-сухомв водонасыщен¬послесостояниином состояниизамораживанияГ равелистая504025.Мелкозернистаяно6075Рыхлые обломочные породы — песок и гравий — применяют в
качестве заполнителей для бетона, в дорожном строительстве, для
железнодорожного балласта. Пески служат компонентом сырьевой
смеси в производстве стекла, керамических изделий и др. Песча¬
ные породы широко используют при возведении намывных плотин,
дамб и др.Большинство песчаников относятся к плотным, тяжелым и теп¬
лопроводным каменным материалам. Поэтому их применяют для
кладки фундаментов, стен неотапливаемых зданий, ступеней, тро¬
туаров, в качестве бутового камня, для изготовления огнеупорного
кирпича — динаса. Алевритовые породы находят меньшее примене¬
ние: лёсс используют для изготовления аглопорйта. Водостойкие
алевролиты употребляют как строительный камень.Глинистые породы сложены более чем на 50% частицами мель¬
че 0,01 мм, причем не менее 25% из них имеют размеры меньше
0,001 мм. Они характеризуются сложным минеральным составом.
Кроме этого, глинистые породы могут содержать обломочные зер¬
на кварца, полевых шпатов, слюд, а также гидроокислы, карбона¬
ты, сульфаты и прочие минералы. Наличие обломочной примеси ока¬
зывает существенное влияние на степень пластичности глины.За основу минералогической классификации глинистых пород
принимается состав глинистых минералов.Каолиновые глины сложены минералом каолинитом. Обычно эти
глины окрашены в светлые тона, жирные на ощупь, они малоплас¬
тичны, огнеупорны. Их разновидность — сухарные глины.Монтмориллонитовые глнны белого, светло-серого или желтова¬
то-зеленоватого цвета, жирные на. ощупь. Имеется две разновид¬
ности монтмориллонитовых глин — бентониты и флоридины. Для
первых характерно увеличение в объеме при поглощении воды в
40 раз. Гидрослюдистая глина увеличивается в 9 раз и каолиновая
не более чем в 3 раза. Флоридиновые глины обладают высокой
адсорбционной способностью.Полимиктовые глины характерны наличием двух или несколь¬
ких минералов, причем ни один из них не является преобладающим.
Они окрашены в бурые, коричневые, серые или зеленоватые тона.
Обычно содержат значительное количество песчаной и алевритовой64примеси и различные карбонаты, сульфаты, сульфиды, гидроокис¬
лы железа и т. п.Глины находят большое применение. Каолиновые глины являют¬
ся огнеупорными и их широко используют в керамической про¬
мышленности. Гидрослюдистые глины и глины полимиктового со¬
става применяют для изготовления кирпича, грубой керамики и
других изделий. Глины являются также компонентом сырьевой сме¬
си в производстве цемента. Глины используют как строительный
^ материал при возведении земляных плотин (экраны и пр.).§ 4. Осадочные хемогенные породыХемогенные породы. Среди пород химического происхождения
наиболее важными в строительном деле являются карбонатные,
сульфатные и аллитовые породы.В породах химического происхождения наиболее распростране¬
ны такие минеральные образования, как оолиты и сферолиты.
Оолиты — минеральные образования округлой или эллипсоидной
формы, характеризующиеся концентрически-слоистым строением.
Размеры оолитов до 2 мм (рис. 29). Сферолиты представляют
собой кристаллические агрегаты, состоящие из тонких игольчатых
кристаллов, расположенных радиально вокруг центра кристалли¬
зации.Важным структурным признаком для группы химических и био¬
химических пород является форма и размер зерна. По размеру зе¬
рен различают структуры кристаллически-зернистые (размер зерен
более 0,01 мм) и скрытокристаллические (размер зерен менее
0,01 мм).Карбонатные породы. Наиболее распространенными карбонат¬
ными породами являются известняки и доломиты. Известняк — по¬
рода, сложенная более чем на 50% кальцитом; доломит — порода,
состоящая более чем на 50% из доломита. В зависимости от коли¬
чественного соотношения в породе кальцита и доломита наблюда¬
ются постепенные переходы от чистых известняков к чистым доло¬
митам (табл. 10).Количество глинистой примеси в карбонатных породах может
колебаться в широких пределах. Порода, характеризующаяся при¬
близительно равным содержанием карбо¬
натного и глинистого материала, назы¬
вается мергелем. Переходные разности
карбонатно-глинистых пород показаны в
табл. 11.Наличие примесей оказывает большое
влияние на физико-механические свойст¬
ва карбонатных пород. Глинистое вещест¬
во при увлажнении понижает прочность
известняков. Кремнезем уменьшает раст¬
воримость известняков и повышает ихпрочность. Доломитизированные извест- рис. 29. Оолиты (х40)
3—664
Таблица 10Классификация иэвестково-доломитовых пород (по С. Г. Вишнякову)ПородаСодержание, %СаСО,CaMg(CO,),Известняк95—1005—0Известняк доломитистый75—9525—5Известняк доломитовый50—7550—25Доломит известковый25—5075—50Доломит известковистый10—2590—75Доломит0—5100—95Таблица 11Классификация карбоиатио-глииистых пород (по С. Г. Вишнякову)Содержание
глинистого
материала. %Известковый рядДоломитовый рядпородаСаСО,, %породаCaMg(CO,)lf %0—5Известняк95—100Доломит95—1005—25Известняк75—95Доломит гли¬75—95глинистыйнистый25—50Мергель50—75Мергель доломи¬50—75товый50—75Мергель гли¬25—50Мергель глинис¬25—50нистыйтый доломитовый75—95Глина из¬5—25Глина доломи¬5—25вестковаятовая95—100Глина01слГлина0—5няки характеризуются меньшей растворимостью и большей проч¬
ностью по сравнению с известняками, не затронутыми процессами
доломитизации. Примеси гипса, ангидрита и других легкораствори-
мых солей весьма нежелательны.Пористость плотных известняков не превышает десятых долей
процента, а рыхлых достигает 15—20%. Окраска известняков зави¬
сит от примесей и может быть различной: белой, желтоватой, бу¬
рой, серой, темно-серой до черной. Среди известняков, образовав¬
шихся химическим путем, выделяют хемогенные известняки, состоя¬
щие из кальцита, отложившегося в осадок чисто химическим пу¬
тем. Такими образованиями являются оолитовые известняки
(рис. 29), известковые туфы, а также некоторые микрозернистые
известняки.По внешнему виду доломиты похожи на известняки. Цвет доло¬
митов белый, желтовато-белый, светло-бурый. Для них характер¬
ны микрозернистые и кристаллически-зернистые структуры. По мак¬66роскопическому строению М. С. Швецов выделил пять разновиднос¬
тей доломитов: 1) микрозернистые; 2) с песчаниковидным изло¬
мом; 3) крупнозернистые; 4) мелкопористые и 5) доломитовая мука.Благодаря широкому распространению, легкой добыче и обра¬
ботке обыкновенные известняки, доломитизированные известняки
и доломиты применяют в строительстве чаще, чем другие породы.
Их используют в виде бутового камня для фундаментов, стен не¬
отапливаемых зданий или жилых домов в районах с теплым кли¬
матом, а наиболее плотные породы применяют в виде плит и фасон¬
ных деталей для наружных облицовок зданий. Известняковый
щебень часто используют в качестве заполнителя для бетона. Нако¬
нец, известняки широко применяют как сырье для получения, вяжу¬
щих веществ — извести и цемента. Доломиты используют для по¬
лучения вяжущих и огнеупорных материалов в цементной, стеколь¬
ной, керамической и металлургической промышленности.Сульфатные породы. Сульфатные породы состоят из сульфатных
соединений, выпадающих в осадок в случае увеличения их концен¬
трации в природных водах. Гипсовые и ангидритовые породы, как
раньше упоминалось, слагаются одноименными минералами —
гипсом и ангидритом, которые в природных условиях в результате
гидратации и дегидратации переходят друг в друга. Ангидрит отли¬
чается от гипса большей твердостью. Обычно он имеет светлые
цвета — белый, зеленоватый, светло-серый, серовато-голубоватый.
Гипс и ангидрит служат сырьем для получения вяжущих веществ,
иногда их применяют в виде облицовочных изделий.Аллитовые породы характеризуются высоким содержанием гли¬
нозема. В этой группе выделяют две главные породы: бокситы и
латериты.Бокситы. Породообразующими минералами бокситов являются
гидроокислы алюминия (гиббсит и диаспор). Бокситы характери¬
зуются большим разнообразием внешнего вида. Они могут быть
мягкими, рыхлыми, похожими на глину и плотными с раковистым
изломом. Пластичностью бокситы не обладают. Окраска обуслов¬
лена наличием гидроокислов железа. Чаще она бывает красная,
бурая, коричневая, зеленовато-серая. Используют для производст¬
ва алюминия, искусственных абразивов, огнеупоров, в качестве
адсорбента при очистке нефтепродуктов.Латериты состоят в основном из каолинита и гидроокислов же¬
леза, в меньшем количестве в них входят гидроокислы алюминия.
Цвет их красный, бурый или желтый. Высокая стойкость против
выветривания позволяет использовать их в качестве строительного
материала.§ 5. Осадочные органогенные породыК осадочным органогенным породам относятся биогенные крем¬
нистые породы и органогенные известняки. В породах биогенного
происхождения выделяют структуры биоморфную (цельнораковин¬
ную) и органогенно-детритовую (порода сложена обломками рако-3*67
вин). Значительно реже встречается органогенно-обломочная струк¬
тура, которая возникает в том случае, когда обломки раковинок
вследствие переноса приобретают окатанную форму.Кремнистые породы (силициты) сложены осадочным кремнезе¬
мом (опалом, халцедоном, кварцем). По морфологическому призна¬
ку выделяют пластовые и конкреционные кремнистые породы.Главными разновидностями пластовых кремнистых пород явля¬
ются диатомиты, радиоляриты, спонголиты, трепелы, опоки и яшмы.
Диатомиты — легкие светлые тонкопористые породы, состоящие из
опаловых скелетов диатомовых водорослей. Радиоляриты сложены
опаловыми скелетами радиолярий, по внешнему виду они не отли¬
чаются от диатомитов. Спонголиты состоят преимущественно из
опаловых спикул губок. Трепелы и опоки белые или серые, очень
легкие, похожи на каолиновую глину или мел и состоят из опала,
реже халцедона. Яшмы — массивные плотные неравномерно окра¬
шенные породы с характерным раковистым изломом, состоят они
из халцедона или мелкозернистого кварца с постоянной примесью
тонкорассеянных гидроокислов железа.Конкреционные кремнистые породы встречаются значительно
реже. Желваки или конкреции, сложенные осадочным кремнезе¬
мом, называются кремнями. Кремни могут быть рассеяны в раз¬
личных породах — известняках, песчаниках, глинах.Для кремнистых пород характерно водно-осадочное происхож¬
дение. Кремнезем, образовавшийся в результате химического вы¬
ветривания магматических пород, а также при вулканических из¬
вержениях, поступал в водоемы (морские, реже озерные) и отлагал¬
ся там благодаря коагуляции коллоидных растворов или в
результате жизнедеятельности организмов, потреблявших его для
построения скелетов.Кремнистые породы находят разнообразное практическое при¬
менение. Яшмы используют как декоративный камень и в строи¬
тельстве. Диатомиты, трепелы, опоки применяют для производства
теплоизоляционных материалов, в виде минеральных добавок к вя¬
жущим веществам (воздушной извести, портландцементу).Органогенные известняки могут быть сложены целыми ракови¬
нами или обломками раковин различных морских беспозвоночных,
а также остатками известковых водорослей. Органогенные извест¬
няки иногда слагают рифы. Рифостроящими организмами являются
преимущественно известковые водоросли, кораллы и др.Разновидность органогенных известняков — мел. Это микро-
зернистая слабосцементированная порода белого цвета.Известняки-ракушечники применяют в строительстве. Способ¬
ность легко распиливаться, небольшая объемная масса (от 800 до
1800 кг/м3), малая теплопроводность — все это позволяет умень¬
шать толщину наружных стен зданий по сравнению с кирпичны¬
ми, что снижает стоимость строительства.В Молдавии, Одесской области, ряде районов Крыма, Азербай¬
джана органогенные известняки-ракушечники являются распростра¬
ненным материалом для кладки стен; наиболее же плотные разно¬68видности известняков используют для кладки фундаментов, наруж¬
ной (отчасти и внутренней) облицовки стен, а щебень применяют
как заполнитель для бетона.Глава 9
МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
§ 1. Общая характеристикаМетаморфизмом называют преобразование горных пород, про¬
исходящее в недрах земной коры под влиянием высоких темпера¬
тур и давлений. В этих условиях может происходить перекристал¬
лизация минералов без их плавления.Главными факторами метаморфизма являются температура,
давление и химически активные вещества — растворы и газы, под
действием которых породы любого состава и генезиса (магматиче¬
ские, осадочные или уже ранее метаморфизованные) подвергаются
изменениям.При формировании структурно-текстурных особенностей мета¬
морфических пород велика роль направленного давления. При од¬
ностороннем давлении кристаллы деформируются в направлении,
перпендикулярном направлению наибольшего давления, и видоиз¬
мененные породы приобретают сланцевое строение (гнейс, глини¬
стые сланцы и т. п.). Образуются специфические структуры с ха¬
рактерной закономерной ориентировкой минералов.К химически активным веществам прежде всего относится вода
и углекислота, которые находятся в том или ином количестве поч¬
ти во всех горных породах в виде так называемых «поровых» или
«межзерновых» метаморфогенных растворов и газов. Перемещаясь
из областей высоких давлений в зоны низких давлений (обычно
снизу вверх), такие растворы активно участвуют в преобразовании
минералов и пород, являются переносчиками химических элемен¬
тов, тепла.§ 2. Главные породообразующие минералыМинералы, слагающие метаморфические породы, можно разде¬
лить на следующие группы: 1) минералы, широко распространен¬
ные как в метаморфических, так и в магматических породах (по¬
левые шпаты, кварц, слюда, роговая обманка, большинство пирок-
сенов, оливин и др.); 2) типичные для осадочных пород минералы
(кальцит, доломит); 3) минералы, которые могут находиться в маг¬
матических породах в качестве вторичных, а также слагать типич¬
ные метаморфические породы (серпантин и др.); 4) специфические
метаморфические минералы, присутствие которых возможно только
в глубоко преобразованных метаморфических породах.Процесс перекристаллизации породы в твердом состоянии назы¬
вается кристаллобластезом, а структуры, возникающие в результа¬
те такого процесса,— кристаллобластовыми.68
Катакластические структуры возникают в породе под действием
направленного давления, вызывающего дробление породы, не со¬
провождающееся перекристаллизацией. Среди катакластических
структур, выделяемых по степени раздробленности породы, наибо¬
лее типичными являются брекчиевидная, цементная и милонитовая.Брекчиевидная структура представляет собой начальную ста¬
дию дробления породы, характеризующуюся неравномерно раз¬
дробленным материалом, между различными по величине угловаты¬
ми обломками которого находится небольшое количество мелкооб¬
ломочного материала.Цементная структура характеризует более высокую стадию
дробления. Количество мелкообломочного и перетертого материа¬
ла увеличивается, и он начинает цементировать разобщенные круп¬
ные обломки ненарушенной первичной породы.Милонитовая структура свойственна наиболее высокой стадии
дробления породы: основная часть породы состоит из тонкопере-
тертого материала.Для метаморфических пород текстурный признак особенно ва¬
жен, так как он отчетливо отражает условия, при которых происхо¬
дило их преобразование. Этот признак существен также и при оцен¬
ке физико-механических свойств пород.Сланцеватые текстуры характеризуют обширную группу регио¬
нально метаморфизованных пород, формировавшихся при наличии
направленного давления. В зависимости от ориентировки минераль¬
ных зерен среди сланцеватых текстур выделяются: параллельно¬
сланцеватая текстура и волнистая сланцеватость.Линейная текстура свойственна породам, в составе которых име¬
ются удлиненные игольчатые минералы, ориентированные взаимно
параллельно.Очковая (линзовидная) текстура характеризуется наличием
крупных линзовидных зерен (агрегатов) кварца или полевого шпа¬
та, так называемых «очков», которые выделяются на фоне сланце¬
ватой основной ткани породы. Такая текстура свойственна некото¬
рым гнейсам.§ 3. Основные разновидности метаморфических горных породКристаллические сланцы имеют мелкозернистое строение с пол¬
ностью утраченными первичными текстурами и структурами. Цвет
их от темно- до светло-серого. Основная часть породы состоит из
зерен кварца, биотита и мусковита.Некоторые разновидности глинистых, кремнистых, слюдистых и
иных сланцев являются естественными кровельными материала¬
ми — кровельными сланцами. Эти сланцы легко раскалываются по
плоскостям сланцеватости на ровные и тонкие (2—8 мм) плоские
плитки. Они должны отвечать определенным требованиям: иметь
достаточную плотность и вязкость, твердость, малое водопоглоще-
ние, высокую водостойкость, стойкость против выветривания. Плот¬
ность кровельных сланцев — около 2,7—2,8, пористость — 0,3—3%,70предел «прочности .при, сжатии — 50—240 МПа. Большое значение
имеет также прочность на излом перпендикулярно сланцеватости.Кровельные сланцы используют в производстве кровельных пли-
ток и некоторых строительных деталей (плит для внутренней обли¬
цовки помещений, лестничных ступеней, плит для пола, подоконных
досок и т. п.).Гнейсы — породы метаморфического генезиса, образовавшиеся
при температуре 600—800°С и высоком давлении. Исходными яв¬
ляются глинистые и кварц-полевошпатовые породы. В состав гней¬
сов входят следующие минералы: кварц, биотит, роговая обманка,
полевые шпаты. Текстура — массивная, полосчатая, структура —■
разнозернистая.Гнейсы по механическим и физическим свойствам в свежем ви¬
де не уступают гранитам, однако сопротивление на излом парал¬
лельно сланцеватости у них в 1,5—2 раза меньше, чем в перпенди¬
кулярном направлении. По плоскостям сланцеватости они раска¬
лываются на плиты, легко расслаиваются при замерзании и
оттаивании. Гнейсы характеризуются предпочтительно слабым раз¬
витием сланцеватой или гнейсовой текстур, чечевицеобразным рас¬
положением слюдистых и грубой (но не тонкой) пластовой отдель¬
ностью.Применяют гнейсы при бутовой кладке, для кладки фундамен¬
тов, в качестве материала для щебня и отчасти в виде плит для мо¬
щения дорог. Щебень из сильно сланцеватого гнейса не используют
для бетона и дорожного строительства, так как он получается не¬
пригодным по форме зерен.Кварцитами называют мелкозернистые кварцевые или кремни¬
стые песчаники, в которых и цементируемое вещество, и цемент
представлены минералами кремнезема, макроскопически неразличи¬
мыми между собой и сливающимися в сплошную плотную массу с
занозистым или раковистым изломом. Образование таких кварци¬
тов связано с перекристаллизацией осадочных песчаников в про¬
цессе регионального метаморфизма. От них отличают кремнистые
песчаники, состоящие из обломочных зерен кварца, цементирован¬
ных тонкозернистыми агрегатами кварца, халцедона и опала.Кварцевые и кварцитовидные песчаники и кварциты содержат
95—99% Si02. Важным свойством их является высокая огнеупор¬
ность — до 1710—1770°С. Механическая прочность песчаников варь¬
ирует в очень широких пределах, а у кварцитов она более постоян¬
ная и высокая; предел прочности при сжатии у песчаников — 10—
371 МПа, у кварцитов — 100—455 МПа.Кварциты в основном применяют в производстве динаса. Ди¬
нас— кислый огнеупор, выдерживающий под нагрузкой температу¬
ру до 1550—1650°С без деформаций. Его изготавливают из квар¬
цитов и кварцевых песчаников, содержащих не менее 95—97% Si02
на известковой, известково-железистой или иной связке.В строительстве кварциты используют в качестве стенового кам¬
ня, подферменных камней в мостах, бута, щебня и брусчатки, а
кварциты с красивой и неизменяющейся окраской — для облицов-71
ки зданий. Кварциты, применяемые в качестве кислотоупорного
материала, должны обладать высокой кислотоупорностью и малой
пористостью.Кварциты практически распространены по всему Советскому
Союзу, но разрабатывают их в экономически освоенных районах.Мрамор — мелко-, средне- и крупнозернистая плотная карбонат¬
ная порода, состоящая главным образом из кальцита и представ¬
ляющая собой перекристаллизованный известняк. Прочность на
сжатие — 100—300 МПа, но легко поддается обработке. Вследст¬
вие малой пористости хорошо полируется.Мрамор широко применяют для внутренней отделки, стен зда¬
ний, ступеней лестниц и т. п. В виде песка и мелкого щебня (крош¬
ки) его используют для цветных штукатурок, облицовочного деко¬
ративного бетона и т. п. В условиях сульфатной коррозии для на¬
ружных облицовок мрамор не применяют.Добывают мрамор на Урале, в Крыму, Карелии, Средней Азии,
ка Дальнем Востоке, в Армении, Азербайджане, Грузии и других
районах Советского Союза.Глава 10ОБРАБОТКА И КЛАССИФИКАЦИЯ
ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ§ 1. Обработка природных каменных материаловПриродные каменные материалы и изделия получают из горных
пород путем механической обработки (дробления, распиливания,
раскалывания и т. п.), после которой почти полностью сохраняет¬
ся структура и свойства исходной породы.По виду обработки природные каменные материалы можно раз¬
делить на следующие основные виды: грубообработанные камен¬
ные материалы (бутовый камень, валунный камень, щебень, гравий
и песок); изделия и профилированные детали из природного кам¬
ня; штучный камень и блоки правильной формы (для кладки стен
и др.); плиты с различно обработанной поверхностью (облицовоч¬
ные для стен, чистого пола и др.); профилированные детали (сту¬
пени, подоконники, пояски, наличники, капители колонн и т. п.);
изделия для дорожного строительства (бортовой камень, брусчат¬
ка, шашка для мощения).По способу изготовления природные каменные материалы и из¬
делия можно разделить на: пиленые (стеновые камни и блоки, об¬
лицовочные плиты и плиты для пола) и колотые (бортовые камни,
камни тесаные, брусчатки, шашка для мощения и др.).Используя ударную и абразивную обработку, природному кам¬
ню придают ту или иную фактуру — различный характер поверх¬
ности.Ударная обработка заключается в окалывании поверхности кам¬
ня с помощью камнетесного инструмента со сменными наконечни¬72ками: для тески пользуются широким долотом — скарпелью, скалы¬
вание неровностей производят спицей — остроконечным долотом,
для чистой обработки лицевой поверхности применяют бучарду со
средней или мелкой насечкой.Ударная обработка дает возможность получить следующие фак¬
туры (рис. 30): фактуру скалы с буграми и впадинами, как при
естественном расколе породы; рифленую■ с правильным чередова¬
нием гребней и впадин глубиной до 2 мм; бороздчатую — с парал¬
лельными прерывистыми бороздками глубиной 0,5—1 мм; точеч¬
ную — шероховатую с точечными углублениями 0,5—2 мм.Рис. 30. Виды фактур камня:
а — бугристая фактура скалы; 6 — рифленая; в —■ бороздчатая; г — точечнаяАбразивная обработка включает распиливание, фрезерование,
шлифовку и полировку.Выпиливание штучных стеновых камней и блоков из пористых
пород производят камнерезными машинами. Режущими элемента¬
ми машин являются дисковые пилы. Быстровращающиеся стальные
диски имеют на ободе резцы, армированные твердыми сплавами
или алмазами.Распиливание блоков из мрамора, известняка и других пород
ведут при помощи рамных пил, армированных твердосплавными
вставками или снабженных алмазными резцами. Алмазные резцы
увеличивают скорость резания в 5—10 раз и снижают расход элект¬
роэнергии в 2—2,5 раза по сравнению с резцами карборундовыми
или из твердых сплавов. Кроме того» алмазные резцы позволяют73
значительно увеличить выход готовой продукции. Ширина пропи¬
ла сокращается примерно в 3 раза, а расход сырья — на 12—18%.
Алмазными резцами можно изготовлять тонкие плиты толщиной
всего 5—10 мм, поэтому из 1 м3 камня получают 40—45 м2 плит,
что обусловливает их низкую себестоимость. К тому же обеспечи¬
вается высокая чистота поверхности резания.Для получения профилированных изделий (ступеней, поясков,
карнизов и т. п.) на камнеобрабатывающих заводах применяют
камнефрезерные и универсальные профилирующие машины.Шлифовку и полировку производят на шлифовально-полиро¬
вальных станках с вращающимися дисками, которые перемещают
по поверхности изделия. Шлифуют с применением зернового абра¬
зива: корунда, карборунда или мелких пылевидных алмазов, при¬
менение которых, как и при распиливании, увеличивает произво¬
дительность оборудования. После шлифовки камень имеет гладкую
матовую поверхность.Полировка осуществляется войлочными полировальными диска¬
ми с использованием мастик и тонких полирующих порошков из
окислов металлов (хрома, олова, железа и др.) или азотнокислого
олова. После полировки поверхность плотного камня становится
зеркально гладкой.Абразивная обработка дает фактуры: пиленую — с тонкими
штрихами и бороздками глубиной до 2 мм; шлифованную — равно¬
мерно шероховатую с глубиной рельефа до 0,5 мм; лощеную— глад¬
кую бархатисто-матовую с выявленным рисунком камня, зеркаль¬
ную — гладкую с зеркальным блеском.Для обработки некоторых видов горных пород применяют тер¬
мический метод, основанный на воздействии струи газа с высокой
температурой. Она достигается сжиганием бензина в воздушной
струе. При обработке бензовоздушными термоотбойниками камень
нагревается неравномерно и возникающие термические напряже¬
ния вызывают скалывание верхнего слоя. В некоторых случаях с
помощью термической обработки оплавляется поверхностный слой
камня, что позволяет получить своеобразную «глазурованную»
фактуру и изменить естественный цвет породы.§ 2. Классификация природных каменных материалов
по техническим свойствамОбъемная масса. По показателям объемной массы природные
камни делятся на легкие и тяжелые. Легкие камни объемной мас¬
сой не более 1800 кг/м3 имеют пористое строение (вулканический
туф, пемза, известняк-ракушечник) и поэтому применяются пре¬
имущественно в виде штучного камня и блоков для стен зданий
и щебня для легких бетонов.Тяжелые камни объемной массой более 1800 кг/м3 плотного
строения (из гранита, сиенита, диорита и т. п.) служат облицовкой
и используются в виде плит пола, материалов и изделий для гид¬
ротехнического и дорожного строительства.74Прочность. По пределу прочности при сжатии образцов в воз¬
душно-сухом состоянии природные каменные материалы делят на
марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600,
800 и 1000. Марки с 4 до 200 свойственны легким камням различной
пористости.Морозостойкость. По числу циклов попеременного заморажива¬
ния и оттаивания, выдержанных образцами в условиях стандарт¬
ного испытания, природные каменные материалы разделяют на
марки по морозостойкости: МрзЮ, Мрз15, Мрз35, МрзЮО, Мрз150,
Мрз200, МрзЗОО и Мрз500. Высокую морозостойкость имеют плот¬
ные камни с равномерно-зернистой структурой. Камни с неравно¬
мерным порфировым строением быстрее растрескиваются при рез¬
ких изменениях температуры вследствие различия коэффициентов
температурного расширения мелкокристаллической массы и круп¬
ных вкрапленников. Свежедобытые известняки, доломиты, песча¬
ники, туфы легко разрушаются от мороза вследствие того, что их
поры заполнены «горной влагой» и коэффициент насыщения пор
водой близок к 1. После естественной просушки они оказываются
достаточно морозостойкими и более прочными.Водостойкость. Коэффициент размягчения камня, применяемо¬
го для гидротехнических сооружений и фундаментов, должен быть
не менее 0,8, для наружных стен зданий — не менее 0,6.Истираемость и износ. Эти свойства природного каменного ма¬
териала имеют важное значение при устройстве дорожных покры¬
тий, полов, лестниц и т. п. Мелкокристаллические материалы при
истирании становятся слишком скользкими, поэтому для лестниц,
полов и дорожных покрытий следует применять среднезернистые
материалы, которые при истирании остаются немного шероховаты¬
ми. При выкрашивании крупных зерен в процессе истирания в кам¬
не образуются выбоины.Огнестойкость зависит от минерального состава камня. Некото¬
рые материалы при повышенной температуре разлагаются (гипс
при 100°С, известняк при 900°С), другие (например, гранит, пор¬
фиры) растрескиваются при .пожаре вследствие различного тепло¬
вого расширения составляющих их минералов.Глава 11
ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Грубообработанные каменные материалыБутовый камень (бут) — куски камня неправильной формы,
размером не более 50 см по наибольшему измерению. Бутовый ка¬
мень может быть рваный (неправильной формы) и постелистый.
Для получения рваного бута и щебня разработку пород осущест¬
вляют преимущественно взрывным способом. Плитняковый бут по¬
лучают из пород пластового залегания. Крупные отдельности та-75
кой породы, ограниченные трещинами, отделяют экскаватором с
последующей развалкой кусков до требуемых размеров камне-
колъным инструментом.Бутовый камень получают разработкой местных осадочных и
изверженных пород, отвечающих проектным требованиям в отно¬
шении прочности, морозостойкости и водостойкости. Бут из осадоч¬
ных пород (известняков, доломитов, песчаников) не должен содер¬
жать примесей глины, рыхлых прослоек и включений пирита.Из бута возводят плотины и другие гидротехнические сооруже¬
ния, его применяют для подпорных стенок, кладки фундаментов и
стен неотапливаемых зданий. Большое количество бутового камня
перерабатывается в щебень.Щебень — куски камня размером 5—70 мм (для гидротехниче¬
ского строительства до 150 мм). Получают его дроблением бутово¬
го камня. Для обеспечения нужного зернового состава щебня про¬
цесс дробления осуществляют в несколько стадий. Встречается и
природный щебень, называемый дресвой.Гравий состоит из окатанных зерен тех же размеров, что и у
щебня. Его получают просеиванием рыхлых осадочных пород, в не¬
обходимых случаях применяют промывку для удаления вредных
примесей (глины, пыли).Песок состоит из зерен различных минералов (кварца, полевого
шпата, слюды и др.) с размерами 0,14—5 мм. Применяют природ¬
ные и искусственные (дробленые) пески.Щебень, гравий и песок используют в качестве заполнителей
для бетонов.§ 2. Штучные камни и блоки для стенСтеновые камни получают из туфов и пористых известняков пу¬
тем выпиливания механизированным способом из массива горной
породы или распиловки блоков — заготовок. Камни применяют для
кладки наружных и внутренних стен и перегородок.Основные размеры стеновых камней: 390X190X188, 490Х
X 240X188, 390X190X288 мм. Каждый такой камень заменяет в
кладке 8—12 кирпичей. Целесообразно изготовлять и применять
стеновые блоки объемом не менее 0,1 м3 из туфа, известняка, доло¬
мита, песчаника или пористого андезита (рис. 31). Укрупнениекам-76Рис. 31. Блоки:
о — колотый; б — тесаный; а — пиленыйней уменьшает затраты труда, позволяет перейти к индустриаль¬
ным методам строительства. Стены из мелкопористого природного
камня не требуют наружной штукатурки или облицовки.Для наружных стен применяют камни объемной массой не бо¬
лее 2100 кг/м3. Несущие стены кладут из камня М35—400, а для
заполнения каркаса многоэтажных зданий и в малоэтажном строи¬
тельстве пригоден камень М4—25. Внутренние стены, фундаменты,
■стены подвалов выполняют из камня объемной массой не более
2300 кг/м3. Водопоглощение камня должно быть не более 30%, мо¬
розостойкость — не менее Мрз15.§ 3. Камни и плиты для облицовкиДля облицовки гидротехнических сооружений, набережных, ус¬
тоев мостов, цокольной части монументальных зданий применяют
камни и плиты из гранита и других изверженных пород, которым
свойственна высокая морозостойкость, прочность и твердость. Кам¬
ни для облицовки могут быть плитообразные (толщиной 15—25 см)
я утолщенные пирамидального вида (толщиной 30 см и более).Наружная облицовка зданий может выполняться из атмосферо-
■стойких осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников,
туфов), которые легче поддаются обработке и экономнее гранит¬
ных пород. Для внутренней облицовки общественных зданий и со¬
оружений (например, станций метрополитена) широко используют
плиты, получаемые из хорошо распиливающихся пород: мрамора,
ангидрида,гипса.Плиты для наружной облицовки имеют толщину 4—8, для внут¬
ренней— 1,2 — 4 см. Применение алмазных резцов позволяет изго¬
товлять тонкие (5—10 мм) экономичные плиты, стоимость кото¬
рых в 2—4 раза ниже, чем обычных. Тонкие плиты находят широ¬
кое применение, особенно для внутренней облицовки.Специальные облицовки применяют для защиты от коррозии и
действия высоких температур. Для защиты от растворов кислот
(кроме плавиковой и кремнефтористоводородной) используют ан¬
дезит, гранит, сиенит, диабаз, кварцит, кремнистый песчаник и дру¬
гие кислотостойкие породы. Щебень из этих пород служит заполни¬
телем в кислотоупорном бетоне. В жароупорном бетоне используют
заполнители из таких пород (хромита, базальта, диабаза, туфа),
которые не содержат кварца.Цокольные плиты, а также детали карнизов, поясков и других
выступающих частей сооружений изготовляют из стойких пород.
Эти изделия не должны иметь волосных трещин, им придается та¬
кая форма, чтобы на них не задерживалась вода от дождя и таю¬
щего снега.Плиты для полов и каменных ступеней внутренних лестниц
должны иметь высокие износостойкость и декоративные свойства,
соответствующие архитектуре интерьера.77
§ 4. Камни для гидротехнических сооруженийПриродные каменные материалы применяют в больших количе¬
ствах для сооружения плотин, причалов, молов, пирсов, шлюзов.
В зоне переменного уровня воды условия службы материала осо¬
бенно неблагоприятны: камень испытывает многократное замора¬
живание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Защитную
облицовку в этой зоне устраивают из плотных изверженных пород,
имеющих водопоглощение не более 1%, марку по прочности — не
ниже 800—1000 и по морозостойкости — Мрз150 — МрзЗОО в зави¬
симости от класса сооружения, климатических и Других условий
эксплуатации. Соответствующим требованиям должны удовлетво¬
рять и материалы для каменных набросных плотин. Внутренние
части набросок можно сделать из камня, полученного из осадочных
пород М300—600 с коэффициентом размягчения не менее 0,7—0,8.
Каменные материалы проверяют на влияние веществ, растворен¬
ных в воде (морской,грунтовой, речной, болотной).§ 5. Дорожные каменные материалыБортовые камни, отделяющие проезжую часть дороги от тротуа¬
ра, изготовляют из плотных изверженных пород (гранита, диабаза
и т. п.), отличающихся высокой морозо- и износостойкостью и
прочностью. Бортовые камни бывают прямые и лекальные, высо¬
кие— до 40 см и низкие — до 30 см. Эти камни применяют вместо
бетонных при соответствующем технико-экономическом обосно¬
вании.Брусчатка для мощения дорог имеет форму бруска, слегка су¬
живающегося книзу. Брусчатку изготовляют механизированным
способом из однородных мелко- и среднезернистых пород (диабаза
и др.). Из таких же пород изготовляют шашку для мозаиковой
мостовой (приближающуюся по форме к кубу) и шашку для мо¬
щения (в виде усеченной пирамиды).Тротуарные плиты изготовляют из гнейсов и подобных ему сло¬
истых горных пород. Они имеют форму прямоугольной или квад¬
ратной плиты со стороной 20—80 см с ровной поверхностью лица
и постели толщиной не менее 4 см и не более 15 см.§ 6. Каменные кислотоупорные и литые изделияНекоторые магматические и метаморфические (кварциты) гор¬
ные породы используют для футеровки разнообразных установок и
аппаратов, подвергающихся действию кислот, щелочей, солей и
агрессивных газов, а также испытывающих влияние высоких и рез¬
ко меняющихся температур и давлений. Кислотоупорные породы
идут на изготовление тесаных плит, кирпичей, брусков и фасон¬
ных изделий, а в дробленном и размолотом виде служат в качестве
заполнителей и наполнителей в кислотоупорном бетоне, являются
составными частями кислотоупорных цементов.78В соответствии с назначением применяемые горные породы
должны удовлетворять определенным требованиям, а именно:
1) быть кислотоупорными, т. е. хорошо сопротивляться воздейст¬
вию различных кислот и других реагентов; это свойство оценива¬
ется по растворимости порошка породы в концентрированных
кислотах (соляной, серной) при нагревании; 2) иметь высокую ог¬
неупорность; 3) обладать достаточным сопротивлением сжатию и
изгибу, а также вязкостью; 4) выдерживать резкие колебания тем¬
ператур.Из изверженных горных пород кислотоупорными являются глав¬
ным образом кислые мелкокристаллические, к которым относятся
бештаунит, андезиты, граниты и некоторые туфы, а из метаморфи¬
ческих — кварциты.Применение кислотоупорного штучного камня ограничено его
высокой стоимостью, обусловленной трудностью добычи и обработ-
кй, а также малым выходом готовой продукции из горной массы.
Полноценным заменителем камня служит значительно более деше¬
вый кислотоупорный бетон. Со штучным тесаным камнем соперни¬
чает также искусственный литой камень (базальтовый, диабазо¬
вый).При камнелитейном производстве, минуя трудоемкую и дорого¬
стоящую механическую обработку, путем плавления и отливки
камню придают необходимую форму, сохраняя или даже улучшая
при этом его первоначальные свойства. Для этой цели применяют
магматические породы, преимущественно базальты и диабазы.Производство литого камня состоит из расплавления, отливки в
формы, кристаллизации и охлаждения. Плавление исходного кам¬
ня, раздробленного до кусков размерами 50—150 мм, производит¬
ся в пламенных или дуговых электропечах при температурах
1350—1450°С. Полученный однородный расплав застывает в виде
стекловидной хрупкой массы. Чтобы избежать этого, форму с рас¬
плавом помещают в специальную обжигательную печь для отжига,
где отливку выдерживают при температуре 900—1000°С в течение
определенного времени. Цель обработки — получить изделие с крис¬
таллической структурой и снять внутренние напряжения, возник¬
шие при отливке. Лишь затем отливка медленно охлаждается и в
случае, если требуется изделие точных размеров, подвергается
механической обработке.Отливки из расплавленных горных пород характеризуются вы¬
сокими показателями механической прочности, плотностью, морозо¬
стойкостью и кислотоупорностью, нередко лучшими, чем у исход¬
ной породы.Из плавленых пород получают разнообразные изделия: плиты
для полов и тротуаров, лестничные ступени, плиты для облицовки
стен, электроизоляторы, разнообразные детали для аппаратуры в
химической промышленности, кислотоупорные трубы и желоба, ша¬
ры для шаровых мельниц и т. п. Литой базальт иногда применяется
как заменитель металла.79
§ 7. Предохранение каменных материалов от разрушенияОсновные причины разрушения природных каменных материа¬
лов в сооружениях: замерзание воды в порах и трещинах, вызы¬
вающее внутренние напряжения; частое изменение температуры и
влажности, вызывающее появление в материале микротрещин; рас¬
творяющее действие воды и понижение прочности при водонасы-
щении; химическая коррозия, происходящая под действием газов,
содержащихся в атмосфере (S02, С02 и др.), и веществ, раство¬
ренных в грунтовой или морской воде.Конструктивную защиту открытых частей сооружений (цоко¬
лей, карнизов, поясков, столбов, парапетов) сводят к приданию им
такой формы, которая облегчает отвод воды. Этому же способству¬
ет гладкая полированная поверхность облицовки и профилирован¬
ных деталей. Стойкость пористых каменных материалов, которые
не полируются, повышают путем пропитки поверхностного слоя
уплотняющими составами и нанесения на лицевую поверхность гид-
рофобизующих (водоотталкивающих) составов. Кремнефториза-
цию (или флюатирование) применяют для повышения стойкости
наружной облицовки и других материалов, полученных из карбо¬
натных пород. При пропитывании известняка раствором флюата(соли кремнефтористоводородной кислоты) происходит химическая
реакция2СаС03 + MgSiFe = 2CaF2 + MgF2 + SiОг + 2C02 fПолученные нерастворимые в воде вещества CaF2, MgF2 и Si02
отлагаются в порах и уплотняют лицевой слой камня. В результате
этого уменьшается его водопоглощение и возрастает морозостой¬
кость; облицовка из камня меньше загрязняется пылью.Некарбонатные пористые каменные материалы предварительно
обрабатывают водными растворами кальциевых солей (например,
СаС12), а после этого пропитывают флюатами.Каменные материалы из песчаников обрабатывают, применяя
вначале раствор калийного мыла, а затем раствор уксуснокислого
глинозема. В результате химического взаимодействия этих веществ
в порах и на поверхности камня образуется алюминиевая соль жир¬
ной кислоты, практически не растворимая в воде.Гидрофобизация, т. е. пропитка гидрофобными составами (на¬
пример, кремнийорганическими жидкостями), понижает проникно¬
вение влаги в пористый камень, в частности, при капиллярном под¬
сосе.Начинают применять для защиты камня от коррозии пленкооб¬
разующие полимерные материалы — прозрачные и окрашенные.РАЗДЕЛ 111КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯГлава 12
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯКерамическими называют каменные изделия, получаемые из
минерального сырья путем формования и обжига его при высокихтемпературах.Термин «керамика» происходит (по П. П. Будникову) от слова
«керамейя», которым в Древней Греции называли искусство изго¬
товления изделий из глины. И теперь в керамической технологии
используют главным образом глины, но наряду с ними применяют
и другие виды минерального сырья, например чистые окислы
(окисная техническая керамика). Керамические материалы явля¬
ются самыми древними из всех искусственных каменных материа¬
лов. Черепки грубых горшечных изделий находят на месте поселе¬
ний каменного века. Возраст глиняного кирпича как строительногоматериала — около 5000 лет.В современном строительстве керамические изделия применяют
почти во всех конструктивных элементах зданий, облицовочные и
другие материалы используют в сборном домостроении. Богатство
эстетических возможностей керамики обеспечили ей видное место
в отделке фасадов зданий и внутренних помещений. Керамиче¬
ские пористые заполнители — это основа прогрессивных легких бе¬
тонов. Санитарно-технические изделия, посуду из фарфора и фаян¬
са широко используют в быту. Специальная керамика необходима
для химической и металлургической промышленности (кислото¬
упорные и огнеупорные изделия), для электропромышленности и
радиоэлектроники (электроизоляторы, полупроводники и др.), ее
применяют в ракетной и других отраслях новой техники.Советская наука в области керамики получила развитие в рабо¬
тах А. И. Августиника, Д. С. Белянкина, П. П. Будникова, П. А. Зе-мятченского и др.Керамические строительные изделия в зависимости от их струк¬
туры разделяют на две основные группы: пористые и плотные. По¬
ристые керамические изделия поглощают более 5% воды (по мас¬
се), в среднем их водопоглощение составляет 8—20% по массе или14—36% по объему. Пористую структуру имеют стеновые, кровель¬
ные и облицовочные материалы, а также стенки дренажных труб
и др. Плотные керамические изделия поглощают менее 5% воды,
чаще всего 1—4% по массе или 2—8% по объему. Плотную струк¬
туру имеют плитки для пола, дорожный кирпич, стенки канализа¬
ционных труб и др.81
По назначению керамические материалы и изделия делят на
следующие виды: стеновые изделия (кирпич, камни пустотелые и
панели из них); кровельные изделия (черепица); изделия для пе¬
рекрытий; изделия для облицовки фасадов (лицевой кирпич, мало¬
габаритные и другие плитки, наборные панно, архитектурно-худо-
жественные детали); изделия для внутренней облицовки стен (гла¬
зурованные плитки и фасонные детали к ним — карнизы, уголки,
пояски); заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит);
теплоизоляционные изделия (перлитокерамика, ячеистая керамика,
диатомитовые и др.); санитарно-техническйе изделия (умываль¬
ные столы, ванны, унитазы); плитка для пола; дорожный кирпич;
кислотоупорные изделия (кирпич, плитки, трубы и фасонные части
к ним); огнеупоры; изделия для подземных коммуникаций (канали¬
зационные и дренажные трубы).Приведенная классификация показывает широкое распростра¬
нение керамических материалов и изделий в строительстве. Не все
они одинаковы по своему значению для индустриального строитель¬
ства. Быстро развивается производство материалов и изделий ин¬
дустриального применения (пористые заполнители для бетона, фа¬
садная керамика, теплоизоляционные изделия). Стеновые керами¬
ческие изделия еще сохраняют видное место в строительстве. Не
развивается и даже сокращается производство керамических изде¬
лий, успешно заменяемых более эффективными материалами (до¬
рожный кирпич, черепица и др.).Глава 13
СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ§ 1. Глинистые материалыВажнейшими сырьевыми материалами для производства кера¬
мических изделий являются каолины и глины, применяемые в чис¬
том виде, а чаще — в смеси с добавками (отощающими, порообра-
зующими, плавнями, пластификаторами и др.). Под каолинами и
глинами понимают природные водные алюмосиликаты с различ¬
ными примесями, способные при замешивании с водой образовы¬
вать пластичное тесто, которое после обжига необратимо перехо¬
дит в камнеподобное состояние.Каолины. Каолины состоят почти исключительно из минерала
каолинита (Al203-2Si02-2H20) и содержат значительное количе¬
ство частиц меньше 0,01 мм; после обжига сохраняют белый или
почти белый цвет.Глины. Резкого разграничения между каолинами и глинами
провести нельзя. Некоторые глины (например, огнеупорные) близ¬
ки к каолинам по составу и свойствам. Все же глины более разно¬
образны по минеральному составу, они больше загрязнены мине¬
ральными и органическими примесями. Глинистое вещество (с час¬82тицами меньше 0,005 мм) состоит преимущественно из каолинита
и родственных ему минералов — монтмориллонита (Al203-4Si02X
ХпН20), галлуазита (Al203-2Si02-4H20) и др. Тонкодисперсные
водные силикаты глинозема находятся в кристаллической и отча¬
сти коллоидальной формах. Возможно присутствие в глинах мине¬
ральных коллоидов в виде несвязанных А120з и Si02 с переменным
количеством воды, а также коллоидальных органических веществ,
например гумуса.Содержание тонких частиц определяет пластичность и другие
свойства глин. Высокопластичные глины содержат частицы разме¬
ром менее 0,005 мм 80—90% и частицы менее 0,001 мм — 60% и
более, в то время как в умеренно пластичных глинах находится
лишь 30—60% частиц размером до 0,005 мм. Более крупные зерна
пыли (до 0,14 мм) слюды и песка (0,14—5 мм) снижают пластич¬
ность глин. В глинах могут быть примеси, снижающие температуру
плавления (их называют плавнями). Это углекислый кальций, по¬
левой шпат, Fe(OH)3, Fe203 и др. Камневидные включения СаС03
являются причиной появления «дутиков» и трещин в керамических
изделиях, так как гидратация СаО, получившейся при обжиге
керамических изделий, сопровождается увеличением ее кажуще¬
гося объема. Часто встречающаяся примесь окиси железа придает
глине привычную красную окраску, водная окись железа сообщает
буро-желтый цвет. Вообще же окраски глин весьма разнообразны:
от белой, коричневой, зеленой, серой до черной. Окраска глин зави¬
сит от примесей как минерального, так и органического происхож¬
дения, богатых углеродом.Бентонитами называют высокодисперсные глинистые породы с
преобладающим содержанием монтмориллонита. Содержание в
них частиц размером меньше 0,001 мм достигает 85—90%.§ 2. 0тощающие материалыОтощающие добавки вводятся в состав керамической массы для
понижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усад¬
ки глин. В качестве отощающих добавок используют шамот, деги¬
дратированную глину, песок, золу ТЭС, гранулированный шлак.Шамот — это зернистый керамический материал (с зернами
0,14—2 мм), получаемый измельчением глины, предварительно
обожженной при той же температуре, при которой обжигаются из¬
делия. Его можно получить, измельчая отходы обожженного кирпи¬
ча. Шамот улучшает сушильные и обжиговые свойства глин, поэ¬
тому его применяют для получения высококачественных изделий —
лицевого кирпича, огнеупоров и т. д.Дегидратированная глина при температуре 700—750°С, добав¬
ляемая в количестве 30—50%, улучшает сушильные свойства сыр¬
ца и внешний вид кирпича.Песок (с зернами 0,5—2 мм) добавляют в количестве 10—25%,
при большей добавке песка снижается прочность и морозостой¬
кость керамических изделий.83,
Гранулированный шлак (с зернами до 2 мм) является эффек¬
тивным отощителем глин при производстве кирпича.Роль отощителей выполняют также золы ТЭС и выгорающие
добавки.§ 3. Выгорающие и пластифицирующие добавкиВыгорающие добавки: древесные опилки (бурые угли, отходы
углеобогатительных фабрик, золы ТЭС и лигнин) не только повы¬
шают пористость стеновых керамических изделий, но также способ¬
ствуют равномерному спеканию керамического черепка. Благодаря
этому снижается процент недожога. Большого эффекта добиваются,
сочетая различные добавки. Например, лигнин (отход производст¬
ва древесного спирта) комбинируют с опилками или углем, повы¬
шая трещиностойкость изделий в период сушки и обжига.Пластифицирующими добавками являются высокопластичные
глины, бентониты, а также поверхностно-активные вещества—■
сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) и др.§ 4. Глазури и ангобыГлазури представляют собой стекла, используемые для поверх¬
ностного покрытия керамических изделий. Главными сырьевыми
компонентами глазури являются: кварцевый песок, коалин, поле¬
вой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов, окислы
свинца, борная‘кислота, бура и др. Их применяют либо в сыром
виде, либо сплавленными — в виде фритты. Окислы свинца заме¬
няют менее вредной окисью стронция.Ангоб приготовляют из белой или цветной глины и наносят тон¬
ким слоем на поверхность еще не обожженного изделия. При об¬
жиге ангоб не плавится, поэтому цветная поверхность получается
матовой. Ангоб по своим свойствам должен быть близок к основ¬
ному черепку.Глава 14
СВОЙСТВА ГЛИН КАК СЫРЬЯ ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКИХ
ИЗДЕЛИЙ
§ 1. Пластичность и связующая способность глинГлина, замешанная с определенным количеством воды, образу¬
ет глиняное тесто, обладающее связностью и пластичностью. При
смачивании сухой глины ощущается характерный запах увлажняе¬
мой земли и выделение тепла. Молекулы воды (диполи) втягива¬
ются между чешуйчатыми частицами каолинита и расклинивают
их (рис. 32), вызывая набухание глины. Тонкие слои воды между
пластинчатыми частицами глинистых минералов обусловливают
характерные свойства глиняного теста. Это подтверждает следую¬«4щий опыт. Расплющим между двумя чистыми стеклянными плас¬
тинками каплю воды и теперь почувствуем, как нелегко оторвать
пластинки друг от друга (рис. 33). Однако сопротивляясь отрыву,
пластинки легко скользят при сдвиге, причем слой воды играет
роль смазки, облегчающей скольжение, поэтому глина, смешанная
с водой, дает легко формующуюся пластич¬
ную массу.Пластичностью глины называют ее свой¬
ство во влажном состоянии принимать под
влиянием внешнего воздействия желаемую
форму без образования разрывов и трещинРис. 32. Схема расклинива¬
ющего действия адсорби¬
руемой воды:1 — слипшиеся глинистые части¬
цы с отрицательными зарядами
на концах; 2 — дипольная мо¬
лекула воды (по М. И. Рого¬
вому)Рис. 33. Схема опыта, по¬
казывающего особые
свойства тонких слоев
воды, находящихся меж¬
ду поверхностями твер¬
дых тели сохранять полученную форму при последующих сушке и обжиге.Поскольку глиняное тесто представляет собой пластично-вяз-
кую систему, к нему применимо уравнение Бингама — Шведова.
Исходя из этого уравнения предложено характеризовать пластич¬
ность физическим показателем пластичности Ф(с-1), который пред¬
ставляет отношение предельного напря¬
жения сдвига То к пластической вязко¬
сти п:Ф = V7)-Тело не будет пластичным, если Ф = 0.Это возможно в двух случаях: 1) когда
система текучая и То = 0 или 2) когда тело
хрупкое и Т1 >'оо. Кривые зависимости
показателя Ф от влажности глины позво¬
ляют установить оптимальную влаж¬
ность, при которой проявляется наиболь¬
шая пластичность.Техническим показателем пластично¬
сти является число пластичностиЯл = Гт-Гр,где WT и Wp — влажности, соответствую¬
щие пределам текучести и раскатывания
глиняного жгута, % ( рис. 34).Рис. 34. Изменение дефор-
мативных свойств глины в
зависимости от ее влажнос¬
ти (по М. И. Роговому):область состояния: А — хрупко¬
го; Б — пластического; В — вяз¬
котекучего85
Для производства строительных керамических изделий обычно
применяют умеренно пластичные глины с числом пластичности
Ял-7—15. Малопластичные глины с Пл<Л плохо формуются, а гли¬
ны с #л>15 растрескиваются при сушке и требуют отощения.Связующая способность глины проявляется в возможности свя¬
зывания зерен непластичных материалов (песка, шамота и др.), а
также в образовании при высыхании достаточно прочного изде¬
лия— сырца. Связующую способность глиняных строительных рас¬
творов используют при кладке печей, труб.§ 2. Способность глины отвердевать при высыханииОсобенностью глиняного теста является способность отверде¬
вать при высыхании на воздухе. Прочность высушенной глины
обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил и цементацией зе¬
рен минералов ионами примесей. Силы капиллярного давления
стягивают частицы глины, препятствуя их разъеданию, вследствие
этого происходит воздушная усадка. При насыщении водой мениска
исчезают, прекращается действие капиллярных сил, частицы сво¬
бодно перемещаются в избытке воды, и глина размокает.§ 3. Усадка глиныУсадка — это уменьшение линейных размеров и объема глиня¬
ного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая
усадка глин). Усадку выражают в процентах от первоначального'
размера изделия.Воздушная усадка происходит в процессе испарения воды и»
сырца вследствие уменьшения толщины водных оболочек вокруг
частиц глины, возникновения в порах сырца менисков и сил капил¬
лярного давления, стремящихся сблизить частицы. В конце сушки
возрастает роль осмотических явлений и межмолекулярного притя¬
жения, усиливающих воздушную усадку. Для различных глин ли¬
нейная воздушная усадка колеблется от 2—3 до 10—12% в зависи¬
мости от содержания тонких фракций. Для уменьшения усадочных
напряжений к жирным глинам добавляют отощители. Поверхност¬
но-активные вещества (СДБ и др.), введенные в глиняную массу в-
количестве 0,05—0,2%, улучшают смачивание частиц глины водой,
позволяя сократить формовочную влажность и снизить воздушную
усадку. Другой способ снижения чувствительности глин к сушке
предусматривает введение в глину 1—1,5% битумных и дегтевых
веществ или орошение поверхности глиняного бруса, выходящего
из ленточного пресса пленкообразующим составом (например, би¬
тумной эмульсией).Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига
легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы гли¬
ны в местах их контакта сближаются. Огневая усадка может быть
2—8% в зависимости от вида глины.86Полная усадка, равная алгебраической сумме воздушной и ог¬
невой усадок, колеблется в пределах от 5 до 18%. Соответственно
увеличивают размеры форм, чтобы получить готовое изделие нуж¬
ных размеров. \§ 4. Переход при обжиге в камневидное состояниеВ процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает
глубокие физико-химические изменения. Сначала испаряется сво¬
бодная вода, затем выгорают органические вещества. При темпера¬
турах 700—800°С происходит разложение безводного метакаолини¬
та А1гОз-25Ю2, который образовался ранее (при 450—600°С)
вследствие дегидратации каолинита. Аморфная двуокись кремния
и окись алюминия при повышении температуры (900°С и выше)
вновь соединяются, образуя искусственный минерал муллит
ЗАЬОз^БЮг. Муллит придает обожженному керамическому изде¬
лию водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его обра¬
зованием глина необратимо переходит в камневидное состояние.
Вместе с образованием муллита расплавляются легкоплавкие со¬
ставляющие глины, цементируя и упрочняя материал.Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчива¬
ется при температуре 950—1000°С. Дальнейшее повышение темпе¬
ратуры резко интенсифицирует образование и накопление жидкой
■фазы — силикатного расплава, который не только цементирует
частицы глины, но и уплотняет керамический материал. В резуль¬
тате получают изделия с плотным керамическим черепком, отли¬
чающимся малым водопоглощением (менее 5%).Кварц присутствует в глине в виде кварцевого песка, его часто
добавляют для отощения высокопластичных глин. Кварц претерпе¬
вает полиморфные превращения, сопровождающиеся объемными
изменениями. Наиболее часто встречающийся в природе р-кварц
при 573°С обратимо переходит в а-кварц с увеличением объема на
0,82%; эта форма устойчива до 1050°С. Поэтому при охлаждении
керамических изделий, обожженных до 1000°С, а-кварц снова пере¬
ходит в p-кварц с соответствующим уменьшением в объеме. При
температуре выше 1050°С а-кварц переходит в а-кристобалит, ко¬
торый в свою очередь в интервале температур 1400—1450°С пере¬
ходит в а-тридимит с объемным изменением 0,6%. Кварц плавится
при 1723°С. Изменения объема зерен кварца, происходящие в про¬
цессе обжига, влияют на прочность и растрескивание керамическо¬
го изделия.§ 5. Слекаемость глиныСпекаемостью глин называют их свойство уплотняться при об¬
жиге и образовывать камнеподобный черепок. На рис. 35 видно,
что с повышением температуры обжига возрастает степень спека¬
ния и уменьшается водопоглощение до точки С, так как при темпе¬
ратуре tc отмечаются признаки пережога — оплавление или вспу¬
чивание материала.87
Интервал спекания равен tc — tA, где
U — температура начала спекания. Лег¬
коплавкие глины (для производства кир¬
пича, керамзита) имеют интервал спека¬
ния 50—100°С, у огнеупорных глин он до¬
стигает 400°С.Рис. 35. Зависимость изменения водопоглощения
керамического материала от тёмпературы об¬
жига§ 6. Огнеупорность глиныОгнеупорностью называют свойство глины противостоять дейст¬
вию высоких температур, не расплавляясь.§ 7. Цвет глиныЦвет глины после обжига имеет существенное значение для об¬
лицовочных керамических изделий (лицевые кирпич и керамиче¬
ские камни, терракотовая плитка), а также для тонкой керамики.
Для получения белого черепка обжиг ведут в восстановительной
среде (при наличии свободных СО и Нг в газах) и при определен¬
ных температурах, чтобы окись железа перевести в закись. Не же¬
лательны в глине крупные зерна пирита (FeSj) и окислов железа,
образующие на черепке после обжига черные точки. Выделение сво¬
бодной окиси железа при нагревании между 450 и 800°С придает
изделию красноватое или желтоватое окрашивание. Окислы титана
вызывают глубокую синеватую окраску черепка.Глава 15
ОБЩАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
§ 1. Обработка глиняной массыПроизводство керамических изделий включает четыре этапа:
карьерные работы, механическую обработку глиняной массы, фор¬
мование изделий, их сушку и обжиг.Карьерные работы включают добычу, транспортирование и хра¬
нение промежуточного запаса глины.Вылеживание замоченной глины и ее вымораживание в течение
годичного срока на открытом воздухе разрушает природную струк¬
туру глины, она диспергируется на элементарные частицы, что по¬
вышает пластичность и формовочные свойства керамической массы.Механическая обработка глины осуществляется с помощью гли¬
нообрабатывающих машин и имеет цель: выделение либо измель-
88чение каменистых включений, гомогенизацию керамической массы
и получение нужных формовочных свойств. Выделение каменистых
включений из глины осуществляют, пропуская глину через винто¬
вые камневыделительные вальцы или применяя другие специализи¬
рованные машины. Практически полного выделения камней из
глины можно добиться гидравлическим обогащением: глину рас¬
пускают в глиноболтушках, а затем шликер пропускают через сито,
на котором отделяются камни размером более 0,5 мм; обезвожива¬
ние шликера осуществляют в мощных распылительных сушилках.Измельчение глины производят после выделения камени¬
стых включений. Если в глине их нет, то после доставки на завод
ее сразу подвергают грубому дроблению, а уже потом тонкому из¬
мельчению.После тонкого измельчения глину надо промять, чтобы получить
глиняную массу с нужной формовочной влажностью. На кирпич¬
ных заводах глину проминают в открытых лопастных глиномялках
с водяным орошением и паровым увлажнением глиняной массы.
Паровое увлажнение увеличивает производительность ленточных
прессов и снижает потребляемую ими мощность на 15—20% по
сравнению с водяным орошением глины.§ 2. Формование керамических изделийСтеновые керамические изделия изготовляют способами пласти¬
ческого формования и полусухого прессования. Из жидких глиня¬
ных масс (шликеров) изготовляют некоторые виды облицовочной
плитки, санитарно-технические и другие изделия из фаянса и фар¬
фора.Способ пластического формования. Изделия стеновой керамики
формуют из пластичных глиняных масс на ленточных шнековых
прессах, которые могут быть вакуумные и безвакуумные (рис. 36).
В корпусе этого пресса вращается шнек — вал с винтовыми лопас¬
тями. Глиняная масса, поступающая через воронку и питающийРис. 36. Схема устройства ленточного пресса:/_ мундштук; 2 — головка пресса; 3 — цилиндр пресса; 4 — лопасти шнека; Л—во¬
ронка8Э
валик, перемещается шнеком к сужающейся переходной головке и
мундштуку. В этом месте глиняная масса уплотняется, выравнива¬
ются давления и скорости по сечению глиняного бруса. Мундштук
ленточного пресса для производства обыкновенного кирпича имеет
прямоугольное сечение. Для формования пустотелых кирпича и ке¬
рамических камней в мундштуке пресса устанавливают пустотооб¬
разующий сердечник, состоящий из скобы с прикрепленными к ней
стержнями — пустотообразователями. Применяются также фасон¬
ные вставки в виде узкой щели — для формования черепицы, коль¬
цевые— для керамических труб.Из мундштука пресса выходит глиняный брус, который разре¬
зают автоматическим резательным аппаратом, получая изделия за¬
данного размера. Отбор сырца от пресса и укладку его на тран¬
спортные средства выполняют автоматы. Плотный вакуумирован-
ный сырец устанавливается рядами на печную вагонетку и посту¬
пает в туннельную сушилку в штабеле (без полок). Вакуумирова-
ние глины извлекает из нее воздух, снижает необходимую формо¬
вочную влажность на 3—4% и вследствие этого улучшает ее фор¬
мовочные и прочностные свойства. Прочность сырца возрастает в
2—3 раза, т. е. примерно в 1,5 раза упрочняется высушенное изде¬
лие, прочность обожженного изделия увеличивается до 2 раз, его
водопоглощение снижается на 10—15%.Способ полусухого прессования. Керамические изделия форму¬
ются способом полусухого прессования из шахты с влажностью 8—
10%, уплотняемой прессованием под значительным давлением —15—40 МПа. Керамические пресс-порошки должны иметь опреде¬
ленный зерновой состав и влажность. Их готовят шликерным и су¬
шильно-помольным способами.При сушильно-помольной подготовке глины предусматриваются
следующие операции: 1) дробление глины на дезинтеграторных
вальцах; 2) сушка глины в сушильных барабанах; 3) помол высу¬
шенной глины в корзинчатых дезинтеграторах; 4) отсеивание круп¬
ных зерен на ситах; 5) увлажнение порошка, прошедшего через
сито, паром до равномерной влажности 8—10%, необходимой для
прессования.Для полусухого способа производства целесообразно применять
глины с небольшой естественной влажностью, не требующие сушки
перед помолом. Способ полусухого прессования применяют в про¬
изводстве обыкновенного и пустотелого глиняного кирпича, фасад¬
ных плиток.Главное преимущество полусухого прессования перед пласти¬
ческим формованием — сокращение затрат энергии. На искусствен¬
ную сушку 1000 шт. сырца пластического формования с влажно¬
стью 18—22% расходуется до 100 кг условного топлива.Способ литья. Рассмотрим особенности способа литья примени¬
тельно к производству тонких (толщиной 2 мм) глазурованных мо¬
заичных плиток, которые служат для облицовки фасадов. Плитки
наклеивают «лицом» на бумагу и получают «ковер», который по¬
том укладывают (бумагой вниз) на дно формы стеновой панели.90Плитки прочно сцепляются с бетоном, уложенным в форму. После
удаления бумаги с фасадной грани готовой панели обнажается
красивая и долговечная керамическая облицовка.Плитки изготовляют способом литья на автоматизированных
конвейерных линиях. По конвейеру движутся пористые керамиче¬
ские поддоны, на которые наливные аппараты последовательно на¬
носят шликеры разделительного, плиточного и глазурного слоев.
Разделительный слой обеспечивает хорошее сцепление плитки с
поддоном в сыром состоянии и легкое отделение от него после об¬
жига. Двигаясь по конвейеру, керамическая масса быстро подсыха¬
ет на пористом поддоне и поступает сначала на зачистное, а затем
на режущее устройство, состоящее из вращающихся дисков и раз¬
резающее подсохшую трехслойную массу на плитки заданного раз¬
мера. Поддон с отлитой массой проходит конвейер за 22—30 мин,
после чего он автоматически передается в тепловые установки.
Полный цикл производственного процесса (вместе с обжигом) за¬
нимает около 2 ч.§ 3. Сушка сырцаФормовочная влажность стеновых керамических изделий, изго¬
товляемых способом пластичного формования, обычно составляет
18—22%, хотя уже появились ленточные прессы для формованияЧЧЧЧЧЧЧЧЧччЧЧЧЧчччччччч^1~ в Щ—=\кЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧчЧЧ^[ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ\ЧЧ\\ЧХЧПнл—-ш|\ЧЧЧЧЧЧЧЧЧчччччЧЧЧЧЧ\ЧРнс. 37. Схема туннельной сушилки::1 — подача теплоносителя; 2 — вагонетки с сырцом; 3 — отбор теплоносителя; 4 —центральный канал для подачи теплоносителя в сушилку;-* движение вагонеток;—*— движение газовсырца из масс влажностью 14—16%*. Сырец полусухого прессова¬
ния имеет влажность 8—10%. Перед обжигом изделие надо высу¬
шить до содержания влаги *-:е более 5% во избежание неравномер¬
ной усадки и растрескивания при обжиге.* Роговой М. И. Технология искусственных пористых заполнителей и кера¬
мики. М., 1974.
Сушку сырца проводят в туннельных и камерных сушилках.Туннельные сушилки на кирпичных заводах работают по прин¬
ципу противотока (рис. 37). Сырец на вагонетках движется по тун¬
нелю навстречу потоку горячего воздуха или дымовых газов. Дли¬
тельность сушки кирпича-сырца в туннельных сушилках составляет16—36 ч при начальной температуре теплоносителя 120— 150°С.Камерные сушилки Представляют собой систему камер, каждая
камера обогревается горячим воздухом или горячими газами, отхо¬
дящими из печей. В стены камер встроены лопастные реверсивные
вентиляторы, создающие интенсивную циркуляцию теплоносителя
внутри камеры.После сушки керамические изделия, имеющие влажность не бо¬
лее 5%, поступают в печь.§ 4. Обжиг изделийОбжиг завершает изготовление керамических изделий. В про¬
цессе обжига формируется их структура, определяющая техниче¬
ские свойства изделия. По данным М. И. Рогового, суммарные за¬
траты на обжиг достигают 35—40%, а потери от брака составляют
около 10% себестоимости товарной продукции.Обжиг керамических изделий осуществляют в туннельных пе¬
чах с автоматическим управлением (хотя на действующих кирпич¬
ных заводах еще работает значительное количество кольцевых пе¬
чей). Туннельная печь представляет собой длинный канал, выло¬
женный внутри огнеупорной футеровкой. Вагонетки с изделиями, со¬
ставляющие сплошной поезд, перемещаются в печи и постоянно
проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения: при подаче но¬
вой вагонетки с сырцом в зону подогрева из зоны охлаждения вы¬
ходит вагонетка с обожженными изделиями. Следовательно, про¬
цесс обжига керамических изделий можно условно разделить на
три последовательных этапа: 1) постепенное удаление влаги из
сырца, 2) обжиг сырца, 3) постепенное охлаждение обожженных
изделий. Максимальная температура обжига кирпича и других сте¬
новых керамических изделий (950—1000°С) необходима для спека¬
ния керамической массы. Спекание происходит вследствие цемен¬
тирующего действия расплава эвтектик (жидкостное спекание), ре¬
акций в твердой фазе и кристаллизации новообразований.При избыточном количестве расплава, что характерно для пере¬
жога, изделия теряют свою форму, оплавляются с поверхности. Не¬
дожог обусловлен незавершенностью процесса спекания. Он прояв¬
ляется в характерных признаках: «алый» цвет кирпича, снижение
прочности, сильное уменьшение водостойкости и морозостой¬
кости и др.В туннельных печах щелевого типа достигается равномерность
обжига, а следовательно, высокое качество и однородность продук¬
ции.92Глава 16СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
§ I. Пористость и водопоглощениеПористость керамического черепка (у пористых изделий) обыч¬
но составляет 10—40%, она возрастает при введении в керамиче¬
скую массу выгорающих, пенообразующих и других добавок. Стре¬
мясь снизить объемную массу и теплопроводность, прибегают к
созданию пустот в кирпиче и керамических камнях.Водопоглощение характеризует пористость керамического че¬
репка. Пористые керамические изделия имеют водопоглощение
6—20% по массе, т. е. 12—14% по объему. У плотных же изделий
водопоглощение гораздо меньше: 1—5% по массе (2—10% по
объему).§ 2. ТеплопроводностьТеплопроводность абсолютно плотного керамического черепка
большая— 1,16 Вт/(м-°С). Воздушные поры и пустоты, создавае¬
мые в керамических изделиях, снижают объемную массу и значи¬
тельно уменьшают теплопроводность. Облегчение стеновых кера¬
мических изделий с 1800 до 700 кг/м3 понижает теплопроводность
-с 0,8 до 0,21 Вт/(м-°С). Соответственно уменьшается толщина на¬
ружной стены и материалоемкость ограждающих конструкций.§ 3. Прочность]Прочность керамических материалов зависит от фазового соста¬
ва керамического черепка и пористости. Марка стенового керами¬
ческого изделия (кирпича и др.) по прочности обозначает предел
прочности при сжатии (в кгс/см2), однако при установлении марки
кирпича наряду с прочностью при сжатии учитывают показатель
прочности при изгибе, поскольку кирпич в кладке подвергается из¬
гибу. Изделия с пористым черепком выпускаются М75—300, а
плотные изделия (дорожный кирпич и др.)—более высоких ма¬
рок — 400—1000.Между прочностью керамического черепка Rcm и его коэффи¬
циентом плотности knn прослеживается зависимость (по М. И. Ро¬
говому):Rem = Rokn* >где R0 — предел прочности при сжатии абсолютно плотного череп¬
ка, k — коэффициент плотности, &пл = \/р; У и р — соответственно
объемная масса и плотность керамического черепка.§ 4. МорозостойкостьМарка по морозостойкости обозначает число циклов поперемен¬
ного замораживания и оттаивания, которое выдерживает изделие
в условиях стандартного испытания без каких-либо признаков ви¬93
димых повреждений (расслоение, шелушение, растрескивание, вы¬
крашивание). Согласно исследованиям А. С. Беркмана и
И. Г. Мельниковой керамический материал морозостоек, если в нем
объем резервных пор Кр достаточен для компенсации прироста
объема замерзающей воды в опасных порах (их объем Роп). Это
условие выразили в виде формулы для вычисления структурной
характеристики материала G (в %):G = —^— 100.Von ^рК резервным относятся крупные поры (диаметром больше
200 мкм), в которых капиллярное давление недостаточно для удер¬
жания воды. Опасные поры (диаметром 200 мкм и менее) удержи¬
вают воду, замерзающую при температуре от —15 до —20°С.Обыкновенный глиняный кирпич морозостоек при 9%, а
пустотелые изделия — при G>6%.§ 5. ПаропроницаемостьПаропроницаемость стеновых керамических изделий способст¬
вует естественной вентиляции помещений. Малая паропроницае¬
мость нередко служит причиной отпотевания внутренней поверхнос¬
ти стен помещений с повышенной влажностью воздуха. Паропрони¬
цаемость зависит от пористости и характера пор. Например, коэф¬
фициент паропроницаемости фасадных плиток полусухого прессо¬
вания с водопоглощеннем 8,5; 6,5 и 0,25% соответственно равен
0,155; 0,0525 и 0,029 г/(м-ч-Па). Неодинаковая паропроницаемость
слоев, из которых состоит наружная стена, вызывает накопление
влаги. Так, фасадная облицовка стен глазурованными плитками
может привести к накоплению влаги в контактном слое стена —
плитка, последующее замерзание влаги вызывает отслоение обли¬
цовки.Глава 17
СТЕНОВЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯПо объемной массе в сухом состоянии стеновые изделия делят
на четыре класса:КлассАБвГОбъемная масса, кг/м*700—10001000—13001300—1450Более 1450§ 1. Глиняный строительный кирпичКирпич глиняный обыкновенный (сплошной) имеет форму пря¬
моугольного параллелепипеда размерами 250x120x65 мм с пря¬
мыми ребрами, четкими гранями и ровными лицевыми поверхностя¬
ми. Искривление ребер и граней кирпича не должно превышать3 мм. Модульный кирпич имеет размеры 250x120x88 мм и вы¬
пускается с круглыми или щелевыми пустотами, чтобы масса одного
кирпича была не более 4 кг.Отклонения от размеров не должны превышать установленных
величин.Кирпич .не должен иметь механических повреждений и сквозных
трещин. На отдельных кирличах допускаются отбитости ребер и
углов размером по длине ребра не более 15 мм в количестве не
выше двух на одном кирпиче. На отдельных кирпичах может быть
допущена одна сквозная трещина протяженностью не более 30 мм
по ширине кирпича. Кирпич должен быть нормально обожжен.
Кирпич «недожог» и «пережог» является браком. После обжига
кирпич должен соответствовать цвету эталона нормально обожжен¬
ного кирпича. Не допускаются известковые включения (дутики),
вызывающие разрушение кирпича.В зависимости от предела прочности на сжатие кирпич делят
на марки 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300. Объемная масса обыкновен¬
ного глиняного кирпича— 1600—1900 кг/м3, его теплопровод¬
ность— 0,7—0,82 Вт/(м-°С). Водопоглощение кирпича выше М150
должно быть не менее 6%, кирпича других марок не менее 8%. Это
требование обеспечивает определенную пористость кирпича, иначе
он станет слишком теплопроводен и будет плохо сцепляться со
строительным раствором. Морозостойкость кирпича — не менее
15 циклов попеременного замораживания и оттаивания; преду¬
смотрены и более высокие марки по морозостойкости Мрз 25,
Мрз 35, Мрз 50.Кирпич применяют преимущественно для кладки стен зданий,
изготовления стеновых панелей, кладки печей и дымовых труб.§ 2. Эффективные стеновые керамические изделияНаружные стены из обыкновенного глиняного кирпича имеют
надлежащее термическое сопротивление при сравнительно большой
толщине: 2—2,5 кирпича или 52—64 см. Стены получаются тяже¬
лыми— масса 1 м2 стены составляет 800—1100 кг, такие стены не¬
редко обладают излишней прочностью, которая не используется.Пустотелые кирпичи и керамические камни выгоднее в произ¬
водстве по сравнению со сплошным кирпичом и эффективнее осо¬
бенно в наружных стенах зданий. Производство пустотелых стено¬
вых изделий требует меньших затрат сырья и топлива, а поскольку
ускоряются сушка и обжиг тонкостенных изделий, то соответствен¬
но повышается производительность сушилок и печей. Применение
пустотелых керамических изделий позволяет уменьшить толщину95
наружных стен, снизить материалоемкость ограждающих конструк¬
ций на 20—30%, сократить транспортные расходы и нагрузки на
основание. Экономическая эффективность применения пустотелой
керамики возрастает по мере снижения ее объемной массы. Напри¬
мер, стоимость 1 м2 стены толщиной 52 см из пустотелого кирпича
на 15—25% ниже, чем стены из сплошного кирпича толщиной 64 см.Основные характеристики стеновых керамических изделий, со¬
поставленные в табл. 12, говорят о технико-экономических преиму¬
ществах пустотелых изделий перед обыкновенным кирпичом: сни¬
жается объемная масса и теплопроводность при сохранении марок
по прочности М75, М200, М250 и по морозостойкости Мрз15, Мрз35,
Мрз50.Таблица 12Основные показатели стеновых керамических изделийНаименованиеКирпичГЛИНЯНЫЙобыкновенныйКнрпнчГЛИНЯНЫЙпустотелыйпластическогопрессованияКирпичстроительныйлегковесныйКамни керамические
пустотелыеОсновные разме¬
ры, мм
Предел прочности,
МПа:250X120X65250X120 X 65250x120x65250 X 120 X138 и др.при сжатии7,5—307,5—257,5—207,5—25при изгибе
Водопоглощение, %
не менее:1,4—4,41,4—31.4—3,41,4—3для марок вы¬
ше 1506686для остальных ма¬
рок8886Морозостойкость,
число циклов15—5015—5015—3515—50Объемная масса,
кг/м31600—19001200—1450700—14501000—1450Масса единицы из¬
делия, кг3,5—3,62—31,5—3До 6Пустотность, %—13—33—25—37Число отверстий—18—60—7—38Размер пустот, мм—53—1216—1212—90Толщина стенок, мм
Теплопроводность,
Вт/(м-°С)—1215120,7—0,820,70,175—0,4650,465—0,58Кирпич глиняный пустотелый изготовляют со сквозными или
неоквозными (пятистенный) пустотами, расположенными перпен¬
дикулярно постели. Сырьем для его получения служат легкоплав¬
кие глины или глино-трепельные смеси с выгорающими добавками
или без них.Кирпич строительный легкий имеет те же размеры, что и
обыкновенный кирпич, но значительно легче последнего — объем¬96ная масса легкого кирпича 700—1450 кг/м3. Его изготовляют из
глины, диатомита и трепела с обязательным введением выгораю¬
щих добавок. Относительно малая теплопроводность (табл. 12)
этого кирпича дает возможность выполнять наружные стены тол¬
щиной 38—52 см.Рис. 38. Виды керамических стеновых изделий:
а — обыкновенный кирпич; б — дырчатый кирпич; в — щелевой камень; г — сотовый камень;
д — щелевой камень для панелейПустотелые керамические камни (рис. 38) изготовляют из лег¬
коплавких глин с числом пластичности Пл = 15—25. Многопустот¬
ные камни формуют только на вакуумных прессах. Размеры кам¬
ней больше, чем кирпича, поэтому их применение повышает про¬
изводительность труда при кладке стен, а также приводит к умень¬
шению количества швов. Несмотря на большую пустотность (25—
37%), марки керамических камней (М75—250) почти такие же, как
у сплошного кирпича (табл. 12), отсутствует только МЗОО. Поэтому
керамические камни применяют для каркасных и несущих стен.§ 3. Сборные изделия из кирпича и керамических камнейКрупные стеновые панели, изготовленные на заводе из кирпича
или керамических камней, применяются в сборном домостроении.
Кирпичные панели наружных стен выпускают трех-, двух- и одно¬
слойные. Трехслойная панель состоит из двух кирпичных наружных
слоев, каждый толщиной 65 мм, в середине укладывают слой утеп¬
лителя толщиной 100 мм (минераловатные плиты и т. п.). Общая
толщина трехслойной панели вместе с внутренней и наружной об¬
лицовкой— 280 мм. Двухслойная панель состоит из одного слоя
кирпича на ребро (его толщина 120 мм) и слоя утеплителя (тол¬4—66497
щиной 120 мм). Однослойные панели изготовляют из крупных мно¬
гопустотных или из мелких щелевых камней.Керамические панели армируют сварными каркасами по пери¬
метру панели и оконных проемов. Применяют цементный раствор
не ниже М75 с консистенцией по погружению стандартного конуса
9—11 см. Панели формуют в горизонтальном или вертикальном
положениях. Тепловая обработка позволяет получить готовые па¬
нели через 10—14 ч.Монтаж стен из керамических панелей занимает на 40% мень¬
ше времени, чем кирпичная кладка, а суммарные трудовые затраты
сокращаются против кладки из кирпича примерно в 2 раза. При¬
менение слоистых кирпичных панелей с утеплителем сокращает
расход кирпича на 1 м2 жилой площади с 270—300 шт. (при стенах
обычной кладки) до 90—110 шт. В результате надземная часть
здания получается легче в 1,5—2 раза, а стоимость строительства
снижается на 10—15%.Для облицовки керамических панелей обычно используют ков¬
рово-мозаичные и другие керамические изделия.Глава 18
КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ НАРУЖНОЙ
И ВНУТРЕННЕЙ ОБЛИЦОВКИ ЗДАНИЙ
§ 1. Керамические изделия для облицовки фасадовФасадные керамические изделия применяют для облицовки фа¬
садных поверхностей стеновых панелей, блоков, цоколей зданий,
лоджий, для отделки архитектурных элементов фасада зданий —
поясов, карнизов и создания декоративных панно.Для отделки сборных конструкций на заводах используют ков¬
рово-мозаичные плитки размером 48x48 и 22x22 мм толщиной2—4 мм, плитки типа «кабанчик» размером 120x65x7, облицовку
типа «брекчия» — ковры, набранные из плиточного боя.Коврово-мозаичные плитки выпускают с естественно окрашен¬
ным черепком (такие изделия называют терракотовыми) и глазу¬
рованные. Глазури могут быть глухими и прозрачными, белыми и
окрашенными, блестящими и матовыми. Наши заводы выпускают
глазурованные плитки, покрытые глухими блестящими глазурями.Плитки типа «кабанчик» изготовляют неглазурованными и гла¬
зурованными. Их используют для отделки панелей (наклеенными
на бумажные ковры), а также для облицовки кирпичных стен.Ковры типа «брекчия» применяют для облицовки фасадов и в
виде акцентных вставок. Бой плиток в таком ковре должен состав¬
лять не более 60% от общей его площади.Для облицовки готовых кирпичных и бетонных стен применяют
крупноразмерные и цокольные плитки.98Крупноразмерные плитки размером 250x140x10 мм изготовля¬
ют неглазурованными и глазурованными. Действует полностью ав¬
томатизированная поточная линия для прессования, сушки, глазу¬
рования и обжига таких плиток.Цокольные глазурованные плитки размером 150X75X7 мм яв¬
ляются изделиями штучного применения, их используют для обли¬
цовки цоколей зданий и подземных переходов. Эти плитки имеют
спекшийся черепок, их водопоглощение не более 5%.Лицевые кирпич и керамические камни применяют для облицов¬
ки фасадов зданий, возводимых из штучных изделий (кирпича,
камня).Лицевой кирпич и камни из красножгущихся глин изготовляют
по той же технологии, что и обычные стеновые кирпич и камни,
соблюдая строгие требования к однородности сырья, ровности цве¬
та обожженного изделия и правильности его формы.Лицевой кирпич и камни световых тонов изготовляют из светло-
жгущихся тугоплавких глин с добавкой около 45% шамота из
тех же глин. Подбирая состав керамической массы и регулируя
режим обжига, можно получить кирпич белого, кремового, корич¬
невого цветов.Двухслойный кирпич' формуют из местных красных глин и лишь
лицевой состав 3—5 мм — из белых неокрашенных или окрашенных
глин. Малый расход привозных светложгущихся глин (6—7% объ¬
ема кирпича) обусловливает экономичное производство лицевого
кирпича из местного сырья.Ангобированный кирпич имеет лицевую поверхность, покрытую
ангобом. Ангоб изготовляют из белой глины (около 80%), стеклян¬
ного боя (15—20%) с добавкой минеральных красителей (5—7%).
Ангоб наносят на отформованные изделия в виде суспензии — шли¬
кера.Глазурованный кирпич применяют для акцентных вставок, при¬
дающих фасаду зданий большую архитектурную выразительность.
Разработан способ производства этого кирпича с однократным
обжигом. По этому способу сырец после сушки поступает на глазу-
ровочный конвейер, на нем осуществляется очистка лицевой по¬
верхности от загрязнений, глазурование пульверизацией под дав¬
лением и подсушка глазурного слоя. После этого кирпич поступает
в туннельную печь для обжига.Керамические облицовки относятся к числу наиболее экономич¬
ных, о чем свидетельствует сопоставление коэффициентов приве¬
дения /гпр[коп/(м2-год)]:kav = "д + 3’где С0 — стоимость отделки, включающая стоимость материала и
отделочных работ (первоначальные затраты), руб/м2; Д— долго¬
вечность отделки, годы; Э — среднегодовые эксплуатационно-ре¬
монтные затраты, руб., отнесенные к 1 м2 отделанной поверхно¬
сти.4*99
Сравнительные данные для наиболее применяемых облицовок
приведены в табл. 13.Таблица 13Сравнительные данные приведенной стоимости
различных видов облицовок (по М. И. Роговому)Вид отделки*пр'коп/м2*гДолговеч¬
ность, летКерамическая облицовка:
ковровая керамика неглазурованная7,650то же, глазурованная14,450неглазурованная плитка типа «кабанчик»10,150Отделка дробленым камнем7,825То же, цветным бетоном1210Облицовка стеклянной мозаикой1450То же, стеклянной крошкой1525§ 2. Плитки для внутренней облицовки стенДля внутренней облицовки стен выпускают разнообразные по
форме плитки: квадратные (150x150), прямоугольные с прямыми
кромками (150x100 и 150x75 мм).Плитки, изготовленные методом литья, выпускают квадратны¬
ми 50x50 мм и прямоугольными 25X100 мм и других размеров
толщиной 2—3 мм. Для производства плиток используют легко¬
плавкие или огнеупорные глины с добавкой кварцевого песка и
плавней (фаянсовые плитки). При обжиге плитки получаются по¬
ристыми, лицевая поверхность их покрывается глазурью. Слон гла¬
зури придает керамическим плиткам водонепроницаемость и стой¬
кость против воздействия слабых растворов кислот и щелочей.Выпускают плитки плоские, рельефные, орнаментированные,
покрытые глазурями. Плитки могут иметь цветной рисунок, нано¬
симый методом шелкографии. Этот метод заключается в снятии
копии рисунка тушью, изготовления с нее негатива, а затем диапо¬
зитива, светокопирования диапозитивов на сетки-трафареты и
перенесение рисунка на обожженные глазурованные плитки. Плит¬
ки с рисунком подсушивают и для закрепления красок обжигают
в электрической печи при температуре 700—780° (рис. 39).Глазурованные плитки применяют для облицовки стен кухонь
и санитарных узлов жилых зданий, школ, детских садов, больниц и
поликлиник, торговых предприятий, помещений с повышенной
влажностью (бани, прачечные), а также для облицовки внутренних
стен лабораторных помещений. Цветные и многоцветные глазу¬
рованные плитки используют для облицовки станций метрополи¬
тена.iOOРис. 39. Плитки керамические для полов, орнаментированные
методом шелкографии§ 3. Плитки для половКерамические плитки для полов изготовляют из тугоплавких и
огнеупорных каолиновых глин с добавкой отощающих веществ,
плавней и, если требуется, Окрашивающих примесей. Отощителем
служит тонкомолотый шамот и кварцевый песок. Производство
плиток осуществляется из массы, подготовленной полусухим, пла¬
стическим или шликерным способами. Обжигают плитки до спека¬
ния. Полы из керамических плиток практически водонепроницаемы,
характеризуются малой истираемостью; не дают пыли, легко моют¬
ся, стойки к действию кислот и щелочей. Плитки изготовляют квад¬
ратные, прямоугольные, шестигранные, восьмигранные, треуголь¬
ные, длиной граней 50—150 мм, толщиной 10—13 мм. Недостатком
плиток является большая теплопроводность (полы «холодные»),
не позволяющая применять их в жилых помещениях. Кроме того,
устройство пола из плиток является трудоемкой работой. Трудоем¬
кость устройства чистого пола уменьшается при применении моза¬
ичной плитки.Мозаичные плитки выпускают квадратной или прямоугольной
формы, размером 23 и 48 мм при толщине 6—8 мм. Плитки на заво¬101
де наклеивают лицевой стороной на крафт-бумагу с раскладкой по
определенному рисунку, получая «ковры» размером 398X598 мм.
Толщина шва между плитками 2 мм. На уложенную по основанию
пола пластичную растворную смесь укладывают (плитками вниз)
набранный «ковер». После затвердевания раствора бумага разма¬
чивается водой, и клей смывается.Плитки применяют для полов в помещениях с влажным режи¬
мом и повышенной интенсивностью движения (бани, ванные ком¬
наты, кухни, вестибюли, коридоры, станции метрополитена, про¬
мышленные здания и т. п.). При изготовлении индустриальных
изделий в заводских условиях их используют для облицовки пола
лестничных площадок и маршей.Глава 19
КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
§ 1. Кровельные керамические изделияГлиняная черепица является одним из старейших долговечных
и огнестойких кровельных материалов. Однако черепица неинду-
стриальна, трудоемка и поэтому ее производство не развивается.
Выпускают черепицу пазовую ленточную, пазовую штампованную,
плоскую ленточную, волнистую ленточную, S-образную ленточную
и коньковую желобчатую. Обжигают черепицу при температуре
950—1000°С. Черепица должна выдерживать разрушающую на¬
грузку 70—1000 Н (в зависимости от типа черепицы), морозостой¬
кость— не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаи¬
вания в насыщенном водой состоянии.Пустотелые керамические изделия для перекрытий включают:
1) камни для армокерамических балок объемной массой не более
1300 кг/м3; 2) камни для часторебристых перекрытий объемной
массой не более 1000 кг/м3; 3) камни для накатов объемной массой
до 1000 кг/м3.§ 2. Дренажные и канализационные трубыДренажные трубы изготовляют из кирпичных высокопластич¬
ных глин. Трубы малого диаметра формуют в горизонтальном лен¬
точном прессе, а большого — в вертикальных прессах. После сушки
трубы обжигают при температуре 950—1000°С.Промышленность выпускает гладкие неглазурованные трубы
без раструбов или глазурованные с раструбом и перфорацией на
стенках. Водопоглощение черепка— не более 15%, морозостой¬
кость— не ниже 15 циклов. Применяют трубы при мелиоративных
работах, а также при осушении грунтового основания под здания¬
ми и сооружениями.Канализационные трубы изготовляют из пластичных огнеупор¬
ных или тугоплавких глин. Формуют их в вертикальных трубных
102прессах, обжигают при температуре 1250—1300°С до спекания.
Поверхность труб снаружи и внутри покрывают кислотостойкой
глазурью. Канализационные трубы должны выдерживать гидроста¬
тическое давление не менее 0,2 МПа. Водопоглощение черепка
труб: не более 9% для I сорта и 11% для II сорта. Длина канали¬
зационных труб 800—1200 мм, внутренний диаметр 150—600 мм.
Эти трубы на одном конце имеют раструб. Канализационные трубы
применяют для отвода сточных кислых и щелочных вод.§ 3. Санитарно-технические изделияВанны, раковины и другое оборудование санитарно-техничес¬
ких узлов жилых и производственных помещений изготовляют из
фаянса, полуфарфора и фарфора. Сырьем для производства этих
трех разновидностей керамических материалов, обладающих раз¬
личной пористостью, являются беложгущиеся глины, каолины,
кварц и полевой шпат, взятые в различных соотношениях (табл. 14).Таблица 14Состав масс для изделий санитарно-технической керамики (%)Сырьевые материалыФаянсПолуфарфорСанитарно-техни¬
ческий фарфорГлинистые материалы
КварцПолевой шпат45—5035—452—548—5040—457—1245—5030—3518—22Из фаянса преимущественно методом литья изготовляют унита¬
зы, умывальники, смывные бачки и др. Для производства крупных
изделий (ванн, моек и пр.) используют шамотный фаянс, в кото¬
рый вместо кварца вводят шамот (10—15%). Водопоглощение у
фаянса 10—12%, предел прочности при сжатии — обычно до
100 МПа. Поверхность фаянсовых изделий покрывают глазурью,
что придает им водонепроницаемость.По сравнению с фаянсом полуфарфор имеет более спекшийся
черепок (водопоглощение 3—5%) и его прочность выше (#Сж == 150—200 МПа).Фарфор отличается еще большей плотностью (водопоглощение
0,2—0,5%)и прочностью (до 500 МПа), что позволяет изготовлять
из него тонкостенные изделия.§ 4. Кислотоупорные керамические изделияК кислотоупорным керамическим изделиям относят: 1) кислото¬
упорный кирпич М150—250, кислотостойкостью не менее 92—96%,
водопоглощением не более 8—12%, термостойкостью не менееЮЗ
2 теплосмен; 2) плитки кислотоупорные и термокислотоупорные
М300, кислотостойкостью 96—98%, водопоглощением не более
6—9%, теплостойкостью не менее 2—8 теплосмен; 3) трубы и фа¬
сонные части к ним М300—400, кислотостойкостью не ниже 97—
98 %, водопоглощением не более 3—5 %.Кислотоупорные изделия изготовляют из глин, не содержащих
примесей, понижающих химическую стойкость (карбонаты, гипс,
серный колчедан и т. п.) и спекающиеся при температуре около
1200°С.Кислотостойкость изделий характеризует их нерастворимость в
кислотах (за исключением HF) и щелочах. Кислотоупорные кирпич
и плитки служат для футеровки башен и резервуаров на хими¬
ческих заводах, а также печей для обжига серного колчедана, для
устройства полов в цехах с агрессивными средами и т. д. Керами¬
ческие кислотоупорные трубы применяют для перекачки неоргани¬
ческих и органических кислот и газов при разрежении или давле¬
нии до 0,3 МПа.§ 5. Дорожный кирпичДорожный (клинкерный) кирпич вырабатывают из тугоплавких
глин, обжигая их до спекания. Дорожный кирпич имеет размер
220X110X65 или 220X110X75 мм, М400, М600 и Ml000, водопог¬
лощение 2—6%, морозостойкость 30—100 циклов попеременного
замораживания и оттаивания. Этот кирпич можно применять для
мощения дорог и тротуаров, устройства полов промышленных зда¬
ний, кладки канализационных коллекторов.§ 6. Огнеупорные изделияОгнеупорными называют изделия, применяемые для строи¬
тельства промышленных печей, топок и аппаратов, работающих при
высоких температурах. Огнеупорные изделия классифицируют по
огнеупорности, пористости, химико-минеральному составу и спо¬
собу изготовления. Изделия огнеупорные характеризуются огне¬
упорностью 1580—1770°С, высокоогнеупорные—1770—2000°С, выс¬
шей огнеупорности — более 2000°С.В зависимости от пористости (в %) огнеупорные изделия под¬
разделяются на следующие группы: особоплотные — пористость ме¬
нее 3, высокоплотные — 3—10, плотные—10—20, обычные — 20—
30, легковесные и теплоизоляционные — 45—85.Наибольшее распространение в строительстве и промышленно¬
сти строительных материалов получили кремнеземистые и алюмо-
силикатные огнеупорные изделия.Кремнеземистые огнеупоры применяют двух типов: кварцевое
стекло и динасовые.Кварцевое стекло изготовляют отливкой из расплавленного
кварца, оно содержит S1O2 не менее 99%. Обладает хорошей тер¬
мостойкостью и кислотостойкостью; при 1100°С расстекловывается104и крошится. Кварцевая керамика используется для футеровки кот¬
лов большой мощности, изготовлении штампов горячего прессова¬
ния, труб для подачи расплавленного алюминия и других целей.Кварцевое стекло идет на производство химической аппаратуры.Динасовые (тридимито-кристобалитовые) огнеупоры изготов¬
ляют обжигом при температуре выше 870°С кварцевого сырья (из¬
мельченных кварцитов, песка, маршалита) на известковой или дру¬
гой связке; содержат S1O2 не менее 93%. Огнеупорность 1600—
1770°С. Из динаса выполняется кладка сводов сталеплавильных,
стекловаренных и коксовых печей.Алюмосиликатные огнеупоры подразделяют на три группы: по-
лукислые, шамотные и высокоглиноземистые.Полукислые огнеупоры отличаются повышенным содержанием
кремнезема — более 65% и содержанием глинозема менее 28%.
Изготовляют их обжигом кварцевых пород на глинистой или као¬
линовой связке или глин и каолинов с большим содержанием квар¬
цевого песка. Огнеупорность их— 1380—1400°С. Применяют для
футеровки шахтных и туннельных печей, вагранок и т. д.Шамотные огнеупоры изготовляют обжигом смеси шамота (по¬
рошка обожженной и размолотой огнеупорной глины) и огнеупор¬
ной глины или каолинов. Они содержат 30—45% А1203 и отличают¬
ся термической стойкостью, шлакоустойчивостью, прочностью
(М100—125). Огнеупорность шамотных материалов—1250—
1400°С. Применяют их для кладки и футеровки печей в местах, где
они непосредственно соприкасаются с расплавленным металлом,
шлаком, стеклом, а также для футеровки вращающихся печей для
обжига цементного клинкера, облицовки топок паровых котлов,дымоходов и пр.Высокоглиноземистые огнеупоры получают из материалов (бок¬
сита, корунда), содержащих более 45% глинозема. Огнеупорность
их зависит от содержания глинозема и технологии и составляет
1450—1725°С. Изделия, изготовленные из высокоглиноземистого
сырья на глиняной или иной связке, обладают высокой термостой¬
костью при содержании А120з 45—60%. Применяют их.в стеколь¬
ной промышленности, для кладки доменных печей и др.Легковесные огнеупоры имеют объемную массу 1,3—0,4 г/см3 и
общую пористость соответственно 45—85%. Обладают высокой ог¬
неупорностью, малой теплопроводностью и достаточной прочно¬
стью, позволяющими успешно применять их для футеровки про¬
мышленных печей разного назначения. При этом значительно
(в 2—4 раза) сокращается продолжительность разогрева или хо¬
лостого хода печей, в 2—3 раза уменьшается толщина ограждаю¬
щих стен и на 20—70% снижаются удельные расходы топлива на
термические процессы. В связи с этим производство легковесныхогнеупоров непрерывно расширяется.Для высокотемпературной теплоизоляции различных промыш¬
ленных печей и тепловых агрегатов используют алюмосиликатные
и другие волокна, обладающие высокой прочностью, термической
стойкостью и малой теплопроводностью.
РАЗДЕЛ IVНЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВАГлава 20
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯНеорганическими вяжущими веществами называют порошкооб¬
разные материалы, которые при смешивании с водой образуют
пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно
затвердевать в результате физико-химических процессов. Переходя
из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество
скрепляет между собой камни либо зерна песка, гравия, щебня.
Это свойство вяжущих используют для изготовления: бетонов, си¬
ликатного кирпича, асбестоцементных и других необожженных ис¬
кусственных материалов; строительных растворов — кладочных,
штукатурных и специальных.Вяжущие вещества по составу делят на две большие группы:1) неорганические (известь, цемент, строительный гипс, жидкое
стекло и др.), которые затворяют водой (реже водными растворами
солей) и 2) органические (битумы, дегти, животный клей, поли¬
меры), которые переводят в рабочее состояние ч нагреванием, рас¬
плавлением или растворением в органических жидкостях; им по¬
священ самостоятельный раздел.Неорганические вяжущие вещества включают воздушные, гид¬
равлические и вяжущие автоклавного твердения.Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительное вре¬
мя сохранять прочность только на воздухе. По химическому соста¬
ву они делятся на четыре группы: 1) известковые вяжущие, состоя¬
щие главным образом из окиси кальция СаО; 2) магнезиальное вя¬
жущее, содержащее каустический магнезит MgO; 3) гипсовые вя¬
жущие, основой которых является сернокислый кальций; 4) жидкое
стекло — силикат натрия или калия (в виде водного раствора).Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохра¬
няют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но
и в воде. По своему химическому составу гидравлические вяжущие
вещества представляют собой сложную систему, состоящую в ос¬
новном из соединений четырех окислов: СаО—Si02—AI2O3—Fe203.
Эти соединения образуют три основные группы гидравлических
вяжущих: 1) силикатные цементы, состоящие преимущественно
(на 75%) из силикатов кальция; к ним относится портландцемент
и его разновидности — главные вяжущие современного строитель¬
ства; 2) алюминатные цементы, вяжущей основой которых являют¬
ся алюминаты кальция; главным из них является глиноземистый106цемент и его разновидности; 3) гидравлическая известь и роман-
цемент.Вяжущие автоклавного твердения — это вещества, способные
при автоклавном синтезе, происходящем в среде насыщенного водя¬
ного пара, затвердевать с образованием прочного цементного кам¬
ня. В эту группу входят: известково-кремнеземистые, известково¬
зольные, известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент
и др.Глава 21
ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА СИСТЕМЫСаО — S1O2 — AI2O3— FeiOjК вяжущим данной системы принадлежат воздушная и гидрав¬
лическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидно¬
сти. Свойства указанных вяжущих веществ зависят от гидравличе¬
ского модуля и температуры обжига сырья. Гидравлический мо¬
дуль т выражает содержание основного окисла СаО по отношению
к суммарному количеству кислотных окислов:т== % СаО % SiOj + % А1203 + % F&AДля каждого вяжущего вещества характерен свой гидравличе¬
ский модуль. Поскольку воздушная известь изготовляется из из¬
вестняков лишь с небольшой примесью глинистого вещества, у нее
самый больший гидравлический модуль (более 9); у гидравличе¬
ской извести т=\,7—9; у романцемента т< 1,7. Портландцемент,
получаемый из тщательно составленной искусственной смеси из¬
вестнякового и глинистого компонента, характеризуется гидравли¬
ческим модулем (1,9—2,4) примерно таким же, как у романцемен¬
та, Однако показатели прочности портландцемента во много раз
превосходят прочность романцемента. Объясняется это тем, что
при получении романцемента (и гидравлической извести) обжиг
сырья производится не до спекания (при температуре около 1000°С)
и в этих условиях образуются низкоосновные силикаты и алюми¬
наты кальция, обладающие в гидратированном виде невысокой
прочностью. В технологии портландцемента обжиг сырьевой смеси
доводится до частичного плавления при ~ 1450°С и только при на¬
личии жидкой фазы (расплава) происходит синтез трехкальциево¬
го силиката, обусловливающего высокие показатели прочности и
гидравлические свойства. Усиление гидравлических свойств при пе¬
реходе от воздушной к гидравлической извести и романцементу
вследствие уменьшения гидравлического модуля с 9 до 2 при оди¬
наковой практически температуре обжига 1000°С видно из рис. 40.
В точке же 3 кривой б количественное изменение температуры
обжига сырья (с 1000 до 1450°С) привело к скачкообразному уве¬
личению прочности и появлению качественно нового вяжущего —
портландцемента.107
Проследим изменение техническйх свойств рассматриваемых
вяжущих.Воздушная известь не обладает гидравлическими свойствами,ее прочность при сжатии после 28 сут твердения невелика — около
0,4 МПа.Гидравлическую известь получают обжигом в шахтных печах не
до спекания (900—1100°С) мергелистых известняков с содержани¬
ем глины 6—20%. Полученную известь размалывают и применяютв виде порошка либо гасят
в пушонку. В процессе об¬
жига мергелистых известня¬
ков после разложения угле-
кислого кальция (900°С)
часть образующейся СаО
остается в свободном со¬
стоянии, а часть соединяется
с окислами ЭЮг, А120з и
РегОз, входящими в состав
глинистых минералов. При
этом образуются низкооснов¬
ные силикаты (2CaO-SiC>2),
алюминаты (СаО-АЬОз) и
ферриты (СаО-РегОз) каль¬
ция, которые и придают из¬
вести гидравлические свой¬
ства. Гидравлическая из¬
весть начинает твердеть в
воздухе (первые 7 сут) и
продолжает твердеть и уве¬
личивать свою прочность в воде. Предел прочности при сжатии пос¬
ле 28 сут комбинированного хранения (7 сут во влажном воздухе
и 21 сут в воде) 2—5 МПа и выше. Гидравлическую известь приме¬
няют для изготовления строительных растворов, бетонов низких ма¬
рок и бетонных камней. Ее хранят в закрытых помещениях, при
перевозке предохраняют от увлажнения.Романцемент— гидравлическое вяжущее вещество, получаемое
тонким помолом обожженных не до спекания (900°С) известняко¬
вых или магнезиальных мергелей, содержащих более 20% глины.
Образующиеся при обжиге низкоосновные силикаты и алюминаты
кальция придают романцементу свойство твердеть и сохранять
прочность в воде. Романцемент выпускают трех марок: М25, М50
п Ml00. Он должен выдерживать испытание на равномерность из¬
менения объема. Применяется для изготовления строительных рас¬
творов, бетонов, бетонных камней.Портландцемент, подробно рассматриваемый ниже, обладает
способностью твердеть и увеличивать свою прочность в воде, его
марки М400, М500, М550 и М600 значительно превосходят показа¬
тели прочности всех других вяжущих веществ, относящихся к дан¬
ной химической системе.§.I*(SiРис. 40. Зависимость марки вяжущего ве¬
щества (кривая б) от гидравлического моду¬
ля и температуры обжига (кривая а):1, ]' — воздушная известь: 2, Т — гидравлическая
известь; 3, 3' — романцемент; 4. 4' — портланд¬
цементГлава 22ВОЗДУШНАЯ ИЗВЕСТЬ
§ 1. Получение и гашениеИзвесть (как и гипс) —древнейшее вяжущее вещество. Ее при¬
меняли за несколько тысяч лет до нашей эры.Воздушная известь — продукт умеренного обжига кальциево¬
магниевых карбонатных горных пород: мела, известняка, доломи-
тизированного известняка, доломита с содержанием глины не бо¬
лее 6%.Основной составляющей известняка является карбонат кальция
(СаСОз). Обжигают известняк при температуре 900—1200°С до
возможно более полного удаления СО2 по реакции СаСОз = СаО+
+ СО2. Продукт обжига содержит кроме СаО (основной составной
части) также и некоторое количество окиси магния, образовавшей¬
ся в результате термической диссоциации карбоната магния:MgC03 = MgO + СО2.Чем выше содержание основных окислов (CaO-f MgO) в извес¬
ти, тем пластичнее известковое тесто и тем выше ее сорт. Содер¬
жание непогасившихся частиц,к которым относятся частицы недо¬
жога и пережога, снижает качество извести. Недожогом называют
оставшиеся зерна сырья — известняка, которые отощают извест¬
ковое тесто, ухудшают его пластичность и пескоемкость. Пережог
представляет собой остеклованную трудногасящуюся окись каль¬
ция, уплотненную при высокой температуре. Частицы пережога
гидратируются очень медленно с увеличением своего объема, что
может вызвать растрескивание штукатурки, известковых изделий.Обжиг известняка чаще всего производят в шахтных печах, в
которые известняк поступает в виде кусков размером 8—20 см;
обжиг мелких кусков известняка может производиться во вращаю¬
щихся печах. При обжиге известняка удаляется углекислый газ,
составляющий 44% от массы СаСОз, поэтому комовая негашенная
известь получается в виде пористых кусков, активно взаимодейст¬
вующих с водой.Гашение воздушной извести заключается в гидратации окиси
кальция при действии воды на комовую негашенную известь:
Са0 + Н20 = Са(0Н)2. Гашение сопровождается разогревом массы
вследствие выделения значительного количества тепла — 950
кДж/кг. В процессе гашения куски негашенной извести самопроиз¬
вольно диспергируются, распадаясь на тонкие частицы Са(ОНЬ
размером в несколько микронов (тоньше, чем у цемента). Воздуш¬
ная известь является единственным вяжущим веществом, которое
превращается в тонкодисперсное состояние химическим диспергиро¬
ванием. Громадная удельная поверхность частиц Са(ОН)г обус¬
ловливает большую водоудерживающую способность и пластич¬
ность известкового теста. После отстаивания известковое тесто
содержит около 50% твердых частиц Са(ОН)г и 50% воды. Каж-109
дая частица окружена тонким слоем адсорбированной воды, играю¬
щей роль своеобразной гидродинамической смазки. Высокая плас¬
тичность известкового теста в смеси с песком — это то свойство,
которое так ценится при изготовлении строительных растворов.Гашение комовой извести в тесто на специализированных рас¬
творных заводах производят в известегасильных машинах. Меха¬
низированное гашение ускоряет процесс, повышает качество извест¬
кового теста. На небольших стройках комовую известь сначала
гасят в творилах, и известковое тесто через сетку сливают в извес¬
тегасильную яму, в которой завершается гашение. Известковое
тесто выдерживают в яме не менее двух недель. Нельзя применять
известковое тесто, в котором осталась непогасившаяся известь,
так как ее гашение в штукатурке и кладке вызовет растрескивание
затвердевшего известкового раствора.В зависимости от количества воды, добавляемой к комовой
извести, можно получить известковое тесто или гидратную известь
(пушонку). Гашение извести в пушонку осуществляют в гидрато-
рах непрерывного действия, в которых выделяющееся тепло и водя¬
ные пары используются для превращения комовой извести в тон¬
чайший рыхлый порошок объемной массой 400—450 кг/м3. При га¬
шении в пушонку известь увеличивается в объеме в 2—3,5 раза;
в большей степени «распушнвается» высокоактивная известь с вы¬
соким содержанием СаО.§ 2. Твердение гашеной известиИзвесть применяется на строительстве в виде строительных рас¬
творов, т. е. в смеси с песком и другими заполнителями. На воздухе
известковый раствор постепенно отвердевает под влиянием двух
одновременно протекающих процессов: 1) высыхание раствора,
сближение кристаллов Са(ОН)2 и их срастание; 2) карбонизация
извести под действием углекислого газа, который в небольшом
количестве содержится в воздухе: Са(0Н)2+С02=СаС0з + Н20.Образующийся карбонат кальция срастается с кристаллами
Са(ОН)2 и упрочняет известковый раствор. При карбонизации вы¬
деляется вода, поэтому штукатурку и стены, в которых применены
известковые растворы, подвергают сушке. Известковые растворы
твердеют медленно, сушка ускоряет процесс их твердения.§ 3. Молотая негашеная известьИ. В. Смирнов предложил применять для изготовления искусст¬
венных безобжиговых камней и строительных растворов воздушную
известь в тонко размолотом виде без предварительного гашения.
Строительные растворы и бетоны, приготовленные на молотой нега¬
шеной извести, быстро схватываются и отвердевают вследствие
гидратационного твердения негашеной извести. При правильно
подобранном водоизвестковом отношении (0,9—1,5) кристаллы
гидроокиси кальция, получившиеся при гидратации окиси кальция110непосредственно в материале (СаО-НгО), срастаются между собой
и быстро образуют прочный кристаллический сросток. Саморазо-
гревание материала (раствора или бетона) со своей стороны спо¬
собствует ускорению твердения и росту прочности раствора, что
особенно важно при зимних работах (каменной кладке, штукатур¬
ке и др.).Во избежание чрезмерного разогрева нужно позаботиться об
отводе излишнего экзотермического тепла. При этом никаких тре¬
щин от гашения извести не образуется, а воздушная известь ведет
себя как быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее
вещество.В молотую негашеную известь и гидратную известь (пушонку)
разрешается вводить тонкомолотые минеральные добавки: домен¬
ные и топливные шлаки, золы, известняк. Продукт совместного
помола негашеной извести и карбонатной породы называют карбо¬
натной известью. Молотую негашеную известь обычно используют
сразу после помола, так как вследствие поглощения влаги из воз¬
духа она теряет свои вяжущие свойства.§ 4. Виды и применение воздушной известиВ зависимости от содержания окиси магния воздушная известь
разделяется на кальциевую (Mg0^5%), магнезиальную (MgO =
= 5—20%) и высокомагнезиальную или доломитовую (MgO=*
= 20-40%).Наиболее важными показателями качества извести являются:
активность — процентное содержание окислов, способных гаситься,
количество непогасившихся зерен (недожог и пережог); время
гашения.В зависимости от времени гашения извести всех сортов разли¬
чают: быстрогасящуюся известь с временем гашения до 8 мин,
среднегасящуюся — ее время гашения не превышает 25 мин и мед-
ленногасящуюся с временем гашения не менее 25 мин.Строительные растворы на воздушной извести имеют невысо¬
кую прочность. Так, известковые растворы через 28 сут воздушного
твердения имеют предел прочности при сжатии: на гашеной извес-Таблица 15Важнейшие показатели качества кальциевой воздушной извести
(негашеной комовой или молотой)СортаНаименование1-й2-йЗ-йСодержание активных (CaO+MgO) в908070пересчете на сухие вещества, не менее, /о
Содержание непогасившихся зерен в
негашеной комовой извести, не более, %71114111
ти — 0,4—1,0 МПа, на молотой негашеной извести — до 5 МПа.
Поэтому сорт воздушной извести устанавливают не по прочности,
а по характеристикам ее состава (табл. 15). Чем меньше глинис¬
тых и других примесей в исходном известняке, тем выше активностьизвести, быстрее происходит ее гашение и больше выход известко¬
вого теста.Большое количество извести идет на изготовление силикатного
кирпича и силикатных бетонов: ячеистых, легких, тяжелых, а так¬
же используется в смешанных вяжущих.§ 5. Известково-шлаковые и известково-луццолановые вяжущиеПолучение известково-шлаковых вяжущих основано на способ¬
ности тонкоизмельченных гранулированных доменных шлаков
твердеть при добавке извести. Обычно шлак размалывают совмест¬
но с воздушной известью, содержание которой в вяжущем состав¬
ляет 20—30%. При помоле добавляют до 3—5% гипса для улучше¬
ния процессов твердения. Известь, реагируя с низкоосновными
алюминатами и силикатами шлака, способствует образованию вы¬
сокоосновных гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. Добав¬
ляемый гипс реагирует в водном растворе с алюминатами кальция,
образуя гидросульфоалюминат кальция. В результате обоих этих
процессов возрастает прочность вяжущего.Известково-шлаковые вяжущие схватываются и твердеют мед¬
ленно, но при тепловлажностной обработке твердение ускоряется.
Они стойки в пресной воде, ио имеют низкую морозостойкость.
Известково-шлаковые вяжущие применяют в бетонах невысоких
марок и в строительных растворах.Известково-пуццолановые вяжущие изготовляют путем совмест¬
ного помола трепелов, диатомитов и других активных минераль¬
ных добавок t известью. При твердении во влажных условиях или
в воде образуются низкоосновные гидросиликаты кальция. На воз¬
духе в сухих условиях гидросиликаты способны дегидратироваться,
при этом прочность изделия может сильно снижаться. Прочность
этих вяжущих невысока, и они применяются там же, где и извест¬
ково-шлаковые вяжущие.§ 6. Безотходное производство воздушной известиВ ЧССР (на заводе Чебин) освоена технология производства
комовой и порошкообразной извести, обеспечивающая полное ис¬
пользование карбонатного сырья (автор системы НИИстроймате-
риалов, г. Брно).Производство порошкообразной негашеной извести осуществля¬
ется в кооперации с обычным производством комовой негашеной
извести в шахтных печах (на данном предприятии две печи, рабо¬
тающие на коксе по пересыпному способу). Шахтные печи исполь¬
зуют дробленый известняк местного карьера с размером кусков
7—18 см. Более мелкие куски известняка (менее 7 см) подвергают-
112ся дальнейшему измельчению в молотковой дробилке, а затем пу¬
тем воздушной сепарации продукт разделяется на две фракции:
более грубая фракция 0,2—2,5 мм перерабатывается на известь, а
тонкая (менее 0,2 мм) используется для известкования кислых
почв. При воздушной сепарации из тонкой фракции удаляется гли¬
нистое вещество и периклаз, т. е. происходит обогащение окисью
кальция известняка, идущего на обжиг. В результате порошкооб¬
разная негашеная известь имеет высокую активность.Производство негашеной извести включает: 1) предварительный
прогрев порошка известняка до 700—800°С газами, отходящими
из вращающейся печи; 2) обжиг подогретого порошка в короткой
вращающейся печи;. 3) охлаждение по выходе из печи в слоевом
холодильнике. Несмотря на высокий расход тепла, производство
себя оправдывает из-за комплексного полного использованиясырья.Г лава 23
ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
§ 1. Общая характеристика портландцементаПортландцементом называют гидравлическое вяжущее вещест¬
во, в составе которого преобладают силикаты кальция (70—80%).
Портландцемент — продукт тонкого измельчения клинкера с добав¬
кой гипса (3—5%). Клинкер представляет собой зернистый мате¬
риал («горошек»), полученный обжигом до спекания (при 1450°С)
сырьевой смеси, состоящей в основном из углекислого кальция
(известняки различного вида) и алюмосиликатов (глины, мергеля,
доменного шлака и др.). Небольшая добавка гипса регулирует сро¬
ки схватывания портландцемента.Для производства портландцемента имеются неограниченные
сырьевые ресурсы в виде побочных продуктов промышленности
(шлаков, зол, шламов) и распространенных карбонатных и глинис¬
тых горных пород. Автоматизация производственных процессов и
переход к производству цемента на заводах-автоматах значительно
снижают потребление энергии и трудоемкость, позволяют значи¬
тельно увеличить выпуск цемента в соответствии с гигантским мас¬
штабом строительства в нашей стране.Изобретение портландцемента (1824) связано с именами Егора
Герасимовича Челиева — начальника мастерских военно-рабочей
бригады и Джозефа Аспдина — каменщика из английского городаЛидса.§ 2. КлинкерКачество клинкера определяет все свойства портландцемента,
добавки же, вводимые в цемент, лишь регулируют его свойства.
Качество клинкера зависит от его химического и минерального со¬U3
става, тщательности подготовки сырьевой смеси, условий проведе¬
ния ее обжига и режима охлаждения получившегося клинкера.
Клинкер обычно получают в виде спекшихся гранул размером
10—40 мм, имеющих сложную микроструктуру, так как клинкер
включает ряд кристаллических фаз и некоторое количество стекло¬
видной фазы.Химический состав клинкера выражают содержанием окислов
(% по массе). Главными окислами являются: окись кальция СаО—
63—66%. двуокись кремния Si02— 21—24%, окись алюминияАЬОз — 4—8% и окись железа
Fe203 — 2—4%, суммарное ко¬
личество которых составляет
95—97%. В небольших количе¬
ствах в виде различных соеди¬
нений могут входить окись маг¬
ния MgO, серный ангидрид
SO3, щелочи NasO и КгО, дву¬
окись титана ТЮг, окись хрома
СГ2О3, фосфорный ангидрид
Р2О5. В процессе обжига, дово¬
димого до спекания, главные
окислы образуют силикаты,
алюминаты и алюмоферрит
кальция в виде минералов
кристаллической структуры, а
некоторая часть их выходит в
стекловидную фазу.Минеральный состав клинкера. Основными минералами клин¬
кера являются: алит, белит, трехкальциевый алюминат и алюмо¬
феррит кальция.Алит ЗСаО-БЮг (или C3S*)—самый важный минерал клинке¬
ра, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свой¬
ства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45—
60%. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого
силиката и небольшого количества (2—4%) MgO, AI2O3, Р2О5,
Сг203 и других примесей, которые могут существенно влиять на
структуру и свойства. Согласно Регур и Гинье, в интервале между
нормальной температурой и 1100°С трехкальциевый силикат кри¬
сталлизуется в шести полиморфных формах. Алит в клинкере фик¬
сируется в виде тригональной модификации. На микрофотографии
(рис. 41) кристаллы алита обычно имеют шестиугольную или пря¬
моугольную форму. Предпочтительнее правильно сформировавшие¬
ся кристаллы вытянутой формы размером 3—20 мкм, благоприят¬
ствующие повышению марки цемента.Белит 2Ca0-Si02 (или C2S*) —второй по важности и содержа¬
нию (20—30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твер¬* Приняты сокращенные написания химических формул: СаО—С, Si02—S,
AI2O3—A, Fe203—F.114СхА и CtgA FРис. 41. Микрофотография протравлен¬
ного шлифа портландцементного клин¬
керадеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении
портландцемента. В интервале между нормальной температурой и
1500°С существует пять кристаллических форм двухкальциевого
силиката. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор
Р-двухкальциевого силиката (P-C2S) и небольшого количества
(1—3%) А1203, Fe203, MgO, Сг203 и др. Когда горячий клинкер,
вышедший из печи, постепенно охлаждается, при температуре
ниже 525°С p-C2S может перейти в у-Сг5, и этот переход сопровож¬
дается увеличением базального расстояния, т. е. «разрыхлением»
молекулярной структуры белита. Действительно, плотность P-C2S
равна 3,28 г/см3, a yC?S — 2,97 г/см3, поэтому полиморфный пере¬
ход вызывает приращение абсолютного объема белита примерно
на 10%, в результате гранулы клинкера рассыпаются в порошок.
Казалось бы самопроизвольная диспергация облегчает измельче¬
ние клинкера, но, к сожалению, порошок Y-C2S при температурах
до 100°С практически не взаимодействует с водой, т. е. не обладает
вяжущими свойствами. Следовательно, необходимо воспрепятство¬
вать переходу белита в у-форму. Стабилизации p-C2S способствуют
некоторые примеси (AI2O3, Fe203, MgO, Сг203 и др.), внедряющие¬
ся в кристаллическую решетку в количестве 1—3%- Своеобразной
«закалке» белита служит достаточно быстрое охлаждение клинке¬
ра в холодильных устройствах, располагаемых при выходе клин¬
кера из печи. Регулируя скорость охлаждения клинкера, получают
белит в виде округлых плотных кристаллов (см. рис. 41) размером
20—50 мкм.Содержание минералов-силикатов в клинкере портландцемента
в сумме около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном
определяет технические свойства портландцемента. Остальные
25% составляет промежуточное вещество, заполняющее объем меж¬
ду кристаллами алита и белита (см. рис. 41). Промежуточное ве¬
щество состоит из кристаллов трехкальциевого алюмината (С3А),
алюмоферрита кальция (C4AF), стекла и второстепенных минера¬
лов (12Са0-7А1203 и др.).Трехкальциевый алюминат в клинкере содержится в количестве4—12% и при благоприятных условиях обжига получается в виде
кубических кристаллов размером до 10—15 мкм; образует твердые
растворы сложного состава. Плотность СзА — 3,04 г/см3, он очень
быстро гидратируется и твердеет, но имеет небольшую прочность.
Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфа¬
тостойком портландцементе содержание СзА ограничено 5%.Четырехкальциевый алюмоферрит в клинкере содержится в ко¬
личестве 10—20%. Алюмоферритная фаза промежуточного вещест¬
ва клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов
кальция разного состава, в клинкерах обычных портландцементов
ее состав близок к 4СаО- АЬОз - Fe203. Плотность C4AF — 3,77 г/см3.
По скорости гидратации минерал занимает как бы промежуточное
положение между алитом и белитом, поэтому он не оказывает опре¬
деляющего влияния на скорость твердения и тепловыделение порт¬
ландцемента.115
Клинкерное стекло присутствует в промежуточном веществе в
количестве 5—15%, оно состоит в основном из СаО, AI2O3, РегОз,
MgO, К2О, Na20.Окись магния входит в состав алюмоферритной фазы и клин¬
керного стекла, а также присутствует в свободном состоянии в виде
кристаллов медленно гидратирующего минерала периклаза. Гидра¬
тация MgO длится долго, возможно несколько лет, и переход в
Mg (ОН) 2 сопровождается увеличением объема твердой фазы в уже
затвердевшем цементном камне. При содержании окиси магния
более 5% это явление может явиться причиной неравномерного
изменения объема цемента при твердении и растрескивании бе¬
тона.Свободная окись кальция СаОСВоб находится в свежеобожжен-
ном клинкере в виде зерен; ее содержание не должно превосходить
1%. При более высоком содержании СаОСВОб снижается качество
цемента и может проявиться неравномерное изменение его объема
при твердении, связанное с переходом СаО в Са(ОН)г.Щелочи (Na20, К2О) входят в алюмоферритную фазу клинкера,
а также присутствуют в цементе в виде сульфатов. Содержание
щелочей в портландцементе ограничивается в случае применения
заполнителя (песка, гравия), содержащего реакционноспособные
опаловидные модификации двуокиси кремния, из-за опасности рас¬
трескивания бетона в конструкции.§ 3. Принципы производстваСырьевые материалы. Сырьевыми материалами для производ¬
ства клинкера служат известняки с высоким содержанием углекис¬
лого кальция (мел, плотный известняк, мергели и др.) и глинистые
породы (глины, глинистые сланцы), содержащие ЭЮг, А1203 и
Fe203. В среднем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минераль¬
ного сырья; примерное соотношение между карбонатным и глинис¬
тым составляющими сырьевой смеси 3:1 (т. е. берется около 75%
известняка и 25% глины). В сырьевую смесь вводят добавки, кор¬
ректирующие химический состав, регулирующие температуру спе¬
кания смеси и кристаллизацию минералов клинкера. Например,
количество БЮг повышают, добавляя в сырьевую смесь трепел,
опоку. Добавление колчеданных огарков увеличивает содержание
Fe203.Для производства портландцемента все шире используют побоч¬
ные продукты промышленности. Весьма ценным сырьем являются
доменные шлаки, содержащие необходимые для получения клинке¬
ра составные части (СаО, S1O2, АЪ03, Fe203). Нефелиновый шлам,
получающийся при производстве глинозема, содержит 25—30%
Si02 и 50—55% СаО; достаточно к нему добавить 15—20% извест¬
няка, чтобы получить сырьевую смесь. Использование нефелинового
шлама повышает производительность печей примерно на 20% и
снижает расход топлива на 20—25%.Основной и наиболее эффективный вид топлива — природный116газ, обличающийся высокой теплотворной способностью. Сокраща¬
ется применение мазута и твердого топлива, приготовляемого в
специальных установках для сушки и помола угля (антрацита,
каменного угля). Теплотворная способность твердого топлива ни¬
же, чем газообразного; углевоздушные смеси подвержены взрывам;
зольность углей 10—20%, и зола, попадая в обжигаемую сырьевую
смесь, искажает расчетный минеральный состав клинкера. Стои¬
мость топлива составляет до 25% себестоимости готового цемента,
поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его эко¬
номии.Подготовка сырья. Производство портландцемента — сложный
технологический и энергоемкий процесс, включающий: 1) добычу
в карьере и доставку на завод сырьевых материалов, известняка
и глины; 2) приготовление сырьевой смеси; 3) обжиг сырьевой сме¬
си до спекания — получение клинкера; 4) помол клинкера с добав¬
кой гипса — получение портландцемента; 5) магазинирование гото¬
вого продукта. Обеспечению заданного состава и качества клинке¬
ра подчинены все технологические операции.Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком измельчании
и смешении взятых в установленном соотношении компонентов, что
обеспечивает полноту прохождения химических реакций между ни¬
ми и однородность клинкера. Приготовление сырьевой смеси осу¬
ществляется сухим, мокрым и комбинированным способами.Сухой способ заключается в измельчении и тесном смешении
сухих (или предварительно высушенных) сырьевых материалов,
поэтому сырьевая смесь получается в виде минерального порошка,
называемого сырьевой мукой. Тонкое совместное измельчение из¬
вестняка и глины осуществляют в трубных (шаровых) мельницах,
в которых совмещаются помол и сушка сырьевых материалов до
остаточной влажности 1—2%. На крупных предприятиях сырьевые
мельницы работают по замкнутому циклу (рис. 42): установка
производительностью до 100 т/ч включает сепараторы, отделяющие
крупную фракцию сырьевой муки и возвращающую ее в мельницу
для помола. Таким образом повышается тонкость помола сырьевой
смеси и качество обжигаемого из нее клинкера.Сырьевую муку направляют в силосы, в них корректируется
состав сырья и создается запас, необходимый для бесперебойной
работы печей. При сухом способе производства затраты тепла на
обжиг клинкера в 1,5—2 раза меньше, чем при мокром способе.
Ввиду технико-экономических преимуществ сухой способ производ¬
ства цемента у нас быстро развивается. Сухой способ наиболее
выгоден при использовании известняка и глины с невысокой влаж¬
ностью (10—15%), однородного состава и физической структуры,
когда можно получить гомогенную сырьевую муку при сухом по¬
моле.Мокрый способ приготовления сырьевой смеси применяют, если
мягкое сырье имеет значительную влажность (мел, глины). Тонкое
измельчение и смешение исходных материалов осуществляется в
водной среде, поэтому сырьевая смесь получается в виде жидкоге-117
кучей массы — шлама с большим содержанием воды (35—45%).
Используется способность мягких горных пород (глины и мела)
легко распадаться в воде на мелкие частицы. Глина перерабатыва¬
ется в водную суспензию в глиноболтушках. Иногда глина перера¬
батывается в шлам непосредственно в карьере, и далее полученный
шлам надлежащего состава перекачивается на завод.Второй компонент сырьевой смеси — известняк после дробления
направляется на совместный помол с глиняным шламом в шаровую
мельницу через весовые дозаторы
непрерывного действия с автома¬
тическим управлением, что позво¬
ляет выдерживать точное соотно¬
шение между компонентами сырь¬
евой смеси (рис. 43). Совместное
измельчение известняка, глины и
корректирующих добавок (на¬
пример, пиритных огарков, содер¬
жащих РегОз) обеспечивает тща¬
тельное смешение исходных мате¬
риалов и получение однородной
сырьевой смеси. Помол сырья
производят до остатка на сите
№ 008 не более 8—10%, следова¬
тельно, более 90% частиц смеси
имеет размер менее 80 мкм.Из трубных мельниц известково-глиняный шлам перекачи¬
вают насосами в вертикальные или горизонтальные резер¬
вуары (шламбассейны), в них корректируют и усредняют хими¬
ческий состав шлама. Контроль состава сырьевой смеси теперь
осуществляется с помощью автоматического рентгеноспектрометра
с ежечасным определением содержания CaO, Si02, Fe203 и А1203.
По данным анализа вычислительная машина рассчитывает дозиров¬
ки сырьевых компонентов, исходя из получения сырьевой смеси за¬
данного состава, а также сответствующий режим работы автомати¬
ческих дозирующих устройств, что позволяет отказаться от коррек¬
тирования при достаточном постоянстве состава смеси. Применение
разжижителей шлама (добавок СДБ и др.) позволяет снизить
влажность шлама, но не устраняет основной недостаток мокрого
способа производства цемента — высокую энергоемкость процесса
получения клинкера.Применение «комбинированного способа» дает возможность на
20—30% снизить расход топлива по сравнению с мокрым способом.
Сущность этого способа заключается в том, что приготовленный
шлам до поступления в печь обезвоживается на специальных уста¬
новках. Однако при этом возрастает расход электроэнергии, т. е.
энергоемкость производства в целом остается высокой.Обжиг. Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром
способе производства осуществляется в основном во вращающихся
лечах. Шахтные печи применяют иногда только при сухом способеРис. 43. Схема помола сырьевых ма¬
териалов по мокрому способу в от¬
крытом цикле:/ — бункер известняка; 2 — бункер огар¬
ков; 3 — тарельчатый питатель и весоиз-
меритель; 4 — питатель глиняного шлама;
5 — ленточный транспортер; 6 — мельница;
7 — емкость перед насосом; 8— насос; 5 —
подача шлама в производство
* производства. Вращающая*
| ся печь представляет собой
° длинный, расположенный
| слегка наклонно цилиндр
5з (барабан), сваренный из ли-
" § стовой стали с огнеупорной
«I футеровкой внутри (рис. 44).
«Р Длина печей 95—185—230 м,
| х диаметр 5—7 м. В СССР
&! стали применять вращаю-
Л,| щиеся печи, работающие по
£§ сухому способу производст-
а ° ва, размером 7x95 м, произ-
g,i водительностью 3000 т/сут>с расходом тепла на обжиг* & 3400 кДж/кг. На пред-ll приятиях с мокрым спосо-
2* бом производства работают| печи 7x230 м производи-с тельностью 3000 т/сут при5 расходе тепла 5600 кДж/кг.'I go, Для улучшения теплообме-s s'0, на внутри печей ближе кI «| верхнему (холодному) кон-s. | * цу устраивают цепные заве-я “S сы, устанавливают теплооб*gil менники различной конст-<J и 8 рукции.^ 1“ Вращающиеся печи ра-^ Rg ботают по принципу проти-й вотока. Сырье в виде по-а Iе0 рошка (сухой способ) или в
виде шлама (мокрый спо-§•« соб) подается автоматиче-I | ским питателем в печь со
стороны ее верхнего (холод-й* ного) конца, а со стороны
нижнего (горячего) конца
вдувается топливо (природ-а| ный газ, мазут, воздушно-
угольная смесь), сгорающеесч а в виде факела на протяже-ь*| нии 20—30 м длины печи.Горячие газы поступают на-а | встречу сырью. Сырье зани-|ч мает только часть печи по2 поперечному сечению, и при| ее вращении со скоростьюI 1—2 об/мин медленно дви-жется к нижнему концу, проходя различные температурные зоны.
Выдающийся советский ученый В. Н. Юнг, разработавший основы
теории обжига, условно разделил вращающуюся печь на шесть
температурных зой в зависимости от характера протекающих про¬
цессов. Рассмотрим эти процессы, начиная с поступления сырьевой
смеси в печь, т. е. идя с верхнего ее конца к нижнему.В зоне испарения происходит высушивание поступившего сырья
при постепенном повышении температуры с 70—80°С (в конце этой
зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушен¬
ный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на
более мелкие гранулы.В зоне подогрева, которая следует за сушкой сырья, при посте¬
пенном нагревании сырья с 200 до 700°С сгорают находящиеся в
нем органические примеси, из глинистых минералов удаляется
кристаллохимическая вода (при 450—500°С) и образуется каоли-
нитовый ангидрид Al203-2Si02 и другие подобные соединения.
Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром спо¬
собе производства занимают 50—60% длины печи (считая от хо¬
лодного конца), при сухом же способе подготовка сырья сокраща¬
ется за счет зоны испарения.В зоне кальцинирования (ее протяженность — 20—23% длины
печи) температура обжигаемого материала поднимается с 700 до
1100°С, здесь завершается процесс диссоциации углекислых солей
кальция и магния и появляется значительное количество свободной
окиси кальция. Термическая диссоциация СаСОз — это эндотерми¬
ческий процесс, идущий с большим поглощением тепла (1780 кДж
на 1 кг СаС03), поэтому потребление тепла в третьей зоне печи
наибольшее. В этой же зоне происходит распад дегидратированных
глинистых минералов на окислы SiCb, AI2O3, РегОз, которые всту¬
пают в химическое взаимодействие с СаО. В результате этих реак¬
ций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы
ЗСаО-АЬОз, СаО-АЬОз и частично 2Ca0-Si02.В зоне экзотермических реакций (1100—1250°С) проходят твер¬
дофазовые реакции образования ЗСа0-А1г03; 4СаО-А120з-Ре20з
и белита. Эти экзотермические реакции сопровождаются выделени¬
ем большого количества тепла (до 420 кДж на 1 кг клинкера) и
интенсивным повышением температуры материала (на 150—200°С)
на сравнительно коротком участке печи (5—7% ее длины).В зоне спекания (1300—1450—1300°С) температура обжигаемо¬
го материала достигает наивысшего значения (1450°С), необходи¬
мого для частичного плавления материала и образования главного
минерала клинкера — алита. В начале спекания, начиная с 1300°С,
образуется расплав из относительно легкоплавких минералов
ЗСаО-А12Оз, 4Ca0-Al203-Fe203, а также MgO и легкоплавких при¬
месей в количестве 20—30% объема обжигаемой массы. При повы¬
шении температуры до 1450°С в клинкерной жидкости растворяют¬
ся 2Ca0-Si02 и СаО и из них в расплаве происходит процесс обра¬
зования алита 3Ca0-Si02, проходящий почти до полного
связывания окиси кальция (в клинкере СаО0воб не более 0,5—1%).121
В расплаве (по Бутту и Тимашеву) сначала образуются тетраэдры
SiO^-, которые потом соединяются с ионами Са2+, образуя кристал¬
лическую решетку трехкальциевого силиката. Алит плохо растворя¬
ется в расплаве и вследствие этого выделяется из него' в виде мел¬
ких кристаллов, что влечет растворение в расплаве новых порцийРис. 45. Многокамерная мельница для помола клинкера:1 — загрузочное устройство; 2 — перегородка с решетками; 3 — стальной корпус;
4 — стальные плитки; 5—выгрузочное устройство; 6 — двухступенчатый редуктор2Ca0-Si02 и СаО. Процесс образования алита заканчивается за
15—20 мин пребывания материала в зоне спекания (ее протяжен¬
ность 10—15% длины печи). Поскольку при вращении печи частич¬
но расплавленный материал непрерывно перекатывается, создают¬
ся условия для слипания мелких частичек в более крупные гранулы.
Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллиза¬
цию из расплава ЗСаО-А^Оз, 4СаО-А^Оз-РегОз и MgO (в виде
периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения, следующей
за спеканием.В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до
1000°С; здесь полностью формируется его структура и состав, вклю¬
чающий алит — C3S, белит — C2S, С3А, C4AF, MgO (периклаз),
стекловидную фазу и второстепенные составляющие.Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мел¬
ких камнеподобных зерен — гранул («горошка») темно-серого или
зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно
охлаждается с 1000 до 100—200°С в барабанных, рекуператорных
и других холодильниках воздухом, идущим навстречу клинкеру
или просасываемым через слой горячего клинкера. После этого
клинкер выдерживается на складе 1—2 недели.Помол. Помол клинкера в тонкий порошок производится пре¬
имущественно в трубных (шаровых) мельницах, работающих по
открытому или замкнутому циклу. Трубная мельница представляет
собой стальной барабан, облицованный внутри стальными броневы¬
ми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2—4 ка¬122меры (рис. 45). Крупнейшими помольными агрегатами являются
мельницы размером 3,95X11 м, производительностью 100 т/ч и раз¬
мером 4,6X16,4 м, производительностью 135 т/ч.Материал в трубных мельницах измельчается под действием
загруженных в барабан мелющих тел — стальных шаров (в каме¬
рах грубого помола) и цилиндров (в камерах тонкого помола).
При вращении мельницы мелющие тела поднимаются на некото¬
рую высоту и падают, дробя и истирая зерна материала./Рис. 46. Схема размола клинкера по замкнутому циклу.
а — с двумя мельницами: 1 — мельница грубого помола; 2 — элеватор; 3 —
центробежный сепаратор; 4 — мельница тонкого помола; б — с одной мель¬
ницей: J — элеватор; 2 — сепаратор; 3— мельница; 4—крупка; 5 — готовыйцементПри работе по открытому циклу мельница работает «на про¬
ход», т. е. материал (клинкер и добавки) непрерывно поступает со
стороны камер грубого помола через полую ось, а измельченный
материал выходит из камеры тонкого помола и далее транспорти¬
руется в силосы. Замкнутый цикл помола включает помольный аг¬
регат и центробежный сепаратор, отделяющий крупные зерна, воз¬
вращаемые на домол (рис. 46), в результате чего достигается
высокая тонкость помола. Помольные установки, работающие по
замкнутому циклу, дают возможность тонко измельчить клинкер
(до удельной поверхности 4000—5000 см2/г) и регулировать содер¬
жание в цементе частиц различного размера, что необходимо для
получения быстротвердеющего и других специальных портланд-
цементов. При помоле к клинкеру добавляют гипс (так, чтобы об¬
щее содержание SO3 в цементе было не более 3,5%), служащий для
замедления схватывания портландцемента.Готовый портландцемент — очень тонкий порошок темно-серого
или зеленовато-серого цвета; по выходе из мельницы он имеет
высокую температуру (80—120°С) и направляется пневматическим
транспортом для хранения в силосы, которые обычно выполняются
в виде железобетонных банок диаметром 8—15 м и высотой 25—
■30 м. Большие силосы вмещают 4000—10 000 т цемента.Цемент в силосах выдерживают до его охлаждения и гашения
остатков свободной окиси кальция, которое происходит под дейст-123
ffl я wsgS' с w* 7 я1* К Я
я f-сг>£» Л я
5 ^ 4 V
a) S
u * * 39
£? -° S’
Burs = "3<y jr »
as к V o2u^s к ?• 2I я с1 а 1 *** 2s I
S'"-w Я .»...,к 5" я я
.. i‘“i-
>. л I I *<§ S^ESЯ S ^ 4»О %*5 £»";?» £ S S>. v g i 2
Sal1*2 3 «
g- u a. „
й О ... ^; * h Я Я5 woe;
а»си0 ®§guС «S I I5 5-SS
*а “..■§•Ш « ^ o<u
к oi s n§ gfSg-
S «S<I2 s я M о4 чо * *£ 14 s «V Ie-«gs iО сг 4 a; e>С n 3 1)Nrt о | 5 y-5 >|8О I . * pj
e( «ч- я { S
О =J 1e s 5 S «
м x 5 *S a £ - * 1о £§g.S&s:fpSlssg2? »S‘Sи E&3S^ i - 5 1
U, я <-» oo
.. e i• з ^
ёO- s5..§ .S I 1 =«ч!<0 ..*e з г»1 §-5-S£i-gggаЧ у s
u I i s
Л I го 4
«к a*3 н* •* I я» 2 1 5
Я 2
S’" sЯ j4 ои 'g • - ся О яES|1 I §N<0 Нвием влаги воздуха. Из силосов цемент погружается в автоцементо¬
возы, в вагоны-цементовозы или крытые железнодорожные вагоны.. Часть цемента поступает на отвешивающие и упаковывающие ма¬
шины и поставляется в мешках (по 50 кг цемента).Схема производства портландцемента представлена на рис. 47.§ 4. Теория тверденияТеория твердения портландцемента развивается на базе осно¬
вополагающих работ Ле-Шателье, Михаэлиса, А. А. Байкова *,
П. А. Ребиндера ** и других выдающихся ученых. Большой вклад
в науку о вяжущих веществах внесли П. И. Боженов, П. П. Будни¬
ков, Ю. М. Бутт, А. В. Волженский, В. А. Воробьев, С. И. Дружи¬
нин, В. А. Кинд, О. П. Мчеделов-Петросян, В. Н. Юнг и др.Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с
водой, имеет три периода твердения. Вначале, в течение 1—3 ч пос¬
ле затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется.
Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5—10 ч пос¬
ле затворения; в это время цементное тесто загустевает, утрачивая
подвижность, но его механическая прочность еще невелика. Пере¬
ход загустевшего цементного теста в твердое состояние означает
конец схватывания и начало твердения, которое характерно замет¬
ным возрастанием прочности. Твердение бетона *** при благопри¬
ятных условиях длится годами — вплоть до полной гидратации ****
цемента.Химические реакции. Сразу после затворения цемента водой
начинаются химические реакции. Уже в начальной стадии процес¬
са гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита
с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроокиси:2 (ЗСаО • SiOa) + 6Н20 = ЗСаО - 2SiOa • ЗН20 + ЗСа(ОН)аПосле затворения гидрат окиси кальция образуется из алита,
так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодей¬
ствии с водой выделяется меньше Са(ОН)г, что видно из уравнения
химической реакции2 (2СаО • Si02) + 4На0 = ЗСаО . 2SiOa • ЗНаО + Са(ОН)2* Александр Александрович Байков (1870—1946)—академик АН СССР, Ге¬
рой Социалистического Труда, известный ученый, педагог и общественный дея¬
тель.** Петр Александрович Ребиндер (1898—1972)—академик АН СССР, Герой
Социалистического Труда, выдающийся ученый, основоположник физико-химичес¬
кой механики, известный педагог и общественный деятель.*** Развитию теории твердения способствуют периодически проводимые
международные конгрессы по химии цемента. VI Конгресс проходил
в Москве (1974), что явилось признанием ведущего положения СССР в произ¬
водстве цемента и большого вклада советских ученых в науку о цементе.**** терМИН «гидратация» объединяет процессы взаимодействия цемента с
водой, происходящие при его схватывании и твердении.125
Гидросиликат кальция 3Ca0-2Si02-3H20 образуется при пол¬
ной гидратации чистого трехкальциевого силиката в равновесии с
насыщенным раствором гидроокиси кальция. Молярное соотноше¬
ние Ca0/Si02 в гидросиликатах, образующихся в цементном тесте,
может изменяться в зависимости от состава материала, условий
твердения и других обстоятельств. Поэтому применяется термин
CSH для всех полукристаллических и аморфных гидратов кальцие¬
вых силикатов.Основной алюмосодержащей фазой в портландцементе являет¬
ся трехкальциевый алюминат ЗСаО-А1203. Он представляет и са¬
мую активную фазу среди клинкерных минералов. Немедленно
после соприкосновения ЗСаО-АЬОз с водой на поверхности непро¬
реагировавших частиц образуется рыхлый слой метастабильных
(неустойчивых) гидратов 4Са0-А1203- 19Н20 и 2СаО* А120з-8Н20
в виде тонких гексагональных пластинок, образующих по термино¬
логии Кондо и Даймона «структуру карточного домика». Рыхлая
структура гидроалюмииатов ухудшает морозостойкость, а также
стойкость против химической коррозии. Это одна из причин огра¬
ничения количества трехкальциевого алюмината в специальных
портландцементах, применяемых для морозостойких бетонов.Стабильная форма — шестиводный гидроалюминат
ЗСаО-А120з-6Н20, кристаллизующийся в кубической форме, обра¬
зуется в результате быстро протекающей химической реакции:ЗСаО • А1203 + 6Н20 = ЗСаО • Д1203 • 6Н20Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют
небольшое количество природного гипса (3—5% от массы цемен¬
та). Сульфат кальция играет роль химически активной составляю¬
щей цемента, реагирующей с трехкальциевым алюминатом и связы¬
вающей его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит)
в начале гидратации портландцемента: Гипс ЗСаО • А1203 3(CaS04-2H20) V 26Нг0 = ЗСаО- Al20s-3CaS04.32H20
1 ! J Портландцемент Гидросульфоалюминат кальция(эттрингит)В насыщенном растворе Са(ОН)2 эттрингит сначала выделяется
в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхнос¬
ти частиц ЗСаО-АЬОз, замедляет их гидратацию и оттягивает на¬
чало схватывания цемента. Кристаллизация Са(ОН)2 из пересы¬
щенного раствора понижает концентрацию гидроокиси кальция в
растворе, и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных
кристаллов. Кристаллы эттрингита и обусловливают раннюю проч¬
ность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31—32 мо¬
лекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое боль¬
ший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ
(СзА и сульфат кальция). Заполняя поры цементного камня, эт¬
трингит повышает его механическую прочность и стойкость. Струк¬126тура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предот¬
вращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гндроа-
‘люминатов каЛьция. Эттрингит взаимодействует с ЗСа0-А1г03,- оставшимся после израсходования добавки гипса, с образованием
моносульфата кальция:2 (ЗСаО • А1а03) + ЗСаО • А1а03 • 3CaS04 • 32Н20 ++ 22НгО = 3 (ЗСаО • А1203 • CaS04 • 18НаО)В результате введения в портландцемент сульфата гидроалю¬
минаты кальция заменяются гидросульфоалюминатом.Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой
расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит:4СаО • А1203 • Fe203 4- т Н20 = ЗСаО • А1203 • 6Н20 ++ СаО • Fe203 ■ п НаОГидроалюминат связывается добавкой природного гипса, как
указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.Свойства и формирование структуры цементного теста. Путем
тщательного смешения цементного порошка с водой получают це-
метное тесто; оно представляет собой концентрированную водную
суспензию, обладающую характерными свойствами структуриро¬
ванных дисперсных систем: прочностью структуры, структурнойи пластической вязкостью, тиксотропией.Цементное тесто до укладки бетонной смеси и начала схваты¬
вания имеет в основном коагуляционную структуру, в нем твердые
частицы суспензии связаны ван-дер-ваальсовыми силами и сцепле¬
ны вследствие переплетения гидратных оболочек, покрывающих
частицы.Структура цементного теста разрушается при механических
воздействиях (перемешивание, вибрирование и т. п.), вследствие
этого резко падает предельное напряжение сдвига и тесто с пре¬
дельно разрушенной структурой, подобно вязкой жидкости, запол¬
няет форму. Переход теста в текучее состояние имеет тиксотропный
характер, т. е. после прекращения механических воздействий струк¬
турные связи в системе вновь восстанавливаются.Структурно-механические свойства цементного теста возраста¬
ют по мере гидратации цемента. Например, предельное напряжение
сдвига цементного теста, по данным Е. Е. Сегаловой и др., измерен¬
ное после его изготовления, составило 0,01 МПа; к началу схватыва¬
ния оно возросло до 0,15 МПа (т. е. в 15 раз), а к концу схватывания
достигло 0,5 МПа (увеличилось в 50 раз). Следовательно, цемент¬
ное тесто отличается способностью быстро изменять реологическиесвойства в течение 1—2 ч.Формирование структуры цементного теста и прочности проис¬
ходит следующим образом. Первыми элементами структуры, обра¬
зующимися после смешивания цемента с водой, являются эттрин-
гит, гидрат окиси кальция и иглы геля CSH, растущие из частиц.12?
клинкера. Присутствие эттрингита в виде коротких гексагональных
призм обнаружено уже через 2 мин после затворения цемента во¬
дой, а спустя несколько часов появляются зародыши кристаллов
Са(ОН)2. Частицы геля гидросиликата, имеющие первоначально
игольчатую форму, продолжая расти, ветвятся, становятся древо¬
видными. Образование дендритных форм является одной из причинсоединения частиц геля гид¬
росиликата в агрегаты, име¬
ющие характерную форму
«снопов пшеницы* или в ви¬
де плотно агломерирован¬
ных листков. Тонкие слои
геля получаются и между
кристаллами Са (ОН)2, об¬
разуя с ними сросток, упроч¬
няющий цементное тесто.На рис. 48 схематично
показано развитие структу¬
ры цементного теста. Пер¬
вичная структура представ¬
ляет собой малопрочный
пространственный каркас из
дисперсных частиц продук¬
тов гидратации, связанных
ван-дер-ваальсовыми сила¬
ми; переплетение гидратных
оболочек, образованных на
частицах адсорбированной
водой, тоже удерживает ча¬
стицы друг около друга. Хо¬
тя прочность первичной
структуры невелика, под¬
вижность твердых частиц
все же снижается, и цемент¬
ное тесто загустевает. К концу периода схватывания формируется
основная структура цементного теста, которое превращается в це¬
ментный камень.Структура цементного камня в значительной степени определя¬
ется механизмом его гидратации. В результате взаимодействия
цемента с водой образуются «внутренние» продукты гидратации в
пространстве, первоначально занятом цементными зернами, и
«внешние» продукты гидратации, заполняющие пространство, пер¬
воначально занятое водой.Количество внутреннего гидросиликата кальция намного боль¬
ше, чем внешнего CSH. Щутренний гидросиликат получается в ре¬
зультате топохимической гидратации алита и белита, т. е. путем
непосредственного присоединения воды к твердой фазе. Внутрен¬
ний гидросиликат имеет тонкую и плотную структуру; отношение
Ca0/Si02 может быть от 0,5 до больших величин по Тейлору.Рис. 48. Процесс гидратации цемента и раз¬
витие структуры цементного теста во вре¬
мени (по Лохеру и Рихартцу):I — Са(ОН)2; 2 — эттрингнт; За — гндросиликаты
кальция, длинные волокна; 36— то же, короткие
волокна; 4— ЗСаО-АЬОз'СаБО^ 12НаО; 5 —
4Са0-А120а*13Н20; 6 — кривая изменения объема
пор; 1 — неустойчивая структура; II — формиро¬
вание основной структуры; III — конденсация
структуры и получение устойчивой структуры128/,7нкн1мкм 1 1Рис. 49. Основные структурообразующие фазы цементного камня (твердение
портландцементного теста в воде при 20°С, В/Ц=0,35, в течение 28 сут) поА. Ф. Щурову:i — Х6000 и 2 —Х10 000 —гель С—S—Н; 3 —X2400 и 4 — Х6000 — портландит Ca(OH)j,сросшийся с гелем С—S—НВнешние продукты гидратации образуются через растворение
вне зерен цемента и состоят из небольшого количества внешнего
гидросиликата, крупных кристаллов Са(ОН)2 и эттрингита.На рис. 49 можно видеть основные фазы портландцементногокамня.Частицы геля гидросиликата (кристаллиты) представляют со¬
бой субмикрокристаллические тонкие пластинки («фольгу») из5—664129
двух-трех структурных слоев; толщина каждого слоя — около 6 А,
а диаметр частицы — менее 100 А. Следовательно, твердая фаза
в гидратированном цементе находится в состоянии весьма сильно¬
го раздробления. Удельная поверхность портландцемента составля¬
ет 0,3—0,45 м2/г; в процессе гидратации происходит диспергация
цемента и удельная поверхность твердой фазы возрастает в 100—
200 раз. Например, удельная поверхность* цементного камня, из¬
готовленного с водоцементным отношением 0,6, после 512 сут твер¬
дения при 100%-ной влажности была равна 782 м2/г (при гидрата¬
ции 91% цемента). Клеящая способность цементного теста зависит
от дисперсности твердой фазы: она повышается по мере гидратации
цемента, т. е. при превращении все большего количества цемента
в гель. Однако удельная поверхность самого геля гидросиликата
значительно уменьшается при высушивании, что видно из опытных
данных. Цементный камень, изготовленный из раствора с
В/Ц = 0,4, имел в возрасте 514 сут (при гидратации 86% цемента)
удельную поверхность (м2/г): 708 — при 100%-ной, 330 — при
50%-ной и 189 — при 12%-ной относительной влажности. Укруп¬
нение частиц новообразований при сильном высушивании не только
снижает клеящую способность гидратированного цемента, но и по¬
вышает его хрупкость. Все эти исследования говорят о необходи¬
мости ухода за бетоном, предотвращающего его раннее высушива¬
ние, а также о создании соответствующих влажностных условий
при тепловой обработке железобетонных конструкций.§ 5. Структура цементного камняВ. Н. Юнг ввел представление о цементном камне как микробе¬
тоне, состоящем из гелевых и кристаллических продуктов гидрата¬
ции цемента и многочисленных включений в виде негидратирован-
ных зерен клинкера. Основная масса новообразований при
взаимодействии цемента с водой получается в виде гелевидной
массы, состоящей в основном из субмикрокристаллических частичек
гидросиликата кальция. Гелеподобная масса пронизана относи¬
тельно крупными кристаллами гидрата окиси кальция. Такое свое¬
образное «комбинированное» строение предопределяет специфи¬
ческие свойства цементного камня, резко отличающиеся от свойств
других материалов — металлов, стекла, гранита и т. п. Например, с
наличием гелевой составляющей связана усадка при твердении
на воздухе и набухание в воде, особенности работы под нагруз¬
кой и другие свойства. ■$Цементный камень включает: 1) продукты гидратации цемента:а) гель гидросиликата кальция и другиегновообразования *, обла¬
дающие свойствами коллоидов; б) относительно крупные кристал¬
лы Са(ОН)2, эттрингита; 2) аепрореагировавшие зерна клинкера,* Удельная поверхность приведена по Л. Э. Коупленду и Дж. Дж. Вербеку;
она измерена по способу рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами.** Термин «новообразования» объединяет все продукты гидратации цемента.130содержание которых уменьшается по мере гидратации цемента;3) поры: а) поры геля, относящиеся к микропорам (менее 1000 А),
б) капиллярные поры, являющиеся макропорами (от 1000 А до
10 мкм), расположенные между агрегатами частиц геля; в) воздуш¬
ные поры и пустоты (от 50 мкм до 2 мм) — полости, заполненные
воздухом: засосанным в цементное тесто вследствие вакуума, вы¬
званного контракцией: вовлеченным в тесто при изготовлении или
укладке, а также при добавлении специальных воздухововлекаю¬
щих веществ; оставшихся в тесте вследствие его недоуплотнения.Классификация пор геля по размерам дана Кондо и Даймоном
(размер пор в данной классификации характеризуется половиной
гидравлического радиуса): 1) очень тонкие поры, пронизывающие
частицы геля: межкристаллитные — размером менее 6 А, а внутри-
кристаллитные — 6—16А; 2) поры между частицами геля более
крупные— 16—1000 А. Все эти поры структурно присущи цементно¬
му гелю, т. е. в геле всегда есть поры, поскольку он является дис¬
персной системой, состоящей из частиц коллоидного уровня и их
агрегатов, разделенных поровым пространством. В зависимости от
состава цемента, начального количества воды и технологии пори¬
стость геля может составлять 28—40% объема геля, причем около
Vi—Уз пористости (т. е. 7—12%) приходится на долю контракци-
онного объема. Контракция (стяжение) — это явление уменьшения
абсолютного объема системы (цемент + вода) в процессе гидрата¬
ции. Для примера рассмотрим систему (табл. 16):ЗСаО • А1а08 + 6НгО = ЗСаО • А1203 • 6Н20Таблица 16Изменение абсолютных объемов системы С3А - водаНаименование3 CaO Al.O,+е н,о3 СаО-А 1,0,.6 Н.оМолекулярная мас¬
са МПлотность, р
Объем, М/р270,203,0488,88108.091108,09378,282,52150,11196,97 |со-
150,11 СМ3,IАбсолютный объем реагирующих веществ-
ставил 196,97 см3, а объем гидроалюмината — только
следовательно, контракция в данном примере составила 46,86 см
Поскольку контракция почти не уменьшает внешний объем сист(
мы, ее следствием является образование в гидратированном цемен¬
те контракционного объема. В цементном камне и бетоне возникав!
вакуум, под влиянием которого эти поры заполняются водой или
воздухом в зависимости от среды, в которой находится материал
Контракция для обычных портландцементов после 28—29 сут твер135*
CjA *10% гипса
J- А т*C,AFГГ ’‘РC2S7 i 1 иг„ !Ч 23
Время, сутРис. 50. Уменьшение абсолютного объема
прн твердении в системах «клинкерный ми¬
нерал— вода» (мл на 100 г минерала)Рис. 51. Упрощенная модель геля
CSH (ио Кондо и Даймону):} — частица геля; 2, 4 — узкий проход;
3 — пора между частицами геля; 5 — внут-
рикристаллитная пора; € — междуслоевая
вода; 7 — межкристаллитная порадения составляет 6—8 л на
100 кг цемента, т. е. в 1 м3 бе¬
тона с расходом вяжущего
300 кг/м3 образуется около
18—24 л внутренних конт-
ракционных пор.Каждому минералу це¬
мента свойственна контрак¬
ция; она начинается после
смешения с водой и достига¬
ет максимума при полной
гидратации. На рис. 50 со¬
поставлена контракция, про¬
исходящая при гидратации
главных клинкерных минера¬
лов. Самая большая конт¬
ракция происходит при гид¬
ратации трехкальциевого
алюмината (23,79%), она
может быть причиной внут¬
ренних напряжений в це¬
ментном камне. Двуводный
гипс, добавляемый при по¬
моле клинкера, выравнива¬
ет контракцию, так как в хи¬
мической реакции образова¬
ния эттрингита из СзА, гип
са и воды (см. выше) конгракция 6,14%.v ) лип 1 -составляет лишьНа рис. 51 изображена
упрощенная модель геляCSH. Пористая структура
геля, как самого важного продукта гидратации цемента, оказываетвлияние на механические свойства, проницаемость и морозостой¬
кость цементного камня; при этом следует учитывать особые физи¬
ческие свойства пор геля, обусловленные их малыми разме¬
рами.Поры геля могут быть от нескольких ангстрем до 1000 А, следо¬
вательно, по классификации, данной в гл. I, они представляют со¬
бой микропоры. Вода, заполняющая поры геля (сокращенно «вода
геля»), имеет с твердой фазой адсорбционную связь, так как ад¬
сорбционный полимолекулярный слой воды (по Б. В. Дерягину)
имеет толщину до 0,15 мкм. Вода геля замерзает при низкой тем¬
пературе (по некоторым данным —78°С) и не переходит в лед при
самых сильных морозах и, следовательно, поры геля не сказывают¬
ся на морозостойкости цементного камня и бетона. Вода, адсорби¬
рованная в порах, уменьшает живое сечение и без того малых геле¬
вых пор, поэтому водопроницаемость цементного геля весьма мала.132Часть воды затворения, не уместившейся в порах геля, располага¬
ется вне геля и образует капиллярные поры.Капиллярные поры имеют большой эффективный диаметр (бо¬
лее .1000 А) и доступны для воды при обычных условиях насыщения.
При значительном объеме капиллярных пор, пронизывающих це¬
ментный камень, бетон имеет низкую морозостойкость и большую
проницаемость, плохо сопротивляется химической коррозии и не
защищает надежно стальную арматуру.Вода является активным элементом структуры цементного кам-
,ня, участвующим в образовании гидратных соединений и в форми¬
ровании пор. Пористость цементного камня зависит не только от
начального водоцементного отношения, но и от форм связи воды
с твердой фазой.- Согласно классификации П. А. Ребиндера, построенной по прин¬
ципу интенсивности энергии связи, все формы связи воды в цемент¬
ном камне можно разделить на три группы.Химическая связь является наиболее сильной. Химически свя¬
занная вода удаляется при прокаливании, поэтому ее называют
еще «неиспаряемой» водой. Количество химически связанной во¬
ды W обычно выражают в % или долях от массы цемента.Физико-химическая связь характерна для адсорбционно связан¬
ной воды, находящейся в порах цементного геля; эта связь нару¬
шается при высушивании.Физико-механическая связь — в данном случае капиллярное
давление обусловливает удержание воды в капиллярных порах це¬
ментного камня. Адсорбционно связанная и капиллярная вода,
удаляемая при высушивании, называется еще «испаряемой». Ко¬
личество испаряемой, т. е. не связанной химически воды определя¬
ют, применяя в качестве сушащего агента лед при температуре
—78°С. Потери при прокаливании высушенной пробы цементного
камня определяют химически связанную (неиснаряемую) воду.Цементный камень, являющийся минеральным клеем, скрепляю¬
щим зерна заполнителя, должен обладать достаточной собственной
прочностью и адгезией, т. е. хорошо сцепляться (срастаться) с зер¬
нами заполнителя. Эти свойства цементного камня зависят от ка¬
чества и количества новообразований,-объема и характера пор.Качество новообразований в цементном камне определяется их
составом и дисперсностью. Количество новообразований прямо
пропорционально степени гидратации цемента а, численно равной
отношению прореагировавшей с водой части цемента к общей мас¬
се цемента. Степень гидратации может определяться количествен¬
ным рентгеновским методом или по содержанию связанной воды w,
не испаряемой при высушиванииа = W/Wmukc •Количество связанной воды при полной гидратации портланд¬
цемента шмакс может колебаться от 0,25 до 0,3 (к массе цемента);
при м)Макс = 0,25, а=4w или w = 0,25а. Следовательно, если в 28-су-
точном возрасте цемент связал 15% воды (считая от массы цемен-133
та), то а=4-0,15 = 0,6. Это означает, что в бетоне с расходом
цемента 300 кг/м3 180 кг вяжущего (60%) вступило во взаимодей¬
ствие с водой, а 120 кг (40%) еще сохранилось в виде клинкерногофонда. Вообще же а может быть в пределах от 0 до 1 (при полной
гидратации цемента).Степень гидратации имеет большое технико-экономическое зна¬
чение. При увеличении степени гидратации цемента возрастает
объем новообразований, уменьшается пористость цементного камня
и улучшается качество пор. При этом повышается прочность и дол¬
говечность бетона. Поэтому нужно совершенствовать технологию
бетона, добиваясь наиболее полного использования вяжущего, что
эквивалентно его экономии.Пористость цементного камня П0дщ слагается из гелевой ПГ,
капиллярной Якап и воздушной Явозд пористости:Побщ ~ Яг Пкап -f- Явозд •Пористость вычисляют по отношению к объему цементного кам¬
ня Уц.к, равному сумме объемов воды затворения и абсолютному
объему зерен цемента:В | ц*= D -L ^
Ц.к 1 ,Рв Рцгде рц и рв — соответственно плотности цемента и воды затворения.Примем рв=1, пренебрегая изменением плотности воды затво¬
рения от температуры, тогдат/ _ (1+рцВ/Ц)ЦКЦ.К — РцПористость геля прямо пропорциональна количеству прореаги¬
ровавшего цемента, которое равно аЦ, поэтомуЯг*=/е 1+РцВ/ЦНа основании физико-химических исследований коэффициент
k=0,29, при этомЯг - 0,29 —^3 .Ц-РцВ/ЦВ формулах для вычисления пористости а, В/Ц, рц, w и k — без¬
размерные величины; рд — относительная плотность цемента, взя¬
тая по отношению к плотности воды, равной 1; w — количество
воды, химически связанной цементом, кг, отнесенное к 1 кг цемента.
Коэффициент k = nг, когда ^ =■= 1.1+рцВ/ЦИз пористости геля можно выделить контракционный объем
Яконтр, пользуясь формулой^контР “ 0,09а ^r/m '1 + РцВ/Ц134Пкап — 1Таким образом, пористость геля и контракционный объем, со¬
ставляющий часть гелевой пористости, прямо пропорциональны
степени гидратации цемента. «Лишняя» вода, не уместившаяся в
порах цементного геля, располагается между агрегатами частицгеля и. образует капиллярные поры.Капиллярную пористость Якап определяют с учетом того, что
цементный гель связывает химически и адсорбционно примерно
v одинаковые количества воды
(по 25% от массы цемента),
т, е. количество «лишней» во¬
ды, образующей капиллярные
поры, будет равно~ (В/Ц — 0,5а) Рд
1 + РцВ/Ц ’Из формулы видно, что це¬
ментный камень без капилляр¬
ных пор получится при (В/Ц—0,5а) Qn=0, т. е. когда В/Ц == 0,5 и а~ 1, что возможно
лишь при весьма длительном
твердении цемента в благопри¬
ятных условиях. Фактически ко
времени ввода сооружения в
эксплуатацию степень гидрата¬
ции не превышает 0,6—0,8 при
этих значениях а минимальная -д.„ ...
капиллярная пористость дости¬
гается при В/Ц <0,4.Общая пористость плотно уложенного цементного камня (ког¬
да Явоэд=0) будет равна сумме гелевой и капиллярной пористости:(В/Ц-0,21а) Рц
1 +РцВ/ЦРис. 52. Зависимость коэффициента плот¬
ности цементного камня от В/Ц и а:1-‘=0,9; 2-Кз-k _-0,7; 4 —-0,6; 5 — Ад.н=0.5: 6 ~~ *ц.к-0,4Я общКоэффициент плотности цементного камня, характеризующий
степень заполнения его объема твердым веществом, будет равен
£д.к=1 —Я0бщ- Подставляя Я0бщ из предыдущей формулы, получим^ц.к1 +0,21арц1+РцВ/ЦЗависимость йц.и=/(В/Ц, а) представлена на рис. 52.Пористость цементного камня уменьшается, а его плотность воз¬
растает при снижении начального В/Ц и увеличении степени гид¬
ратации цемента. В первый момент после смешения цемента с
водой в цементном тесте будут только капиллярные поры и их объ¬
ем равен объему воды затворения, поэтомурцВ/ЦЯ,общ135
В процессе гидратации общая пористость цементного камня
уменьшается на величину, зависимую от степени гидратации:jj РцВ/Ц _ 0,2ЬРц Рц (В/Ц — 0,21а)обш ~ 1 + РцВ/Ц 1 + РцВ/Ц 1 + РцВ/ЦОднако капиллярная пористость снижается быстрее, чем общая
пористость. Это явление чрезвычайно важно для улучшения пори¬
стости цементного камня и объясняется тем, что капиллярные поры
заполняются цементным гелем. Ведь плотность клинкерных зе¬
рен— 3,15 г/см3, а объемная масса геля (взятого вместе с порами
геля) —около 1,6—1,8 г/см3, следовательно, цементное зерно после
гидратации занимает объем вдвое больший.Вследствие заполнения капиллярного пространства новообра¬
зованиями не только сокращается общая пористость, но взамен
крупных капиллярных пор возникают мелкие поры геля, более бла¬
гоприятные для свойств цементного камня.§ 6. Свойства цементного камняПрочность цементного камня, приготовленного из данного порт¬
ландцемента и выдержанного в определенных условиях, зависит
от пористости.Прочность и пористость Яобщ связаны экспоненциальной зави¬
симостью видаПсШ = П0ехр {—kR)tгде /70 — пористость при нулевой прочности, приблизительно рав¬
ная 60%; k — коэффициент пропорциональности.В полулогарифмических координатах
зависимость пористость — прочность мо¬
жет быть представлена в виде отрезка
прямой. Из рис. 53 видно, что потенциаль¬
ная прочность цементного камня весьма
велика. Д. М. Рой и Г. Р. Гоуда использо¬
вали для изготовления цементного камня
с В/Ц = 0,093 горячее прессование (темпе¬
ратура 250°С, давление 350 МПа). Полу¬
ченный таким путем цементный камень
был очень плотным, его расчетная пори¬
стость — необычно малой (2,13—3,9%),
поэтому уже через 1 сут прочность при
сжатии составила 412 МПа, а к 3 месона
увеличилась до 655 МПа. Повышая давле¬
ние прессования, была достигнута еще
более высокая прочность — 668 МПа, что
в 8—10 раз превосходит самые высокие
стандартные марки бетона (60—
80 МПа), следовательно, мы еще весьма
далеки от полного использования вяжу-
136Рис. 53. Зависимость проч-
ности цементного камня при
сжатии от общей порис¬
тости:/ — по Рой; 2 — по Брунауэру;
3 — по Вербену и ХельмутуТаблица 17Степень гидратации, в % от полной гидратации
клинкерных минералов (по Ю. М. Бутту и С. Д. Окорокову)МинералыГидратация в течение3 сут7 сут28 сут3 мес6 месC.S3646699394C-S711112930С,А8282849193QAF7071748991щих свойств цемента. На практике применяют в основном бетонные
смеси с В/Ц-— 0,4—0,8, которые поддаются уплотнению вибрирова¬
нием, поэтому пористость цементного камня в реальных бетонах со¬
ставляет 30—50%, а его прочность (рис. 53) будет 20—100 МПа.Скорость взаимодействия клинкерных минералов с водой можно
охарактеризовать увеличением степени их гидратации во времени
(табл. 17).Наиболее быстро гидратирующимися минералами цементного
клинкера являются трехкальциевый алюминат и трехкальциевый
силикат; самая медленная гидратация происходит у двухкальциево¬
го силиката.На рис. 54 сопоставлены кривые нарастания прочности клинкер¬
ных минералов, затворенных водой. Трехкальциевый силикат быст¬
ро твердеет и приобретает вы-г - ' -1 ' • *сокую прочность. Трехкальцие¬
вый алюминат отличается
очень быстрым нарастанием
прочности, но в дальнейшем
<5йа почти не изменяется.Таким образом, увеличение
суммарного содержания трех¬
кальциевого силиката и трех¬
кальциевого алюмината в це¬
ментном клинкере необходимо
для получения быстротвердею-
щих портландцементов.Влияние тонкости помола
цемента на прочность можно
проследить по рис. 55. Увеличе¬
ние удельной поверхности и
прочности цемента в началь¬
ные сроки твердения (до Зсут)
объясняется повышением со¬
держания в цементе частиц
размером меньше 5 мкм. Как\,1V * * ^ —г;г1/ IUВремя (tg) ткркния, сутРис. 54. Нарастание прочности клинкер¬
ных минералов во времени (логарифми¬
ческий масштаб):/ — СзЗ с 5% гипса; 2— CaS с 5% гипса; 3 —
СзА с 15% гипса; 4 — C<AF с 5% гипса (по
С. М. Рояку)137
Рис. 55. Зависимость прочности
портландцемента от удельной
поверхности:1 — возраст образцов 1 сут; 2 —
28 сутраз в мелкой фракции цемента скап¬
ливаются менее твердые минера'
лы —алит (C3S) и СзА, быстро реа¬
гирующий с водой. Полная гидрата¬
ция мелких зерен этих минералов
происходит уже в течение первых
3 сут после затворения цемента во¬
дой (табл. 18) и дает соответствую¬
щий выигрыш в начальной проч¬
ности.Прочность в последующие сроки
твердения (после 7 сут) обусловле¬
на гидратацией внутренней части зе¬
рен более крупных фракций це¬
мента.Морозостойкость зависит от ми¬
нерального состава клинкера, веще¬
ственного состава портландцемента
и капиллярной пористости цементно¬
го камня. Количество трехкальцие¬
вого алюмината ограничивают 5—
7%. Добавки осадочного происхождения (диатомит, трепел) увели¬
чивают водопотребность бетонных смесей и понижают морозостой¬
кость. Для повышения морозостойкости применяют добавки по¬
верхностно-активных веществ.В отличие от прочности морозостойкость цементного камня оп¬
ределяется не общей, а капиллярной пористостью. Капиллярные
поры понижают морозостойкость, поэтому их объем ограничивает¬
ся в зависимости от марки бетона по морозостойкости.Воздухостойкость — способность цементного камня сохранять
прочность в сухих условиях, при сильном нагреве солнечными лу¬
чами, а также в условиях попеременного увлажнения и высыхания.Цементы, содержащие активные минеральные добавки осадоч¬
ного происхождения, не только менее морозостойки, но и менее воз¬
духостойки. Объясняется это главным образом дегидратацией (вы¬
ветриванием) части воды из низкоосновных гидросиликатов каль¬
ция, которые образовались при взаимодействии аморфной двуокисиТаблица 18Глубина гидратации клинкерных минералов, мкм
(по Ю. М. Бутту и С. Д. Окорокову)МинералыГидратация в течениеC3sc2sС3АQAFШ3 сут3,50,610,77,77 сут4,70,910,48,028 сут7,91,0П,28,43 мес14.5
2,613.5
12,2б мес15,02,714,513,2кремния с гидратом окиси кальция. Поэтому, например, пуццолано-
вый портландцемент рекомендуется применять во влажных услови¬
ях, для подводных и подземных конструкций.Химическая стойкость. Коррозия вызывается воздействием аг¬
рессивных газов и жидкостей на составные части затвердевшего-
портландцемента, главным образом на Са(ОН)г и
ЗСаО-АЬОз-бНгО. Встречаются десятки веществ, могущих воздей¬
ствовать на цементный камень и оказаться для него вредными.
Несмотря на разнообразие агрессивных веществ, основные причи¬
ны коррозии можно разделить на три группы (по В. М. Москвину):1) разложение составляющих цементного камня, растворение и
вымывание гидрата окиси кальция; 2) образование легкораствори-
, мых солей в результате взаимодействия гидроокиси кальция и дру¬
гих составных частей Цементного камня с агрессивными вещества¬
ми и вымывание этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия);
3) образование в порах новых соединений, занимающих больший
объем, чем исходные продукты реакции; это вызывает появление
внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание (сульфо-алюминатная коррозия).Выщелачивание гидроокиси кальция происходит интенсивно
при действии мягких вод, содержащих мало растворенных веществ.
К ним относятся воды оборотного водоснабжения, конденсат, дож¬
девые воды, воды горных рек и равнинных рек в половодье, болот¬
ная вода. Содержание гидрата окиси кальция в цементном камне
через 3 мес твердения составляет 10—15% (считая на СаО). После
его вымывания и в результате уменьшения концентрации СаО (ме¬
нее 1,1 г/л) начинается разложение гидросиликатов и гидроалюми¬
натов кальция. Выщелачивание Са(ОН)г в количестве 15—30% от
общего содержания в цементном камне вызывает понижение его
прочности на 40—50% и более. Выщелачивание можно заметить
по появлению белых подтеков на поверхности бетона.Для ослабления коррозии выщелачивания ограничивают содер¬
жание трехкальциевого силиката в клинкере 50%. Главным средст¬
вом борьбы с выщелачиванием гидрата окиси кальция является
введение активных минеральных добавок и применение плотного
бетона. Процесс выщелачивания гидрата окиси кальция замедляет¬
ся, когда в поверхностном слое бетона образуется малораствори¬
мый СаСОэ вследствие карбонизации Са(ОН)2 при взаимодействии
с СОг воздуха. Выдерживание на воздухе бетонных блоков и свай,
применяемых для сооружения оснований, а также портовых и дру¬
гих гидротехнических сооружений повышает их стойкость.Углекислотная коррозия развивается при действии на цемент¬
ный камень воды, содержащей свободную двуокись углерода в
виде слабой угольной кислоты. Избыточная (сверх равновесного
количества) двуокись углерода разрушает карбонатную пленку
бетона вследствие образования хорошо растворимого бикарбоната
кальция по реакцииСаС03 + (СО2)св0б + Н20 = Са(НС03)2139
Кислотная коррозия происходит при действии растворов любых
кислот, имеющих значения водородного показателя pH<7; исклю¬
чение составляют поликремневая и кремнефтористоводородная
кислоты. Свободные кислоты встречаются в сточных водах промыш¬
ленных предприятий, они могут проникать в почву и разрушать
бетонные фундаменты, коллекторы и другие подземные сооруже¬
ния. Кислота образуется также из сернистого газа, выходящего из
топок. В атмосфере промышленных предприятий, кроме SO2, могут
содержаться ангидриды других кислот, а также хлор и хлористый
водород. При растворении его во влаге, адсорбированной на поверх¬
ности железобетонных конструкций, образуется соляная кислота.Кислота вступает в химическое взаимодействие с гидратом
окиси кальция, при этом образуются растворимые соли (например,
СаС12) и соли, увеличивающиеся в объеме (CaS0*-2H20):Са(ОН)2 + 2НС1 = СаС12 + 2Н20
Са(ОН)а + HaS04 = CaS04 • 2НгОКроме того, кислоты могут разрушать и силикаты кальция. Бе¬
тон на портландцементе защищают от непосредственного действия
кислот с помощью защитных слоев из кислотостойких материалоз.Магнезиальная коррозия наступает при воздействии на гидрат
окиси кальция магнезиальных солей, которые встречаются в раст¬
воренном виде в грунтовых водах и всегда содержатся в большом
количестве в морской воде. Содержание солей в воде мирового оке¬
ана составляет (в г/л): NaCl —27,2; MgCb — 3,8; MgSC>4—1,7;
CaS04—1,2. Разрушение цементного камня вследствие реакции
обмена протекает по следующим формулам:Са(ОН), -f MgCl2 = СаС12 + Mg(OH)2
Са(ОН)2 + MgS04 + 2Н20 = CaS04 • 2НгО + Mg(OH),В результате этих химических реакций образуется растворимая
соль (хлористый кальций или двуводный сульфат кальция), вымы¬
ваемая из бетона. Гидрат окиси магния представляет бессвязную
массу, не растворимую в воде, поэтому реакция идет до полного
израсходования гидрата окиси кальция.Коррозия под действием минеральных удобрений. Особенновредны для бетона аммиачные удобрения — аммиачная селитра исульфат аммония. Аммиачная селитра, состоящая в основном изнитрата аммония NH4NO3, подвергается гидролизу и поэтому даетв воде кислую реакцию. Нитрат аммония действует на гидрат окиси
кальцияСа(ОН)г + 2NH4N03 + 2Н20 = Ca(N03)2 • 4НгО + 2NH3Образующийся нитрат кальция хорошо растворяется в воде и
вымывается из бетона.Хлористый калий КС1 повышает растворимость Са(ОН)г и ус¬
коряет коррозию.Из числа фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат, со¬
стоящий в основном из монокальциевого фосфата Са(Н2Р04)г и140гипса, но содержащий еще и некоторое количество свободной фос¬
форной кислоты.Сульфоалюминатная коррозия возникает при действии на гидро¬
алюминат цементного камня воды, содержащей сульфатных ионов
(S042”) более 250 мг/л:ЗСаО • А1203 • 6Н20 + 3CaS04 + 25Н20 -
= ЗСаО • А1203 • 3CaS04 • 31Н20Образование в порах цементного камня малорастворимого трех¬
сульфатного гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) сопро¬
вождается увеличением объема примерно в 2 раза. Развивающееся
в порах кристаллизационное давление приводит к растрескиванию
защитного слоя бетона. Вслед за этим происходит коррозия сталь¬
ной арматуры, усиление растрескивания бетона и разрушение кон¬
струкции. С сульфоалюминатной коррозией всегда надо считаться
при строительстве морских сооружений. Вместе с тем могут ока¬
заться агрессивными сточные воды промышленных предприятий, атакже грунтовые воды.Если в воде содержится сульфат натрия, то вначале с ним реа¬
гирует гидрат окиси кальцияСа(ОН)3 + Na2S04 CaS04 + 2NaOHВ последующем идет образование гидросульфоалюмината кальция
вследствие взаимодействия получающегося сульфата кальция игидроалюмината.Для борьбы с сульфоалюминатной коррозией применяется спе¬
циальный сульфатостойкий портландцемент.Коррозия под влиянием органических веществ. Органические
кислоты, как и неорганические, быстро разрушают цементный ка¬
мень. Большой агрессивностью отличаются уксусная, молочная и
винная кислоты. Жирные насыщенные и ненасыщенные кислоты
(олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и др.) разрушают цемент¬
ный камень, так как при действии гидрата окиси кальция они омы-
ляются. Поэтому вредны и масла, содержащие кислоты жирного
ряда: льняное, хлопковое, а также рыбий жир. Нефть, нефтяные
продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла) не представ¬
ляют опасности для бетона, если они не содержат нефтяных кислот
или соединений серы. Однако надо учитывать, что нефтепродукты
легко проникают через бетон. Продукты разгонки каменноугольно¬
го дегтя, содержащие фенол, могут агрессивно влиять на бетон.Щелочная коррозия может происходить в двух формах: под дей¬
ствием концентрированных растворов щелочей на затвердевший це¬
ментный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в самом це¬
менте. Если бетон насыщается раствором щелочи (едкого натрия
или калия), а затем высыхает, то под влиянием углекислого газа в
порах бетона образуются сода и поташ, которые, кристаллизуясь,
расширяются в объеме и разрушают цементный камень. Сильнее
разрушается от действия сильных щелочей цемент с высоким содер¬
жанием алюминатов кальция.141
Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происходит вследст¬
вие процессов, протекающих внутри бетона между его компонента¬
ми. В составе цементного клинкера всегда содержится разное коли¬
чество щелочных соединений. В составе заполнителей для бетона,
в особенности в песке, встречаются реакционно способные модифи¬
кации кремнезема: опал, халцедон, вулканическое стекло. Они
вступают при обычной температуре в разрушительные для бетона
реакции со щелочами цемента. В результате образуются набухаю¬
щие студенистые отложения белого цвета на поверхности зерен ре-
акционноспособного заполнителя, появляется сеть трещин, поверх¬
ность бетона местами вспучивается и шелушится. Разрушение бето¬
на может происходить через 10—15 лет после окончания
строительства.§ 7. Технические характеристики портландцемента
и его применениеХарактеристики портландцемента можно подразделить на две
группы: 1) минеральный и вещественный составы, тонкость помола,
которые определяют строительно-технические свойства; 2) нормаль¬
ная густота, сроки схватывания, марка по прочности и другие тех¬
нические свойства.Минеральный состав выражает содержание в клинкере (в % по
массе) главных минералов. Применяются расчетный и прямые экс¬
периментальные методы определения минерального состава клинке¬
ра. Минеральный состав рассчитывают на основании данных хими¬
ческого анализа, который определяет содержание окислов (в % по
массе).Прямые экспериментальные методы определения минерального
состава клинкера включают: оптическую и электронную микроско¬
пию, рентгеновский фазовый анализ, микрозондирование (лазер¬
ный и ионный микрозонды) и др.Вещественный состав цемента выражает содержание в цементе
(в % по массе) основных компонентов: клинкера, гипса, минераль¬
ных добавок, пластифицирующих и гидрофобизующих добавок; он
приводится в паспорте на цемент.Допускается введение в цемент при его помоле пластифицирую¬
щих или гидрофобизующих поверхностно-активных добавок в коли¬
честве не более 0,3% от массы цемента (по согласованию с потре*
бителем).Тонкость помола цемента оценивается по стандарту путем про¬
сеивания предварительно высушенной пробы цемента через сито с
сеткой № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм); тонкость помоладолжна быть такой, чтобы через указанное сито проходило не менее
85% массы просеиваемой пробы.Наряду с ситовым анализом для оценки дисперсности цемента
проводят определение удельной поверхности с помощью специаль¬
ного прибора — поверхностемера. Даже обычный портландце¬
мент М 400 измельчается довольно тонко: остаток на сите с сеткой
№ 008 не превышает 15%. т. е. 85% зерен цемента имеет размер142Менее 80 мкм, при этом его удельная поверхность составляет обыч¬
но 2500—3000 см2Д\Плотность портландцемента (без минеральных добавок) состав¬
ляет 3,05—3,15. Его объемная масса зависит от уплотнения и у рых¬
лого цемента составляет 1100 кг/м3, у сильно уплотненного — до1600 кг/м3, в среднем — 1300 кг/м3.Водопотребность цемента определяется количеством воды (в %
от массы цемента), которое необходимо для получения цементного
теста нормальной густоты. Нормальной густотой цементного теста
считают такую его подвижность, при которой цилиндр — пестик
прибора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не до¬
ходит на 5—7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо.
Водопотребность портландцемента в пределах от 22 до 28%. При
введении активных минеральных добавок осадочного происхожде¬
ния (диатомита, трепела, опоки) водопотребность цемента повыша¬
ется и может достигнуть 32—37%.Сроки схватывания и равномерность изменения объема цементаопределяют в тесте нормальной густоты.Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем
погружения иглы в тесто нормальной густоты. Началом схватыва¬
ния считают время, прошедшее от начала затворения до того мо¬
мента, когда игла не доходит до пластинки на 1—2 мм. Конец схва¬
тывания — время от начала затворения до того момента, когда игла
погружается в тесто не более чем на 1—2 мм. Начало схватывания
цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания —
не позднее 10 ч от начала затворения. Для получения нормальных
сроков схватывания при помоле клинкера на цементном заводе вво¬
дят добавку двуводного гипса в количестве до 3,5% (считая
на SO3). Замедление схватывания объясняется отложением на зер¬
нах цемента тонких пленок гидросульфоалюмината кальция, обра¬
зовавшегося при взаимодействии введенного сульфата кальция с
трехкальциевым алюминатом. Эти пленки замедляют диффузию во¬
ды к цементным зернам, и скорость их гидратации уменьшается.Замедлителями схватывания служат также фосфаты, нитраты
калия, натрия и аммония, сахар. Сахар образует с гидроокисью
кальция легко растворимый сахарат кальция, наличие которого уве¬
личивает концентрацию ионов кальция. Поэтому процесс гидролиза
трехкальциевого силиката подавляется, а схватывание происходит
медленнее. При большой добавке сахара бетон не твердеет.Ускорителями схватывания портландцемента являются карбо¬
наты щелочных металлов и хлориды. Они образуют при взаимодей¬
ствии с гидроокисью кальция, выделяющейся при гидролизе трех¬
кальциевого силиката, труднорастворимые соединения.Так действует, например, карбонат натрияСа(ОН)2 + Na2C03 = СаС03 + 2NaOHВ результате химической реакции образуется малорастворимый
карбонат кальция, гидроокись кальция выводится из сферы реак¬
ции и процесс гидролиза трехкальциевого силиката ускоряется.143
чир-гландце-При введении в бетонную смесь в
зычной дозировке 1—2% от массы цемента хлористый кальций ма¬
ло влияет на сроки схватывания, но существенно повышает началь¬
ную прочность бетона, т. е. действует как ускоритель твердения.
При использовании в качестве противоморозной добавки хлористый
кальций может вводиться в больших количествах, тогда он ускоряет
схватывание, и бетонную смесь рекомендуется затворять на холоде,
чтобы избежать преждевременного загустевания.Один из методов ускорения процессов схватывания и твердения
заключается во введении добавок, являющихся центрами кристал¬
лизации, например, в виде заранее приготовленного измельченного
гидратированного цемента.Равномерность изменения объема. Причиной неравномерного
изменения объема цементного камня являются местные деформа¬
ции, вызываемые расширением свободной СаО и периклаза MgO
вследствие их гидратации. По стандарту изготовленные из теста
нормальной густоты образцы — лепешки через 24 ч предваритель¬
ного твердения выдерживают в течение 3 ч в кипящей воде. Лепеш¬
ки не должны деформироваться, не допускаются радиальные тре¬
щины.Активность и марка портландцемента. Активность и марку це¬
мента определяют испытанием стандартных образцов-призм разме¬
ром 4X4X16 см, изготовленных из цементно-песчаной растворной
смеси* состава 1 :3 (по массе) и В/Ц=0,4, через 28 сут твердения
(первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе, а
затем 27 сут — в воде комнатной температуры). Образцы-призмы
сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки
призм — на сжатие.Активностью называют предел прочности при осевом сжатии по¬
ловинок балочек, испытанных в возрасте 28 сут. В зависимости от
активности с учетом предела прочности при изгибе портландцемен¬
та Подразделяют на марки М400, М500, М550 и М600. Требования
к отдельным маркам цементов по прочности при сжатии и изгибе
приведены в табл. 19. У быстротвердеющих портландцементов нор¬
мируется не только 28-суточная прочность, но и начальная, 3-суточ-
ная. Цемент, которому присвоен государственный Знак качества,
должен обладать стабильными показателями прочности-при сжатии!
коэффициент вариации прочности для цемента М300 и М400 — не
более 5%, М500, М550 и М600 — не более 3%.Выделение тепла при твердении. Гидратация цемента сопровож-
дается выделением тепл&ч В тонких бетонных конструкциях теплоТаблица 19* Все стандартные испытания цементов для определения их марки по проч¬
ности должны производиться только на песке, соответствующем ГОСТ 6139—78.
Песок нормальный для испытания цементов — это природный кварцевый песок
Привольского месторождения с зернами округлой формы размером 0,5—0,9 мм;
содержание в нем двуокиси кремния — не менее 98%, примесей глинистых, илис¬
тых и пылевидных частиц — не более 1%.144Xf)c-f>uc7pzc Ka.UijUp Аес/ qar/ca е*ht/CC//'Требования к маркам портландцемента и его разновидностей
(ГОСТ 10178—7в)Предел прочности при
изгибе, кгс/см* {МПа),Предел прочности
при сжатии, кгс/см*НаименованиецементаМаркацементав возрасте, сут(МПа), в возрасте, сут328328Портландцемент
и портландцемент с
минеральными до¬
бавкамиБыстротвердею-
щий портландце
мент
Шлакопортланд-
цементБыстротвердею-
щий шлаке
ландцемент400_55(5,5)500— I60(6,0)550— 162(6,2)600—65(6,5)40040(4)55(5,5)50045(4,5)60(6,0)300 45(4,5)400 55(5,5)500 60(6,0)40035(3,5)55(5,5)250(25)280(28)200(20)400(40)500(50)550(55)600(60)400(40)500(50)300(30)400(40)500(50)400(40)гидратации быстро рассеивается и не вызывает существенного ра¬
зогрева бетона. Однако тепловыделение внутренней части массив¬
ной конструкции может ловысить его температуру на 40°С и более
по отношению к температуре бетонной смеси при укладке. Снаружи
массив остывает быстрее, чем внутри, возникают температурные
напряжения, которые нередко являются причиной появления тре¬
щин в бетоне. Чтобы избежать растрескивания, стремятся исполь¬
зовать низкотермичные цементы, снижают расход цемента в бетоне,
а в случае необходимости применяют искусственное охлаждениемассива.Не всегда тепловыделение, играет отрицательную роль. Напри¬
мер, при бетонировании конструкций в холодное время года по спо¬
собу термоса выделяющееся тепло способствует поддержанию по¬
ложительной температуры бетона, оно также полезно при изготов¬
лении сборных железобетонных изделий методом горячего формо¬
вания.Термохимические свойства портландцемента зависят от мине¬
рального состава клинкера и тонкости помола. Данные о тепловы¬
делении клинкерных минералов приведены в табл. 20 (по даннымС. Д. Окорокова и др.).Из табл. 20 видно, что трехкальциевый алюминат и алит отли¬
чаются быстрым и высоким тепловыделением, наоборот, белит ма-
лотермичен и выделяет тепло очень медленно. Следовательно, сни¬
зить экзотермию портландцемента можно, уменьшая содержание
СзА и C3S и соответственно повышая количество C2S и C4AF. Уве-145
Таблица 20Теплота гидратации клинкерных минералов, Дж/гМинералСрок твердения через3 сут7 сут28 сут3 мес6 мес3CaOSiO,4064614865195662CaOSiOs63106168197230ЗСа0А1,0359166287693010264СаО • А1203 • Fe303176252377, 415личение тонкости помола портландцемента усиливает тепловыделе¬
ние, особенно в начале твердения (в первые 1—7 сут). Поэтому для
бетонирования массивных конструкций применяют портландцемент
с ограниченным содержанием алита (40—50%) и трехкальциевого
алюмината (до 7%) и умеренной тонкостью помола (средняя удель¬
ная поверхность 2500—3000 см2/г).Интенсивность роста прочности и тепловыделения портландце¬
мента зависят от одних и тех же факторов — все мероприятия, ус¬
коряющие гидратацию цемента, вызывают увеличение тепловыде¬
ления и возрастание прочности. Это позволяет использовать для
приближенной оценки тепловыделения эмпирические формулы,
связывающие тепловыделение и прочностную характеристику це¬
мента, например, в следующем виде:Q, = kRf,где Qi — тепловыделение цемента за первые 7 сут, Дж/г; k — ко¬
эффициент; /?7 — 7-суточная активность цемента.Правила приемки цементов установлены ГОСТ 22236—76. Це¬
мент отгружают и принимают партиями. Размер партии устанавли¬
вают в пределах от 300 до 4000 т в зависимости от годовой мощнос¬
ти цементного завода. Завод производит паспортизацию цемента и
назначает его марку на основании данных текущего контроля про¬
изводства. В паспорте указывается: полное название цемента, его
гарантированная марка, вид и количество добавки, нормальная гус¬
тота цементного теста, средняя активность цемента при пропарива¬
нии. Для проверки качества отгружаемой продукции поставщик
производит физические и механические испытания цемента, опре¬
деляя его прочность в возрасте 3 и 28 сут. По требованию потреби¬
теля поставщик сообщает потребителю результаты физико-механи¬
ческих и химических исиытаний цемента в 10-дневный срок после
их окончания.Цемент отгружают навалом или в бумажных пятислойных или
шестислойных клапанных мешках; массу мешка указывают на упа¬
ковке.При транспортировании и хранении цемент должен защищаться
от воздействия влаги и загрязнения. Цементы хранят раздельно по
видам и маркам, смешивание разных цементов не допускается.146Глава 24СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ЦЕМЕНТАДля получения портландцемента с заданными специальными
свойствами используют следующие основные пути: 1) регулирова¬
ние минерального состава и структуры цементного клинкера, оказы¬
вающее решающее влияние на все строительно-технические свойст¬
ва цемента; 2) введение минеральных и органических добавок, по¬
зволяющих направленно изменять свойства вяжущего, экономить
клинкер, уменьшать расход цемента в бетоне; 3) регулирование
тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на ско¬
рость твердения, активность, тепловыделение и другие свойства це¬
мента.§ 1. Быстротвердеющий портландцементБыстротвердеющий портландцемент (БТЦ) — портландцемент
с минеральными добавками, отличающийся повышенной проч¬
ностью через 3 сут твердения. Количество трехкальциевого силика¬
та и трехкальциевого алюмината в клинкере — обычно не менее
60—65%. Помол БТЦ производится более тонко до удельной по¬
верхности 3500—4000 см2/г (вместо 2800—3000 см2/г для обычного
портландцемента). Это ускоряет твердение цемента. БТЦ выпуска¬
ют М400 и 500 с нормативными показателями прочности, указанны¬
ми в табл. 19.БТЦ применяется в производстве сборных железобетонных кон¬
струкций, а также при зимних бетонных работах. Следует иметь в
виду повышенное тепловыделение БТЦ, которое исключает его при¬
менение для массивных конструкций. БТЦ с повышенным содержа¬
нием трехкальциевого алюмината непригоден для бетона, подвер¬
гающегося сульфоалюминатной коррозии.§ 2. Сульфатостойкий портландцементСульфатостойкие цементы изготовляют на основе клинкера нор¬
мированного минерального состава и применяют для изготовления
бетонных и железобетонных конструкций, обладающих коррозион¬
ной стойкостью при воздействии сред, агрессивных по содержаниюв них сульфатов.ГОСТ 22266—76 подразделяет эти цементы по вещественному
составу на следующие виды: сульфатостойкий портландцемент
М400, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавка¬
ми М400 и М500, сульфатостойкий шлакопортландцемент М.300 и
М400, пуццолановый портландцемент М300 и М400.Клинкер, применяемый для получения цементов, по расчетному
минеральному составу должен соответствовать требованиям, ука¬
занным в табл. 21.Содержание добавок в цементах в зависимости от их вида нор¬
мируется требованиями табл.22.147
Минеральный состав клинкера. % по массе, не более Таблща 21Наименование минера/Содержание трехкальцие¬
вого силиката (3Ca0Si02)
Содержание трехкальцие¬
вого алюмината (ЗСа0А1203)
Сумма трехкальцневого
алюмината (ЗСа0-А120„) и
четырехкальциевого алюмо-
феррита (4СаО• А1203• Fe203)
Содержание окиси магния
№gO)50522Клинкер для производствасульфато¬стойкогопортландце¬ментасульфато¬
стойкого порт
ландцемента <
минеральными!
добавкамисульфато¬
стойкого шла*
копортланд-
цементапуццолано-
вого порт¬
ландцемента522Не нормируется
8Не нормируетсяВещественный состав сульфатостойких цементов ТаблиНа ЯНаименование цементаСодержание добавок, % от массы цементаГранулированный
доменный или элек-
тротермофосфорный
шлакОсадочногопроисхожде- Прочие (вклю¬
чил (кроме чая глиежи)
глиежа)Сульфатостойкий портландце¬
ментСульфатостойкий портландцемент
с минеральными добавкамиСульфатостойкий шлакопортланд-
цементПуццолановый портлан^ цементНе10—2021—60допускается5 10 Не допус¬
кается20-30 25-40Сульфатостойкий портландцемент предназначается не только
для изготовления бетонов, подвергающихся действию сульфатной
коррозии, но и для бетонов повышенной морозостойкости. Сульфа-
тостойкость и морозостойкость обеспечиваются прежде всего пони¬
женным содержанием трехкальциевого алюмината в клинкере (не
более 5%). Кроме того, при помоле никаких минеральных добавок,
кроме гипса, не вводится, однако возможно введение пластифици¬
рующих или гидрофобизующих веществ, повышающих морозостой¬
кость.§ 3. Портландцементу о органическими добавкамиВ современной технологии бетона широко применяют поверх¬
ностно-активные вещества, вводимые в малых дозах (0,05—0,3%
от массы цемента) в бетонные и растворные смеси при их изготов¬
лении и добавляемые в цемент при помоле клинкера.1 ДЯПоверхностно-активные добавки пластифицируют бетонные и
растворные смеси, что позволяет улучшать их удобоукладывае-
мость, либо снижают количество воды затворения (сохраняя удо-
боукладываемость) и расход цемента на 10—20%. Оставляя же ко¬
личество цемента неизменным, достигают снижения пористости бе¬
тона, повышения его морозостойкости и водонепроницаемости.Типичные поверхностно-активные добавки можно разделить на
четыре группы: гидрофилизующие, гидрофобизующие, воздухово¬
влекающие и комплексные.К гидрофилизующим добавкам относится сульфитно-дрожжевая
бражка (СДБ), получаемая из сульфитных щелоков, образующих¬
ся при сульфитной варке целлюлозы. Поэтому СДБ представляет
собой в основном кальциевую соль лигносульфоновой кислоты —
лигносульфонат кальция. При адсорбции цементом лигносульфо-
нат кальция гидрофилизирует частицы цемента, т. е. улучшает
их смачивание водой. Одновременно ослабляются силы взаимного
сцепления между частицами вяжущего. В результате этого добавка
СДБ повышает пластичность цементного теста и подвижность бе¬
тонных смесей.К гидрофобизующим добавкам относят мылонафт, асидол, аси¬
дол-мылонафт, синтетические жирные кислоты и их соли и крем¬
нийорганические жидкости (ГКЖ-Ю, ГКЖ-И, ГКЖ-94).Мылонафт представляет собой натриевое мыло нафтеновых кис¬
лот. Общая формула нафтеновых кислот СпНгп-t СООН, где п из¬
меняется от 8 до 13. Источником получения нафтеновых кислот слу¬
жат щелочные отходы, образующиеся при очистке продуктов пере¬
гонки нефти (бензина и др.) щелочью. Из них получают техничес¬
кие нафтеновые кислоты, известные под названием асидол и аси¬
дол-мылонафт. Синтетические жирные кислоты изготовляют путем
окисления парафина. Можно применять в качестве добавки как син¬
тетические жирные кислоты, так и кубовые остатки, полученные
при производстве этих кислот.Молекулы нафтеновых кислот и их солей состоят из полярной
группы (СООН или COONa) и углеводородного радикала. Эти мо¬
лекулы адсорбируются на частицах цемента так, что их углеводо¬
родные радикалы обращены наружу. Они не смачиваются водой и
придают цементу гидрофобные свойства. Своеобразным «смазоч¬
ным» действием тонких ориентированных пленок М. И. Хигерович
объясняет увеличение подвижности бетонных смесей. Жидкости
ГКЖ-Ю и ГКЖ-Н представляют собой водно-спиртовые растворы
метил- и этилсиликоната натрия, способные смешиваться с водой в
любых соотношениях. Кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94 —
продукт гидролиза этилдихлорсилана; ГКЖ-94 обычно применяют
в виде водной эмульсии.Из добавок микропенообразователей наиболее известны абиетат
натрия и омыленный древесный пек. Абиетат натрия получают пу¬
тем омыления канифоли едким натром (поэтому его называют смо¬
лой нейтрализованной, воздухововлекающей — сокращенно СНВ).
Омыленный древесный пек представляет нейтрализованные ще-149
лочью смоляные кислоты древесного пека хвойных пород. Микропе¬
нообразователи образуют при перемешивании бетонной смеси пену,
вовлекая воздух, т. е. действуют как воздухововлекающие добавки.Комплексные добавки, получившие широкое распространение,
обычно состоят из гидрофилизуюших и гидрофобизующих поверх¬
ностно-активных веществ. Они сочетают высокий пластифицирую¬
щий эффект с гидрофобизующим действием на цементы и бетоны.Пластифицированный портландцемент изготовляют путем вве¬
дения при помоле клинкера около 0,25% СДБ (считая на сухое ве¬
щество). Он отличается от обычного портландцемента способ¬
ностью придавать растворным и бетонным смесям повышенную по¬
движность. Пластифицирующий эффект используется для
уменьшения водоцементного отношения и повышения плотности,
морозостойкости и водонепроницаемости бетона. Если же сохра¬
нить В/Ц, то можно снизить расход цемента (примерно на 10—
15%) без ухудшения качества бетона.Гидрофобный портландцемент получают, вводя при помоле
клинкера 0,1—0,2% мылонафта, асидола, синтетических жирных
кислот, их кубовых остатков и других гидрофобизующих веществ.
Он обладает пониженной (по сравнению с обычным цементом) гиг¬
роскопичностью, лучше сохраняет свою активность при хранении и
перевозках. Гидрофобный портландцемент пластифицирует бетон¬
ные и растворные смеси, повышает морозостойкость и водонепрони¬
цаемость бетона.§ 4. Портландцементу о минеральными добавкамиАктивными минеральными добавками называют природные или
искусственные вещества, которые при смешении в тонкоизмельчен-
ном виде с воздушной известью и затворении водой образуют тесто,
способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под
водой.Активные минеральные добавки (называемые иначе гидравличе¬
скими добавками) содержат двуокись кремния в аморфном, а сле¬
довательно, в химически активном состоянии и способны поэтому
взаимодействовать с гидратом окиси кальция, образуя гидросили¬
каты кальция.Активные минеральные добавки могут быть природными (есте¬
ственными) и искусственными. В качестве природных активных до¬
бавок широко используют горные породы (диатомит, трепел, опоку,
горелые глинистые породы — глиежи), а также породы вулканиче¬
ского происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир,
трасс). Искусственные активные минеральные добавки представля¬
ют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроох-
лажденные (гранулированные) доменные шлаки; белитовый (не¬
фелиновый) шлам — отход глиноземного производства, содержа¬
щий в своем составе до 80% минерала белита (двукальциевого
силиката); зола-унос — отход, получившийся при сжигании твер-
150дого топлива в пылевидном состоянии и улавливаемый электро¬
фильтрами и другими устройствами.Использование отходов промышленности, в частности, для вы¬
пуска вяжущих веществ имеет большое народнохозяйственное зна¬
чение.Активная минеральная добавка химически связывает раствори¬
мый в воде гидрат окиси кальция, выделяющийся при твердении
портландцемента, при этом повышается плотность цементного кам¬
ня, возрастает его сопротивление коррозии. Поэтому активные ми¬
неральные добавки применяют для повышения плотности, водо¬
стойкости и солестойкости бетонов и растворов. Некоторые из них
используются для приготовления жароупорных бетонов и растворовна портландцементе.Портландцемент с минеральной добавкой содержит активную
минеральную добавку в количестве 10—20% (от массы цемента),
имеет те же марки, что и портландцемент (табл. 19), и близок к не¬
му по другим свойствам.Пуццолановый портландцемент изготовляют путем совместного
помола клинкера и активной минеральной добавки с необходимым
количеством гипса. Добавок осадочного происхождения (диатоми¬
та, трепела, опоки) должно быть не менее 20 и не более 30%, а вул¬
канических добавок (пемзы, туфа), а также глиежа или топливной
золы — не менее 25 и не более 40%. Активная минеральная добавка
вначале адсорбирует, а затем химически связывает гидрат окиси
кальция, образующийся при взаимодействии алита с водой;ш Са(ОН)г -f- S1O2 (акт) ~h п НгО —у (0,8 — 1,5) СаО • Si02 • р НаОВ результате этого процесса, происходящего во влажных усло¬
виях и при положительной температуре, растворимый гидрат окиси
кальция связывается в практически нерастворимый гидросиликат
кальция. Вследствие этого значительно возрастает стойкость бетона
в отношении выщелачивания Са(ОН)2. Пуццолановый портландце¬
мент следует применять для бетонов, постоянно находящихся во
влажных условиях (подводные и подземные части сооружений).
На воздухе бетон на пуццолановом портландцементе дает большую
усадку и в сухих условиях частично теряет прочность, что объясня¬
ется «выветриванием» воды из гидратных соединений. Кроме того,
бетоны на этом цементе имеют низкую морозостойкость и не годят¬
ся для сооружений, подвергающихся замораживанию и оттаива¬
нию. Пуццолановый портландцемент твердеет в нормальных усло¬
виях медленнее, чем портландцемент. Поэтому его не следует при¬
менять при зимних бетонных работах.Пуццолановый портландцемент обладает сравнительно неболь¬
шим тепловыделением и часто применяется для бетонов внутренних
частей массивных сооружений (плотин, шлюзов и т. п.).Д1лакопортландцемент —^гидравлическое вяжущее вещество,
твердеющее в воде и на воздухе. Он получается путем совместного
тонкого помола клинкера и гранулированного доменного (или
электротермофосфорного) шлака с необходимым количеством гип-151
са. Допускается раздельный помол компонентов и их последующее
смешение. Количество доменного шлака в шлакопортландцементе
должно быть не менее 21 и не более 60% (от массы цемента). До¬
пускается замена до 10% шлака трепелом или другой активной ми¬
неральной добавкой.Доменные шлаки по своему химическому составу напоминают
цементный клинкер. В них преобладают окислы: 30—50% СаО;
28—30% Si02; 8—24% АЬ03; 1—3% МпО; 1—18% MgO, общее со¬
держание которых достигает 90—95%. Гидравлическая активность
шлаков характеризуется модулями основности (М0) и активности
(Ма).Модуль основности представляет отношение содержащихся в
шлаке основных окислов (в %) к сумме кислотных Окислов:М % СаО + % %0
0 % SiOa + % А12ОэВ зависимости от модуля основности различают основные шла¬
ки, у которых М0^1, и кислые, имеющие М0<1. Более активные —:
основные шлаки.Гидравлическая активность доменных шлаков возрастает при
увеличении модуля активности, определяемого по формулеAla = AlgCySiCVШлак, применяемый в качестве добавки к цементу, обязательно
подвергается быстрому охлаждению водой или паром. Эта опера¬
ция называется грануляцией, так как в процессе быстрого охлажде¬
ния шлаковый расплав распадается на отдельные зерна (гранулы).
Быстрое охлаждение препятствует кристаллизации шлака, и он по¬
лучается в стеклообразном и тонкозернистом химически активном
состоянии. Поэтому гранулированный шлак является активным
компонентом шлакопортландцемента, он взаимодействует с гидра¬
том окиси кальция с образованием низкоосновных гидросиликата
(Ca0-Si02-2,5H20) и гидроалюмината (2СаО- АЬОз-вНгО) каль¬
ция. Процесс твердения шлакопортландцемента значительно уско¬
ряется при тепловлажностной обработке, поэтому его эффективно
применять в сборных изделиях, изготовляемых с пропариванием. |Незначительное содержание в цементном камне Са(ОН)2 повьь
шает стойкость шлакопортландцемента в мягких и сульфатных во<
дах по сравнению с портландцементом. Тепловыделение при тверде¬
нии шлакопортландцемента в 2—2,5 меньше, чем у портландцемен¬
та, поэтому он является самым подходящим цементом для бетону
массивных конструкций. Шлакопортландцемент выгодно отличает-!
ся от пуццоланового портландцемента умеренной водопотреб-,
ностью, более высокой воздухостойкостыо и морозостойкостью.
Он успешно применяется как для надземных, так и подземных и
подводных частей сооружений. Стоимость его на 15—20% ниже
стоимости портландцемента.Жаростойкость шлакопортландцемента значительно выше, чем
у портландцемента, поэтому он широко используется для изготовле-.152ния жаростойких бетонов. Однако шлакопортландцементу присущ
тот же недостаток, что и пуццолановому портландцементу — он
медленно набирает прочность в первое время твердения, в особен¬
ности при пониженных температурах. Этот недостаток устраняется
в быстротвердеющем шлакопортландцементе, который обладает бо¬
лее интенсивным нарастанием прочности, чем обычный шлакопорт¬
ландцемент. Обычный шлакопортландцемент имеет марки: М300,
М400 и М500.Быстротвердеющий шлакопортландцемент М400 за 3 сут тверде¬
ния должен приобрести прочность при сжатии не менее 200 кгс/см2
(20 МПа), при изгибе — не менее 35 кгс/см2 (3,5 МПа). Этот вид
цемента эффективно применять в производстве бетонных и железо¬
бетонных изделий, изготовляемых с применением тепловлажност¬
ной обработки.§ 5. Белый и цветные портландцементуКлинкер белого цемента изготовляют из чистых известняков и
белых глин, почти не содержащих окислов железа и марганца, ко¬
торые придают обычному портландцементу зеленовато-серый цвет.
Обжигают сырьевую смесь на беззольном (газовом) топливе. При
помоле клинкера предохраняют цемент от попадания в него частицжелеза.В качестве эталона для определения степени белизны применя¬
ют молочное матовое стекло типа MC-I4 с коэффициентом отраже¬
ния не менее 95%. Согласно ГОСТ 965—78 степень белизны, опре¬
деляемая коэффициентом отражения (в %) абсолютной шкалы,
должна быть для белого портландцемента 1-го сорта — не ниже
80%, 2-го сорта — 75%, 3-го сорта —68%; цемент выпускают М400и М500.Цветные декоративные портландцементы получают, примеши¬
вая к белому цементу щелочестойкие пигменты (охру и др.).§ 6. Тампонажный портландцементТампонажный портландцемент изготовляют измельчением клин¬
кера, гипса и добавок. Он предназначен для цементирования неф¬
тяных и газовых скважин. Цемент для холодных скважин испыты¬
вают при температуре 22±2°С, для горячих скважин — при 75±
±3°С. Основная прочностная характеристика цемента — предел
прочности при изгибе образцов-балочек размером 4X4X16 см, из¬
готовленных из цементного теста с В/Ц = 0,5. ГОСТ 1581—78 пре¬
дусматривает выпуск специальных разновидностей тампонажного
портландцемента: утяжеленного, песчанистого, солестойкого, низко¬
гигроскопичного.§ 7. Глиноземистый цементГлиноземистый цемент — быстротвердеющее и высокопрочное
гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого из¬
мельчения клинкера, содержащего преимущественно низкооснов-153
ные алюминаны кальция. Однокальциевый алюминат СаО-АЬОзоп-г
ределяет быстрое твердение и другие свойства глиноземистого це¬
мента. В сравнительно небольших количествах в нем также содерт
жатся другие алюминаты кальция, например СаО-2А12Оз. Влияние
на качество цемента оказывает алюмосиликат кальция — геленит
2СаО • А120з-Si02. Силикаты кальция представлены небольшим ко¬
личеством белита.Для получения клинкера глиноземистого цемента в качестве
главных компонентов сырьевой смеси берут известняк СаС03 и
породы, содержащие глинозем (А120з-пН20), например бокситы.
Сырьевую смесь подвергают спеканию (при температуре окола
1300°С) или плавлению (при 1400°С), при этом в результате хими¬
ческих реакций, проходящих между составными частями сырьевой
смеси, получают глиноземистый клинкер. Этот клинкер размалыва¬
ется труднее, чем клинкер портландцемента: на операцию помола
затрачивается больше электроэнергии, мелющих тел и т. д. Кроме
того, сами бокситы представляют ценное сырье, используемое для
производства алюминия. Эти и другие обстоятельства повышают
стоимость глиноземистого цемента, ограничивают его выпуск.
Сырьевая база для выпуска глиноземистого цемента может быть
расширена путем использования некоторых отходов промышлен¬
ности, содержащих в своем составе глинозем. В СССР разработан
способ производства глиноземистого цемента путем плавки в до¬
менной печи бокситовой железной руды с добавкой известняка и
железного лома. При этом доменная печь одновременно выдает чу¬
гун и шлак, представляющий клинкер глиноземистого цемента.Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью только в
том случае, если он твердеет при умеренных температурах, не свы¬
ше 25°С. Поэтому глиноземистый цемент нельзя применять для бе¬
тонирования массивных конструкций из-за разогрева бетона, а так¬
же подвергать тепловлажностной обработке.При обычных температурах (до 25°С) в процессе твердения гли¬
ноземистого цемента образуется высокопрочное вещество — двух¬
кальциевый гидроалюминат2 (СаО • А1а03) + 11Н20 = 2СаО • А1203 • 8Н20 + 2А1(ОН)3Двухкальциевый гидроалюминат выделяется в виде пластинча¬
тых гексагональных кристаллов, а гидроокись алюминия представ¬
ляет гелевидную массу.Если же температура бетона превысит 25—30°С, то наблюдает¬
ся переход двухкальциевого гидроалюмината в кубический трех¬
кальциевый гидроалюминат (ЗСа0-А120з-6Н20), который сопро¬
вождается возникновением внутренних напряжений в цементном
камне и понижением прочности бетона почти в два раза.Замечательным свойством глиноземистого цемента является его
необычно быстрое твердение. Марки глиноземистого цемента, опре¬
деляемые по результатам испытания образцов 3-суточного возраста
М400, М500 и М600. Как известно, портландцемент приобретает та¬
кую прочность только через 28 сут нормального твердения,
164Таблица 23Показатели прочности глиноземистого цементаМарка глиноземистого цементаПредел прочности прн сжатии, кгс/см2
(МПа), не менее1 сут3 сут400230(23)400(40)500280(28)500(50)600330(33)600(60)Из табл. 23 видно, что уже через 1 сут глиноземистый цемент при¬
обретает высокую прочность.При столь быстром твердении глиноземистый цемент обладает
нормальными сроками схватывания, почти такими же, как и порт¬
ландцемент. Начало схватывания глиноземистого цемента должно
наступать не ранее 30 мин (у портландцемента не ранее 45 мин), а
конец — не позднее 12 ч от начала затворения.Тепловыделение глиноземистого цемента при твердении пример¬
но в 1,5 раза больше, чем у портландцемента.В продуктах гидратации глиноземистого цемента не содержится
гидрата окиси кальция и трехкальциевого шестиводного гидроалю¬
мината (если температура твердения не превышает 25°С), поэтому
бетон на глиноземистом цементе более стоек по сравнению с порт¬
ландцементом против выщелачивания Са(ОН)2, а также в раство¬
рах сульфата кальция и магния (в частности, в морской воде). Од¬
нако затвердевший глиноземистый цемент разрушается в раство¬
рах кислот и щелочей, поэтому глиноземистый цемент нельзя сме¬
шивать с портландцементом и известью.С учетом специфических свойств и высокой стоимости глино¬
земистый цемент предназначается для получения быстротвердею-
щих, а также жаростойких бетонов и растворов. Кроме того,
глиноземистый цемент используется для получения расширяющих¬
ся цементов.§ 8. Расширяющиеся и безусадочные цементыРасширяющиеся цементы относятся к числу смешанных,
иногда многокомпонентных цементов. Изучались различные рас¬
ширяющиеся компоненты, однако наиболее эффективным ока¬
зался трехсульфатный гидросульфоалюминат кальция
3Ca0-Al203-3CaS04-31H20. Состав цемента дает возможность ре¬
гулировать количество и скорость образования кристаллов гидро¬
сульфоалюмината кальция и избежать появления вредных напря¬
жений, вызывающих растрескивание затвердевшего цементного
камня.Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) является
быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вя¬
жущим. Он получается путем тщательного смешивания глиноземи-155
стого цемента (■— 70%), гипса (~20%) и молотого специально;
изготовленного высокоосновного гидроалюмината кальция (10%).|
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент — быстротвердею-
щее гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким из¬
мельчанием высокоглиноземистых клинкера или шлака и природ¬
ного двуводного гипса или тщательным смешиванием тех же мате¬
риалов, измельченных раздельно. Гипсоглиноземистый цемент об¬
ладает свойством расширения при твердении в воде; при твердении
на воздухе он проявляет безусадочные свойства.Расширяющийся портландцемент (РГТЦ) является гидравличес¬
ким вяжущим веществом, получаемым совместным тонким измель¬
чением следующих компонентов (в % по массе): портландцемент-
ного клинкера — 58—63, глиноземистого шлака или клинкера —5—7, гипса — 7—10, доменного гранулированного шлака или дру¬
гой активной минеральной добавки — 23—28. РПЦ отличается
быстрым твердением в условиях кратковременного пропаривания,
высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня и
способностью расширяться в водных условиях и на воздухе при
постоянном увлажнении в течение первых 3 сут.Напрягающий цемент (разработан В. В. Михайловым), затво¬
ренный водой, сначала твердеет и набирает прочность, затем рас¬
ширяется как твердое тело и напрягает железобетон. Самонапря-
женный железобетон применен в напорных трубах, в монолитных и
сборных резервуарах для воды, для цементно-бетонных покрытий
аэродромов, в спортивных и подземных сооружениях.Глава 25
ГИПСОВЫЕ И ДРУГИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
§ 1. Виды гипсовых вяжущих веществГипсовые вяжущие вещества — это воздушные вяжущие, состоя¬
щие в основном из полуводного гипса или ангидрита и получаемые
тепловой обработкой сырья и помолом.Сырьем для получения гипсовых вяжущих чаще всего служит
горная порода гипс, состоящая преимущественно из минерала гип¬
са CaS04-2H20. Используют и ангидрит CaS04, отходы промыш¬
ленности (фосфогипс — от переработки природных фосфатов в
суперфосфат, борогипс и др.).Гипсовые вяжущие вещества подразделяются в зависимости от
температуры тепловой обработки на две группы: низкообжиговые
и высокообжиговые.Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обра¬
боткой природного гипса при низких температурах (110—180°С).
Они состоят в основном из полуводного гипса, так как дегидрата¬
ция сырья при указанных температурах приводит к превращению
двуводного гипса в полугидрит СаБО^-О.бНгО.156К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам относятся:
строительный, формовочный и высокопрочный гипс.Строительный гипс изготовляют низкотемпературным обжигом
гипсовой породы (гипсового камня) в варочных котлах или печах.
В первом случае гипсовый камень сначала размалывают, а потом
в виде порошка нагревают в котлах. Имеются промышленные уста¬
новки, в которых совмещены помол и обжиг. При обжиге в не¬
замкнутом пространстве вода выделяется и удаляется в виде пара.Строительный гипс состоит в основном из кристаллов р-модпфи-
кации СаБОгО.бЬЦО, содержит также некоторое количество ангид¬
рита (CaS04) и частицы неразложившегося сырья (CaS04-2H20).
По срокам схватывания гипсовые вяжущие делят на три группы:
А — быстросхватывающиеся (2—15 мин)*, Б — нормально схва¬
тывающиеся (6—30 мин) и В — медленно схватывающиеся (начало
схватывания не ранее 20 мин). Предел прочности стандартных об¬
разцов, изготовленных из гипсового теста нормальной густоты, че¬
рез 2 ч должен соответствовать данным, приведенным в табл. 24.Таблица 24Прочностные характеристики строительного гипса МаркиПоказатели прочностиГ-5Г-6Г-7ПриПрисжатии, МПа, не менее,
изгибе, МПа, не менее5,02,56,03,07,03,5Примечание. ГОСТ 125—79 разделяет все гипсовые вяжущие по прочности на 12 ма¬
рок: от Г-2 До Г-25.Высокопрочный гипс получают термической обработкой высоко¬
сортного гипсового камня в герметичных аппаратах под давлением
пара. Он состоит в основном из a-модификации полуводного суль¬
фата кальция, более активной, чем (3-модификации. Поэтому проч¬
ность высокопрочного гипса при сжатии 15—25 МПа значительно
превышает прочность строительного гипса. Из него изготовляют
элементы стен и сборных перегородок, камни для стен.Формовочный гипс состоит в основном из p-модификации полу-
гидрата. Он содержит незначительное количество примесей и тонко
размалывается. Применяют в керамической и фарфоро-фаянсовойпромышленности для изготовления форм.Высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества изготовляют пу¬
тем обжига гипсового камня при высоких температурах 600—
900°С, поэтому они состоят преимущественно из ангидрида CaSO^,
который частично подвергается термической диссоциации с обра¬
зованием СаО. Небольшое количество окиси кальция в составе вя¬
жущего играет роль активизатора процесса химического взаимо¬* В скобках показаны начало и конец схватывания.157
действия ангидритового вяжущего с водой. Можно получить ангид¬
ритовое вяжущее и без обжига (по способу П. П. Будникова *)
помолом природного ангидрита с активизаторами твердения (из¬
вестью, обожженным доломитом и т. п.).Высокообжиговый гипс (в отличие от строительного гипса)
медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и проч¬
ность при сжатии выше—10—20 МПа. Поэтому его применяют
при устройстве бесшовных полов, в растворах для штукатурки и
кладки, для изготовления «искусственного мрамора».§ 2. Твердение и применение гипсовых вяжущих веществПри твердении строительного гипса происходит химическая ре¬
акция присоединения воды и образования двуводного сульфата
кальция:CaS04 • 0,5 НгО + 1,5 НгО =CaS04 • 2Н20При гидратации 1 кг p-полугидрата выделяется 133 кДж тепла.Поскольку растворимость полугидрата в воде 8 г/л (считая на
CaSOO, а двугидрата —2 г/л, то вскоре после затворения строи¬
тельного гипса водой создаются условия для образования в пере¬
сыщенном растворе зародышей кристаллов двугидрата. Схватыва¬
ние (загустевание) гипсового теста начинается с образования
рыхлой пространственной коагуляционной структуры, в которой
кристаллики двугидрата связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми
силами молекулярного сцепления. После схватывания происходит
твердение, обусловленное ростом кристаллов новой фазы, их
срастанием и образованием кристаллизационной структуры. Свеже-
изготовленные гипсовые изделия сушат (при температуре 60—
70°С), что повышает прочность контактов срастания кристаллов и
самих изделий вследствие удаления пленочной воды. Можно обой¬
тись и без сушки, если уменьшить количество воды затворения за
счет введения в гипсовые растворы и бетоны пластифицирующих
добавок и применения интенсивного уплотнения.Гипсовые вяжущие применяют для изготовления гипсовых дета¬
лей и гипсобетонных изделий — перегородочных панелей, сухой
штукатурки и т. п., а также для приготовления штукатурных раст¬
воров (внутренней штукатурки) и получения гипсоцементнопуццо-
лановых вяжущих (ГЦПВ). Нередко при применении быстросхва-
тывающегося гипса требуется замедлить схватывание. С этой
целью в воду затворения добавляют животный клей или СДБ, ко¬
торые адсорбируются на частицах гипса и образуют адсорбцион¬
ную пленку, затрудняющую растворение полугидрата и начало его
схватывания. В процессе твердения гипсовый раствор немного
увеличивается в объеме, что благоприятствует изготовлению архи¬
тектурных деталей способом литья.* Петр Петрович Будников (1885—1968) — члеи-корреспондент АН СССР,
Герой Социалистического Труда, выдающийся ученый в области химии и техно¬
логии силикатов, педагог и общественный деятель.158§ 3. Гипсоцементнопуц'долановые вяжущиеГипсоцементнопуццолановые вяжущие (ГЦПВ), предложенные
А. В. Волженским, получают, смешивая полуводный гипс (50—
75%), портландцемент (15—25%) и активную минеральную добав¬
ку (10—25%) по массе — трепел, диатомит и т. п. Эти вяжущие
относят к числу гидравлических и применяют в заводском произ¬
водстве санитарно-технических кабин, стеновых панелей и других
конструкций.Активная минеральная добавка необходима для обеспечения
стабильности затвердевшего вяжущего. Портландцемент с гипсом
не рекомендуется смешивать, так как получается неустойчивый ма¬
териал, деформирующийся и разрушающийся вследствие образова¬
ния высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, кри¬
сталлизующегося с 31—32 молекулами воды'и значительным увели¬
чением объема. Когда же свободной извести в жидкой фазе немного
(СаО связывается добавкой в гидросиликаты кальция), то получа¬
ется низкоосновный гидросульфоалюминат кальция без заметного
увеличения объема. Добавка как бы ослабляет внутренние напря¬
жения в цементном камне ГЦПВ и обеспечивает устойчивость егово времени.§ 4. Магнезиальные вяжущие веществаМагнезиальные вяжущие вещества — каустический магнезит и
каустический доломит — тонкие порошки, главной составной частью
которых является окись магния. Магнезиальное вяжущее получают
путем умеренного обжига (при температуре 750—850°С) магнезита(реже доломита): MgC03 = Mg0+С02.Магнезиальное вяжущее чаще всего затворяют водным раство¬
ром хлористого магния (или других магнезиальных солей). Это ус¬
коряет твердение и значительно повышает прочность, так как наря¬
ду с гидратацией окиси магния происходит образование гидрохло¬
рида магния 3Mg0-MgCl2-6H20. При затворении же водой окисьмагния гидратируется очень медленно.Магнезиальное вяжущее относят к воздушным вяжущим вещест¬
вам. Оно отличается высокой прочностью, достигающей при сжатии
600—1000 кгс/см2 (60—100 МПа), хорошо сцепляется с деревом,
поэтому его можно применять для изготовления фибролита и маг-
незиально-опилочных (ксилолитовых) полов — монолитных и пли¬
точных.§ 5. Жидкое стеклэ и кислотоупорный кварцевый цементЖидкое стекло представляет собой коллоидный водный раствор
силиката натрия или силиката калия, имеющий желтый или корич¬
невый: цвет, плотность 1,3—1,5 при содержании воды 50—70%.Состав щелочных силикатов выражается формулой R^O-mSiOz,
где R — это Na или К; т — модуль жидкого стекла: у натриевого15&
стекла m = 2,5—3, у калиевого т = 3—4. Это стекло варят из квар¬
цевого песка и соды в стеклоплавильных печах, как обычное стек¬
ло, и когда расплав застывает, образуются твердые прозрачные кус¬
ки. Жидкое стекло получают, растворяя раздробленные куски в во¬
де при повышенной температуре и давлении 0,6—0,7 МПа.Натриевое жидкое стекло применяют для изготовления кисло¬
тоупорных и Жароупорных бетонов, для уплотнения грунтов. Калие¬
вое стекло, более дорогое, применяют преимущественно в силикат¬
ных красках.Жидкое стекло относят к воздушным вяжущим веществам.Силикаты натрия и калия в воде подвергаются гидролизу:Na2Si03 + ЗН20 = 2NaOH + Si02 • 2НаОВыделяющийся гель кремневой кислоты Si0l2-2H20 обладает вя¬
жущими свойствами, а водный раствор имеет щелочную реакцию.
Для ускорения твердения жидкого стекла к нему добавляют крем¬
нефтористый натрий Na2SiF6, ускоряющий выпадение геля кремне¬
вой кислоты и гидролиз жидкого стекла.Кислотоупорный кварцевый цемент — это порошкообразный ма¬
териал, получаемый путем совместного помола чистого кварцевого
песка и кремнефтористого натрия (возможно смешение раздельно
измельченных компонентов). Кварцевый песок можно заменить в
кислотоупорном цементе порошком бештаунита или андезита. Кис¬
лотоупорный цемент затворяют водным раствором жидкого стекла,
которое и является вяжущим веществом. Сам же порошок вяжущи¬
ми свойствами не обладает.Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислото¬
стойки х растворов и бетонов, замазок. При этом берут кислотостой¬
кие заполнители: кварцевый песок, гранит, андезит и т. п.Глава 26РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВПроизводство цемента в СССР за 1950—1975 гг. возросло в12 раз. В 1975 г. было выпущено 122 млн. т цемента; планом 1980 г.
предусмотрено увеличение производства цемента на 18,3% по срав¬
нению с 1975 г. С 1962 г. СССР занимает первое место в мире по
объему производства цемента. Неуклонно возрастает средняя мар^
ка цемента и увеличивается выпуск цемента высоких марок. Сред¬
няя марка цемента составляла: в 1975 г. — 359, в 1977 г. — 405, в
1980 г. — 415 (по плану).Существенно улучшается ассортимент цементов, производство
быстротвердеющих портландцемента и шлакопортландцемента.
Экономия от применения 1 т БТЦ М600 по сравнению с М400 со¬
ставляет 2,5—3 руб. вследствие сокращения расхода цемента и
ускорения производственного цикла изготовления железобетонных160изделий. При этом заводская себестоимость железобетонных изде¬
лий при применении БТЦ снижается на 1,54—2,4 руб/м3.Выпуск цемента М500 и выше возрастет с 22,8 до 30 млн. т
(в 1,3 раза), выпуск портландцемента М600 достигнет 1 млн. т.
Повышение марки на одну ступень (100) эквивалентно экономии
10—15% цемента в бетоне.Введение гидрофобно-пластифицирующих добавок придает спе¬
циальные свойства цементам и позволяет снизить расход цемента
на 1 м3 бетона на 10—15%; эти же добавки являются интенсифика-
торами процесса помола клинкера и снижают расход электроэнер¬
гии на помол.Возрастет выпуск чисто клинкерного портландцемента, а ввод
минеральных добавок в цемент снизится с 23 до 18%.Производство строительной извести увеличилось за период с
1940 до 1975 г. в 3 раза. Потребность в извести возрастет в связи
с развитием производства силикатного кирпича и силикатных бето¬
нов автоклавного твердения. Экономически целесообразно повы¬
шение сортности извести и увеличение выпуска молотой и гидрат-
ной извести (пушонки), а также молотой извести с добавками.Производство гипсовых вяжущих в 1975 г. составило 4,9 млн. т,
причем 98% падает на строительный гипс. Выпуск высокопрочного
гипса (он составляет около 2%) должен быть увеличен.Потребуется существенно увеличить также производство мест¬
ных бесклинкерных смешанных вяжущих: известково-шлаковых,
сульфатно-шлаковых, известково-зольных и других для примене¬
ния в бетонах М200 и ниже, в ячеистых бетонах и строительных
растворах. Это даст значительную экономию топлива, электроэнер¬
гии и расхода цементов М300 и М400. Высокая экономическая эф¬
фективность капитальных вложений в производство местных вяжу¬
щих видна из данных табл. 25.Таблица 25Технико-экономические показатели производства различных
вяжущих для бетонов М200 (по Я. А. Рекитару)Прочность на сжатие,
кгс/см*У дельный
расходУдель-Вид вяжущегонормаль¬
ные усло¬
вияпропари¬ваниезапарка
в авто¬
клаветопли¬ва,кДж/тэлек-тро-энер-гии,кВт-ч/тСебе¬стои¬мость,%капи¬
таль¬
ные
вложе-
ння, %ПортландцементШлакопортландце-4003004003004203758232760285771008210079МентБесклинкерное шла¬
ковое вяжущее100—200150—250300—40015125345—50336—664
РАЗДЕЛ VБЕТОНЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИХГлава 27
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ'Бетон на неорганических вяжущих веществах представляет со¬
бой искусственный каменный материал, получаемый в результате
формования и твердения правильно подобранной бетонной смеси,
состоящей из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специаль¬
ных добавок.Состав бетонной смеси должен обеспечить бетону к определен¬
ному сроку заданные свойства (прочность, морозостойкость, водо¬
непроницаемость и др.).По виду вяжущего выделяют бетоны: 1) цементные (наиболее
распространенные), 2) силикатные (на известково-кремнеземистом
вяжущем), 3) на гипсовом вяжущем, 4) на смешанных вяжущих.
(цементно-известковых, известково-шлаковых и т. п.), 5) на специ¬
альных вяжущих (неорганических и органических), применяемые
при наличии особых требований (жаростойкости, химической стой--
кости и др.).По виду заполнителя различают бетоны: 1) на плотных заполни¬
телях, 2) на пористых заполнителях, 3) на специальных заполните¬
лях, удовлетворяющих специальным требованиям (защиты от излу¬
чений, жаростойкости, химической стойкости и т. п.).В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента со¬
ставляет 8—15%, а заполнителей— 80—85% (по массе). Поэтому в
виде заполнителей применяют местные каменные материалы: песок,
гравий, щебень, а также побочные продукты промышленности (на¬
пример, дробленые и гранулированные металлургические шлаки),
характеризующиеся сравнительно невысоким уровнем издержек
производства.В зависимости от объемной массы различают бетоны: 1) особо
тяжелые — объемной массой более 2500 кг/м3, изготовляемые на
особо тяжелых заполнителях (из магнетита, барита, чугунного
скрапа и др.); эти бетоны применяют для специальных защитных
конструкций; 2) тяжелые — объемной массой 2200—2500 кг/м3 на,
песке, гравии или щебне из тяжелых горных пород; применяют во
всех несущих конструкциях; 3) облегченные — объемной массой
1800—2200 кг/м3; их применяют преимущественно в несущих кон¬
струкциях; 4) легкие — объемной массой 500—1800 кг/м3; к ним
относятся: а) легкие бетоны на пористых природных и искусствен¬
ных заполнителях; б) ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон) из.
смеси вяжущего, воды, тонкодисперсного кремнеземистого компо¬162нента и порообразователя; в) крупнопористые (беспесчаные) бето¬
ны на плотном или пористом крупном заполнителе без мелкого за¬
полнителя; 5) особо легкие (ячеистые и на пористых заполните¬
лях) — объемной массой менее 500 кг/м3, используемые в качестве
теплоизоляции.Легкие бетоны менее теплопроводны по сравнению с тяжелыми,
поэтому их применяют преимущественно в наружных ограждающих
конструкциях. В несущих конструкциях используют более плотные
и прочные легкие бетоны (на пористых заполнителях и ячеистые)
объемной массой 1200—1800 кг/м3.Следовательно, объемная масса бетонов изменяется в широких
пределах: от 300—500 до 2500—3600 кг/м3 и более. Поэтому и по¬
ристость бетонов может быть очень большой — 70—85% у ячеис¬
тых теплоизоляционных бетонов и незначительной — 8—10% у плот¬
ных гидротехнических бетонов.Бетон является главным строительным материалом, который
применяют во всех областях строительства. Технико-экономически¬
ми преимуществами бетона и железобетона являются: низкий уро¬
вень затрат на изготовление конструкций в связи с применением
местного сырья, возможность применения в сборных и монолитных
конструкциях различного вида и назначения, полная механизация
и автоматизация приготовления бетона и производства сборных
конструкций. Бетонная смесь при надлежащей обработке позволяет
формовать изделия оптимальной формы с точки зрения строитель¬
ной механики и архитектуры. Бетон долговечен и огнестоек, его
объемную массу, прочность и другие характеристики можно изме¬
нять в широких пределах и получать материал с заданными свой¬
ствами. Недостатком бетона, как любого каменного материала, яв¬
ляется низкая прочность на растяжение, которая в 10—15 раз ниже
прочности на сжатие. Этот недостаток устраняется в железобетоне,
когда растягивающие напряжения воспринимает арматура. Бли¬
зость коэффициентов температурного расширения и прочное сцеп¬
ление обеспечивают совместную работу бетона и стальной армату¬
ры в железобетоне, как единого целого. В силу этих преимуществ
бетоны различных видов и железобетонные конструкции из них
являются основой индустриального строительства,Г лава 28
СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ
§ 1. Реологические свойства бетонной смесиБетонной смесью называют рационально составленную и тща¬
тельно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процес¬
сов схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют,
исходя из требований к самой смеси и к бетону.Состав бетонной смеси обозначают в виде расхода материалов
на 1 м3 уплотненной смеси, например: цемента (Ц) —300 кг; воды6* 163
(В) — 180 кг; мелкого заполнителя (песка) (П) —600 кг; крупного
заполнителя (К) (щебня или гравия) — 1200 кг; смеси — 2280 кг/м3.При изготовлении бетонной смеси материалы дозируют по мас¬
се автоматическими дозаторами. Можно обозначить состав бетон¬
ной смеси в виде соотношения по массе (реже по объему, что менее
точно) между количествами цемента, мелкого и крупного заполни¬
теля с обязательным указанием водоцементного отношения. Коли¬
чество цемента принимают за единицу, поэтому соотношение по
массе между составными частями в приведенном выше примере
будет 1:2:4 при В/Ц=0,6 (в общем виде 1 :П:К при определен¬
ном В/Ц).По своему строению бетонная смесь представляет единое физи¬
ческое тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполните¬
ля связаны внутренними силами
взаимодействия. Основной струк¬
турообразующей составляющей в
бетонной смеси является цемент¬
ное тесто. По мере развития про¬
цесса гидратации цемента воз¬
растает дисперсность частиц
твердой фазы и увеличивается
клеющая и связующая способ¬
ность цементного теста.Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетво¬
рять двум главным требованиям: 1) обладать хорошей удобоукла-
дываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения
и 2) сохранять при транспортировании и укладке однородность,
достигнутую при приготовлении.При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале
претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структур¬
ная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетон¬
ную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим
свойствами твердого тела и истинной жидкости.Реологическая модель бетонной смеси (рис. 56), отражающая ее
основные свойства, включает упругий элемент (пружину с модулем
упругости Е)\ сила трения между массой и столом характеризует
предельное напряжение сдвига (to, Па), а поршень, двигающийся в
вязкой жидкости, изображает вязкое сопротивление сдвигу (г] — ди¬
намическая вязкость, Па-с). При постепенном возрастании напря¬
жения а вначале включается упругий элемент и при сг<То упругая
деформация равна а/£; после преодоления предельного напряжения
сдвига при напряжениях а>т0 бетонная смесь течет подобно вязкой
жидкости и неупругая деформация за время t равна [(а—То)^]/г].
Таким образом, реологическое уравнение, связывающее а и е,
включает упругую и неупругую составляющие полной дефор¬
мации:—/'МЛ-Рис. 56. Реологическая модель бе¬
тонной смесиРассмотренная реологическая модель дает представление о фи¬
зических свойствах бетонной смеси, проявляющихся при ее уплот¬
нении. Если подвергать бетонную смесь механическим воздействиям
(например, вибрированию), то взаимодействие между твердыми
частицами цемента и заполнителя нарушается, и бетонная смесь
утрачивает структурную прочность, т. е. то приближается к нулю.
При этом бетонная смесь ведет себя как тяжелая вязкая жидкость,
хорошо заполняющая форму. Свойство бетонной смеси разжижать¬
ся при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном
состоянии называется тиксотропией.§ 2. Технические свойства бетонной смесиПри изготовлении железобетонных изделий и бетонировании
монолитных конструкций самым важным свойством бетонной сме¬
си является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т. е.
способность заполнять форму при данном способе уплотнения, со¬
храняя свою однородность. Для оценки удобоукладываемости ис¬
пользуют три показателя: 1) подвижность бетонной смеси, являю¬
щуюся характеристикой структурной прочности смеси; 2) жесткость
(Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной
смеси; 3) связность, характеризуемую водоотделением бетонной
смеси после ее отстаивания.ЛJ1Ш11=3 EEiРис. 57. Определение удобоукладываемости бетонной смеси:а — прибор (конУс) для определения подвижности бетонной смеси^
/ — жесткая смесь; 2 — подвижная смесь; 3 — осадка конуса; б — об¬
щий вид прибора для определения жесткости бетонной смеси: 4 — схе¬
ма испытания165
Технические свойства бетонной смеси, определяемые доступны¬
ми практическими методами и выражаемые в условных единицах,
косвенно характеризуют ее реологические свойства.Подвижность бетонной смеси характеризуют измеряемой осад¬
кой (в см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, под¬
лежащей испытанию (рис. 57,а). Конус № 1 применяют для бетон¬
ных смесей с наибольшей крупностью зерен заполнителя до 40 мм
включительно; конус № 2 (табл. 26) —для смесей с заполнителем
наибольшей крупностью 70 и 100 мм.Таблица 26Внутренние размеры, мм, конуса для определения
подвижности бетонной смесиРазмеры конусаКонус Ml 1Конус № 2Диаметры оснований:верхнего100150нижнего200300Высота300450Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух опре¬
делений, выполненных из одной пробы смеси.Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетон¬
ной смеси характеризуется жесткостью.Жесткость бетонной смеси характеризуют временем (в с) виб¬
рирования, необходимым для выравнивания и уплотнения предва¬
рительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для
определения жесткости (рис. 57, б). Цилиндрическое кольцо при¬
бора (его внутренний диаметр 240 мм, высота 200 мм) устанавлива¬
ют и жестко закрепляют на лабораторной виброплощадке. В кольцо
вставляют и закрепляют стандартный конус, который заполняют
бетонной смесью в установленном порядке и после этого снимают.
Диск прибора с помощью штатива опускают на поверхность отфор¬
мованного конуса бетонной смеси (рис. 57, б). Затем одновременно
включают виброплощадку и секундомер; вибрирование производят
до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из отвер¬
стий диска (диск диаметром 230 мм, шесть отверстий диаметром5 мм расположены равномерно по внутренней окружности диамет¬
ром 190 мм). Время виброуплотнения (в с) и характеризует жест¬
кость бетонной смеси. Ее вычисляют как среднее двух определений,
выполненных из одной пробы смеси.Применяют жесткие, подвижные и литые (текучие) бетонные
смеси (табл. 27).Показатели удобоукладываемости бетонной смеси назначают
в зависимости от типа конструкции, ее размеров, густоты армирова¬
ния и применяемого способа изготовления (табл. 28).Связность бетонной смеси обусловливает однородность строения
и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной166Таблица 27Бетонная смесьПоказатель удобоукладаваемости
(по ГОСТ 10181-76)Жесткость, сПодвижность, см13 и более0Особо жесткая5—120ЖесткаяМенее 52—4Малоподвижная4—12Подвижная12 и болееЛитаяПримечание. Классификация бетонных смесей приведена в
водством по подбору составов тяжелого бетона*. М., 1979, с. 14.Удобоукладываемость бетонной смесиТаблица 28Конструкции и способ изготовленияЖесткость, с
(по ГОСТ 10181—76)Сборные железобетонные, формуемые с
немедленной распалубкойЦементно-бетонные дорожные и аэро¬
дромные покрытия
Массивные, слабо армированные
Железобетонные колонны, ригели, бал¬
ки , плиты
Железобетонные с густо расположен¬
ной арматурой
Элементы для объемно-сборного домо¬
строенияЖелезобетонные, сильно насыщенные
арматурой (стены АЭС и т. п.)смеси при перевозке, укладке в
форму и уплотнении. При уплот¬
нении подвижных бетонных сме¬
сей происходит сближение со¬
ставляющих ее зерен, при этом
часть воды отжимается вверх.
Вода обтекает зерна заполните¬
ля и стержни арматуры, образуя
капиллярные ходы, повышающие
водопроницаемость и понижаю¬
щие морозостойкость бетона. Из¬
быточная вода скапливается под
зернами крупного заполнителя,
образуя полости, ухудшающие
строение и свойства бетона.
На рис. 58 схематически показан20—1010—66—4
4 и менееМенее 2Подвижность» смо1—22—4
4—88—1012—1818—24Рис. 58. Схема расслоения бетонной
смеси:а — в процессе уплотнения; б — после уп¬
лотнения: 1 — направление, по которому
отжимается вода; 2 •— вода; 3 — мелкий
заполнитель; 4 — крупный заполнитель167
процесс расслоения бетонной смеси. Большое значение для предот¬
вращения расслоения имеет правильное определение количества
мелкого заполнителя — песка, который заполняет крупные пустоты,
имеющиеся между зернами щебня (гравия), а также повышает
вязкость цементного теста.Уменьшение количества воды затворения при применении пла¬
стифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способ¬
ности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава
заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением
подвижных бетонных смесей.§ 3. Факторы, определяющие удобоукладываемость
бетонной смесиКоличество воды затворения является основным фактором, оп¬
ределяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворе¬
ния (В, кг/м3) распределяется между цементным тестом (Вц) и за¬
полнителем (Взап) :В = ВЦ+В3ап. Количество воды в цементном тес¬
те определяет его реологические свойства: предельное напряжение
сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетон¬
ной смеси — подвижность и жесткость.Адсорбционная способность (или водопотребность) заполнителя
Взап является его важной технологической характеристикой; онавозрастает с увеличением сум¬
марной поверхности зерен за¬
полнителя и поэтому велика у
мелких песков.Для обеспечения требуемой
прочности бетона величина во¬
доцементного отношения долж¬
на сохраняться постоянной, по¬
этому возрастание водопотреб-
ности вызывает перерасход це¬
мента. При мелких песках он
достигает 15—25%, поэтому
мелкие пески следует приме¬
нять после обогащения круп¬
ным природным или дробле¬
ным песком и с пластифици¬
рующими добавками, снижаю¬
щими водопотребность.При определении состава
бетона учитывают, что количе¬
ство воды (на 1 м3бетона), не¬
обходимое для получения из
данных материалов бетонной
смеси требуемой подвижности,
является более или менее по¬
стоянной величиной, если рас¬а)Рис. 59. Водопотребность В бетонной
смеси, приготовленной с применением
портландцемента, песка средней круп¬
ности и гравия наибольшей крупности:
а — подвижные смеси; б — жесткие смеси; / —
70 мм; 2 — 40 мм; 3— 20 мм; 4 — 10 мм168ход вяжущего находится в пре-
делах от 200 до 400 кг/м3. Поэто¬
му количество воды затворения
определяют, исходя из требуемых
показателей удобоукладываемос-
ти, пользуясь таблицами и графи¬
ками, составленными на основа¬
нии практических данных с уче¬
том вида и крупности заполните¬
ля (рис. 59).Удобоукладываемость бетон¬
ной смеси зависит как от вязкос¬
ти, так и от объема теста вяжу¬
щего вещества.Объем цементного теста.
В подвижной бетонной смеси
плотной структуры цементное тес¬
то заполняет пустоты в заполни¬
теле и образует «смазочные» слои
на поверхности его зерен, сни¬
жающие внутреннее трение. Из
рис. 60 видно, что наименьший
расход теста вяжущего на запол¬
нение пустот соответствует мини¬
мальной пустотности смеси мел¬
кого и крупного заполнителей, а
на обмазку зерен расходуется
теста тем больше, чем выше доля
песка в смеси заполнителей, т. е.
чем больше поверхность зерен.
Следовательно, имеется опти¬
мальное соотношение между пес-" * ппи tm.Is 1
!§Si3IА^ 1■ 1щебень) rnmfДтя мелкого заполнителя
V смеси зопмнителей
MffM+tt)Рис. 60. Объем цементного тес¬
та Уц.т, расходуемый:/ — на заполнение пустот между
зернами заполнителя; 2 — на об¬
мазку зерен; 3 — интегральный; М
н К — соответственно масса мелко¬
го и крупного заполнителейРис. 61, Структура бетонной смеси
(по Б. Г, Скрамтаеву);а — жесткой; б — подвижнойnvwx XX v_4тором потребный объем теста вя¬
жущего получается минимальным (см. кривую 3 на рис. 60)’.Объем цементного раствора. На рис. 61 приведены типичные
структуры плотной бетонной смеси. Если в бетонной смеси запол¬
нить цементным раствором только пустоты между зернами крупно¬
го заполнителя, то получится очень жесткая бетонная смесь (рис.
61, а). Для придания подвижности необходимо раздвинуть зерна
крупного заполнителя и окружить их оболочкой из растворной
смеси, которая играет роль смазки, скрепляющей после отвердева¬
ния зерна камневидной составляющей бетона (рис. 61, б). Следова¬
тельно, объем растворной части бетона следует принимать равным
„ „nvnnniu чяпплнителе, умноженному на коэффици-cfli раоди/jw.. 4 1,5 — для подвижных смесей.Пластификация бетонных смесей осуществляется с помощью хи¬
мических веществ (см. гл. 24): гидрофилизующих — СДБ, гидро-169
фобизующих — мылонафт и др., микропенообразующих — омылен¬
ный древесный пек и т. п. и комплексных добавок. Разработаны
новые химические добавки — суперпластификаторы, весьма значи¬
тельно повышающие подвижность бетонной смеси.Суперпластификаторы в большинстве случаев представляют со¬
бой синтетические полимеры: производные меламиновой смолы или
нафталинсульфокислоты; другие добавки (СПД, ОП-7 и др.) полу¬
чены на основе вторичных продуктов химического синтеза. Супер¬
пластификаторы, вводимые в бетонную смесь в количестве 0,15—
1,2% от массы цемента, разжижают бетонную смесь в большей сте¬
пени, чем обычные пластификаторы:Количество добавки, %00,20,50,8Подвижность бетонной смеси, см141216Пластифицирующий эффект сохраняется в течение 1—1,5 ч пос¬
ле введения добавки, а через 2—3 ч он уже невелик. В щелочной
среде эти добавки переходят в другие вещества, безвредные для бе¬
тона и не снижающие его прочности.Суперпластификаторы позволяют применять литьевой способ
изготовления железобетонных изделий и бетонирования конструк¬
ций с использованием бетононасосов и трубного транспорта бетон¬
ной смеси. С другой стороны, эти добавки дают возможность суще¬
ственно снизить В/Ц, сохраняя подвижность смеси, и изготовлять
высокопрочные бетоны.Глава 29
СТРОЕНИЕ БЕТОНА
§ 1. Формирование структуры бетонаПосле уплотнения бетонной смеси в результате гидратации це¬
мента формируется структура бетона. В начальный период, назы¬
ваемый периодом формирования структуры, происходит медленное
упрочнение свежеуложенной бетонной смеси, обусловленное обра¬
зованием пересыщенного раствора новообразований и выделением
их из раствора. К концу периода формирования структуры количе¬
ство новообразований возрастает, частицы продуктов реакций
сближаются и создаются условия для перехода коагуляционной
структуры в кристаллизационную, вызывающую резкое возраста¬
ние прочности.По 11. А. Ребиндеру, сначала образуется как бы каркас кристал¬
лизационной структуры с возникновением контактов срастания
между кристаллами новообразований, потом — обрастание крис¬
талликов каркаса, вызывающее противоречивые явления: повыше¬ноние прочности и вместе с этим возникновение внутренних растяги¬
вающих напряжений в кристаллическом' сростке. Достигнув значи¬
тельных величин, эти напряжения могут явиться причиной появления
микротрещин в цементном камне и внезапного понижения
(сброса) прочности. Поэтому экспериментальная кривая нараста¬
ния прочности бетона имеет пилообразный вид. Сбросы прочности
бетона, если они имеют место, не должны быть большими и не
должны отрицательно сказываться на проектной несущей способно¬
сти конструкции.Продолжительность периода формирования структуры, а также
пластическая прочность бетонной смеси зависят от ее состава, вида
вяжущего и химических добавок. Жесткие и малоподвижные бетон¬
ные смеси, изготовляемые с небольшим В/Ц, после уплотнения име¬
ют короткий период формирования структуры. Применение быстро-
твердеющих цементов и добавок — ускорителей схватывания также
ускоряет формирование структуры. Это имеет важное значение для
технологии, в частности: при формовании изделий с немедленным
снятием бортовой опалубки, при бетонировании конструкций в
скользящей опалубке, для быстрой стабилизации ячеистой струк¬
туры газо- и пенобетона.В случае надобности период формирования структуры можно
продлить путем введения в бетонную смесь при ее изготовлении
замедлителей схватывания. Они помогают сохранить удобоуклады-
ваемость бетонных смесей в случае перевозки на дальние расстоя¬
ния и в жаркую погоду.Наряду с химическими добавками широко используют темпера¬
турный фактор.§ 2. Понятие о макро- и микроструктуре бетонаМакроструктура определяет сложение бетона как искусственно¬
го конгломерата, подобно текстуре горных пород (рис. 62, а).Объем уплотненной бетонной смеси (примем его равным 1) сла¬
гается из объемов: зерен заполнителя V3, цементного теста V4.T и
воздушных пор Vвозд, которые выразим в долях от 1, следовательно,Vg-b Vц т + Vвозд = 1.При хорошем уплотнении воздушная пористость близка к нулю
(У возд менее 2—3%), поэтому можно принять, что уплотненная
смесь состоит в основном из двух составных частей — зерен запол¬
нителя и цементного теста: V3+ V4.T= 1.Поскольку цементное тесто состоит из зерен цемента и воды,
уравнение, выражающее объем плотно уложенной бетонной смеси,примет вид.Уэ + Ц/Рц + В = 1,где рц — плотность цемента, т/м3; Ц и В — соответственно количе¬
ства цемента, т, и воды, м3, расходуемые на I м3 уплотненной бетон¬
ной смеси; ЦД>ц — абсолютный объем цемента.171
..ffr■t:itk6)Рис. 62. Структура бе¬
тона:a — макроструктура pa-
створной части бетона?
видны зерна песка, сце¬
ментированные вяжущим
(Х92); б — номограмма
.структур бетонов; в —
микроструктура цемент¬
ного камня в бетоне:
крупные кристаллы эт-
трингита, мелкие части¬
цы гндросиликата каль¬
ция (Х9690)I:Это уравнение называют уравнением абсолютных объемов, так
как в него входят абсолютные объемы заполнителя и цемента.При расчете состава бетона оно служит для определения сум-S марного абсолютного объема мелкого и крупного заполнителей:~ 1 — Ц/рц — в,илиЗависимость структуры бетонов слитного строения от В/Ц расхо¬
дов цемента и воды представлена в виде номограммы* (рис. 62,6).
По горизонтальной оси отложены значения В/Ц цементного теста, по
вертикальной оси — расходы воды в м3 на 1 м3 бетона. В коорди-Номограмма состзвленз автором с л & &172 Р С Л> А' Алим°вым и В. В. Ворониным.натах (В/Ц, В) каждая наклонная прямая соответствует определен¬
ному расходу цемента (в т/м3), так как тангенс угла наклона пря¬
мой численно равен расходу цемента tga = B/(B/L[) =Ц. Номограм¬
ма имеет вид семейства кривых, встречающихся в начале осей
координат. Верхняя огибающая кривая соответствует цементному
тесту без заполнителя, и ее уравнение получается из уравнения аб¬
солютных объемов при У3=0:В =В/Ц(1/рц + В/Ц)Каждая гиперболическая кривая соответствует определенной
объемной концентрации заполнителя в бетоне и отвечает уравне¬
нию— (1 — Vg).1/Рц+В/Ц 87В =Каждая точка номограммы, полученная при пересечении кривой
и наклонной прямой, соответствует бетону определенного состава.
Например, взятая на номограмме точка А определяет бетон с
В/Ц=0,6, расходами воды и цемента соответственно 0,18 м3/м3 и
0,3 т/м3; макроструктура бетона характеризуется содержанием за¬
полнителя К3 = 0,72 и цементного теста Кц.т = 0,28 м3.На номограмме выделена (пунктиром) область бетонов, наибо¬
лее широко применяемых в строительстве.Микроструктура характеризует строение твердого вещества
(рис. 62, в), величину и характер пористости каждого из компонен¬
тов бетона (цементного камня и заполнителя), а также строение
пограничного (контактного) слоя между ними.Заполнитель влияет на тесто вяжущего вещества в бетоне и
формирование структуры. На смачивание зерен плотного заполни¬
теля тратится часть воды затворения, и структура цементного кам¬
ня формируется при меньшем значении В/Ц, чем исходное; еще
-большее количество воды поглощает пористый заполнитель.
При укладке подвижных смесей может происходить внутреннее во-
доотделение, и вода скап¬
ливается под зернами
крупного заполнителя,
при этом ослабляется
связь между крупным
заполнителем и раствор¬
ной частью бетона (рис.63). Вдоль слабой зоны
развиваются внутренние
усадочные трещины.Внутреннее расслоение
нарушает монолитность и Рис 63 Влияниевнутреннего водоотделения:
ОДНОРОДНОСТЬ ОеТОНа, ПрИ- а__на структуру бетона; б — на образование внут-
ВОДИТ К аНИЗОТООПИИ Мб- ренних трещин; / — крупный заполнитель; 2—слабая
* «, тт зона с повышенным содержанием воды; 3— раствор-ханических СВОЙСТВ. На- ная часть; 4 —трещина173
пример, прочность бетона на растяжение в вертикальном направле¬
нии (к поверхности бетона) оказалась в 1,7 меньше, чем в горизон¬
тальном.Вода, смачивающая зерна заполнителя, участвует в формирова¬
нии контактного слоя.Контакт между зернами заполнителя и цементным камнем влия¬
ет на совместную работу камневидной составляющей и минераль¬
ного клея под нагрузкой, а также на монолитность и стойкость бе¬
тона. Ширина контактной зоны цементного камня колеблется от 30
до 60 мкм. По своему составу и свойствам контактная зона отлича¬
ется от остального цементного камня. Сращивание зерна заполни¬
теля с цементным камнем связано с миграцией гидрата окиси каль¬
ция, получающегося при гидролизе трехкальциевого силиката, к
поверхности зерна. В результате на поверхности заполнителя образу¬
ются кристаллы Са(ОН)г и СаС03. Возможно химическое взаимо¬
действие некоторых видов заполнителя с продуктами гидратации
цемента даже при нормальных условиях твердения, усиливающееся
при тепловой обработке. Например, установлено, что на поверхно¬
сти зерен карбонатного щебня (из известняка) образуются соеди¬
нения типа карбоалюминатов, которые упрочняют сцепление. Неко¬
торые природные и искусственные пористые заполнители (пемза,
керамзит) содержат свободную аморфную двуокись кремния, реаги¬
рующую с Са(ОН)г с образованием гидросиликатов. В условиях
автоклавной обработки даже зерна кварцевого песка вступают во
взаимодействие с Са(ОН)г.Прочность сцепления между заполнителем и цементным камнем
зависит от природы заполнителя, его пористости, шероховатости и
чистоты поверхности зерен, а также от вида и активности цемента,
водоцементного отношения и условий твердения бетона. У бетонов
на плотных заполнителях она меньше прочности цементного камня
на растяжение.Поры бетона по местоположению делят на следующие виды:1) поры в цементном камне ЯЦ.К) подразделяемые на поры геля
Пг, капиллярные Як и образованные вовлеченным воздухом Явозд;
2) поры в заполнителе Я3; 3) межзерновые пустоты Ямз — прост¬
ранство между зернами заполнителя, не заполненное цементным
тестом.Общая пористость бетона (Пъ) может быть представлена в виде;
суммы составных ее частей:Нь — Пр + Пк + Явозд + Яа + Я мз.Пористость бетона прямо пропорциональна объему цементного'
камня в бетоне и, следовательно, равна произведению пористости
цементного камня на Уц.т. Этим путем получим формулы для вы¬
числения пористости бетона, изготовленного на плотном заполните¬
ле (Я3=0) при плотной укладке бетонной смеси (Ямз=0); воздуш¬
ная пористость принята равной 2—6%.174ПористостьОбщаяКапиллярнаяГеляВоздушнаяЗначения пористости в зависимости от В/Ц, сте¬
пени гидратации портландцемента (а) и расхода
вяжущего (Ц, т/м8) в долях от объема бетона
Яб=[(В/Ц-0,5 а)4-0,29а]Ц+0,02
Як=(В/Ц-0,5<х)Ц
Яг=0,29яЦ
0,02—0,06С помощью формул можно определить общую пористость бетона
и расчленить ее на группы. Для этого нужно экспериментально
определить степень гидратации цемента (количественным рентге¬
новским анализом либо при помощи автоматического прибора —
дериватографа или другим способом). Поэтому данный метод опре¬
деления групповой пористости бетона называется эксперименталь¬
но-расчетным.Например, бетон, изготовленный на плотных заполнителях при расходе води
В=0,18 м8 н цемента Ц=0,3 т на I м* бетона с воздухововлекающей добавкой
(Пвоэд 2,5 %) и твердевший 28 сут в нормальных условиях (степень гидратации
а=0,7), будет иметь следующие характеристики пористости:
общая пористостьЛб = [<0,6-0,5 • 0,7) + 0,29 • 0,710,3 + 0,025 =0,161 <16,1%),капиллярнаяПн = (0,6 —0,5 • 0,7) 0,3 = 0,075 (7,5%),
пористость геляЯг = 0,29 ■ 0,7 • 0,3 = 0,061 (6,1%)»в том числе контракциониый объемVK = 0,09 • 0,7 • 0,3 = 0,019 (1,9%),На рис, 64 представлены графики приведенных формул для еди¬
ничного расхода цемента (Ц=1 т/м5). Общее количество воды, свя¬
занной в цементном камне бетона, равное 0,5 аЦ, возрастает в
прямой зависимости от степени гидратации цемента (рис. 64, а).
Связанная вода разделяется примерно поровну: половина ее свя¬
зана цементом химически и примерно столько же (0,25 аЦ) — фи¬
зико-химически в порах цементного геля.Объем пор геля также увеличивается в прямой зависимости отстепени гидратации (рис. 64, б) и достигает максимума при а=1.
Из всей гелевой пористости (0,29 аЦ) можно выделить контракци-онный объем, равный Яконтр=0,09 аЦ.Объем капиллярных пор зависит не только от Ц и а, но и от на¬
чального ^З/Ц. Сразу после затворения и уплотнения бетонной смеси
объем капиллярных пор равен объему воды затворения; по мере
возрастания количества связанной воды капиллярная пористость
бетона уменьшается и становится наименьшей при полной гидра¬
тации цемента. Выше указывалось (см. разд. IV), что капиллярные
поры, образованные несвязанной водой затворения, скапливающей¬
ся между агрегатами частиц геля, имеют большой размер (более175
1000 А) и сообщаются с окружающей средой. Поэтому ониухудшают морозостойкость бетона, увеличивают его проницае¬
мость.Можно определить плотный бетон как монолитный бетон с од¬
нородной структурой и с минимальным объемом капиллярных пор
(теоретически он должен быть равен нулю).Капиллярная пористость бе¬
тона, изготовленного с началь¬
ным В/Ц^0,5, будет равна ну¬
лю при достижении степени гид¬
ратации а —2 В/Ц (табл. 24,
рис. 64,в). Бетоны с В/Ц>0,5
всегда имеют капиллярные поры,
если даже а= 1 (рис. 64,в). Вот
почему значение В/Ц принимают
не более 0,4—0,5, если бетон слу¬
жит в суровых условиях (много¬
кратное замораживание при од¬
новременном действии морской
воды и т. п.).На рис. 64,г общая пористость
бетона представлена в виде сум¬
мы капиллярной и гелевой по¬
ристости. В бетоне с В/Ц<0,5
(например, В/Ц=0,4) общая по¬
ристость достигает наименьшего
значения при а=2 В/Ц (на лома¬
ной АБВ); если же происходит
дальнейшая гидратация цемента,
то пористость бетона растет (ли¬
ния Б В) вследствие увеличения
количества геля и прироста геле¬
вой пористости.Снижение водоцементного от¬
ношения путем увеличения расхо¬
да цемента неэффективно как по
экономическим, так и по техни¬
ческим соображениям. При воз¬
растании количества цемента
В/Ц уменьшается, но зато увели¬
чивается объем цементного теста,
поэтому капиллярная пористость
, убывает медленно, а усадка бето¬на сильно возрастает. Гораздо
эффективнее уменьшать' количество воды без ухудшения удобо-укладываемости путем применения пластифицирующих добавок.Для уменьшения капиллярной пористости на 1% надо снизить рас¬
ход воды на 10 л/м3 или увеличить расход цемента на 25—33 кг/м3
в зависимости от степени гидратации цемента.Степень гидратации цементРнс. 64. Графики, характеризую¬
щие распределение воды и измене¬
ние пористости бетона в зависи¬
мости от степени гидратации це¬
мента а (для единичного расхода
цемента 1 т/м3)170Глава 30ОСНОВНОЙ ЗАКОН ПРОЧНОСТИ БЕТОНА§ 1. Физический смысл закона прочности бетонаЗакон прочности бетона устанавливает зависимость прочности
от качества применяемых материалов и пористости бетона. Проч¬
ность вяжущего характеризуется его маркой (Rv), качество запол¬
нителя коэффициентом А, а пористость косвенно определяется ве¬
личиной водоцементного
отношения В/Ц. Зависи¬
мость прочности от В/Ц
является в сущности за¬
висимостью прочности от
объема пор, образован¬
ных водой, не вступаю¬
щей в химическое взаи¬
модействие с цементом.Исследованиями И. Г.Малюги и Н. М. Беляева
было установлено, что
прочность плотно уло¬
женного бетона прямо
пропорциональна проч¬
ности цемента и обратно
пропорциональна водо¬
цементному отношению.Теория прочности бетона
обоснована в трудах
Б. Г. Скрамтаева иН. А. Попова и получила
развитие в работах И. Н. Ахвердова, Ю. М. Баженова, О. Я. Берга,
И. А. Рыбьева и других советских ученых.Кривая зависимости прочности бетона от количества воды за-
творения (при постоянном расходе цемента и способе уплотнения),
приведенная на рис. 65, характеризует физический смысл закона
прочности. Левая ветвь кривой принадлежит недоуплотненным бе¬
тонным смесям, слишком жестким для данного способа уплотнения.
При возрастании количества воды затворения, т. е. В/Ц, эти смеси
укладываются плотнее, и прочность бетона повышается. Наконец,
при оптимальном (для данного способа уплотнения) количестве
воды бетон имеет наибольшую плотность и прочность, что соответ¬
ствует максимуму на кривой прочности. Дальнейшее увеличение
количества воды разжижает бетоннуГо смесь, повышает ее подвиж¬
ность. Однако добавляемая вода лишь частично связывается вяжу¬
щим и поэтому образует в бетоне водяные полости: объем пор в
бетоне возрастает, а прочность бетона понижается соответственно
правой ветви кривой. Таким образом, для каждой смеси имеетсяКоличество Мы зтёорения, xejM5Рис. 65. Общая кривая зависимости прочности
бетона от количества воды затворения (при оп¬
ределенном расходе цемента и способе уплот¬
нения) :а — область недоуплотненных жестких бетонных сме¬
сей; б — то же, наибольшей прочности и плотности
бетона; в — то же, подвижных бетонных смесей;
г — то же, литых смесей177
оптимальное значение количества воды, которое позволяет получить
при данном способе уплотнения бетон слитного строения с мини¬
мальной пористостью, а следовательно, с наибольшей прочностью.§ 2. Формулы и графики, выражающие зависимость прочности
бетона от основных факторовДля бетонов, различающихся по расходу цемента, получают ряд
кривых, подобных приведенным на рис. 66. Кривая объединяющая
точки с оптимальными частными значениями В/Ц, выражает общую
зависимость прочности бетона слитного строения от В/Ц. Она пред¬
ставляет гиперболу, отвечающую формуле Н. М. Беляевагде Rg — прочность бетона при сжатии; — активность цемента;
k и п — параметры, зависящие от вида и качества заполнителей;
для тяжелого бетона п=1,5, при щебне /г = 3,5, гравии k=4.В действительности, как видно из рис. 66, имеется не одна кри¬
вая, выражающая зависимость /?б=/(В/Ц), а некоторая полоса,
объединяющая опытные данные с учетом колебания прочности бе¬
тона вследствие влияния других факторов (содержания цементного
теста, качества сцепления его с заполнителем, вида и прочности
заполнителя и др.). Обычно цементное тесто заполняет пустоты
между зернами заполнителя и лишь немного их раздвигает (на
величину двух-трех средних диаметров цементных зерен). При та¬
ком сближенном («контактном») расположении зерен заполнителя
его свойства будут оказывать заметное влияние на прочность бето-Рис. 66. Обобщенный график изменения прочности бетона:а — тяжелый бетон: б — легкий бетон (заполнитель — керамзит); т— объемная
концентрация цементного камня178№
1-ж111111Y//'Ж,1111Ж,А1>1I550Ш0,5 1 Ц
ЦементноНодное2 2,5
отношение3 15Рис. 67. Зависимость прочности тяжелого бето¬
на от Ц/В при разных марках цементана. Поэтому рекомендуется применять для тяжелых бетонов запол¬
нитель с прочностью в 1,5—2 раза больше заданной марки бетона.
При большом содержании цементного теста зерна заполнителя раз¬
двинуты на значительные расстояния, они почти не взаимодейству¬
ют друг с другом, поэтому решающее значение будет иметь проч¬
ность цементного камня и прочность сцепления его с заполнителем.Гиперболическую формулу прочности бетона можно преобразо¬
вать в более простую фор¬
мулу Скрамтаева — Бо-
ломея*, если выразить Re
в зависимости от цемент¬
новодного отношения. За¬
висимость прочности бе¬
тона от величины Ц/В в
общем виде выражается
довольно сложной кри¬
вой. Для практических
целей эту кривую заменя¬
ют двумя прямыми и со¬
ответственно получают
две формулы: для бетона
с Ц/В = 1,4—2,5 и высоко¬
прочных бетонов с Ц/В>>2,5 (рис. 67).Общий вид зависимо-
мости прочности бетона от Ц/В и марки цементаR0 = ЛЯц (Ц/В ± Ь).Формулой прочности бетона можно пользоваться только приме¬
нительно к плотно уложенным бетонам, которые изготовляют из
портландцемента, воды и заполнителей, удовлетворяющих требова¬
ниям стандартов.Для обычных бетонов с Ц/В= 1,4—2,5 формула прочности при¬
нимает видR6 = ARn (Ц/В — 0,5).При высококачественных заполнителях (щебень из плотных
изверженных горных пород, крупный песок с минимальным содер¬
жанием вредных примесей) А = 0,65; для рядовых заполнителей
Л = 0,6; при применении заполнителей пониженного качества
Л =0,55.Для высокопрочных бетонов, изготовляемых с Ц/В>2,5, приме¬
няется формулаR6 = AlRa(}X/^ + 0,5).В этой формуле для высококачественных заполнителей Ai = 0,43,
для рядовых Л< =0,4.' * Борис Григорьевич Скрамтаев (1905—1966) — выдающийся ученый в об¬
ласти вяжущих веществ и б'етонов, известный педагог и общественный деятель.179
Можно получить график прочности бетона применительно к то¬
му цементу и тем заполнителям, которые идут на приготовление
бетона. Для этого нужно пронести несложный опыт. Поскольку за¬
висимость марки бетона от Ц/В (в пределах Ц/В=1,4—2,5) изобра¬
жена отрезком прямой, то для получения графика требуется иметь
две точки, а для этого нужно приготовить и испытать два состава
бетона (например, с Ц/В = 1,4 и Ц/В = 2,5). Полученный график
дает возможность определить величину Ц/В, необходимую для лю¬
бой заданной марки бетона, при этом определение Ц/В производит¬
ся более точно, чем по формуле, в особенности, когда применяются
методы ускорения твердения бетона (пропаривание и Др.).Формулы и графики используют в расчете состава бетона, кото¬
рый проверяют и уточняют с помощью пробного замеса..Основной закон прочности является общим для материалов с
конгломератной структурой, он распространяется на тяжелые и
легкие бетоны, мелкозернистые бетоны и строительные растворы.
Только параметры А и Ь, входящие в формулу прочности, будут
иметь различные численные значения, зависящие от вида материа¬
ла и заполнителя.Глава 31
СВОЙСТВА БЕТОНА
§ 1. Плотность и объемная масса бетонаПлотность бетона определяют не менее чем на трех образцах
одного и того же возраста, изготовленных из одного замеса и твер¬
девших в одинаковых условиях.Плотности составных частей бетона близки (г/см3): гидратиро¬
ванного цемента — 2,6, кварцевого песка — 2,65, гранитного щеб¬
ня — около 2,7, керамзитового гравия — 2,6, поэтому плотность бе¬
тона в среднем составляет
2,6—2,7 г/см3 (исключение со¬
ставляет особо тяжелый бе¬
тон).Главным регулятором объ¬
емной массы бетона является
заполнитель; воздух, находя¬
щийся в макропорах ячеистого
бетона, можно рассматривать'Рис. 68. Зависимость объемной массы
бетона от объемной массы заполни¬
теля:/ — особо тяжелый бетон; 2 — тяжелый;3 — облегченный; 4— легкий на пористых
заполнителях; 5 — ячеистый180как своеобразный «сверхлегкий» заполнитель (рис. 68). Применяя
различные виды заполнителя, можно получать объемную массу
бетона в соответствии с требованиями в пределах от 250 до•5000 кг/м3 и более.Радиоизотопный метод измерения объемной массы бетоннойсмеси и бетона в конструкциях основан на ослаблении или рассея¬
нии взаимодействующего с бетоном гамма-излучения (рис. 69).Рис. 69. Схемы преобразователей для определения объ¬
емной массы бетонной смеси:
a — типа «энлна*; б — Г-образный; в — Т-обрэзныЙ; / — источ¬
ник излучения; 2— детектор; 3 — регистрирующий прибор§ 2. Проектные марки бетонаПри проектировании бетонных и железобетонных конструкций
назначаются требуемые характеристики бетона, называемые про¬
ектными марками. Проектные марки назначаются по прочности, мо¬
розостойкости и водонепроницаемости.За проектную марку бетона по прочности на сжатие М прини¬
мают сопротивление осевому сжатию R в кгс/см2 эталонных образ¬
цов-кубов, испытанных согласно требованиям ГОСТов.Проектная марка на осевое сжатие (кубиковая прочность) яв¬
ляется основной характеристикой бетона и указывается в проекте
во всех случаях.За проектную марку бетона по прочности на осевое растяжение
Р принимают сопротивление осевому растяжению Rp в кгс/см2 кон¬
трольных образцов, испытанных в соответствии с ГОСТом. Эта мар¬
ка назначается тогда, когда она имеет главенствующее значение.Проектная марка бетона по морозостойкости характеризуется
числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, кото¬
рое выдерживают образцы в условиях стандартного испытания. На¬
значается для бетона, подвергающегося многократному воздейст¬
вию отрицательных температур.Проектная марка бетона по водонепроницаемости В характе¬
ризуется односторонним гидростатическим давлением в кгс/см2, при181
котором образцы бетонале пропускают воду в условиях стандарт¬
ного испытания. Назначается для бетона, к которому предъявляют¬
ся требования по плотности и водонепроницаемости.Проектную марку бетона по прочности на сжатие контролируют
путем испытания стандартных бетонных образцов: для монолитных
конструкций — в возрасте 28 сут, для сборных конструкций — в сро¬
ки, установленные для данного вида изделий стандартом или тех¬
ническими условиями.Проектную марку бетона монолитных конструкций разрешается
устанавливать при специальном обосновании в возрасте 90 или
180 сут в зависимости от сроков загружения, что позволяет эконо¬
мить цемент.Методы определения прочности бетона на сжатие и растяжение
регламентированы ГОСТ 10180—78, который соответствует между¬
народному стандарту ИСО 1920—76 и в котором учтены рекомен¬
дации СЭВ по стандартизации.Прочность бетона определяют путем испытания образцов, фор¬
ма и размеры которых указаны в табл. 29.Таблица 29Форма и размеры бетонных образцовВид испытанияФорма образцаГеометрические размеры образца,
ммОпределение прочности
на сжатие и на растяже¬
ние при раскалыванииКубДлина ребра: 70, 100; 150;
200; 300ЦилиндрДиаметр d: 70, 100, 150,
200; 300
Высота h равна одному диа¬
метру d или двум диаметрам
2dОпределение прочности
на осевое растяжениеВосьмерка (рис.
70, а)Размер рабочего сечения
средней части:100x100; 150x150; 200x200Призма квадратно¬
го сечения100x100x400;150X150X600;200X200X800Цилиндр (рис.
70, в)Диаметр d: 70, 100, 150;
200; 300
Высота h равна d или 2dОпределение прочности
на растяжение при из¬
гибеПризма квадратно¬
го сечения (рис.
70,6)100X100X400;150X150X600;200X200X800182Рис. 70. Определение прочности бетона:й — восьмерка; б — призма и устройство для испытания ее на
растяжение при иэгнбе: 1 — каток; 2 — качающийся цилиндри¬
ческий шарнир; 3—шаровой шарнир; 4 —траверса; в —схема
испытаний иа растяжение при раскалывании: J — образец (куб
или цилиндр); 2—плита пресса; 3 — полуцилиндр
Наименьший размер образца (ребра куба, диаметра цилиндра,
стороны поперечного сечения призмы) принимают в зависимости
от наибольшей крупности заполнителя в пробе бетонной смеси:Амиб, заполнителя, мм10 и
менее204070100 и болееН аименьший размер образца, мм70100150200300Образцы изготовляют сериями; серия, как правило, состоит из
грех образцов. Для изготовления контрольных образцов отбирают
пробу бетонной смеси из средней части замеса или порции смеси.
Бетонную смесь уплотняют в формах на лабораторной вибропло¬
щадке типа 435А (вертикальные колебания частотой 2900±
±100 кол./мин и амплитуда 0,5±0,05 мм). Изготовленные образцы
хранят не менее 24 ч в формах, покрытых влажной тканью, на воз¬
духе с температурой 20±2°С, затем распалубленные образцы поме¬
щают в камеру «нормального твердения», в которой поддерживает¬
ся относительная влажность воздуха не ниже 95% и температура
20±2°С.Прочность бетона вычисляют для каждого образца по форму¬
лам:на сжатиеR — k — k •А — КМ „ Kw>Fна осевое растяжениен-а растяжение при раскалывании^?р.р = kM —^г kw;на растяжение при изгибеRp.n = k м — kw,
ab‘где R — прочность бетона на сжатие; Rp — прочность бетона на осе¬
вое растяжение; Rpp — прочность бетона на растяжение при рас¬
калывании; /?р И — прочность бетона на растяжение при изгибе; Р —
разрушающая нагрузка; F — средняя площадь рабочего сече¬
ния образца; a, b, I — соответственно ширина и высота призмы и
расстояние между опорами при испытании образцов на растяжение
при изгибе; kM — масштабный коэффициент прочности бетона; kw —
поправочный коэффициент, учитывающий влажность бетона образ¬
ца; для всех видов бетона (кроме ячеистого) kw=\, для ячеистого
бетона kw принимают в зависимости от влажности:184Влажность по массе, %0510152025 и
болееВеличина kw0,80,9| 1,0| 1,05| 1,101,15Поскольку образцы могут быть разной формы и размера, пока¬
затели прочности приводят к кубиковой прочности базового образ¬
ца размером 15X15X15 см умножением на масштабный коэффи¬
циент (табл. 30).Таблица 30Минимальныезначения масштабного коэффициентаФорма и размер образцов. ммТяжелый, силикатный, мел¬
козернистый и конструкци¬
онный бетон на пористых за¬
полнителях, а также яче"^
тый бетон объемной массой
400 кг/м* и болееВыпиленные и выбурен¬
ные образцы ячеистого
бетона плотностью
400 кг/м3 и болееКубы С ребром:70100150200Цилиндры диаметром и выС0Т° 70X140 и 100 X200
150X300
200X400
300X600
70X70
ЮОХЮО0,850,911,001,051,101,161,201,241,280,900,951,000,900,95ЮОхЮО IПримечание. Для ячеистого бетона плотностью менее 400 кг/м3 масштабный коэф¬
фициент для образцов всех размеров и формы принимают равным 1.Предел прочности при рас¬
тяжении возрастает при повы¬
шении марки бетона по проч¬
ности при сжатии (рис. 71), од¬
нако увеличение сопротивле¬
ния растяжению замедляется в
области высокопрочных бето¬
нов. Поэтому прочность бетона
при растяжении составляет
1/10—1/17 предела прочности
при сжатии, а предел прочно¬
сти при изгибе—1/6—1/10.й5*1“,??1^8-Рис.71 1 1 "с Ю 24 М чи оиПредел прочности при сжатии, МПаоетона uyn [/avii.mv 1 — осевое растяжение; 2 — растяжение при
изгибе186
§ з. Определение прочности бетона без разрушенияна основе достижений*1бетона РазРабатывают
чаются тем, что не радиометРии и отли-многократно воспроизведены^ к Гизи^гк^ТерИаЛа И МОгут быть
»еТОВа от„осят импульС1?ый, уль^ГГрезГГнв)I<§■Скорость распространения ультразвука, м/сР«с. я. Определение „р„,„„н „„„м ^«лЛ?*™ об~азГеецеРГОРпп"МбУЛЬСОВ://^^к'люченн^в^электрическую^^т^^^^«-Рафик корреляционной свяэи186метрический. Созданная в СССР аппаратура дает возможность
контролировать прочность, плотность и однородность бетона в кон¬
струкциях и изделиях.При электронно-акустических методах испытаний используют
связь между скоростью распространения упругих волн в бетоне и
его механическими свойствами. Скорость распространения продоль¬
ных упругих волн v связана с модулем упругости Е и плотностью q
бетона приближенной зависимостью (верной при коэффициенте
Пуассона ц = 0,16—0,25)v = 1,05 УЁТр.Наиболее распространены импульсные ультразвуковые приборы
УКБ-1М, «бетон — транзистор» (рис. 72, а, б).Скорость распространения ультразвука зависит от свойств за¬
полнителя, влажности бетона и ряда других факторов. Поэтому
график (рис. 72, б) корреляционной связи «прочность бетона —
скорость распространения ультразвука» (Rб—и) строят для бетона
определенного состава на данном заполнителе: контрольные бетон¬
ные образцы или керны, высверленные из сооружения, прозвучи-
вают ультразвуком, а потом испытывают по стандарту для опреде¬
ления прочности.Ультразвуковой метод позволяет выявлять качество бетона в
изделиях и конструкциях. Измеряя скорость распространения уль¬
тразвука в различных частях конструкции, можно оценить однород¬
ность бетона, не прибегая к испытанию бетонных образцов.Однородность прочности. Бетон должен быть однородным — это
важнейшее техническое и экономическое требование. Для оценки
однородности бетона данной марки используют результаты конт¬
рольных испытаний бетонных образцов за определенный период
времени. Имеется в виду, что стандартные образцы твердели в
одинаковых условиях одно и то же время. Прочность бетонных
образцов будет колебаться, отклоняясь от среднего значения в боль¬
шую и меньшую стороны. На прочности сказываются колебания в
качестве цемента и заполнителей, точность дозирования составляю¬
щих, тщательность приготовления бетонной смеси и другие факто¬
ры. Чем ближе частные результаты испытания образцов к среднему
значению, тем выше однородность бетона.Коэффициент вариации прочности бетона v (%) вычисляют по
формулеv = s/R • 100,где s — среднее квадратичное отклонение частных результатов ис¬
пытания от средней прочности R, определяемое по формулел = -I/O (R-W .V п-1Средняя же прочность равнаR = ZR/n,137
где R— предел прочности отдельного образца; п — число испытан¬
ных образцов.В идеальном случае «для абсолютно однородного» бетона s = 0 и
и = 0. Определяют коэффициенты вариации прочности бетона: вну-
трисерийный для партии изделий (vn) и общий за анализируемый
период (uo) продолжительностью 1—2 мес. Неудовлетворитель¬
ная однородность бетона характеризуется значениями ип>16% и
У(1>20%. На предприятиях с хорошо налаженной технологией зна¬
чение vq не превышает?—10%.От коэффициента вариации зависит требуемая марка бетона,
а следовательно, расход цемента в бетоне и его экономические по¬
казатели.Нормативную кубиковую прочность бетона RH принимают по
СНиП II-21—75 равной:= — 1,64о),откуда проектная марка бетона М. равна:При у = 0,07 величина М=1,12У?Н, а при у = 0,14 M=l,3Ra и
расход цемента в бетоне возрастет на 15—20%.Для повышения однородности бетона необходимо применение
цемента и заполнителей гарантированного качества, повышение
уровня технологической дисциплины, автоматизация производства.§ 4. Деформативные свойства бетонаПод нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упру¬
гие материалы.Конгломератная структура бетона определяет его поведение при
возрастающей нагрузке осевого сжатия.Область условно упругой работы бетона — от начала нагруже¬
ния до напряжения сжатия /?°т, при котором по поверхности сцеп¬
ления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины.
Граница упругой работы бетона соответствует наибольшему сокра¬
щению времени прохождения ультразвукового импульса Af
(рис. 73). При дальнейшем нагружении микротрещины образуются
уже в цементном камне и возникают пластические — неупругие де¬
формации бетона. Развитию пластических деформаций способству¬
ет также наличие гелевой составляющей в цементном камне. Верх¬
няя граница области развития пластических деформаций Rl соот¬
ветствует возрастанию величины коэффициента поперечной
деформации до 0,5, т. е. максимального значения, теоретически воз¬
можного для сплошного тела. При этом время прохождения ультра¬
звукового импульса приближается к первоначальному значению
для ненагруженного бетона, принятому за условный нуль.Особенности деформирования бетона под нагрузкой обобщенно
описываются реологической моделью (рис. 74). При нагружении188бетона сначала приходит в действие упругий элемент модели — пру¬
жина. Когда нагрузка преодолеет трение между пластинками, ха¬
рактеризующее предел упругости R0T, возникают пластические де¬
формации, постепенно нарастающие по мере увеличения напряже¬
ния до значения /?* При этом бетон ведет себя как упруго-вязко¬
пластическое тело.Рис. 74. Упрощенная реологическая
модель бетона:1 — пружина (упругий элемент); ,2 — пор*
шекь, движущийся в вязкой жидкости н
характеризующий неупругне свойства бе¬
тона; 3 — пластинчатый элемент сухого
трения*М 0 -At
Сокщете Измени прв-
кажкиия дльтразВ^кокго
импульсаРис. 73. Параметрические точки (гра¬
ницы) областей напряженного состоя¬
ния бетона:R°T — граница условно упругой работы бе¬
тона; Я* — верхняя граница области раз¬
вития пластических деформаций; Я°т—Я*— область микротрещинообразоваиияОпыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратко¬
временном нагружении для бетона характерна упругая деформа¬
ция, подобная деформации пружины. Если напряжение превосходит
0,2 от предела прочности, то наблюдается заметная остаточная(пластическая) деформация (рис.75), и полную деформацию бето¬
на можно представить как сумму
упругой и пластической деформа¬
ции (епл + еупр). Поэтому диа¬
грамма деформирования (зависи¬
мость напряжения о от относи¬
тельной деформации е) не прямо¬
линейна, для каждого напряже¬
ния существует свой модуль упру¬
гости. Условились за начальный
модуль упругости бетона при сжа¬
тии и растяжении принимать от¬
ношение нормального напряже¬
ния к относительной деформации
при величине напряжения не бо¬
лее 0,2 от предела прочности. Та¬
ким образом, начальный модуль189| . £ ПОЛИ *■Оштситьнт дмрормация 6=М/1Рис. 75. Кривая «напряжение -
формация» бетонаде-
Рис. 76. Графики зависимости модуля упру¬
гости бетона от его марки:1 — тяжелый бетон; 2 — легкий бетон на пори¬
стом заполнителе; 3 — ячеистый бетонупругости представляет со¬
бой тангенс угла наклона
касательной О А и, следова¬
тельно, Es=0,2R/eo,2r.Для других точек кривой,
лежащих за указанной гра¬
ницей, модуль деформаций
является переменной вели¬
чиной, равной отношению
соответствующего напряже¬
ния к полной деформации.
Например, для точки i мо¬
дуль деформации £,= сг,//бполн-Начальный модуль упру¬
гости возрастает при увели¬
чении прочности бетона и,
как видно из рис. 76, зависит
от пористости бетона: увеличение пористости бетона сопровожда¬
ется снижением модуля упругости. При одинаковой марке по проч¬
ности модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе
меньше в 1,7—2,5 раза тяжелого. Еще ниже модуль упругости
ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона
можно управлять, регулируя его структуру.Модули упругости бетона при сжатии и растяжении принимают
равными между собой ■ Ест — £р=£б.Коэффициент упругой поперечной деформации р, (коэффициент
Пуассона) бетона изменяется в довольно узких пределах — 0,13—
0,22 и в среднем равен 0,167.Между модулями упругости продольной деформации £б и де¬
формации сдвига G существует связь:G = —^—,2 (1+ F)принимают 0 = 0,4£б-Предельная относительная деформация бетонного бруса связана
с модулем деформации Ее и пределом прочности R при растяжении
(сжатии) соотношением еПред=Я/£б.Модуль деформаций конструкционных легких бетонов на порис¬
тых заполнителях примерно вдвое меньше, чем у равнопрочных
тяжелых бетонов, поэтому предельная сжимаемость легкого бетона
примерно в 1,5—2 раза, а растяжимость в 2—4 раза выше по срав¬
нению с тяжелым бетоном. Повышение предельной деформации
бетона увеличивает его трещиностойкость.Ползучестью называют явление увеличения деформаций бетона
во времени при действии постоянной статической нагрузки (рис. 77).
Таким образом, полная относительная деформация бетона при дли¬
тельном действии нагрузки слагается из его начальной («мгновен¬
ной») упругой деформации и пластической деформации ползучести.190Мерой ползучести служит величина с=еп/а, т. е. относительная
деформация ползучести, отнесенная к единице напряжения.В области упругой работы бетона ползучесть е„ приблизительно
линейно зависит от упругой деформации ео и, следовательно, харак¬
теристика ползучести ф = еп/ео, т. е. равна отношению деформацииползучести к начальной упругой де¬
формации.Ползучесть проявляется привсех видах деформации. По сравне¬
нию с ползучестью при сжатии пол¬
зучесть при растяжении выше в
среднем в 1,5 раза (опыт С. В. Алек¬
сандровского и В. Я. Багрия), а при
сдвиге — в 2—2,5 раза (опыты Дью¬
ка и Дэвиса).Ползучесть бетона объясняютпластическими свойствами влажно¬
го цементного геля, а также воз¬
никновением и развитием микротре¬
щин при напряжениях, превосходя¬
щих R0т. Кроме того, при высоких
напряжениях проявляется пластиче¬
ская деформация кристаллическойструктуры.Ползучесть зависит от вида це¬
мента и заполнителей, состава бето¬
на, его возраста, условий тверденияи влажности. Меньшая ползучесть Рис-18- Кривые релаксации напря-
наблюдается при применении высо- жений„в бетон“ом бРУс„е ПРИ со°б;гг щеннои ему постоянной единичноикомарочных цементов и плотного деформации (по С. В. Александ-заполнителя — щебня из извержен- ровскому):НЫХ горных пород. Пористый запол- 1. г, 3, 4 — нагружение бетона в воз-
г расте 2, 5, 10 и 20 сутнитель усиливает ползучесть, поэто-
му легкие бетоны имеют большуюползучесть по сравнению с тяжелыми. С увеличением В/Ц ползу¬
честь бетона при прочих равных условиях возрастает, так как це¬
ментный гель становится менее вязким, а бетон — более пористым.
При одинаковом В/Ц большая ползучесть наблюдается у бетона
с более высоким содержанием цемента. В бетоне, нагруженном в
раннем возрасте, проявляется гораздо большая ползучесть, чем впозднем возрасте.На ползучести сказывается климат: замечено ее усиление втеплом и сухом воздухе. Преждевременное высыхание бетона ухуд¬
шает структуру и увеличивает его ползучесть. Однако насыщение
водой затвердевшего бетона может также вызвать рост ползучести.Ползучесть обусловливает релаксацию (уменьшение) напряже¬
ний в бетоне при сообщенных ему вынужденных деформациях.
На рис. 78 приведены кривые релаксации напряжений в бетонном
брусе, характеризующие постепенное снижение напряжений в бето-100 200 ш Ш 500 800
рремя, сут.Рис. 77. Развитие ползучести
бетона во времениIIакГ/ VfГП //,0 2 5 20 30 W
Возраст Ьетна к моменту наг¬
ружения, суш191
не при сообщенной ему постоянной единичной относительной дефор¬
мации (по С. В. Александровскому).Однако ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений
может играть и отрицательную роль. Например, ползучесть бетона
приводит к потере натяжения в предварительно напряженных же¬
лезобетонных конструкциях.§ 5. Усадка и набухание бетонаПри твердении на воздухе происходит усадка бетона, т. е. бетон
сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются.
Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракци-
онной составляющих. Как показали исследования А. Е. Шейкина и
С. В. Александровского, испарение воды из цементного геля сопро¬
вождается сближением его частиц и является причиной влажност¬
ной усадки. В этом смысле усадку бетона можно назвать «укороче¬
нием» от высыхания. Карбонизация содержащегося в цементном
камне гидрата окиси кальция с переходом его в углекислый каль¬
ций также вызывает усадку, особенно заметную в ячеистых бето¬
нах. Обычные измерения дают общую величину усадки бетона,
слагающуюся из влажност¬
ной и карбонизационной со- Ф
ставляющих. Контракцион- Ч5\~
ная составляющая усадки,
вызванная уменьшением аб¬
солютного объема системы
цемент — вода, невелика и
составляет всего около 10%
от влажностной усадки.Время тВердения, сит'0 30 во 90Рис. 79. Кривые усадки:1 — цементного камня; 2 — раство¬
ра; 3 — бетонаЩ 85 95 180 192ПрвЗтитетеяпь опыта, сутРис. 80. Кривые деформации бетона (о) и
изменения его влажности (б), вызванные
попеременным высыханием и увлажнением
(восходящие ветви — усадка, нисходящие —
набухание) (по С. В. Александровскому)192Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конст¬
рукциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения
большой протяженности разрезают усадочными швамн во избежа¬
ние появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооруже¬
нии длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный
бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным.
Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в на¬
ружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на кон¬
такте с заполнителем и в самом цементном камне.Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитно¬
сти конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую
усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает
количество вяжущего в единице объема материала, при этом обра¬
зуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий
усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чемцементного камня (рис. 79).Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цемент-
но-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колеба¬
ния влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки
и набухания (рис. 80), которые могут вызвать появление микротре¬
щин и разрушение бетона.§ 6. Морозостойкость бетонаМорозостойкость бетона определяют путем попеременного замо¬
раживания в холодильной камере при температуре от 15 до 20°С и
оттаивания в воде при температуре 15—20°С бетонных образцов-
кубов с размером ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наиболь¬
шей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 сут
выдерживания в камере нормального твердения или через 7 сут
после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные
для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в каме-' ре нормального твердения.Для установления морозостойкости бетона среднюю прочность
трех образцов одной серии, подвергавшихся замораживанию, срав¬
нивают со средней прочностью трех контрольных образцов в экви¬
валентном возрасте. Эквивалентный возраст Тэ определяют по фор¬
мулам ГОСТ 10060—76; например, для кубов с ребрами 10 и 15 см
при одном цикле испытания в сутки (4 + 20 ч)Т3 — t 0,8п,где t — продолжительность твердения образцов до испытания на
морозостойкость; п — число циклов испытания.За марку бетона по морозостойкости принимают наибольшее
число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое
при испытании выдерживают образцы установленных размеров без
снижения прочности на сжатие более 15% по сравнению с прочно¬
стью образцов, испытанных в эквивалентном возрасте, а для дорож¬
ного бетона, кроме того, без потери массы более 5%.7—664193
2501I"t 100
ч§ 50
t€\\аV• \о
\ °\\\\;\^ \
\ \\\ чV \ <
\ \
N\\ч \\<3ул1Капиллярная.3 Ю
Нетона, ’/0Рис. 81. Зависимость морозостой¬
кости от капиллярной пористостиняемый в строительстве таких
прочным, но и морозостойким.Морозостойкость бетона зависит
от качества примененных материа¬
лов и капиллярной пористости бето¬
на. Объем капиллярных пор оказы¬
вает решающее влияние на водопро¬
ницаемость и морозостойкость бе¬
тона (рис. 81). Морозостойкость бе¬
тона значительно возрастает, когда
капиллярная пористость менее 7%.Морозостойкость определяет
срок службы (долговечность) час¬
тей сооружения, подвергающихся
многократному замораживанию и
оттаиванию. К. ним относят наруж¬
ные стены жилых и промышленных
зданий, покрытия зданий, сооруже¬
ния промышленной гидротехники
(например, градирни), наружные
части гидросооружений, бетонные
покрытия дорог и др. Бетон, приме-
сооружений, должен быть не только§ 7. Водопроницаемость бетонаПо водонепроницаемости бетон делят на марки В2, В4, В6, В8
и В12, причем марка обозначает давление воды (кгс/см2), при кото¬
ром образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду в условиях
стандартного испытания.Проектную марку бетона по водонепроницаемости назначают
для гидротехнического и других бетонов, к которым предъявляются
требования по плотности и водонепроницаемости. Марку принима¬
ют в зависимости от коэффициента фильтрации воды, определяемо¬
го по ГОСТ 19426—74. Коэффициенты фильтрации воды, соответст¬
вующие указанным маркам, приведены в табл. 31. -Таблица 31Значения коэффициентов фильтрации 6ф, см/с, соответствующие
проектным маркам бетона по мипяиппчип»»»"»-»Испытание образцовв состоянииМаркиравновесной влажностиводонасыщенномВ2В4В6В8вюБ12(0,7-2)10-8(2—7)10'»(0,6—2)10-»(1—6)10~10(0,6—1)10_1° I
6 -10-11 и менее(0,5—1)10-»
(1—5)10-w
(0,5—1)10-10
(1—5)10-и
(0,5— 1)10-п
5-10'1а и менее194С уменьшением объема капиллярных макропор снижается водо¬
проницаемость и одновременно повышается морозостойкость бето¬
на. Для уменьшения водопроницаемости в бетон при его изготовле¬
нии вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизующие
добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее,
чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают
через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефтепродуктов в
бетонную смесь можно вводить специальные добавки (хлорное же¬
лезо to др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефте¬
продуктам резко уменьшается, если вместо обычного портландце¬
мента применяют расширяющийся.§ 8. Теплофизические свойства бетонаТеплопроводность — наиболее важная теплофизическая характе¬
ристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих кон¬
струкциях зданий.Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии
около 1,2 Вт/(м-°С), т. е. она в 2—4 раза больше, чем у легких
бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая тепло¬
проводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наруж¬
ных стен из тяжелого бетона изготовляют с внутренним слоем
утеплителя.Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах —0,75—0,92 Вт/(кг-°С).Коэффициент линейного температурного расширения бетона со¬
ставляет около 10-10-6 °С-1, следовательно, при увеличении темпе¬
ратуры на 50° расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избе¬
жание растрескивания сооружения большой протяженности разре¬
зают температурно-усадочными швами.Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют
различный коэффициент температурного расширения и будут по-
разному деформироваться при изменении температуры.Большие колебания температуры (более 80°) могут вызвать
внутреннее растрескивание бетона вслед¬
ствие различного теплового расширения
крупного заполнителя и раствора. Харак¬
терные трещины распространяются по по¬
верхности заполнителя, некоторые из них
образуются в растворе, а иногда и в сла¬
бых зернах заполнителя. Внутреннее рас¬
трескивание можно предотвратить, если
позаботиться о подборе составляющих
бетона с близкими коэффициентами тем¬
пературного расширения.Следует обратить внимание на раз¬
личный характер деформаций сухого и
влажного бетона. Образец из сухого бе¬
тона при охлаждении укорачивается со-мНРис. 82. Кривые температур¬
ных деформаций бетона:J — сухого; 2 — насыщенного во¬
дой7*195
гласно кривой 1 на рис. 82 и его температурная деформа¬
ция определяется коэффициентом линейного температурного
расширения (КЛТР). Кривая 2 температурных деформаций
замерзающего влажного образца имеет аномальный характер. Дав¬
ление воды, замерзающей при —7,5°С в крупных капиллярных
порах, вызывает удлинение образца, равное отрезку ВС. Второй
максимум на кривой 2 (точки Е) вызван замерзанием воды в более
мелких порах при сильном морозе (—47°С). Удлинение свидетель¬
ствует о том, что фазовый переход воды вызывает растягивающие
напряжения в бетоне. Уменьшение объема капиллярных пор позво¬
ляет снизить эти деформации и повысить морозостойкость бетона.§ 9. Радиационная стойкость бетонаРадиационная стойкость характеризует способность материала
сохранять в течение эксплуатации свою структуру и свойства при
воздействии радиационных нагрузок. Бетон, применяемый для био¬
логической защиты^ должен обладать радиационной стойкостью при
действии потока нейтронов и у-квантов.Исследования В. Б. Дубровского показали, что облучение ней¬
тронами влияет на заполнитель бетона. Кристаллические минера¬
лы, входящие в состав горных пород, используемых в качестве за¬
полнителей (кварцевый песок, гранит и др.), под влиянием радиа¬
ции изменяют свою структуру вплоть до полной аморфизации. Это
явление сопровождается объемными деформациями, которые вызы¬
вают внутренние напряжёния, а иногда и растрескивание бетона.Глава 32
ОБЩИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНА
§ 1. Определение состава бетонаМарку цемента выбирают в зависимости от проектной марки
бетона по прочности. Чтобы получить бетон с минимальным расхо¬
дом вяжущего, необходимо выяснить, какое должно быть при этом
соотношение RnlR<>. Расход цемента Ц (кг/м3) найдем, пользуясь
формулой прочности бетона:ц-(т^ + ад)аЗависимость расхода цемента от соотношения Re/Rn, представ¬
ленная на рис. 83, показывает, что для бетонов низких и средних
марок минимальные расходы вяжущего соответствуют:RblRn = 0.4 — 0,6 или Ra Я* 2R6.Соотношение RoIRn, близкое к 1, допустимо по необходимости
для бетонов высоких марок (500, 600—800), когда Ro>Rn.Правильное определение состава бетона имеет большое техни¬
ко-экономическое значение. Задача состоит в определении эконо-196мически оптимального состава, обеспечивающего получение нуж¬
ных реологических и технических свойств бетонной смеси (жестко¬
сти и подвижности) и проектных характеристик бетона — марок по
прочности, морозостойкости и водонепрони¬
цаемости.Для расчета состава бетона устанавли¬
вают стандартные характеристики приме¬
няемых материалов.Определение состава бетона производят
обычно расчетно-экспериментальным мето¬
дом, который предусматривает предвари¬
тельный расчет состава по формулам и по¬
следующую экспериментальную проверку и
уточнение состава с помощью пробного
замеса.Расчет сводится к установлению коли¬
честв цемента, воды затворения, мелкого и
крупного заполнителей в кг на 1 м3 уплот¬
ненной бетонной смеси исходя из заданных
свойств смеси и прочности бетона. Для оты¬
скания указанных выше четырех неизвест¬
ных величин используют следующие четы¬
ре основные зависимости.1. Количество воды затворения находят
в зависимости от заданной жесткости или подвижности бетонной
смеси (например, пользуясь рис. 59).Вычисляют цементно-водное отношение по формулам:для обычного бетона (Ц/В = 1,4—2,5)Ц/В = i^g/Л^ц + 0,5;для высокопрочного бетона (Ц/В>2,5)Ц/В = RjA.Rц - 0,5.Далее находят водоцементное отношение В/Ц= 1/(Ц/В).При расчете состава бетона для конструкций, не подвергающих¬
ся агрессивным воздействиям, принимают вычисленное водоцемент¬
ное отношение, обеспечивающее требуемую прочность бетона.
Однако к гидротехническим и другим конструкциям могут предъяв¬
ляться дополнительные требования (по морозостойкости, водоне¬
проницаемости, стойкости против химической коррозии и т. п.). По¬
этому расчет состава гидротехнического и дорожного бетонов
необходимо производить с учетом установленного нормами ограни¬
чения В/Ц.2. Расход цемента находят, зная количество воды затворения и
водоцементное отношение Ц=В/(В/Ц). Если расход цемента на
1 м3 бетона окажется меньше допускаемого по нормам, то количе¬
ство его следует увеличить до требуемой нормы, сохранив прежнее
В/Ц. Расход воды при этом пересчитывают, исходя из увеличенного
расхода цемента. Минимальный расход вяжущего для бетонных197Рис. 83. Зависимость
расхода цемента в бето¬
не от соотношения марок
бетона и цемента(при коэффициенте А—0,6 и
количестве воды затворения
170 кг/м8)
конструкций — 200 кг/м3, для железобетонных — 220 кг/м3 и конст¬
рукций, работающих в агрессивных средах, — 250 кг/м3.3. Расход крупного и мелкого заполнителей определяют из сле¬
дующих положений:а) объем плотно уложенного бетона (принимают в расчете рав¬
ным 1 м3 или 1000 дм3) без учета воздушных пустот слагается из
объема зерен мелкого и крупного заполнителей и объема цементно¬
го теста, заполняющего пустоты
между зернами заполнителей.
Уравнение, выражающее это по¬
ложение и называемое уравнени¬
ем абсолютных объемов, может
быть представлено в следующем
виде:iL + B + — + —= 1000;Рц Рп Ркб) пустоты между зернами
крупного заполнителя должны
быть заполнены растворной ча¬
стью с учетом некоторой разд¬
вижки зерен, величина которой
определяется коэффициентом раз¬
движки kvК0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Водоцементное отношение В/цРис. 84.График дляКраэдопределенияъразд-цПпустразд I+ В=-^Рц Рп 7кгде Ц, В, П, К, — расходы соответственно цемента, воды, песка и
крупного заполнителя, кг/м3; дц, рш рк — плотности этих материа¬
лов; ук — насыпанная объемная масса крупного заполнителя;
Упуст.к — относительный объем пустот (пустотность) крупного за¬
полнителя, определенный по формуле Кпуст.к=1— (Yk/qk); £разд —
коэффициент раздвижки для жестких бетонных смесей, /гразд=
= 1,05—1,15, в среднем 1,1, для подвижных смесей — по графику
(рис. 84) в зависимости от расхода цемента и В/Ц.Решая совместно приведенные выше два уравнения, получаем
формулы для определения расходов (в кг/м3):
крупного заполнителя1000К =^пуст. к ^раздТк1Рки пескап-Гюоо— i!_B—-У Рп.L Рц Рк JТаким образом получен расчетный состав бетона в виде расхода
(кг/м3) компонентов: Ц, В, П, К. Он может быть выражен в отно¬
сительных единицах (по отношению к массе цемента):1 : В/Ц : П/Ц : К/Ц.198Состав бетона проверяют и уточняют путем пробного замеса бе¬
тонной смеси, приготовляемой из производственных материалов.Лабораторный состав бетона, полученный для сухих заполните¬
лей, пересчитывают на рабочий состав с учетом влажности запол¬
нителей, которая может меняться в процессе производства работ.§ 2. Приготовление бетонной смесиБетонные смеси приготовляют в бетоносмесительных цехах
предприятий сборного железобетона или на центральных автомати¬
зированных бетонных заводах.Приготовление бетонной смеси должно обеспечить получение
однородной массы. Оно состоит из точного дозирования и смешива*
ния исходных материа¬
лов. Составляющие мате¬
риалы дозируют по массе
(исключение допускается
для воды). Применяют
дозаторы с автоматиче¬
ским и ручным управле¬
нием — последние для ма¬
лых бетоносмесительных
установок. В автоматиче¬
ских дозаторах с цент¬
рального пульта управле¬
ния осуществляется уста¬
новка аппаратуры на тре¬
буемую массу. Допуска¬
ются отклонения при до¬
зировании цемента и во¬
ды ±1%, для запол¬
нителей— ±2% (по
массе).Бетоносмесительные
машины циклического
действия подразделяют на
гравитационные и с при¬
нудительным смешива¬
нием.Для получения под¬
вижных бетонных смесей
применяют гравитацион-Рис. 85. Гравитационный бето--
носмеситель:
а — общий вид; б — схема конус¬
ного барабана; / — корпус; 2 —
обечайка; 3 и 4 — лопасти; В —
стрелки показывают перемещение
бетонной снеси199
Рис. 86. Схема циркуляции смеси в противоточном смесите¬
ле (план)ные бетоносмесители, работающие по принципу свободного паде¬
ния перемешиваемого материала. При вращении барабана смеси¬
теля (рис. 85) внутренние лопасти захватывают бетонную смесь,
поднимают ее, затем бетонная смесь свободно падает с некоторой
высоты и при этом перемешивается. Время перемешивания, необхо¬
димое для получения однородной бетонной смеси, зависит от емко¬
сти барабана и жесткости смеси и составляет: для смесителей ем¬
костью до 500 дм3 — 1—1,5 мин; емкостью 1200 дм3 — около 2 мин
и емкостью 2400 дм3 — около 3 мин.Жесткие и малоподвижные бетонные смеси лучше перемешивать
в смесителях принудительного действия. В этих смесителях бетон¬
ная смесь принудительно перемешивается в смесительной чаше или
в барабане при помощи смешивающих устройств: лопастей, лопа¬ток, гребков и т. п. Широко применяют два типа бетоносмесителей
с принудительным перемешиванием: 1) противоточные с горизон¬
тальной чашей, вращающейся в направлении, противоположном
вращению смешивающих устройств, размещенных в горизонталь¬
ной плоскости (рис. 86); перемешанная смесь выгружается через
люк в днище чаши; 2) роторные турбинного типа с горизонтальной
неподвижной чашей и вращающимся в центре ротором, на котором
насажены смешивающие устройства, расположенные в горизон¬
тальной плоскости.Для приготовления раствор¬
ных и мелкозернистых бетон¬
ных смесей используют лопаст¬
ные и шнековые смесители с
приводным горизонтальным
валом.Для жестких мелкозернист
тых смесей с низкими В/Ц эф^
фективно виброперемешивание,
при котором частицы соверша¬
ют колебательные движения.Бетоносмесители непрерыв¬
ного действия требуют мень¬
ших удельных затрат электро¬
энергии и имеют значительно
большую производительность
(30, 60, 120 мг/ч бетонной сме¬
си) по сравнению с гравитаци¬
онными смесителями цикличе¬
ского действия.Автоматизация бетонных
заводов (рис. 87) основана на
примеиешш автоматических
дозаторов, а также на протрам-
'йтга. ста¬
диями процесса перемешива¬
ния. Предусматривается опти¬
мизация с помощью ЭВМ сос¬
тава бетона и режима работы
соответственно программе, ба-Рис. 87. Автоматизированный бетон¬
ный завод:a — внешний вид; б — бетоносмеснтельное
. отделение (разрез): /-бункера (заполни¬
телей, цемента); г — автоматический ве¬
совой дозатор для цемента; 3 — дозатор
для заполнителей; * — сборный бункер для
сухой смеси; 5 — поворотная воронка; 6 —
бетоносмеситель с наклоняющимся бара¬
баном емкостью 2400 л; 7 дозатор воды?8 — раздаточный бункер для бетона
зирующейся на информации о качестве сырья и ходе технологиче¬
ского процесса.Бетонный завод должен выдать на каждую партию бетонной
смеси паспорт, в котором указывается марка бетона, удобоуклады-
ваемость бетонной смеси и др.§ 3. Уплотнение бетонной смесиВ результате уплотнения бетонная смесь заполняет форму, при¬
чем уплотненная бетонная смесь должна иметь однородное строение
и минимальный объем воздушных пустот; после уплотнения оста¬
ется не более 2—3% воздуха (т. е. 20—30 дм3 на 1 м3 бетона).Для получения плотного
бетона необходимо, чтобы
удобоукладываемость бетон¬
ной смеси соответствовала
принятому способу и интен¬
сивности уплотнения. При
сильном механическом уп¬
лотнении (рис. 88) жесткие
бетонные смеси укладыва¬
ются плотно. В результате
повышается прочность бето¬
на (при сохранении одинако¬
вого расхода цемента).Основным способом уп¬
лотнения бетонных смесей
является вибрирование. При вибрировании частые колебания, соз¬
даваемые вибратором, вызывают колебательные движения частиц
бетонной смеси. Силы внутреннего трения и сцепления между час¬
тицами уменьшаются, зерна заполнителей укладываются компакт¬
но, промежутки между ними заполняются цементным тестом, а пу¬
зырьки воздуха вытесняются наружу.Плотность укладки бетонной смеси контролируют по величине
коэффициента уплотнения, который равен отношению фактической
объемной массы свежеуплотненного бетона к его расчетной объем¬
ной массе. Уплотнение считается «полным» при коэффициенте уп¬
лотнения 0,98—1.Эффективность виброуплотнения зависит от продолжительности
и интенсивности вибрирования. Интенсивность виброуплотнения
характеризуют два параметра вынужденных колебаний: 1) ампли¬
туда колебаний а (половина наибольшего перемещения частиц при
колебательном движении); 2) частота колебаний f (Гц) (число пе¬
риодов колебаний в секунду).Об интенсивности виброуплотнения можно-судить по величине
амплитудного значения ускорения w (см/с2), сообщаемого колеб¬
лющимся частицам 'при угловой скорости со (рад/с):w = аш2 = аРис. 88. Влияние интенсивности уплотнения
на прочность бетона:/ — сильное уплотнение; 2 — слабое уплотнение202Интенсивность вибрирования принято выражать в единицах
земного ускорения g, например интенсивность равна 2g, 4g, 8g. Эта
характеристика интенсивности показывает, во сколько раз ускоре¬
ние, сообщаемое частицам при вибрировании, больше ускорения
силы тяжести.Эффективность уплотнения бетонной смеси значительно воз¬
растает при резонансных режимах виброуплотнения, при которых
частота вынужденных колебаний частиц смеси совпадает с часто¬
той собственных колебаний вибратора. При этом достигается плот¬
ная укладка бетонной смеси за короткое время.Интенсивность (см2/с3) виброуплотнения по В. Н. Шмигальско-
му характеризуется произведением скорости колебаний у = аш == a-2nf на ускорение:U = vw — 8п3аа/3или в общем видеU = ka2f\Для каждой бетонной смеси имеется своя оптимальная интен¬
сивность вибрирования, которая достигается правильным сочета¬
нием амплитуды и частоты колебаний.На заводах сборных железобетонных изделий жесткие и мало¬
подвижные бетонные смеси эффективно уплотнять на стационар¬
ных низкочастотных резонансных виброплощадках с амплитудой
0,7 мм и частотой 25—30 Гц; к тому же уровень шума при работе
низкочастотных виброплощадок сравнительно невысок. Для вибро¬
уплотнения подвижных и мелкозернистых бетонных смесей опти¬
мальные амплитуды уменьшаются до 0,15—0,4 мм; соответственно
необходимой интенсивности увеличивается частота колебаний до
50—150 Гц.При принятых параметрах вынужденных колебаний для каж¬
дой бетонной смеси имеется своя критическая продолжительностьвиброуплотнения.По Ю. Сторку, в начале виброуплотнения происходит разруше¬
ние свободной пространственной структуры бетонной смеси, насы¬
панной в форму, а затем смесь в виде сплошной разжиженной мас¬
сы начинает вибрировать как одно целое. Возникновение связной
системы проявляется в выделении влаги на поверхности смеси
(рис. 89). Более продолжительное вибрирование приводит к рас¬
слоению смеси и снижению прочности бетона.В зависимости от рода привода и движущей энергии различают
электромеханические, электромагнитные и пневматические вибра¬
торы.Применяют главным образом вибраторы, приводимые в дейст¬
вие электродвигателем; колебания создаются механическим путем
в результате вращения неуравновешенных грузов (эксцентриков
или дебалансов), которые могут быть расположены непосредствен¬
но на оси ротора двигателя либо соединены с ним при помощи гиб¬
кого вала. Рабочая часть вибратора выполняется в виде площадки203
(виброплощадки, переносные поверхностные вибраторы), или нако¬
нечника (штыка, булавы и т. п.).Для формования сборных железобетонных изделий широко ис¬
пользуют стационарные виброплощадки различной грузоподъем¬
ности.Можно собирать виброплощадки необходимых размеров и нуж¬
ной грузоподъемности (2, 4, 8, 12 и 24 т) из однотипных унифици¬
рованных виброблоков. Предусматривается изготовление вибро¬
площадок с различными режимами работы: одночастотных с гар¬
моническими вертикальными колебаниями, двухчастотных, вибро¬
ударных и др. Схемы вибраторов представлены на рис. 90.Рис. 89. Структура бетонной смеси:
а — рыхло насыпанной в форму; б — после внброуплотнения (по
Ю. Сторку)При применении вибраторов наряду с обычными мерами по ох¬
ране труда следует обращать особое внимание на технические ме¬
роприятия по устранению вредного действия вибрации на организм
человека.Переносные вибраторы применяют при изготовлении изделий
(в особенности крупноразмерных) на стендах, а также для уплот¬
нения монолитного бетона на строительной площадке.Переносной поверхностный вибратор (рис. 90) применяют при
бетонировании плоских конструкций (плит, полов, дорожных по¬
крытий), а внутренние вибраторы — при изготовлении сборных же¬
лезобетонных конструкций в неподвижных формах и бетонирова¬
нии монолитных конструкций.Эксцентриковые внутренние вибраторы имеют частоту 5820—
5700 кол./мин.Для уплотнения бетонных смесей, укладываемых в массивные
(например, гидротехнические) сооружения, применяют перемещае¬
мые краном пакеты внутренних вибраторов. Они позволяют устра¬
нить ручной труд, применять малоподвижные бетонные смеси
(с осадкой конуса 0—2 см) и сильно увеличивать толщину слоя бе¬
тонирования. Этот способ уплотнения используют также для уклад¬
ки камнебетона.На практике часто используют комбинированные способы уп¬
лотнения бетонной смеси. Так, при формовании сборных железобе¬
тонных изделий из жестких и малоподвижных бетонных смесей204Внутренние вибраторы205Рис. 90. Основные схемы вибраторов (по В. Д. Мартынову)
применяют вибрирование под нагрузкой (рис. 91). При величине
прессующего давления поверхности изделия 0,05—0,15 МПа можно
способом вибропрессования плотно уложить особо жесткие бетон¬
ные смеси с количеством воды затворения 120—130 кг/м3 и В/Ц=
= 0,3—0,35.Виброштампование часто применяют для формования коробча¬
тых и ребристых плит, лестничных маршей со ступеньками и других
профилированных изделий. Бетонная смесь, уложенная в форму,
формуется и уплотняется при помощи погружаемого в нее вибро¬
штампа.5}ifeap)ШШУ&*')Рис. 91. Виды пригрузов при формовании изделий
на виброплощадках:
а — безынерционный (пневматический): б — инерционный
(гравитационный): в — то же, подрессорный; г — вибрацион¬
ныйВибропрокат осуществляется на специальных вибропрокатных
станах. Этим способом изготовляют изделия из тяжелого и легкого
бетонов (например, вибропрокатные керамзитобетонные панели).При центробежном способе формования для уплотнения бетон¬
ной смеси используют центробежную силу, возникающую при вра¬
щении формы с уложенной в нее бетонной смесью. Скорость вра¬
щения формы 400—900 об/мин. При этом бетонная смесь равномер¬
но распределяется по стенкам формы и хорошо уплотняется. Часть
воды затворения (20—30%) отжимается к внутренней поверхности
изделия и тем самым понижается величина В/Ц. Это способствуем
уменьшению пористости и водопроницаемости бетона. Центробеж¬
ное формование применяют дл# изготовления полых изделий: же¬
лезобетонных труб, полых колонн, опор и др.Вибровакуумирование используют для уплотнения подвижных
бетонных смесей. Оно позволяет извлечь из свежеуложенной бетон¬
ной смеси 10—20% от общего количества воды затворения и полу¬
чить более плотный бетон. Вакуумирование осуществляют специ-
206альным оборудованием (вакуум-щитами, вакуум-вкладышами
и т. п.). Основной его частью является вакуум-полость, в которой
создается разрежение порядка 75—85% от полного вакуума. Ваку¬
ум-щиты укладывают своей рабочей поверхностью, снабженной
фильтровальной тканью, на бетон. Фильтр предотвращает отсос
частиц цемента в процессе вакуумирования.§ 4. Твердение бетонаПрочность бетона нарастает в результате физико-химических
процессов взаимодействия цемента с водой, которые нормально
проходят в теплых и влажных условиях. Взаимодействие цемента
с водой прекращается, если бетон высыхает или замерзает. Раннее
высыхание или замерзание бетона непоправимо ухудшает его
строение и свойства.Бетон нуждается в уходе, создающем нормальные условия твер¬
дения, в особенности в начальный период после укладки (до 15—
28 сут). В теплое время года влагу в бетоне сохраняют путем по¬
ливки и укрытия. На поверхность свежеуложенного бетона наносят
битумную эмульсию или его укрывают полиэтиленовыми и другими
пленками.Характер нарастания прочности бетонов, изготовленных на
портландцементе и твердевших в нормальных условиях (во влаж¬
ном воздухе с температурой 18—22°С), показан рис. 92. Прибли¬
женно можно считать, что прочность бетона увеличивается прямо
пропорционально логарифму
времени твердения:где I — время твердения, сут
(не менее трех суток); R2в —
марка бетона.Эту формулу используют,
при ориентировочных расчетах
времени распалубки. Более
точно прочность бетона в про¬
межуточные сроки твердения
определяется по опытной кри¬
вой нарастания прочности бе¬
тона, которая может быть по¬
строена по результатам испы¬
тания образцов 3-, 7-, 28-, 90-
суточного возраста.Как видно из рис. 92, бетон
при нормальных условиях
твердения имеет низкую на¬
чальную прочность и только
через 7—14 сут приобретает207Рис. 92. Нарастание прочности бетонов
в нормальных условиях твердения
60—80% марочной прочности. Для получения такой прочно¬
сти надо было бы выдерживать изделия в формах в нор¬
мальных условиях не менее 7 сут, что потребовало бы громадного
количества форм, большого увеличения производственных площа¬
дей. Поэтому одной из главных задач в технологии бетона является
усовершенствование существующих и разработка новых методов
ускорения твердения бетона. Значительный вклад в решение этой
задачи внесли П. И. Боженов, А. В. Волженскнй, О. А. Гершберг,С. А. Миронов, А. В. Нехорошев и др.Широко применяют методы тепловой обработки бетона, кото¬
рые дают возможность повысить температуру бетона прй обяза¬
тельном сохранении его влажности. В результате увеличивается
скорость химических реакций взаимодействия цемента с водой и
значительно повышается начальная (суточная) прочность бе¬
тона.На заводах сборного железобетона чаще всего применяют про¬
грев изделий при атмосферном давлении в паровоздушной среде с
температурой 80—85°С или выдерживание в среде насыщенного
пара при 100°С. Стремятся применять насыщенный пар, чтобы
исключить высыхание бетона и создать условия, благоприятствую¬
щие гидратации цемента.Пропаривание при нормальном давлении осуществляют в про¬
парочных камерах периодического или непрерывного действия.
В первом случае отформованные изделия, находящиеся в формах
или на поддонах, загружают в камеру с крышкой, которая имеет
водяной затвор, препятствующий потере пара. В камеру подают
пар, и температура постепенно (со скоростью 15—20°С/ч) повыша¬
ется до максимальной (80—100°С). При этом изделия прогревают¬
ся на всю толщину. Затем дается изотермическая выдержка, послекоторой изделия медленно ох¬
лаждаются. Постепенный подъ¬
ем температуры и постепенное
охлаждение обеспечивают бо¬
лее полную гидратацию цемен¬
та и предотвращают появление
трещин в изделиях. Продол¬
жительность пропаривания за¬
висит от химико-минералогиче-
ской характеристики цемента
и состава бетона: для изделий
из подвижных бетонных сме¬
сей— 4—8 ч. Режим пропари¬
вания устанавливают после
опытной проверки.Прочность пропаренного бе¬
тона (т. е. примерно через 1 сут
после изготовления) составля¬
ет около 65—75% от марки.
Следовательно, пропариваниеРис. 93. Кривые нарастания прочности
бетона:1 — нормально твердеющего; 2 — пропарен¬
ного прн нормальном давлении н темпе¬
ратуре 85°С; 3 — пропаренного в автокДй-
ве прн давлении насыщенного пара 0,8 МПа
и температуре 175°Спри нормальном давлении ускоряет твердение бетона примерно в.7—8 раз (рис. 93).Различают туннельные (горизонтальные) и вертикальные каме¬
ры тепловой обработки непрерывного действия. Формы-вагонетки с
отформованными изделиями, в этих камерах последовательно про¬
ходят три зоны: подогрева, изотермической выдержки и охлажде¬
ния. В этих камерах процесс тепловой обработки изделий осущест¬
вляется с использованием принципа противотока. Как видно наРис. 94. Схема пропарочной камеры непрерывного дей¬
ствия с автоматическим регулированием процесса теп¬
ловой обработки:/—датчики температуры; 2—программный регулятор, настро¬
енный на поддержание заданной температуры в точках А и Б;
3 — электрический исполнительный механизм, приводящий в
действие устройство; 4 — устройство, регулирующее подачу па¬
ра; 5 —верхняя зона камеры; € — перфорированная труба; 7 —
автоматический регистратор температуры (по высоте камеры)рис. 94, пар поступает в верхнюю зону камеры (зону изотермиче¬
ского прогрева) через перфорированную трубу. Холодные изделия
движутся вверх навстречу все более горячей паровоздушной среде.
После прохождения зоны изотермического прогрева изделия опус-
каются вниз и постепенно охлаждаются.Для изделий из ячеистых бетонов весьма эффективно запарива¬
ние в автоклаве (рис. 95), осуществляемое насыщенным паром вы¬
сокого давления (0,8—1,3 МПа) с температурой 175—193°С.При электропрогреве бетона в качестве источника тепла исполь¬
зуют электрическую энергию. Для прогрева бетона применяют
трехфазный переменный ток нормальной частоты (50 Гц). Посто¬
янный ток не пригоден, так как он вызывает разложение (элект¬
ролиз) воды. Распределение тока в уложенном бетоне осуществля¬
ется через металлические электроды, располагаемые или на по¬
верхности бетона (пластинчатые, полосовые), или внутри него
(внутренние стержневые и струнные).20»
Значительный эффект дает применение кратковременного (в те¬
чение 5—10 мин) электроразогрева бетонной смеси до температуры
80—90°С в специальных бункерах током напряжением 380 В. Пред¬
варительно разогретую смесь укладывают в формы и уплотняют.
Выделение тепла при гидратации цемента способствует поддержа¬
нию повышенной температуры твердеющего бетона и ускорению
его твердения.Способ предварительного электроразогрева смеси успешно при¬
меняют при зимних бетонных работах.Обработка лучистой энергией эффектив¬
на для тонкостенных полых изделий. Излу¬
чатели инфракрасных лучей в виде нагре¬
вательных’ устройств, обогреваемых элект¬
рическим током или газом, помещают в пус¬
тоты изделий. Стенки изделия поглощают
лучистую энергию, которая аккумулируется
в бетоне в виде тепла.Небольшие добавки (хлористого каль¬
ция, хлористого натрия, кальцинированной
соды, растворимого стекла) ускоряют про¬
цессы твердения цемента. Дозировка хло¬
ристого кальция составляет 1—2% от массы
цемента (считая на безводную соль). Уве¬
личение добавки хлористого кальция может
привести к коррозии стальной арматуры, а
также к появлению высолов на поверхности
бетона. Добавка хлористого кальция в 2—4 раза увеличивает на¬
чальную прочность бетона (в возрасте до 3 сут), а прочность бето¬
на в возрасте 28 сут остается примерно той же, что и без добавки.
При введении хлористого кальция надо учитывать, что он оказы¬
вает пластифицирующее действие на бетонную смесь и дает воз¬
можность на 5—6% уменьшить количество воды затворения, а со¬
ответственно и расход цемента при изготовлении бетона.Комплексное использование методов ускорения твердения бето-
ла дает наибольший технико-экономический эффект.§ 5. Контроль качества бетонаПроизводственный контроль качества бетона и определение
•прочности бетона в конструкциях осуществляют разрушающими и
неразрушающими методами (ультразвуковым, радиометрическим
и др.).Метод отрыва со скалыванием предназначается для определе¬
ния прочности бетона в конструкциях массивных и средней массив¬
ности. О прочности бетона судят по усилию, необходимому для вы¬
рывания из бетона специального стержня или разжимного конуса
(рис. 95).Радиографический метод дефектоскопии основан на ослаблении
■у-лучей при прохождении через материал (рис. 96).2101Рис. 95. Схема испы¬
тания бетона на от¬
рыв со скалыванием
(вариант с разжим¬
ным конусом):1 — бетон конструкции;
12 — вырываемый бетон;
3 — конус; 4 — рифленые
щекиМетод упругого отскока заключается в том,
что специальный боек при помощи пружины
ударяет по концу металлического стержня —
ударника, прижатого другим концом к поверх¬
ности испытываемого бетона. В результате
удара боек отскакивает от ударника. Высота
отскока отмечается на шкале прибора при по¬
мощи специального указателя. Зависимость
между высотой отскока и прочностью бетона
устанавливают опытным путем.Метод пластической деформации состоит в
том, что о прочности бетона судят по пласти¬
ческим деформациям (отпечаткам), получен¬
ным от вдавливания в поверхность бетона
стальных шариков, дисков или штампов.Статистический контроль прочности и одно¬
родности бетона осуществляют по ГОСТ
18105—72* путем изготовления и испытания
образцов. От каждой партии бетона отбирают
пробы в количестве, предусмотренном стандар¬
том. Из каждой пробы изготовляют серию образцов, которая дол¬
жна состоять, как правило, из трех контрольных образцов-проб.Глава 33
ТЯЖЕЛЫЙ БЕТОН
§ 1. Материалы для изготовления тяжелого бетонаЦемент. Для тяжелого бетона применяют портландцемент и его
разновидности, а также глиноземистый цемент и другие вяжущие,
отвечающие требованиям соответствующих ГОСТов.Марку цемента назначают в зависимости от проектной марки
бетона по прочности при сжатии:Марка бетоновМ150М200М250М300М350М400М450М500М600
и вышМарка цементаМ300мзоо-М400М400М400-М500М400-М500М500-М600М550-М600М600М600Если марка цемента выше той, которая рекомендуется для
данного бетона, то надо разбавить высокоактивный цемент тонко¬
молотой минеральной добавкой, чтобы избежать перерасхода высо¬
комарочного цемента.Для изготовления морозостойких бетонов, а также бетонов,
противостоящих сульфатной коррозии, рекомендуется применять
сульфатостойкий портландцемент.211Рис. 96. Схема радио¬
графического метода
дефектоскопии бето¬
на:j — место изображения
дефекта на пленке; 2 —
дефект в изделии; 3 —
рентгеновская пленка;4 — бетонное изделие;5 — защитный контейнер;6 — источник излучения
Мелкий заполнитель. В качестве мелкого заполнителя в тяже¬
лом бетоне применяют песок, состоящий из зерен размером 0,14—
5 мм и имеющий плотность более 1,8 г/см3. Для приготовления тя¬
желых бетонов применяют природные пески, образовавшиеся в ре¬
зультате естественного разрушения горных пород, а также искусст¬
венные, полученные путем дробления твердых горных пород и из
отсевов.Природные пески представляют рыхлую смесь зерен различных
минералов, входивших в состав изверженных (реже осадочных)
горных пород (кварца, полевого шпата, кальцита, слюды и др.).Качество песка, применяемого для изготовления бетона, опре¬
деляется минеральным составом, зерновым составом и содержани¬
ем вредных примесей.Заполнитель должен состоять из зерен разного размера (раз¬
ных фракций), при этом количество крупных, средних и мелких
зерен (т. е. зерновой состав заполнителя) устанавливается на осно¬
ве проверенных рекомендаций таким образом, чтобы зерна меньше¬
го размера располагались в пустотах между крупными. Чем ком¬
пактнее расположены зерна заполнителей, тем меньше объем
пустот.Зерновой состав песка определяют просеиванием высушенной
средней пробы (1000 г) через стандартный набор сит* с размера¬
ми отверстий 2,5 мм и с сетками № 125; 063; 0315 и 014 (последние
имеют квадратные ячейки размером соответственно 1,25; 0,63;
0,315; 0,14 мм). Мелкие частицы песка (пыль) имеют размер менее
0,14 мм и проходят через сетку № 014. Сначала вычисляют част¬
ный остаток на каждом сите щ (°/о), как отношение массы остатка
rrii к массе просеиваемой пробы т:at = —1- 100.
тЗатем определяют полный остаток At (%) на каждом сите как
сумму частных остатков на данном сите и на всех ситах крупнее
данного: ,At =а2В + •* * +лг.Зерновой сос’Нав песка удобно представить графически, если по
горизонтали отложить размеры отверстий сит, а по вертикали —
полные остатки на ситах. На рис. 97 в виде заштрихованной обла¬
сти указаны допустимые пределы колебаний зернового состава
песков для бетона.Для оценки крупности песка применяют безразмерный показа¬
тель— модуль крупности Мк, который вычисляют как отношение
суммы полных остатков на ситах, начиная с сита с отверстиями* Предварительно пробу песка просеивают сквозь сита с отверстиями 10
и 5 мм для определения содержания зерен гравия. В песке природном и дробле¬
ном зерен гравия от 5 до 10 мм не более 10%, зерен крупнее 10 мм —не более
0,5% (по массе).2122,5 мм и кончая ситом с сеткой № 014, ко всей пробе, принятой за
100: , Лм _ А2.5 + А1.25 + ^0.63 + 4),315 + .К ~ 100Зерновой состав песка характеризуется также его удельной по¬
верхностью, определяемой с помощью специального прибора —
пневматического поверхностемера.В зависимости от
зернового состава пе¬
сок разделяют на круп¬
ный, средний, мелкий и
очень мелкий. Для
каждой группы песка
показатели должны со¬
ответствовать величи¬
нам, указанным в
табл. 32. Для бетона
рекомендуется приме¬
нять крупный, средний
и мелкий песок. Для
строительных раство¬
ров применяют и очень
мелкий песок. Если пе¬
сок не удовлетворяет
по зерновому составу требованиям стандарта, то его необходимо
фракционировать, т. е. рассеивать на две фракции — крупную и
мелкую, получаемые разделением исходного песка по граничному
зерну, соответствующему размеру отверстий сит 1,25 или 0,63 мм,
а затем смешивать эти фракции в соотношении, установленном
ГОСТ 8736—77.Мелкие частицы (пыль, иЛ, глина) увеличивают водопотреб¬
ность бетонных смесей и расход цемента в бетоне. Поэтому содер¬
жание в песке зерен, проходящих через сито с сеткой № 014, долж¬
но быть не более 10% по массе, при этом количество пылевидных,
илистых и глинистых частиц, определяемых отмучиванием, не
должно превышать 3% в природном песке и 4% в дробленом (гли-Таблица 32Классификация песков по крупностиГруппа песковПолный остаток на сите с сет¬
кой № 063, % по массеМодуль крупностиКрупныйБолее 45Более 2,5Средний30—452,5—2Мелкий10—302—1,5Очень мелкийМенее 101,5—11/мтгW/л,1У/,Wк■■■щ./гРознерыконтрольных сит,’ммРис. 97. График зернового состава песка:заштрихована область песков, допускаемых для бетона213
ны не более 0,1—0,5%). Глина набухает при увлажнении и увели*
чивается в объеме при замерзании, снижая морозостойкость. По¬
этому содержание глины в песке строго ограничивается, тем более
не должно быть комков глины и суглинка.Песок очищают от мелких частиц путем промывки.В природном песке и в гравии могут содержаться органические
примеси (например, продукты разложения остатков растений), в
частности органические гумусовые кислоты, которые понижаютпрочность бетона и даже разрушают це¬
мент. Наличие органических примесей
определяют колориметрическим (цвето¬
вым) методом. Песок считают пригодным
для бетона, если жидкость — 3%-ный
раствор NaOH над песком — не окраши¬
вается или приобретает окраску светлее
эталона (эталон имеет светло-желтый
цвет).В природном песке и гравии могут со¬
держаться и неорганические примеси, ко¬
торые тоже вызывают химическую кор¬
розию цементного камня. К этой группе
примесей относятся сернокислые и серни¬
стые соединения (например, пирит FeS2).Слюда также относится к числу вред¬
ных примесей, так как ее листочки легко
расслаиваются по плоскостям спайности.Аморфные модификации кремнезёма (опал, халцедон и др.)
иногда содержатся в заполнителе. Кремнезем вступает в химиче¬
скую реакцию со щелочами, имеющимися в цементе (ЫагО, КгО);
при этом образуются вещества, вызывающие расширение и рас¬
трескивание бетона. .Песок отличается от крупного заполнителя способностью силь¬
но изменять объемную массу и объем при изменении влажности
(рис. 98) от 0 до 25%, что учитывается при объемной дозировке
(при приготовлении растворных и бетонных смесей) и приемке
песка.Крупный заполнитель. В качестве крупного заполнителя для бе¬
тона применяют гравий, щебень и щебень из гравия с размером
зерен 5—70 мм. При бетонировании массивных конструкций можно
применять щебень крупностью до 150 мм.Зерна гравия имеют окатанную форму и гладкую поверхность.
Обычно гравий содержит в том или ином количестве песок, а так¬
же вредные примеси — глину, пыль, слюду, гумусовые вещества
(органические примеси).Щебень получают дроблением изверженных, метаморфических,
плотных и водостойких осадочных горных пород (плотных извест¬
няков, песчаников и др.). Зерна щебня имеют угловатую форму;
желательно, чтобы по форме они приближались к кубу. Более ше¬
роховатая, чем у гравия, поверхность зерен способствует лучшему
214Рис. 98. Изменение объема
песка при увлажнении (кри¬
вые относятся к пескам раз¬
личного зернового состава)их сцеплению с цементным камнем, поэтому для бетона высокой
прочности (М500 и выше) обычно применяют щебень, а не гравий.Качество крупного заполнителя определяется минеральным со¬
ставом и свойствами исходной породы (ее прочностью и морозо¬
стойкостью), зерновым составом заполнителя, формой зерен и со¬
держанием вредных примесей. Прочность исходной породы при
сжатии в насыщенном водой состоянии должна не менее чем в
1,5—2 раза превышать марку бетона.В районах с развитой металлургической промышленностью эко¬
номически выгодно применять щебень, полученный в результате
дробления и рассева тяжелых отвальных или специально отлитых
доменных и мартеновских шлаков. Щебень из шлака должен иметь
устойчивую структуру. Распад шлака может вызываться гашением
зерен свободной извести. Основные доменные шлаки при медлен¬
ном охлаждении могут распадаться вследствие перехода содержа¬
щегося в них двухкальциевого силиката из одной формы в другую:
P-C2S переходит в Y-C2S с увеличением объема. Возможен также
«железистый» или «марганцевистый» распад вследствие перехода
закисей этих металлов в окиси с увеличением объема.Щебень из шлака должен удовлетворять общим требованиям в
отношении зернового состава. Не допускаются в нем посторонние
примеси топливных шлаков и зол, колошниковой пыли и т. д.Применяют метод прямого определения прочности крупного за¬
полнителя путем раздавливания в цилиндре. Показатель дробимо-
сти Др (%) вычисляют с погрешностью до 1% по формулеДр = юо,где П\ — испытываемая проба щебня (гравия), кг; m2 — остаток
на контрольном сите после просеивания раздробленной в цилиндре
пробы щебня (гравия), кг.В зависимости от дробимости при сжатии в цилиндре щебень
подразделяют на следующие марки по прочности: М1400, М1200,
М1000, М800, М600, М400, МЗОО и М200. Щебень Ml400 и Ml200
может содержать зерна слабых пород* в количестве не более 5%,
щебень Ml000, М800, М600, М400 —не более 10%, щебень МЗОО и
М200 —не более 15% (по массе). Содержание в гравии и щебне из
Гравйя зерен слабых пород не должно превышать 10% по массе.Морозостойкость щебня и гравия должна обеспечивать получе¬
ние проектной марки бетона по морозостойкости. Установлены сле¬
дующие марки щебня и гравия по морозостойкости: Мрз15, Мрз25,
Мрз50, МрзЮО, Мрз150, Мрз200 и МрзЗОО. Марка обозначает чис¬
ло циклов попеременного замораживания и оттаивания, при кото¬
ром потеря в массе пробы крупного заполнителя не превышает 5%
(для марок 15 и 25 циклов допускается потеря массы до 10%).* К слабым относятся породы с пределом прочности при сжатии в насыщен¬
ном водой состоянии менее 20 МПа.215
Относительный объем пустот (пустотность) крупного заполните*-
ля VnycT.« определяют е точностью до 0,1% по формулеу — 1 Is.' ПУСТ. К ‘ 'Ъгде ув — объемная насыпная масса крупного заполнителя; уо—
его объемная масса в куске.Из формулы видно, что для уменьшения пустотности необходи¬
мо увеличение объемной насыпной массы путем правильного под¬
бора зернового состава.Зерновой состав крупного заполнителя устанавливают с учетом
наибольшего DHаИб и наименьшего Овши размеров зерен щебня ил»
гравия. Наибольший размер зерен при бетонировании железобе¬
тонных балок, колонн, рам должен быть не более 3Д наименьшего-
расстояния между стержнями арматуры, а для плит перекрытий
и покрытий —не более V2 толщины плиты.Наименьшая крупность соответствует размеру отверстия само¬
го мелкого из сит, через которое проходит не более 5% просеивае¬
мой пробы; обычно наименьшая крупность равна 5 (3) мм.В зависимости от крупности зерен щебень, гравий и щебень из
гравия подразделяют на четыре фракции: 5—10 мм, 10—20 ммг
20—40 мм и 40—70 мм. Щебень, гравий и щебень из гравия могут
поступать в виде смеси двух или большего числа фракций. По со¬
глашению между поставщиком и потребителем может применяться
щебень фракций 3—10 мм, 10—15 мм (или 5—15), 15—20 мм. Зер¬
новой состав каждой фракции или смеси фракций должен нахо¬
диться в указанных ниже пределах.Размер контрольных
сит^наим°’®^наим+£,наиб)5(3) мм10 мм
и болеедля одной
фракциидля смеси
фракций°наиб1,25ДнаибПолный остаток на
ситах, % по массе95—10090—10040—8050—700—100В зависимости от формы зерен ГОСТ 8267—75 устанавливает
три группы щебня из естественного камня: кубовидную, улучшен¬
ную и обычную. Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и иг¬
ловатой формы в них не превышает соответственно 15, 25 и 35% по
массе. К пластинчатым и игловатым зернам относят такие, в кото-
рых толщина или ширина меньше длины в 3 и более раза.Содержание пылевидных глинистых и илистых частиц в щебне
допускается в зависимости от вида исходной породы и марки щеб¬
ня по прочности. Их допустимое количество не должно превышать
указанного в табл. 33.Количество пылевидных, глинистых и илистых частиц, опреде¬
ляемое отмучиванием, в гравии и щебне из гравия допускается для
216Таблица 33Допускаемое содержание мелких частиц в щебне для бетонаЩебеиь изЩебень из осадочных
пород марокНаименованиеи метаморфи¬
ческих пород600—1200■ 200—400Содержание пылевидных и илистых
■частиц, определяемых отмучиванием,
% по массе, не болееВ том числе содержание глины в ком¬
ках, % по массе, не более10,2520,2530,25марок по дробимости Др г8, Др12 и Др16 не более 1 %, в том числесодержание глины в комках — до 0,25%.Содержание органических примесей в крупном заполнителе
проверяют, пользуясь той же методикой, которая применяется для
песка. Гравий и щебень из гравия при обработке водным раство¬
ром едкого натра не должны придавать раствору окраску темнее
эталона.Водопотребность является важной технологической характери¬
стикой заполнителя. Зерна заполнителя поглощают воду и адсор¬
бируют ее на своей поверхности, поэтому необходимо регулировать
количество воды затворения с учетом «смачивания» заполнителя,
'чтобы получить нужную удобоукладываемость бетонной смеси.Вода, применяемая для затворения бетонной смеси и поливки
бетона, не должна содержать вредных примесей, препятствующих
нормальному схватыванию и твердению вяжущего вещества. Для
затворения бетонной смеси применяют водопроводную питьевую
воду, а также природную воду (рек, естественных водоемов), име¬
ющую водородный показатель pH не менее 4, содержащую не более
5000 мг/л минеральных солей, в том числе сульфатов не более2700 мг/л (в пересчете на S04").Морскую воду с содержанием солей не более 3,4% разрешается
применять для затворения и поливки бетона на портландцементе
при бетонировании массивных неармированных конструкций в тех
случаях, когда допускается появление выцветов (высолов) на по¬
верхности сооружения.Допускается применение оборотной воды и конденсата из ка¬
мер пропаривания при содержании в них остатков смазки не более
0,1% по массе — после экспериментальной проверки в бетоне.Не допускается применять болотные, а также сточные бытовые
и промышленные воды без их очистки.§ 2. Применение тяжелого бетонаТяжелый бетон является основным видом бетона для железо¬
бетонных конструкций.217
Проектные марки тяжелого бетона по прочности на сжатие!
М50, М75, Ml00, Ml50, М200, М250, М300, М350, РЛ400, М450,
М500, М600, М700, М800. Марки М250, М350 и М450 предусматри*
вают при условии, что это приводит к экономии цемента. Бетоны
высоких марок (М500—М800) нужны для предварительно напря¬
женных железобетонных конструкций. При этом надо учесть, что
бетон на плотном заполнителе имеет меньшую усадку и ползучесть
по сравнению с легким бетоном на пористом заполнителе и ячеи»
стым бетоном. Поэтому и потери предварительного напряжения
арматуры при тяжелом бетоне меньше. Кроме того, он хорошо за¬
щищает стальную арматуру от коррозии, что особенно важно для
предварительно напряженных конструкций, работающих в агрес¬
сивных условиях.Высокопрочный бетон М600—Ml ООО получают на основе высо¬
копрочного портландцемента, промытого песка и щебня не ниже
Ml 200—Ml 400.Малоподвижные и жесткие смеси приготовляют с низкими
В/Ц=0,27—0,45 в бетоносмесителях принудительного действия
(например, турбинных). Для плотной укладки этих смесей при
формовании изделий и конструкций используют интенсивное уп¬
лотнение: вибрирование с пригрузом, двойное вибрирование, силь¬
ное прессование. Значительно облегчают уплотнение суперпласти¬
фикаторы, не понижающие прочности бетона.Высокопрочные бетоны являются, как правило, и быстротвер-
деющими. Однако для ускоренного достижения отпускной прочно¬
сти бетона в изделиях обычно требуется тепловая обработка, кото¬
рая может проводиться по сокращенному режиму. Новые особо
быстротвердеющие цементы дают возможность обойтись без тепло¬
вой обработки, так как бетон достигает нужной прочности в «есте¬
ственных» условиях твердения при температуре 20—2б°С. Приме¬
нение высокопрочных бетонов взамен бетона М400 дает возмож¬
ность уменьшить расход арматурной стали на 10—20% и сократить
объем бетона на 10—30%.Проектные марки тяжелого бетона по прочности на осевое рас¬
тяжение: Р10, Р15, Р20, Р25, РЗО, Р35, Р40. Высокое сопротивление
растяжению требуется от дорожного, аэродромного, гидротехниче¬
ского и других специальных бетонов.Тяжелый бетон хорошо сопротивляется поверхностному износу,
что важно для цементно-бетонных дорог и полов промышленных
зданий. Хорошие защитные свойства против радиоактивных излу¬
чений предопределяют его широкое применение в конструкциях
биологической защиты атомных реакторов.Проектные марки тяжелого бетона по морозостойкости: Мрз50,
Мрз75, МрзЮО, Мрз150, Мрз200, МрзЗОО, Мрз400 и Мрз500.Бетоны высокой морозостойкости применяют для тех частей со¬
оружений, которые подвергаются многократному замораживанию
и оттаиванию во влажном состоянии. Это зона переменного уровня
гидротехнических сооружений, конструкции железобетонных гра¬
дирен, цементно-бетонные покрытия дорог и аэродромов и т. п.218Морозостойкость зависит от качества исходных материалов, со¬
става бетона и тщательности производства работ, которые и опре¬
деляют структуру бетона *. Рекомендуется применять сульфато¬
стойкий портландцемент, являющийся одновременно и морозостой¬
ким. В этом цементе содержится лишь небольшое количество
трехкальциевого алюмината (до 5%), снижающего морозостой¬
кость. В него не вводят минеральные добавки (кромегипса).Запол¬
нители должны быть чистые: промытый кварцевый песок, щебень из
плотных изверженных горных пород с водопоглощением не более0,5% (по массе).Решающее значение на морозостойкость оказывает структура
бетона и прежде всего капиллярная пористость. Поэтому важней¬
шим требованием к составу бетона является ограничение величины
В/Ц в зависимости от суровости работы бетона в той или иной зоне
сооружения: а) для бетона Мрз500 рекомендуется принимать В/Ц
не более 0,4; б) Мрз400 — не более 0,45; в) МрзЗОО — не более 0,5;г) Мрз200 — не более 0,55.Для повышения морозостойкости и водонепроницаемости бето¬
на применяют добавки поверхностно-активных веществ.Мелкозернистый (цементный) бетон применяют при изготовле¬
нии тонкостенных, в том числе армоцементных конструкций. Его
целесообразно использовать и для обычных железобетонных кон¬
струкций, когда на месте нет крупного заполнителя, а возить за¬
полнитель далеко и дорого. Мелкозернистый бетон отличается от
обычного большим содержанием цементного камня, поэтому егоусадка и ползучесть несколько выше.Главные недостатки тяжелого бетона — большая объемная мас¬
са и высокая теплопроводность.Глава 34
ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ
§ 1. Легкий бетон на пористых заполнителяхМатериалы для изготовления легкого бетона. Для легкого бето¬
на используют быстротвердеющий и обычный портландцементы, а
также шлакопортландцемент. Применяют в основном неорганиче¬
ские пористые заполнители. Для теплоизоляционных и некоторых
видов конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов исполь¬
зуют и органические заполнители, приготовленные из древесины,
стеблей хлопчатника, костры, гранулы пенополистирола (стиропор-бетон) и др.Неорганические пористые заполнители отличаются большим
разнообразием, их подразделяют на природные и искусственные.* Значительный вклад в теорию долговечности бетонов внесли Ф. М. Иванов,
О. В. Кунцевич, В. М. Москвин, Н. А. Мощанский, В. В. Стольников, С. В. Шесто¬
перов и др.219
Природные пористые заполнители получают путем частичного
дробления и рассева или только рассева горных пород (пемзы,
вулканического туфа, известняка-ракушечника и др.). Искусствен¬
ные пористые заполнители являются продуктами термической об¬
работки минерального сырья и разделяются на специально изготов¬
ленные и побочные продукты промышленности (топливные шлаки
и золы, отвальные металлургические шлаки и др.).Керамзитовый гравий получают путем обжига гранул, приго¬
товленных из вспучивающихся глин. Это легкий и прочный запол¬
нитель объемной насыпной массой 250—800 кг/м3. В изломе грану¬
ла керамзита имеет структуру застывшей пены. Спекшаяся оболоч¬
ка, покрывающая гранулу, придает ей высокую прочность. В
процессе обжига (до 1200°С) легкоплавкая глина переходит в пиро-
пластическое состояние и вспучивается вследствие выделения внут¬
ри каждой гранулы газообразных продуктов. Они образуются при
дегидратации слюдистых минералов и выгорании органических
примесей. Вспучиванию способствует выделение СОг в реакции
восстановления окиси железа до закиси, протекающей при обжиге
в восстановительной среде (содержащей СО) : Ре20з+С0 = С02 +
+ 2FeO.Керамзит, обладающий высокой прочностью и легкостью, явля¬
ется основным видом пористого заполнителя.Керамзитовый песок (зерна до 5 мм) получают при производст¬
ве керамзитового гравия (правда, в небольших количествах), а
также по методу кипящего слоя, обжигом глиняных гранул во
взвешенном состоянии. Кроме того, его можно получать дроблени¬
ем зерен гравия размером более 40 мм и сваров.Шлаковую пемзу изготовляют путем быстрого охлаждения рас¬
плава металлургических (обычно доменных) шлаков, приводящего
к вспучиванию. Куски шлаковой пемзы дробят и рассеивают, полу¬
чая пористый щебень. Производство шлаковой пемзы развивается
в районах развитой металлургии. Здесь себестоимость шлаковой
пемзы ниже, чем керамзита.Гранулированный металлургический шлак получают в виде
крупного песка с пористыми зернами размером 5—7 мм, иногда
до 10 мм.Вспученный перлит изготовляют путем обжига водосодержащих
вулканических стеклообразных .пород (перлитов, обсидианов). При
температуре 950—1200°С вода выделяется и перлит увеличивается
в объеме в 10—20 раз. Вспученный перлит применяют для произ¬
водства легких бетонов и теплоизоляционных изделий.Вспученный вермикулит—пористый сыпучий материал, полу¬
ченный путем обжига водосодержащих слюд. Этот заполнитель ис¬
пользуют для изготовления теплоизоляционных легких бетонов.Топливные отходы (топливные шлаки и золы) образуются в ка¬
честве побочного продукта при сжигании антрацита, каменного
угля, бурого угля и других видов твердого топлива. На основе золы
выпускают зольный гравий.Топливные шлаки — пористые кусковые материалы, получаю¬220щиеся в топке в результате спекания и вспучивания неорганиче¬
ских (в основном глинистых) примесей, содержащихся в угле.
Шлаки подвергаются частичному дроблению, рассеву и обогаще¬
нию для удаления вредных примесей (несгоревшего угля, золы
и др.). На основе зол выпускают зольный и глинозольный гравий.Аглопорит получают при обжиге глиносодержащего сырья
(с добавкой 8—10% топлива) на решетках агломерационных ма¬
шин. Каменный уголь выгорает, а частицы сырья спекаются. При¬
меняют местное сырье: легкоплавкие глинистые и лёссовые породы,,
а также отходы промышленности — золы, топливные шлаки и угле¬
содержащие шахтные породы. Аглопорит выпускают в виде пори¬
стого песка, щебня и гравия.Шунгизит изготовляют обжигом шунгитовых сланцевых пород.Наивыгоднейшее сочетание показателей объемной массы, теп¬
лопроводности, прочности и расхода цемента для легких бетоноа
достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполни¬
телем, что требует слитного (сближенного) размещения зерен за¬
полнителя в объеме бетона. В этом случае в бетоне будет содер¬
жаться меньше цементного камня, являющегося самой тяжелой:
частью легкого бетона, а стальная арматура будет защищена от
коррозии. Наибольшее насыщение бетона пористым заполнителем
возможно только при правильном подборе зернового состава сме¬
си мелкого и крупного пористых заполнителей, а также при исполь¬
зовании технологических факторов (интенсивного уплотнения, пла¬
стификаторов и др.).Пористые заполнители, так же как и плотные, делят на крупные
(пористый гравий или щебень) с размером кусков 5—40 мм и мел¬
кие (пористый песок), состоящие из частиц менее 5 мм. Пористый
песок рассеивают на две фракции — до 1,2 мм (мелкий песок) и1,2—5 мм (крупный песок). Пористый щебень (гравий) следуег
разделять на фракции — 5—10, 10—20, 20—40 мм.По объемной насыпной массе в сухом состоянии (кг/м3) порис¬
тые заполнители разделяют на марки 100, 150, 200, 250, 300, 350,.'
400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 и 1200.Прочность пористого щебня (гравия) определяют по стандарт¬
ной методике путем раздавливания зерен в стальном цилиндре.Зерна большинства пористых заполнителей имеют шероховатую-
поверхность, поглощают значительное количество воды затворения,
поэтому легкобетонные смеси являются, как правило, недостаточно'
удобоукладываемыми, нуждаются в принудительном смешивании и
в интенсивном уплотнении (вибрировании под нагрузкой, вибро¬
прокате, вибротрамбовании и др.), которое более эффективно при
применении пластифицирующих добавок.Основы теории легких бетонов, включающие общий метод опре¬
деления оптимального количества воды затворения для легко¬
бетонной смеси, разработал Н. А. Попов*. Этот метод основан на* Николай Анатольевич Попов (1899—1964) —заслуженный деятель науки и-,
техники РСФСР, выдающийся ученый в области вяжущих веществ, строительных
растворов и бетонов, известный педагог и общественный деятель.221
*1/1%/11\11\/ч100Расход200300
кг/м3тар0,70,6и,о0,ьВопт100 200 300
Расход Воды, ке/м3зависимости прочности легкого бе¬
тона и коэффициента выхода от рас¬
хода воды (рис. 99). Коэффициент
выхода р вычисляют по формулер = ^ ,Уц + VU + VKгде Voc, Vn, VM, VK —объемы: уп¬
лотненной бетонной смеси, цемента,
мелкого и крупного заполнителей;
Р —всегда меньше единицы (0,6—
0,8).Кривая
от расходатзависимости прочности
воды имеет две ветви.
Левая (восходящая) показывает,
что прочность бетона при повыше¬
нии расхода воды постепенно воз¬
растает. Это объясняется увеличе¬
нием удобоукладываемости бетон¬
ной смеси и плотности бетона. Пра¬
вая (нисходящая) ветвь кривой сви¬
детельствует о том, что после дости¬
жения наибольшего уплотнения сме¬
си (т. е. минимального коэффициен¬
та выхода) увеличение расхода во¬
ды приводит к возрастанию объема
пор, образованных несвязанной цементом водой, и к понижению
прочности бетона.В легком бетоне отчетливо проявляется вредное влияние как
недостатка, так и избытка воды затворения.Прочность легкого бетона R, по Н. А. Попову, зависит от марки
цемента, цементно-водного отношения, прочности пористого запол¬
нителя и может быть приближенно определена по формуле, имею¬
щей 6 определенных границах Ц/В такой же вид, как и для тяже¬
лых бетонов:Рис. 99.
легкого
выходав„„„Зависимость прочности
бетона и коэффициента
от расхода воды затворе¬
ния:— оптимальное количество водыгде А% и Ьг — безразмерные параметры.. Чем ниже прочность пористого заполнителя, тем меньше вели¬
чины Аъ и £>2.При оптимальном количестве воды затворения, подобранном
.для применяемых цемента и заполнителей, прочность легкого бе¬
тона зависит главным образом от марки и расхода цемента (фор¬
мула Н. А. Попова):R = kRn( Ц-Ц0),где k и Ц0 — параметры, определяемые путем испытания образцов
бетона, изготовленных с оптимальным количеством воды, но с раз¬
ными расходами цемента и твердевших в тех же условиях, что и222легкобетонные изделия (k — безразмерный, Ц0 имеет размерность
расхода цемента).Теория легких бетонов развита в работах А. И. Ваганова,
К. С. Завриева, И. А. Иванова, М. 3. Симонова и др.Свойства легкого бетона. В зависимости от предела прочности
при сжатии легкие бетоны на пористых заполнителях подразделя¬
ют на марки: М25, М 35, М50,М75, М100, Ml50, М200, М250,М300, М350, М400.Для изготовления высоко¬
прочных легких бетонов (име¬
ющих объемную массу 1600—1800 кг/м3) применяют более
прочный пористый заполнитель
(с объемной насыпной массой
600—800 кг/м3), а пористый
песок частично или полностью
заменяют плотным.Наиболее важной наряду с
прочностью характеристикой
легкого бетона является объем¬
ная масса. В зависимости от
объемной массы и назначения
легкие бетоны делят на следу¬
ющие группы: 1) теплоизоля¬
ционные с объемной массой до 500 кг/м3; 2) конструкционно-тепло¬
изоляционные (для ограждающих конструкций — наружных стен,
покрытий зданий) с объемной массой 500—1400 кг/м3; 3) конструк-
, ционные с объемной массой 1400—1800 кг/м3.Уменьшить объемную массу легких бетонов можно путем обра¬
зования в цементном камне мелких замкнутых пор. Для поризации
цементного камня, являющегося самой тяжелой составной частью
легкого бетона, используют небольшие количества пенообразующих
или газообразующих веществ;. Мелкие и равномерно распределен¬
ные поры в цементном камне йезначительно понижают прочность,,
но зато существенно уменьшают объемную массу и теплопровод¬
ность легкого бетона.Теплопроводность легких бетонов зависит в основном от объем¬
ной массы и влажности (рис. 100). Увеличение объемной влажно¬
сти легкого бетона на 1% повышает теплопроводность на 0,016—0,035 Вт/(м-°С).В зависимости от теплопроводности легкого бетона толщина на¬
ружной стены может изменяться от 20 до 40 см.Наружные ограждающие конструкции из легких бетонов под¬
вергаются воздействию попеременного замораживания и оттаива¬
ния, увлажнения и высыхания. Поэтому легкие бетоны, применяе¬
мые для наружных стен, покрытий зданий, а также для конструк¬
ций мостов, гидротехнических сооружений, должны обладать опре¬
деленной морозостойкостью.Sf<1600 800 1000 1200 M0 1S00 1Ш
ОПьемная масса детоно8укг/м3Рнс. 100. Зависимость теплопроводности
легких бетонов от объемной массы:/ — керамзитобетон; 2 — перлитобетон; 3 —
шлакопемзобетон; 4— аглопоритобетонk,^ —'М-223-
По морозостойкости легкие бетоны делят на марки: Мрз15,
Мрз25, Мрз35, Мрз50, Мрз75, МрзЮО, Мрз150, Мрз200, МрзЗОО,
Мрз400, МрзбОО. Для наружных стен обычно применяют бетоны с
морозостойкостью не менее 15—25 циклов попеременного замора¬
живания и оттаивания.Возможность получения легких бетонов с высокой морозостой¬
костью и малой водопроницаемостью значительно расширяет обла¬
сти их применения. Бетоны на пористых заполнителях уже успешно
используют в мостостроении, гидротехническом строительстве и да--
же в судостроении.Водонепроницаемость плотных конструкционных легких бетонов
может быть высокой. Керамзитобетон с расходом цемента 300—
350 кг/м3 не пропускает воду даже при давлении 2МПа. Малая во¬
допроницаемость плотных легких бетонов подтверждается долго¬
летней эксплуатацией возведенных из них гидротехнических соору¬
жений (например, в Армении и Грузии), а также испытанием на¬
порных железобетонных труб. Характерно, что со временем водоне¬
проницаемость легких бетонов повышается.Легкий бетон является эффективным универсальным материа¬
лом и его применение в десятой пятилетке возрастет примерно в
2 раза.§ 2. Крупнопористый бетонВ состав крупнопористого (беспесчаного) бетона входят гравий
или щебень крупностью 5—20 мм, портландцемент или шлакопорт-
ландцемент МЗОО—М400 и вода. За счет исключения песка из со¬
става крупнопористого бетона его объемная масса уменьшается
примерно на 600—700 кг/м3 и составляет 1700—1900 кг/м3. Отсут¬
ствие песка и ограниченный расход цемента (70—150 кг/м3) позво¬
ляют получить пористый бетон с теплопроводностью 0,55—
0,8 Вт/(м-°С) и марками М15—М75. Крупнопористый бетон целе¬
сообразно применять в районах, богатых гравием. Из крупнопорис¬
того бетона возводят монолитные наружные стены зданий, изготов¬
ляют крупные стеновые блоки. Стены из крупнопористого бетона
оштукатуривают с двух сторон, чтобы устранить продувание.Крупнопористый бетон на пористом заполнителе (керамзитовом
гравии и т. п.) имеет небольшую объемную массу (500—700 кг/м3)
и используется как теплоизоляционный материал.§ 3. ГипсобетонГипсобетон изготовляют на основе строительного гипса, высо¬
копрочного гипса или гипсоцементнопуццоланового вяжущего,
обеспечивающего получение водостойких изделий. Для уменьше¬
ния объемной массы стремятся применять пористые заполнители
(топливные шлаки, керамзитовый гравий, шлаковую пемзу и т. п.),
а также комбинированный заполнитель из кварцевого песка и дре¬
весных опилок. С этой же целью вводят порообразующие добавки,.224позволяющие снизить объемную массу гипсобетона. Для повыше¬
ния прочности на изгиб и уменьшения хрупкости в состав гипсобе¬
тона вводят волокнистые наполнители (древесные волокна, измель¬
ченную бумажную массу и т. п.).Крупноразмерные изделия изготовляют способом непрерывного
вибропроката на специальных станах. Отформованные затвердев¬
шие изделия высушивают в сушильных камерах.Объемная масса гипсобетонов в зависимости от применяемого
заполнителя и водогипсового отношения составляет 1000—
1600 кг/м3, а марки М25, М50.Гипсобетон широко применяют для изготовления сплошных и
пустотелых плит перегородок. Плиты можно армировать штукатур¬
ной дранью, камышом и т. п. Стальная арматура (проволока)
должна быть защищена от коррозии специальной обмазкой (це¬
ментно-казеиновой, битумной или полимерной). На водостойком
гипсоцементнопуццолановом вяжущем изготовляют мелкие камни
и крупные блоки для внутренних и наружных стен жилых, сель¬
скохозяйственных производственных зданий с относительной влаж¬
ностью помещений до 75%.§ 4. Ячеистый бетонЯчеистый бетон является разновидностью легкого бетона, его
получают в результате затвердевания вспученной при помощи по-
рообразователя смеси вяжущего, кремнеземистого компонента и
воды. При вспучивании исходной смеси образуется характерная
«ячеистая» структура бетона с равномерно распределенными по
объему воздушными порами. Благодаря этому ячеистый бетон име¬
ет небольшую объемную массу и малую теплопроводность.Пористость ячеистого бетона сравнительно легко регулировать
в процессе, изготовления, в результате получают бетоны разной объ¬
емной массы и назначения. Ячеистые бетоны делят на три группы:
теплоизоляционные объемной массой в высушенном состоянии не
более 500 кг/м3; конструкционно-теплоизоляционные (для ограж¬
дающих конструкций) объемной массой 500—900 кг/3; конструкци¬
онные (для железобетона) объемной массой 900—1200 кг/м3.Материалы для ячеистого бетона. Вяжущим для цементных яче¬
истых бетонов обычно служит портландцемент. Бесцементные яче¬
истые бетоны (газо- и пеносиликат) автоклавного твердения изго¬
товляют, применяя молотую негашеную известь.Вяжущее применяют совместно с кремнеземистым компонентом,
содержащим двуокись кремния.Кремнеземистый компонент (молотый кварцевый песок, зола-
унос ТЭС и молотый гранулированный доменный шлак) уменьшает
расход вяжущего, усадку бетона и повышает качество ячеистого
бетона. Кварцевый песок обычно размалывают мокрым способом
и применяют в виде песчаного шлама. Измельчение увеличивает
удельную поверхность кремнеземистого компонента и повышает
его химическую активность. Встречается тонкодисперсный природ¬
ный кварц — маршаллит с частицами 0,01—0,06 мм.8—664225
Возрастает применение побочных продуктов промышленности
(золы-уноса, доменных шлаков, нефелинового шлама) для изготов¬
ления ячеистого бетона.Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим
устанавливают опытным путем. При перемешивании материалов в
смесителе получают исходную смесь — тесто, состоящее из вяжу¬
щего, кремнеземистого компонента и воды.Вспучивание теста вяжущего может осуществляться двумя спо¬
собами: 1) химическим, когда в тесто вяжущего вводят газообра¬
зующую добавку и в смеси происходят химические реакции, сопро¬
вождающиеся выделением газа; 2) механическим, заключающимся
в том, что тесто вяжущего смешивают с отдельно приготовленной
устойчивой пеной.В зависимости от способа изготовления ячеистые бетоны делят
на газобетон и пенобетон. У нас и за рубежом развивается произ¬
водство преимущественно газобетона. Его технология более про¬
ста и позволяет получить материал пониженной, объемной массы
со стабильными свойствами. Пена же не отличается стабильностью,
что вызывает колебания объемной массы и прочности пенобетона.Газобетон и газосиликат. Газобетон приготовляют из смеси
портландцемента (часто с добавкой воздушной извести или едкого
натра), кремнеземистого компонента и газообразователя.По типу химических реакций газообразователи делят на сле¬
дующие виды: вступающие в химическое взаимодействие с вяжу¬
щим или продуктами его гидратации (алюминиевая пудра); разла¬
гающиеся с выделением газа (пергидроль Н2О2); взамодействую-
щие между собой и выделяющие газ в результате обменных реак¬
ций (например, молотый известняк и соляная кислота).Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, ко¬
торая, реагируя с гидратом окиси кальция, выделяет водород по
реакцииЗСа(ОН)2 + 2А1 + 6Н20 = ЗН2 \ + ЗСаО • А1203 • 6НгОСогласно уравнению химической реакции 1 кг алюминиевой
пудры выделит в нормальных условиях 1,245 м3 водорода. При по¬
вышении температуры объем газа возрастает и, например, при
40°С составит 1,425 м3. На практике расходуется большее количе¬
ство алюминиевой пудры, так как она содержит менее 100% актив¬
ного алюминия и, кроме того, часть газа теряется в процессе пере¬
мешивания и вспучивания раствора.Это учитывается с помощью коэффициента газоудержания kп,
представляющего отношение объема газа, удержанного газобетон¬
ной смесью Ку, к теоретическому объему выделяемого газа Кт при
данной температуре:kry = Ky/VT.Коэффициент газоудержания обычно составляет 0,7—0,85; на
изготовление 1 м3 ячеистого бетона объемной массой 600—700 кг/м3
расходуется 0,4—0,5 кг алюминиевой пудры.Алюминиевую пудру вводят в виде суспензии, для придания22(5пудре гидрофильных свойств ее обрабатывают водным раствором
поверхностно-активного вещества (СДБ, канифольного мы¬
ла и др.).Литьевая технология предусматривает отливку изделий, как
правило, в отдельных формах из текучих смесей, содержащих до
50—60% воды от массы сухих компонентов (водотвердое отноше¬
ние В/Т = 0,5—0,6). При изготовлении газобетона применяемые ма¬
териалы — вяжущее, песчаный шлам и вода, дозируют и подают в
самоходный газобетоносмеситель, в котором их перемешивают 4—-
5 мин; затем в приготовленную смесь вливают водную суспензию
алюминиевой пудры и после последующего перемешивания теста с
алюминиевой пудрой газобетонную смесь заливают в металличе¬
ские формы на определенную высоту с таким расчетом, чтобы после
вспучивания формы были заполнены доверху.Избыток смеси («горбушку») после схватывания срезают про¬
волочными струнами. Для ускорения газообразования, а т'акже
процессов схватывания и твердения применяют «горячие» смеси на
подогретой воде с температурой в момент заливки в формы около
40°С.Тепловую обработку ячеистого бетона производят преиму¬
щественно в автоклавах в среде насыщенного водяного пара при
температуре 175—200°С и давлении 0,8—1,3 МПа. Автоклавы пред¬
ставляют собой герметически закрывающиеся цилиндры диаметром
до 3,6 м и длиной до 32 м. Во влажной среде и при повышенной
температуре кремнеземистый компонент проявляет химическую
активность и вступает в соединение с гидроокисью кальция с обра¬
зованием гидросиликатов кальция' придающих ячеистому бетону
повышенную прочность и морозостойкость.Автоклавную обработку производят по определенному режиму
с учетом типа и массивности изделий. Чтобы не появились трещи¬
ны в изделиях, предусматривают плавный подъем и спуск темпера¬
туры и давления (в течение 2—6 ч); время выдержки изделий при
максимальной температуре составляет 5—8 ч.Вибрационная технология газобетона заключается в том, что во
время перемешивания в смесителе и вспучивания в форме смесь
подвергают вибрации. Тиксотропное разжижение, происходящее
вследствие ослабления связей между частицами, позволяет умень¬
шить количество воды затворения на 25—30% без ухудшения удо-
боформуемости смеси. В смеси, подвергающейся вибрированию, ус¬
коряется газовыделение — вспучивание заканчивается в течение
5—7 мин вместо 15—20 мин при литьевой технологии. После прекра¬
щения вибрирования газобетонная смесь быстро (через 0,5—1,5 ч)
приобретает структурную прочность, позволяющую разрезать изде¬
лие на блоки, время автоклавной обработки также сокращается.Разработаны новые технологические приемы изготовления яче¬
истого бетона из холодных смесей (с температурой около 20°С) с до¬
бавками поверхностно-активных веществ и малым количеством
воды. Такой газобетон на цементе после обычного пропаривания
при атмосферном давлении достигает прочности автоклавного бе-8*227
тона, изготовленного по литьевой технологии, что дает большой
экономический эффект.Принципы вибрационной технологии разработаны советскими
учеными.Резательная технология изготовления изделий из ячеистого бе¬
тона предусматривает формование вначале большого массива
(объемом 10—12 м3, высотой до 2 м). После того как бетон наберет
структурную прочность, массив разрезают в горизонтальном и вер¬
тикальном направлениях на прямоугольные элементы, а затем под¬
вергают тепловой обработке. Полученные элементы калибруют на
специальной фрезерной машине, а затем отделывают их фасадные
поверхности.Из готовых элементов, имеющих точные размеры, собирают на
клею плоские или объемные конструкции, используя стяжную ар¬
матуру. Таким путем получают большие стеновые панели размером
на одну или две комнаты и высотой на этаж.Газосиликат автоклавного твердения в отличие от газобетона
изготовляют на основе известково-кремнеземистого вяжущего, ис¬
пользуя местные дешевые материалы — воздушную известь и пе¬
сок, золу-унос и металлургические шлаки. Соотношение между из¬
вестью и молотым песком колеблется от 1:3 до 1:4,5 (по массе),
при этом извести расходуется 120—180 кг на 1 м3 газосиликата.
Изделия из газосиликата приобретают нужную прочность и морозо¬
стойкость только после автоклавной обработки, обеспечивающей
химическое взаимодействие между известью и кремнеземистым
компонентом и образование нерастворимых в воде гидросиликатов
кальция.Пенобетон и пеносиликат. Пенобетон приготовляют, смешивая
раздельно приготовленные растворную смесь и пену, образующую
воздушные ячейки. Растворную смесь получают из вяжущего (це¬
мента или воздушной извести) кремнеземистого компонента и во¬
ды, как и в технологии газобетона.Пену приготовляют в лопастных пеновзбивателях или центро¬
бежных насосах из водного раствора пенообразователей, содержа¬
щих поверхностно-активные вещества. Применяют гидролизован¬
ную кровь (ГК), клееканифольный, смолосапониновый, алюмосуль-
фонафтеновый и синтетические пенообразователи. Стабилизатора¬
ми пены служат добавки раствора животного клея, жидкого стекла
или сернокислого железа; минерализаторами же являются цемент
и известь.Из бункера, перемещающегося вдоль фронта форм-вагонеток,
пенобетонная смесь поступает в формы. Для сокращения времени
выдержки и ускорения оборачиваемости форм добавляют хлорис¬
тый кальций, поташ и другие вещества, ускоряющие структурооб-
разование.Свойства .ячеистых бетонов. Прочность и объемная масса явля¬
ются главными показателями качества ячеистого бетона. Объемная
масса, колеблющаяся от 300 до 1000 кг/м3, косвенно характеризует
пористость ячеистого бетона (соответственно 85—60%). Поэтому228зависимость свойств бетона от объемной массы, представленная на
рис. 101, выражает, в сущности, влияние пористости. Возрастание
объемной массы ячеистого бетона с 300 до 1200 кг/м3 сопровожда¬
ется, как видно из рис. 101, закономерным увеличением его проч¬
ности и теплопроводности.Марка ячеистого бетона по прочности обозначает предел проч¬
ности при сжатии базовых кубов с ребром 150 мм, имеющих сред¬
нюю влажность 10±2% (по массе). Контрольные образцы испыты¬
вают не ранее 12 ч после
тепловлажностной обработ¬
ки, а при естественном твер¬
дении — через 28 суток вы¬
держивания в нормальных
температурно - влажностных
условиях (влажность 90±±5%, температура 20 ±±2°С).Установлены следующие
марки ячеистых бетонов по
прочности при сжатии: М15,М25, М35, М50, М75, Ml00,М150.Водопоглощениг и мо¬
розостойкость зависят от ве¬
личины и характера пори¬
стости ячеистого бетона и
плотности перегородок меж¬
ду макропорами (ячейка¬
ми). Для снижения водо-
поглощения и повышения морозостойкости стремятся к созданию
ячеистой структуры с замкнутыми порами. Этому способствует виб¬
рационная технология, так как при вибрации газобетонной смеси
разрушаются крупные ячейки, снижающие морозостойкость и одно¬
родность материала.Установлены следующие марки ячеистого бетона по морозостой¬
кости: Мрз15, Мрз25, Мрз35, Мрз50, Мрз75, МрзЮО. Для панелей
наружных стен применяют ячеистый бетон марок Мрз15, Мрз25 в
зависимости от влажности атмосферы в помещениях и климатиче¬
ских условий. Более высокая морозостойкость требуется от кон¬
струкционного ячеистого бетона, подвергающегося многократному
замораживанию и оттаиванию.Теплопроводность ячеистого бетона зависит от объемной массы
и влажности.Удельная теплоемкость ячеистого бетона составляет в среднем
0,84 кДж/(кг-°С).Усадка зависит от состава ячеистого бетона, объемной массы и
условий твердения. Ячеистый бетон объемной массой 700—
800 кг/м3 в воздухе с 70—80%-ной относительной влажностью и
температурой 20°С имеет усадку 0,4—0,6 мм/м.IIIРис. 101. Кривые, характеризующие измене¬
ние свойств ячеистого бетона в зависимости
от объемной массы:/ — марка по прочности; 2 — водопоглощение по
объему; 3 — теплопроводность229
Применяют ячеистые бетоны для легких железобетонных кон¬
струкций и теплоизоляции. Широко распространены конструкцион¬
но-теплоизоляционные и теплоизоляционные ячеистые бетоны. Из
них изготовляют панели наружных стен и покрытий зданий, неар-
мированные стеновые и теплоизоляционные блоки, камни для стен.
Конструкции из ячеистых бетонов долговечны в зданиях с сухим и
нормальным режимами помещений при относительной влажности
воздуха 60—70%.Для защиты от коррозии стальную арматуру покрывают це¬
ментно-битумной или цементно-полистирольной обмазкой,§ 5. Технико-экономическая эффективность применения
легких бетоновКонструкции из ячеистых бетонов отличаются высокими техни¬
ко-экономическими показателями. Стены из ячеистого бетона в1,3—2 раза легче стен из железобетонных слоистых и керамзитобе¬
тонных панелей, стоимость их также меньше. Удельные капитало¬
вложения в строительство заводов ячеистого бетона на 30—40%
меньше, чем в строительство предприятий, выпускающих аналогич¬
ные конструкции из тяжелого и легкого бетона с пористым запол¬
нителем. Поэтому применение ячеистого бетона постоянно расши¬
ряется. Эффективность ячеистого бетона возрастает при снижении
объемной массы и выпуске изделий полной заводской готовности.
Заводы переходят на массовое производство ячеистого бетона объ¬
емной массой 500—600 кг/м3.Сравнительная оценка экономической эффективности материа¬
лов и конструкций дается на основе сопоставления «приведенных
затрат», определяемых с учетом капитальных вложений на произ¬
водство продукции, себестоимости материала «в деле» (включая
затраты на транспорт и монтаж) и эксплуатационных расходов за
весь период службы конструкции (табл. 34).Таблица 34Экономическая эффективность, руб/м2 стены, легких бетонов
в наружных стенах промышленных зданий (по данным Я. А. Рекитара)Вид конструкцииСтоимость
конструкции
в делеКапитальныевложенияПриведенныезатратыСтена из глиняного кирпича толщи¬10,4715,712,4ной 38 смТо же, из силикатного кирпича9,3312,810,9Керамзитобетонная панель толщиной8,3814,2810,120 смГазосиликатная панель толщиной 20 см7,1512,48,65Асбестоцементная трехслойная панель9,5014,4511,25230Легкий бетон на пористых заполнителях эффективнее тяжелого
бетона по показателю приведенных затрат: в наружных стенах —
на 12—25%, во внутренних несущих стенах — на 8—14%.Конструкционные легкие бетоны с объемной массой 1700—
1800 кг/м3 и марками по прочности М200—М400 применяют в ар¬
мированных конструкциях — легкобетонных фермах, пролетных
строениях мостов и др. Легкий железобетон при одинаковой проч¬
ности имеет массу на 25—30% меньше, чем тяжелый.Высокие экономические показатели имеют силикатные ячеистые
бетоны автоклавного твердения, в особенности при использовании
для их изготовления промышленных отходов (шлаков и зол). Эко¬
номия приведенных затрат доходит до 18,7 руб/м3 бетона. Наибо¬
лее эффективны крупноразмерные изделия из автоклавных бетонов.
Однако даже применение ячеистобетонных камней взамен силикат¬
ного кирпича уменьшает массу стены в 3—4 раза, снижает затраты
труда на 25—30% и экономит капитальные вложения (до 15%).Глава 35
СПЕЦИАЛЬНЫЕ БЕТОНЫ
§ 1. Гидротехнические бетоныГидротехнический бетон предназначается для конструкций, на¬
ходящихся в воде или периодически соприкасающихся с водой, по¬
этому он должен обладать свойствами, необходимыми для длитель¬
ной нормальной службы этих конструкций в данных климатических
и эксплуатационных условиях. Из гидротехнического бетона возво¬
дят плотины, шлюзы, гидростанции, набережные, сооружения про¬
мышленной гидротехники (градирни, отстойники и т. п.). Эти соо¬
ружения возводятся на долгий срок и их строительство требует ог¬
ромного количества бетона.Гидротехнический бетон должен иметь минимальную стоимость
и удовлетворять требованиям по прочности, долговечности, водо¬
стойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, тепловыделе¬
нию при твердении, усадке и трещиностойкости. Противоречивые на
первый взгляд требования высокого качества и низкой стоимости
можно выполнить, если выделить наружную зону массивного соору¬
жения, подвергающуюся непосредственному влиянию среды, и
внутреннюю зону (рис. 102).Бетон наружной зоны в зависимости от расположения в соору¬
жении по отношению к уровню воды делят на бетон подводный (на¬
ходящийся постоянно в воде), переменного уровня воды и надвод¬
ный, находящийся выше уровня воды.В самых суровых условиях служит бетон, расположенный в об¬
ласти переменного уровня воды, он многократно замерзает и оттаи¬
вает, находясь все время во влажном состоянии. Это же относится
к бетону водосливной грани плотины, морских сооружений (прича-231
лов, пирсов, молов и т. д.), градирен, служащих для охлаждения
оборотной воды на тепловых электростанциях, предприятиях ме¬
таллургической и химической промышленности. Этот бетон должен
обладать высокой плотностью и морозостойкостью. Правильный
выбор цемента, применение морозостойких заполнителей, подбор
состава плотного бетона и тщательное производство бетонных ра¬
бот обеспечивают получение долговечного бетона.Рис. 102. Гидротехнический зональный бетой:
а — глухой плотины; б — водосливной плотины; 1 — под¬
водный; 2 — переменного уровня; 3 —надводный; 4 — на¬
ружной зоны; 5 — внутренней зоныБетон внутренней зоны массивных конструкций защищен на¬
ружным бетоном от непосредственного воздействия среды. Главное
требование к этому бетону — минимальная величина тепловыделе¬
ния при твердении, так как неравномерный разогрев массива мо¬
жет вызвать образование температурных трещин. Малое тепловы¬
деление имеет шлакопортландцемент, поэтому его и применяют для
внутримассивного бетона наряду с пуццолановым портландцемен¬
том; эти цементы экономичнее портландцемента и к тому же хоро¬
шо противостоят выщелачиванию Са(ОН)2. Требования к физико¬
механическим свойствам бетона внутренней зоны не столь высоки:
марки по прочности М100, М150, по водонепроницаемости В2, В4.Марку бетона по водонепроницаемости назначают в зависимо¬
сти от напорного градиента, равного отношению максимального на¬
пора (м) к толщине конструкции (м) или к толщине бетона наруж¬
ной зоны конструкции (при наличии зональной разрезки):Напорный градиентДо 55—1010—1212 и болееМарка бетона по водоне¬
проницаемостиВ4В6В8В12232Для конструкций с напорным градиентом более 12 на основании
опытов могут назначаться марки по водонепроницаемости вы¬
ше В12.Стойкость бетона к воздействиям среды определяется комплек¬
сом его свойств: морозостойкостью, малым водопоглощением, не¬
большими деформациями усадки.Марку бетона по морозостойкости назначают в зависимости от
климатических условий и числа расчетных циклов попеременного
замораживания и оттаивания в течение года.Установлены следующие марки гидротехнического бетона по
морозостойкости: МрзЮО, Мрз150, Мрз200, МрзЗОО, Мрз400,
Мрз500.Водопоглощение гидротехнического бетона характеризуется
величиной капиллярной всасываемости при погружении в воду об¬
разцов 28-суточного возраста, высушенных до постоянной массы
при температуре 105°С. Водопоглощение бетона зоны переменного
уровня воды не должно превышать 5% (от массы высушенных об¬
разцов), для бетонов других зон — не более 7%.Линейная усадка бетона при относительной влажности воздуха
60% и температуре 18°С в возрасте 28 сут не превышает 0,3 мм/м,
в возрасте 180 сут — 0,7 мм/м. Предельно допустимые величины на¬
бухания установлены: в возрасте 28 сут — 0,1 мм/м, 180 сут —
0,3 мм/м (по сравнению с высушенными до постоянной массы при
60°С эталонными образцами).Применяют гидротехнический бетон для возведения монолитных
сооружений и изготовления сборных железобетонных конструкций
и изделий. Сборные железобетонные конструкции используют для
устройства мостовых переходов через плотины и при сооружении
машинных зданий гидроэлектростанций. Такие конструкции целе¬
сообразно изготовлять на стендах вблизи строительной площадки
или непосредственно на специально оборудованных железнодорож¬
ных платформах. Требуется тщательное омоноличивание стыков
сборных элементов.Сборный железобетон находит все более широкое применение в
строительстве каналов, судоходных шлюзов и др. Одежду каналов
часто выполняют из железобетонных плит заводского изготовления.Железобетонные сваи используют при возведении причалов,
устройстве оснований и т. п.Долговечность железобетонных свай значительно повышается
после пропитки битумом или полимером. Сваи, имеющие 100%-ную
марочную прочность, сначала высушивают сухим воздухом в тече¬
ние суток, а затем пропитывают битумом при температуре 120—
170°С. Пропитку производят в автоклавах под давлением 1—
1,2 МПа или в ваннах при нормальном давлении. В зависимости от
плотности бетона и способа пропитки глубина пропитки колеблется
от 1 до 5 см. Пропитка битумом значительно улучшается, если по¬
верхность изделия предварительно покрыть раствором ГКЖ-94.
В этом случае можно обойтись без предварительной сушки изделий.В энергетическом и промышленном строительстве все шире при¬233
меняют железобетонные трубы взамен металлических труб.
По сравнению с металлическими трубами бетонные и железобетон¬
ные трубы имеют ряд преимуществ: долговечны, дешевле металли¬
ческих, на их изготовление требуется меньше металла.§ 2. Дорожный бетон и бетонные покрытия полов
промышленных зданийДорожный бетон предназначен для оснований и покрытий авто¬
мобильных дорог и аэродромов. Покрытие работает на изгиб как
плита на упругом основании, поэтому основной прочностной харак¬
теристикой бетона является проектная марка на растяжение при
изгибе.Крупный заполнитель (щебень, гравий, щебень из шлака) обя¬
зательно проверяют на износостойкость в полочном барабане; она
нормируется в соответствии с назначением бетона.Бетон дорожных покрытий подвергается совместному действию
воды и мороза при одновременном влиянии солей, использующихся
для предотвращения обледенения и облегчения очистки дорог от
льда. Поэтому бетон однослойных покрытий и верхнего слоя двух¬
слойных покрытий должен иметь необходимую морозостойкость: в
суровом климате — не ниже Мрз200, в умеренном — Мрз150; в мяг¬
ком — МрзЮО.Чтобы получить морозостойкий бетон, применяют портландце¬
мент М500 с содержанием трехкальциевого алюмината не более
10%, гидрофобный и пластифицированный портландцемента, а
В/Ц бетона ограничивают пределом 0,5—0,55. Бетон оснований до¬
рожных покрытий изготовляют на портландцементе М300 и М400 и
шлакопортландцементе. Начало схватывания цемента должно быть
не ранее 2 ч, поскольку дорожный бетон нередко приходится пере¬
возить на большие расстояния.Бетонные покрытия полов промышленных зданий могут быть
монолитными и сборными. Бетон для пола должен хорошо сопро¬
тивляться действию истирания. При прочности бетона выше вели¬
чины, называемой «порогом выкрашивания» и равной 30—40 МПа,
зерна заполнителя почти не выкрашиваются и основным фактором,
влияющим на истираемость, в этом случае является твердость за¬
полнителя. Используют твердые заполнители из гранитов, диори¬
тов и других изверженных горных пород. Искусственные заполни¬
тели повышенной вязкости и износостойкости получают путем пере¬
плавки некоторых горных пород, а также из металлургических
шлаков.Для повышения плотности и износостойкости верхнего слоя по¬
крытия втрамбовывают в свежеуложенный бетон порошок, приго¬
товленный из твердых материалов — корунда, карборунда и т. п.
Износостойкость бетонного пола сильно возрастает при покрытии
его, например, эпоксидными полимерами, которые защищают бетон
одновременно и от химической коррозии.234§ 3. Бетон для защиты от радиоактивных излученийБетон предназначается для конструкций биологической защиты
атомных электростанций, предприятий по производству и перера¬
ботке изотопов и т. п.Защитная конструкция энергетических ядерных реакторов мо¬
жет иметь различную форму, но чаще применяется цилиндриче¬
ская (рис. 103). Из активной зоны идет поток нейтронов и у-лучей.Рис. 103. Вертикальный бетонный цилиндрический корпус ре¬
актора АЭС со сферической внутренней поверхностью (по
А. Н. Комаровскому):1 — арматурные тросы, осуществляющие предварительное напряжение
бетонного корпуса; 2 — парогенераторы; 3 — тепловая защита; 4 — ак¬
тивная зона; 5 — загрузочные трубы; 6 — станционное оборудование;7 — ребра (в которых закреплена, наружная спиральная предваритель¬
но напряженная арматура); 8 — газодувкаНейтронный поток включает быстрые, промежуточные и тепловые
нейтроны. Поглощение нейтронов в графите, стали и бетоне сопро¬
вождается образованием захватного ^-излучения, которое учитыва¬
ется в расчетах защиты (рис. 104).Защитные свойства бетонов определяются в основном плот¬
ностью (объемной массой бетона )и содержанием связанной воды,
являющейся замедлителем нейтронов. Для биологической защиты
наряду с тяжелым бетоном применяют особо тяжелые бетоны с
объемной массой 2500—6000 кг/м3. Гидратные бетоны содержат по¬
вышенное количество связанной воды (более 3% по массе). В бор¬
содержащих бетонах бор входит в состав вяжущего, заполнителей
или специальных добавок. /Материалы, применяемые для сооружения бетонной защиты,
должны обеспечить возможно большую объемную массу бетона и235
определенное содержание водорода — обычно в виде воды, связан¬
ной с вяжущим.Цементы. Применяют портландцемент или шлакопортландце-
мент, который выделяет при гидратации немного тепла и поэтому
хорошо зарекомендовал себя в массивных защитных конструкциях.В качестве заполнителей используют тяжелые природные или
искусственные материалы. Для особо тяжелого бетона применяютв качестве заполнителя
близкие по своим свой¬
ствам железные руды —
магнетит (FeeC^) и гема¬
тит (РегОз) с содержани¬
ем железа не менее 60%.
Бурый железняк (лимо¬
нит) РегОз-пНгО позво¬
ляет значительно повы¬
сить содержание связан¬
ной воды в гидратном бе¬
тоне. Баритовые руды
(или барит), содержащие
около 80% сульфата ба¬
рия (BaSC>4), применяют
в качестве мелкого и крупного заполнителя.Металлический крупный заполнитель получают из отходов ме¬
таллообрабатывающих заводов, мелким заполнителем служит
кварцевый или лимонитовый песок, а также чугунная дробь. Свин¬
цовая дробь дорогая и ее применяют при малой толщине защиты
для заделки отверстий в конструкциях, когда требуется бетон с
повышенными защитными свойствами. Объемная масса бетона на
металлическом заполнителе достигает 6000 кг/м3.Бетон должен иметь заданную марку по прочности и относи¬
тельно низкий модуль упругости, что позволяет снизить величину
растягивающих напряжений во внешней зоне защиты, вызываемых
односторонним нагревом. Кроме того, бетон, расположенный у
активного корпуса реактора, должен обладать достаточной стой¬
костью к воздействию излучений, быть огнестойким и жаростойким
даже при температурах, возможных при аварийном режиме реак¬
тора. Для массивных конструкций желательна меньшая теплота
гидратации цемента и минимальная усадка бетона (для предотвра¬
щения температурных и усадочных трещин), а также небольшая
величина коэффициента температурного расширения.Механические свойства особо тяжелых магнетитового, гематито-
вого, лимонитового и баритового бетонов близки. Особо тяжелый
бетон имет марки по прочности Ml00, М200 и М300, при этом марки
на осевое растяжение составляют Р10, Р20.В качестве дополнительной характеристики бетона, которую
учитывают в расчете толщины защиты, подбирают количество свя¬
занной воды (£i), исходя из того, что она связывается цементом
или входит в состав заполнителя (лимонита, серпентина), Требуе¬Рис. 104. Схема защиты реактора (по А. Н. Ко¬
маровскому):
а — активная зона; б — графит; в — стальной корпус;
г — бетон236мое количество связанной воды вычисляют по формулеBi >Hy6/11,1,где Н — необходимое содержание водорода в бетоне, % по массе;
Y6 — объемная масса бетона, т/м3; 11,1—содержание водорода в
воде, %.В табл. 35 приведены примерные составы особо тяжелого бето¬
на на разных заполнителях.Таблица 35Примерные составы и объемйая масса особо тяжелого бетонаНаименованиеРасходы материалов, кг/м3, при изго¬
товлении бетонас железной
рудойс металлическим заполнителем
(дробь, обрезки стали)ЦементМелкий заполнитель
Крупный заполнитель
ВодаОбъемная масса бетонаЗащитные свойств,
ловинного ослабления389136517621843700а бетона характеризу
(bi/«), вычисляемойЬ1/2 = 0.693Х,395263726371705839ются толщиной слоя ПО-
ПО формулегде \ — длина релаксации, см, численно равная толщине слоя дан¬
ного материала, ослабляющего поток излучения в е раз (т. е. в
2,718 раза).§ 4. Жаростойкий бетонЖаростойкий бетон предназначается для промышленных агре¬
гатов (облицовки котлов, футеровки печей и т. п.) и строительных
конструкций, подверженных нагреванию (например, для дымовых
труб). При действии высокой температуры на цементный камень
происходит обезвоживание кристаллогидратов и разложение гид¬
рата окиси кальция с образованием СаО. Окись кальция при воз¬
действии влаги гидратируется с увеличением объема и вызывает
растрескивание бетона. Поэтому в жаростойкий бетон на портланд¬
цементе вводя!1 тонко измельченные материалы, содержащие актив¬
ный кремнезем Si02, который реагирует с СаО при температуре
700—900°С и в результате химических реакций, протекающих в
твердом состоянии, связывает окись кальция.Цементы. Жаростойкий бетон изготовляют на портландцементе
с активной минеральной добавкой (пемзы, золы, доменного грану¬
лированного шЛака, шамота). Шлакопортландцемент уже содер¬
жит добавку доменного гранулированного шлака и может успешно
применяться при температурах до 700°С. Портландцемент и шлако-
портландцемент нельзя применять для жаростойкого бетона, под-237
Рис. 105. Изделия и конструкции
из жаростойкого бетона:
а — двухслойный блок (основной и теп¬
лоизоляционный слон); б — футеровка
печи нз сборных элементов; в — эле¬
мент дымового борова238вергающегося кислой коррозии (на¬
пример, действию сернистого ангид¬
рида в дымовых трубах). В этом
случае следует применить бетон на
жидком стекле. Он хорошо противо¬
стоит кислотной коррозии и сохра¬
няет свою прочность при нагреве до
1000°С.Глиноземистый цемент можно
применять без тонкомолотой добав¬
ки, поскольку при его твердении не
образуется гидрат окиси кальция.
Еще' большей огнеупорностью (не
ниже 1580°С) обладает высокогли¬
ноземистый цемент с содержанием
глинозема 65—80%; в сочетании с
высокоогнеупорным заполнителем
его применяют при температурах до
1700°С.Столь же высокой огнеупорности
позволяют достигнуть фосфатные и
алюмофосфатные связующие: фос¬
форная кислота (Н3Р04), алюмо¬
фосфаты АЦНгРО^з и, магнийфос-
фаты Alg(Н2РО4) 2. Жаростойкие бе¬
тоны на фосфатных связующих
можно применять при температурах
до 1700°С, они имеют небольшую ог¬
невую усадку, термически стой¬
ки, хорошо сопротивляются истира¬
нию.Заполнитель для жаростойкого
бетона должен быть не только стой¬
ким при высоких температурах, но и
обладать равномерным температур¬
ным расширением.Бескварцевые изверженные гор¬
ные породы как плотные (сиенит,
диорит, диабаз, габбро), так и по¬
ристые (пемза, вулканические туфы,
пеплы) можно использовать для жа¬
ростойкого бетона, применяемого
при температурах до 700°С.Для бетона, работающего- при
температурах 700—900°С, целесооб¬
разно применять бой обычного гли¬
няного кирпича и доменные отваль*
ные шлаки с модулем основности не
более 1, не подверженные распаду.При более высоких температурах заполнителем служат огне¬
упорные материалы: кусковой шамот, хромитовая руда, бой шамот¬
ных, хроммагнезитовых и других огнеупорных изделий.Легкий жаростойкий бетон на пористом заполнителе имеет объ¬
емную массу менее 2100 кг/м3, его теплопроводность в 1,5—2 раза
меньше, чем у тяжелого бетона. Применяют пористые заполнители,
выдерживающие действие высоких температур (700—1000°С): ке¬
рамзит, вспученный перлит, вермикулит, вулканический туф.Ячеистый жаростойкий бетон отличается небольшой массой
(500—1200 кг/м3) и малой теплопроводностью.Сборные элементы и монолитные конструкции из жаростойкого
бетона широко применяют в различных отраслях промышленности:
энергетической, черной и цветной металлургии, в химической и
нефтеперерабатывающей, в производстве строительных материалов
(рис. 105); используют взамен полукислых и шамотных изделий,
предназначенных для температур 800—1400°С, а также вместо вы¬
сокоогнеупорных изделий при температуре выше 1400°С.Замена только 150 тыс. м3 огнеупорной кладки жаростойким бе¬
тоном и железобетоном дает экономию около 6 млн. руб. в год.Большие работы по жаростойким бетонам проводятся под руко¬
водством Ю. П. Горлова, К. Д. Некрасова и др.§ 5. Кислотоупорный бетонВяжущим для кислотоупорного бетона является растворимое
стекло, представляющее собой силикат натрия или калия; применя¬
ют его в виде водного коллоидного раствора с удельной массой 1,4.
Наполнителем служат кислотостойкие минеральные порошки, по¬
лучаемые измельчением чистого кварцевого песка, андезита, ба¬
зальта, диабаза и т. п. В качестве отвердителя используют крем¬
нефтористый натрий (Na2SiF6), в качестве заполнителя — кварце-
•вый песок, щебень из гранита, кварцита, андезита и других стой¬
ких пород. Зерновой состав заполнителей должен обеспечить полу¬
чение наиболее плотного бетона. Примерный его состав (кг/м3):
растворимого стекла — 300, кремнефтористого натрия — 40, напол¬
нителя — 360, песка — 600, щебня — 1000 (общая масса 2300 кг/м3).
После укладки с вибрированием бетон выдерживают не менее
10 сут на воздухе (без поливки) при 15—20°С. После отвердевания
рекомендуется поверхность бетона «окислить», т. е. смочить раст¬
вором серной или соляной кислот. Кислотоупорный бетон хорошо
выдерживает действие концентрированных кислот; вода разрушает
его за 5—10 лет, щелочные растворы разрушают быстрее. Кислото¬
упорный бетон применяют в качестве защитных слоев (футеровок)
по железобетону и металлу.§ 6. БетонополимерБетонополимер представляет собой композиционный материал,
в котором силикатная матрица совмещена с органическим поли¬
мером.239
Технология изготовления бетонополимерных материалов и изде¬
лий включает следующие основные операции (рис. 106). Бетонные
или железобетонные изделия высушивают, помещают в закрытыйРис. 106. Технологическая схема пропитки бетонных труб (радиационный спо¬
соб полимеризации):1 — камеры радиационной обработки (по Ю. М. Баженову); 2 — мостовой кран; 3 — мон¬
тажная площадка; 4 — защитная дверь в открытом положении; 5 ■— вакуум-насосы;6 — емкость для мономера; 7 — фильтр для очистки мономера; 8 — баллоны с инертным
газом; 9 — камера сушки; 10 — тележкаконтейнер (или камеру), где вакуумируют и пропитывают раство¬
ром мономера (метилметакрилата, стирола и т. п.), а потом моно¬
меры полимеризуют в порах бетона. Для ускорения процесса поли¬
меризации используют радиационный или термокаталитический
способы. При радиационном способе пропитанные мономером из¬
делия подвергают у-излучению, которое получают от источника
Со60 или другим путем. При термокаталитическом способе в моно¬
мер вводят инициатор, а изделия подвергают термической обра¬
ботке.Изделия пропитывают полностью или только верхний слой кон¬
струкции, который подвергается наиболее агрессивным воздей¬
ствиям.Механические, физические и химические свойства бетонополи-
мера коренным образом отличаются от свойств исходного бетона,
подвергнутого пропитке. На основе бетонов N1300, М500 получают
пропитанные бетоны с прочностью при сжатии 120—300 МПа,
прочностью при растяжении — 12—20 МПа, в 3—4 раза возрастает
сопротивление истиранию. Модуль упругости увеличивается после
пропитки в 1,3—1,6 раза. Ползучесть бетонополимера во много раз
меньше ползучести обычного бетона.Обращает внимание значительное снижение водопроницаемости
(примерно в 7 раз) и увеличение морозостойкости; пропитанные
бетоны выдерживают более 7000 циклов попеременного заморажи¬
вания и оттаивания.240Пропитка полимерами удорожает бетон, поэтому к ней прибега¬
ют, когда она экономически оправдана (бетонополимерные трубы,
железобетонные конструкции, подвергающиеся интенсивной кор¬
розии).§ 7. Бетон, упрочненный волокнамиАрмирование бетона, цементных и гипсовых растворов тонкими
неорганическими и органическими волокнами (из металла, стекла,
пропилена и др.) существенно улучшает прочностные и деформа-
тивные характеристики материала, повышает сопротивление обра¬
зованию трещин. Например, использование коротких стальных во¬
локон для дисперсного армирования цементных бетонов увеличива¬
ет прочность на растяжение в 2—3 раза, на изгиб — в 4—5 раз, на
сжатие — в 1,5—2 раза, ударную прочность в 10 и более раз, сопро¬
тивление истиранию в 2 раза.Дисперсно-армированный бетон (фибробетон) представляет
собой композиционный материал, упрочненный волокнами. В нем не¬
высокая прочность на растяжение и пластичность матрицы (бето¬
на) сочетается с высокомодульным волокном, обладающим высо¬
кой прочностью на разрыв. Эффективность армирования короткими
волокнами зависит от ориентации волокон к действию растягиваю¬
щих усилий и при перпендикулярной ориентации составляет 40—
50%, а при объемно-произвольной лишь около 20% по отношению
к параллельной ориентации. Волокна препятствуют развитию уса¬
дочных -трещин, их наличие повышает прочность сцеиления стерж¬
невой арматуры с бетоном примерно на 40%.Волокна должны быть стойкими в щелочной среде цементного
раствора или бетона. В зависимости от конструкций применяют во¬
локна: минеральные (стеклянные — из бесщелочного стекла, ба¬
зальтовые, кварцевые и др.), металлические (преимущественно из
обычной или нержавеющей стали), синтетические (пропиленовые,капроновые и др.).Фибробетон стремятся использовать в сборных и монолитных
конструкциях, работающих на растяжение и изгиб й воспринимаю¬
щих ударные, знакопеременные и вибрационные нагрузки. Имеется
опыт применения дисперсно-армированного бетона в бетонных
трубах, плитах-оболочках, в конструкциях туннелей, покрытиях до¬
рог и взлетно-посадочных полос аэродромов и др.Глава 36
ПРИМЕНЕНИЕ БЕТОНОВ В СБОРНЫХ
И МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
§ 1. Общие сведения о железобетонеЖелезобетон — это строительный материал, в котором соедине¬
ны в единое целое бетон и стальная арматура.Бетон обладает особенностью, присущей большинству искус¬
ственных и природных каменных материалов: он хорошо работает241
на сжатие, но плохо сопротивляется растяжению. Так, прочность бе¬
тона при растяжении составляет всего лишь около ‘/ю—Vi7 его
прочности на сжатие. Поэтому растянутую зону конструкций арми¬
руют стальной арматурой, которая воспринимает растягивающие
напряжения. Совместной работе бетона и стальной арматуры спо¬
собствует хорошее сцепление между ними и близость коэффициен¬
тов температурного расшире¬
ния; бетон к тому же защища¬
ет арматуру от коррозии.Железобетонные конструк¬
ции изготовляют с обычной и
предварительно напряженной
арматурой. Основная идея
предварительного напряжения
железобетонных конструкций
заключается в том, что при из¬
готовлении бетон искусственно
обжимается. Благодаря этому
бетон растягивается только
тогда, когда будут преодолены
созданные обжатием сжимаю¬
щие напряжения. Если они
превосходят растягивающие напряжения от нагрузки, то можно из¬
бежать образования трещин в бетоне.Различают два основных вида железобетонных конструкций с
предварительно напряженной арматурой: конструкции с натяжени¬
ем арматуры до бетонирования и конструкции с натяжением арма¬
туры после бетонирования. В первом случае арматуру предвари¬
тельно растягивают и концы ее закрепляют. После затвердевания
бетонной смеси концы арматуры освобождают (отрезают) и арма¬
тура, стремясь вернуться в первоначальное состояние, обжимает
бетон (рис. 107).В конструкциях с натяжением арматуры после бетонирования
арматура, подлежащая натяжению, располагается в каналах, обра¬
зованных в бетоне специальными пустотообразователями, и после
натяжения анкеруется на концах, а каналы заполняются (омоноли-
чиваются) раствором.Наряду с силовым натяжением арматуры (обычно осуществляе¬
мым с помощью специальных домкратов) применяют способ элект¬
ротермического натяжения.Для предварительно напряженных конструкций применяют бе¬
тон высоких марок и высокопрочную арматурную сталь. Для улуч¬
шения сцепления с бетоном используют арматуру периодического
профиля (рис. 108).Предварительно напряженные железобетонные конструкции бо¬
лее эффективны, чем обычные. В них более полно используется не¬
сущая способность арматуры и бетона, поэтому уменьшается масса
изделия. Вместе с тем предварительное обжатие препятствует об¬
разованию трещин в растянутой зоне.2Рис. 107. Бетонная балка, обжатая после
отпуска предварительно растянутой
стальной арматуры:I — стержни арматуры; 2 — бетон, уложенный
и затвердевший после натяжений арматуры;
3 — эпюра сжимающих напряжений в бетоне242э)ж)Рис. 108. Виды арматуры:а — гладкая стержневая: б —
гладкая проволочная; в—горя»
чекатаная периодического про¬
филя; г, д—пряди из проволо¬
ки; е — холодносплющенная;
ж — сварная сеткаЖелезобетонные конструкции подразделяют на сборные и моно¬
литные. Сборные железобетонные конструкции монтируют на
строительной площадке из отдельных элементов, изготовленных на
заводах и полигонах. Монолитные железобетонные конструкции бе¬
тонируют на месте строительства.§ 2. Применение бетонов в сборных железобетонных
конструкцияхОсновное направление промышленности сборного железобето¬
на — производство унифицированных конструкций и деталей для
жилищного и промышленного строительства.Для сборных железобетонных конструкций применяют все ос
новные виды бетона: тяжелый, легкий на пористых заполнителях и
ячеистый. Бетоны часто применяют в сочетании с материалами спе¬
циального назначения (теплоизоляционными, звукоизоляционными,
гидроизоляционными и антикоррозионными), которые значительно
улучшают эксплуатационные качества сборных конструкций и по¬
вышают их долговечность.Из сборного железобетона изготовляют все части здания: фунда¬
менты, стены подвалов, наружные и внутренние стены, элементы
каркаса (рис. 109) и покрытий, междуэтажные перекрытия, лестни¬
цы и др.243
Рис. 109. Элементы каркаса:
I — колонна; 2— ригельНаружные стены крупнопанельных зданий могут быть однослой¬
ными из легкого бетона (рис. 110, а) и трехслойными — из легкого
или тяжелого бетона с внутренним теплоизоляционным слоем (из
минераловатных плит, пеностекла и др.).На междуэтажные перекрытия в крупнопанельных жилых до¬
мах расходуется значительная часть сборного железобетона (около
30%). Применение в междуэтажных перекрытиях легкого бетонаа)Рис, 110. Керамзитобетонные сборные конструкции:
о —панель наружной стены; б — керамзитобетонная предварительно
напряженная панель перекрытия244снижает массу здания, при этом улучшается звукоизоляция
(рис. 110, б).Высокий уровень индустриализации строительства достигается
при монтаже зданий из объемных элементов полной заводской го¬
товности — блоков комнат и квартир (рис. 111).Разработаны проекты многоэтажных промышленных зданий с
укрупненными сетками колонн 12x6 и 9x6 м, возводимых из сбор¬
ного железобетона.Тонкие предварительно напряженные пластины длиной 12—
30 м, изготовляемые методом непрерывного армирования, исполь¬
зуют в висячих большепролетных конструкциях зданий и сооруже¬
ний. Пластины можно искривлять
без трещин, создавая из них раз¬
нообразные покрытия.Производство железобетонных
и бетонных сборных конструкций
включает следующие основные
операции: приготовление бетон¬
ной смеси, изготовление армату¬
ры (арматурных каркасов, сеток,
гнутых стержней и т. п.), армиро¬
вание изделий, формование изде¬
лий (укладка бетонной смеси и
ее уплотнение), твердение (обыч¬
но в условиях тепловлажностной
обработки)*.Некоторые виды изделий (сте¬
новые панели и блоки, лестнич¬
ные площадки и марши и др.)
подвергают дополнительной опе¬
рации: отделке лицевой поверх¬
ности декоративным бетоном или
раствором, облицовке керамическими или пластмассовыми плита¬
ми, обработке гидрофобизующими составами.Производство сборных железобетонных конструкций может
быть организовано двумя принципиально отличными способами:1) поточным в перемещаемых формах или на перемещаемых поддо¬
нах; 2) стендовым в стационарных (неперемещаемых) формах.При поточном способе все технологические операции (очистка и
смазка форм, армирование, формование, твердение, распалубка)
выполняются на специализированных постах, которые оборудованы
стационарными машинами и установками, образующими поточную
технологическую линию. Формы с изделиями последовательно пе¬
ремещаются по технологической линии от поста к посту.Поточный способ изготовления сборных железобетонных кон¬
струкций может быть поточно-агрегатным и конвейерным.* Подробно см. учебник: Гиршберг О. А. Технология бетонных и железобе¬
тонных изделий. М., 1971.245
При поточно-агрегатном способе (рис. 112) формы и формуемые
изделия перемещают от поста к посту краном с интервалом време¬
ни, зависящим от длительности операции на данном посту, кото¬
рая может колебаться от нескольких минут (например, смазка
форм) до нескольких часов (твердение изделий в пропарочных ка¬
мерах) . Поточно-агрегатный способ используют на заводах средней
мощности (с годовой производительностью около 60—100 тыс. м3
изделий), в особенности при выпуске изделий широкой номенкла¬
туры.Конвейерный способ (рис. 113) применяют на заводах большой
мощности при выпуске однотипных изделий. При этом способе тех¬
нологическая линия работает по принципу пульсирующего конвейе¬
ра, т. е. формы с изделиями перемещаются от поста к посту через
строго определенное время (например, через 15 мин), необходимое
для выполнения самой длительной операции.При стендовом способе производства в отличие от поточно-агре-
гатного и конвейерного сборные конструкции изготовляют в
стационарных формах. Изделия в процессе их изготовления и до за¬
твердевания бетона остаются на месте, в то время как технологи¬
ческое оборудование для выполнения отдельных операций последо¬
вательно перемещается от одной формы к другой. Стендовый спо¬
соб применяют при изготовлении изделий большого размера (ферм,
балок и т. п.) для промышленного, мостового и гидротехнического
строительства. Для формования изделий сложной конфигурации
(лестничных маршей, ребристых плит и т. п.) применяют матрицы,
т. е. железобетонные формы, воспроизводящие отпечаток ребристой
поверхности изделия.При кассетном способе, являющемся разновидностью стендово¬
го, изделия изготовляют в вертикальных формах — кассетах, пред¬
ставляющих ряд отсеков, образованных стальными стенками.
В кассетной установке происходит формование изделий и их
твердение. Кассетная установка имеет специальные устройства для
обогрева изделий паром или электрическим током, что значитель¬
но ускоряет твердение бетона. Кассетный способ применяют для
массового производства плоских тонкостенных изделий (панели
внутренних и наружных стен и т. п.).Метод комплексного строительства домов осуществляется домо¬
строительными комбинатами (ДСК). Домостроительный комбинат
выпускает по единому графику комплекты деталей и узлов дома,
доставляет их к сборочной (строительной) площадке специализиро¬
ванным транспортом, минуя заводские и построечные склады; непо¬
средственно с транспортных средств производит сборку (монтаж)
дома; выполняет силами специализированных бригад все отделоч¬
ные работы.Комбинат объединяет в своем составе следующие основные под¬
разделения: производственные цехи, выпускающие комплекты до¬
мов; монтажные и специализированные участки, выполняющие ра¬
боты по монтажу, инженерному оборудованию и отделке домов;
транспортные участки с закрепленными за ними транспортными и247
подъемными средствами; проектно-конструкторские бюро, обеспе¬
чивающие разработку необходимой рабочей, проектной и техниче¬
ской документации.§ 3. Применение бетонов в монолитных железобетонных
конструкцияхМонолитные конструкции сооружают в основном из тяжелого и
легкого бетона на пористых заполнителях. Стены жилых зданий
возводят и из ячеистого бетона. В защитных монолитных конструк¬
циях применяют специальные бетоны: особо тяжелый, жаростой¬
кий, кислотоупорный и др.Монолитные бетонные и железобетонные конструкции экономи¬
чески целесообразны при использовании индустриальных методов
производства работ. Они предусматривают широкое применение
инвентарной металлической, деревянной, фанерной или деревоме¬
таллической опалубки. В зависимости от типа бетонируемых кон¬
струкций и их конфигурации используют различные виды опалуб¬
ки: разборно-переставную, скользящую (поднимаемую домкрата¬
ми), катучую (перемещаемую в горизонтальном направлении) и др.Арматуру, как правило, изготовляют в арматурно-сварочных це¬
хах или на заводе в виде укрупненных элементов — сварных сеток
и блоков-каркасов.Предусматривается автоматизация' приготовления бетонной
смеси, комплексная механизация ее транспортировки и уплотнения.
Созданы бетонные заводы и установки периодического и непрерыв¬
ного действия с программным управлением производительностью
15, 30, 60 и 120 м3/ч. Заводы оборудуют автоматическими дозатора¬
ми, гравитационными бетоносмесителями или смесителями принуди¬
тельного действия.Бетонную смесь транспортируют так, чтобы она не расслаива¬
лась и не изменяла свой состав, вследствие попадания атмосферных
осадков или чрезмерного испарения воды при действии ветра и сол¬
нечных лучей.Бетонную смесь перевозят автосамосвалами, при дальней же
перевозке используют автобетоносмесители. Сухие компоненты за¬
гружают в барабан автобетоносмесителя на центральной дозиро¬
вочной установке, а приготовляют бетонную смесь за 5—10 мин до
прибытия к месту работ. В автобетоносмесителях перевозят и гото¬
вые бетонные смеси, что позволяет сохранить их однородность, ис¬
пользуя повторное перемешивание.Транспортирование бетонных смесей на строительной площадке
осуществляют кранами, транспортерами и по трубам с помощью
бетононасосов или пневмонагнетателей. Пневматический способ
отличается простотой и позволяет подавать бетонные смеси сжатым
воздухом по трубам на расстояние до 150 м.Бетонирование монолитных конструкций производят непрерыв¬
но или с перерывами, т. е. участками или блоками. Непрерывную
укладку бетона осуществляют в том случае, когда требуется повы¬
шенная монолитность и однородность бетона и поэтому нежела-249
тельно наличие рабочих швов. Это относится к предварительно на¬
пряженным железобетонным конструкциям, фундаментам, воспри¬
нимающим динамические усилия от оборудования и т. п.Конструкции большой протяженности или большой площади
(например, железобетонные перекрытия) бетонируют отдельными
участками, причем рабочие швы между ними предусматривают в
местах, где при эксплуатации возникают минимальные напря¬
жения.Массивные сооружения (плотины, шлюзы, массивные фунда¬
менты и т. п.) в проекте разрезают рабочими швами на блоки. Объ¬
ем блока устанавливают с учетом возникающих в бетоне темпера¬
турных и усадочных напряжений.Бетонную смесь подают так, чтобы не было расслоения, поэтому
бетонная смесь поступает к месту укладки по вертикальным «хобо¬
там», виброжелобам и наклонным лоткам, при этом высота свобод¬
ного падения смеси не должна превышать 2 м.Бетонную смесь укладывают слоями, толщину которых устанав¬
ливают с учетом ее хорошего уплотнения вибраторами. При внут¬
реннем вибрировании наибольшая толщина слоя составляет 1,25
длины рабочей части вибраторов, при поверхностном вибрировании
не превышает 12—25 см. Шаг перестановки внутренних вибраторов
не должен превышать полутора радиусов их действия.Уход за бетоном начинают сразу после укладки и уплотнения
бетонной смеси и продолжается в течение всего периода выдержи¬
вания бетона до достижения им проектной прочности. Качество.бе¬
тона зависит от ухода за ним, целью которого является создание и
поддержание температурно-влажностных условий, благоприятных
для гидратации цемента. В летнее время поверхность свежеуложен-
ного бетона должна быть защищена от высыхания, а в первые часы
твердения и от дождя. Для этого открытые горизонтальные по¬
верхности по окончании бетонирования засыпают слоем влагоем¬
кого материала — песка, опилок, шлака или покрывают мешкови¬
ной. В сухую погоду покрытие поддерживают во влажном состоя¬
нии до достижения бетоном не менее 70% проектной прочности.
Вертикальные поверхности опалубка защищает от высыхания, де¬
ревянную опалубку периодически увлажняют. После снятия опа¬
лубки вертикальные поверхности бетонных сооружений поливают
водой.В районах с сухим жарким климатом предусматривают выдер¬
живание верхних горизонтальных поверхностей конструкций под
слоем воды (толщиной около 5 см), для чего устраивают верхние
водонепроницаемые бортики. При недостатке воды, а также при
бетонировании конструкций с большой поверхностью (покрытия ав¬
томобильных дорог и аэродромов, облицовка каналов) применяют
пленкообразующие составы, отражающие солнечные лучи. Уложен¬
ный бетон укрывают полиэтиленовыми или другими пленками. Та¬
кие покрытия сберегают влагу в бетоне и предотвращают значи¬
тельные температурно-усадочные деформации и образование
трещин.250Распалубливание бетонных и железобетонных конструкций про¬
изводят после достижения бетоном установленной прочности.Несущую опалубку снимают, когда бетон наберет 70—100%
проектной прочности. Полная прочность бетона необходима в том
случае, когда фактическая нагрузка на распалубленную конструк¬
цию будет превышать 70% от расчетной.§ 4. Применение бетона в зимних условияхВ СССР были впервые разработаны методы круглогодичного
строительства, позволяющие получить бетон высокого качества вхолодное время года.Применение бетона в зимних условиях при среднесуточной тем¬
пературе ниже +5°С и минимальной суточной температуре ниже
0°С имеет ряд существен¬
ных особенностей. При
пониженной температуре
замедляется гидратация
цемента, поэтому проч¬
ность бетона нарастает
медленно. При темпера¬
туре от —3 до —6°С вода
в бетоне замерзает, прак¬
тически прекращаются
процессы гидратации вя¬
жущего и твердения бето¬
на. После оттаивания при
наличии жидкой воды эти
процессы возобновляют¬
ся, и бетон продолжает
увеличивать свою проч¬
ность (рис. 114). Вода
в бетоне замерзает при
температуре ниже 0°С, так как она содержит в растворенном виде
гидрат окиси кальция и другие вещества.Бетон, замороженный в раннем возрасте, т. е. вслед за уклад¬
кой, имеет после оттаивания и последующей выдержки рыхлую
структуру, низкую прочность и морозостойкость. Это объясняется
тем, что свежеуложенный бетон содержит много воды, которая при
замерзании расширяется, разрыхляет цементный камень и нару¬
шает сцепление заполнителя с цементным камнем. Поэтому зимне¬
му бетону нужно создать самые хорошие тепловые и влажные усло¬
вия начального твердения. Они помогут бетону быстро, за 2—3 сут,
приобрести прочность около 8—12 МПа, позволяющую ему спра¬
виться с последующим замерзанием. К моменту замораживания
бетон М200, М300 должен приобрести не менее 40%, а бетон М400,
М500 — не ниже 30% марочной прочности.Бетон железобетонных конструкций с предварительно напряжен¬
ной арматурой выдерживают до приобретения им 70% проектной251II1Рис. 114. Влияние замораживания при темпера¬
туре —5°С на дальнейшее нарастание прочнос¬
ти бетона на портландцементе:1 — заморожен через 1 сут нормального твердения;
2—через 3 сут; 3—через 7 сут; 4—через 10 сут;
5 — нормальное хранение (по С. А. Миронову)
прочности. Выдержка бетона до получения 100%-ной прочности
требуется в тех случаях, когда предъявляются специальные требо¬
вания по морозостойкости, водо- и газопроницаемости.Способ термоса является самым экономичным способом твер¬
дения бетона в зимнее время. По этому способу теплую бетонную
смесь укладывают в утепленную опалубку, после укладки и уплот¬
нения смеси открытые поверхности бетона утепляют несгораемыми
теплоизоляционными материалами. Поддержанию положительной
температуры в бетоне способствует выделение тепла гидратации
цемента. Поэтому желательно применять для зимнего бетона быст-
ротвердеющий портландцемент, отличающийся не только быстро¬
той твердения, но и высокой экзотермией.Внутренний запас тепла в бетоне создают, применяя теплые бе¬
тонные смеси, приготовленные на подогретой до 60—90°С воде и
подогретых до 40—60°С заполнителях; цемент не подогревают. Бе¬
тонная смесь при выходе из бетоносмесителя должна иметь темпе¬
ратуру не выше 35—45°С во избежание ее быстрого загустевания, а
смесь на глиноземистом цементе — не выше 25°С. Транспортируют
бетонную смесь в предварительно прогретых кузовах бетоновозов
и таре, укрывают смесь теплоизоляционным материалом.Область применения экономичного способа термоса значитель¬
но расширяется, если его сочетать с электроразогревом бетонной
смеси перед ее укладкой в опалубку.Электроразогрев бетонной смеси до температуры 70—80°С осу¬
ществляют в специально оборудованных для этого бункерах
(рис. 115, 116) и бадьях, а также в кузовах автомобилей; в процес¬
се разогрева смеси емкость должна соединяться с проводом, иду¬
щим к защитному заземлению. Разогрев производят на огорожен¬
ной площадке с соблюдением правил охраны труда.Прогрев бетона с использованием пара, электрической энергии
или теплого воздуха применяют только при бетонировании тон¬
ких конструкций, когда методом тер¬
моса нельзя достигнуть «распалу-
бочной» прочности бетона в установ¬
ленные сроки.Обогрев бетона паром осущест¬
вляют, пропуская его между двой¬
ной опалубкой, окружающей бетон,
или по металлическим трубам, на¬
ходящимся в бетоне, или по кана¬
лам, вырезанным в опалубке. Пос¬
ледний способ паропрогрева (в «ка¬
пиллярной» опалубке) применяют
для колонн и стен. Паропрогрев
производят насыщенным паром, что¬
бы не допустить высушивания бето¬
на. Предусматривают мероприятия
для удаления конденсата и предот¬
вращения образования наледи. В
252Рис. 115. Схема бункера для подо-
грева бетонной смеси электричес¬
ким током:1 — отбойный брус; 2 — электроизоля¬
ция; 3 — защитная пластина; 4 — ила-
стинчатые электроды; б — затвор; 6 —
подключение нулевого проводатечение 2 сут прогрева паром
с температурой 60—80°С проч¬
ность бетона достигает 55—65% от проектной марки. Од¬
нако всем способам паропро¬
грева свойственны общие недо¬
статки: необходимость исполь¬
зования громоздкого и дорого¬
го паросилового хозяйства,
коммуникаций и устройств для
осуществления паропрогрева,
низкий коэффициент полезного
действия этих устройств.Использование электриче¬
ского тока для прогрева бетона
позволяет избежать этих недо¬
статков. Однако электропро¬
грев эффективен только при
строгом контроле за процессом
прогрева и осуществлением ме¬
роприятий по охране труда.Электропрогрев бетона ар- Рис- 116- Ук-"адка разогретой бетонной
и смесимированных конструкции осу¬
ществляют, пропуская черезбетон переменный ток напряжением не выше 127 В. Прогрев при
напряжениях 127 и 220 В допускается только на основании специ¬
ально разработанного проекта производства работ. Неармирован-
цые бетонные конструкции могут прогреваться при напряжениях
до 380 В, так как исключается возможность короткого замыкания
на арматуру. Электропрогрев бетона производят с соблюдением
правил охраны труда. В частности, его прекращают в сырую пого¬
ду; допускаемое напряжение снижается до 60 В, если в данномместе ведутся другие работы.При использовании любого способа прогрева бетона температу¬
ра бетонной смеси, уложенной в опалубку, перед прогревом долж¬
на быть не ниже +5°С. Нагревают бетон постепенно во избежание
высушивания и появления трещин со скоростью 8—15°С в 1 ч и до¬
водят температуру до 60—80°С в зависимости от вида применяемо¬
го цемента и модуля поверхности. По мере твердения влажность
бетона снижается, электрическое сопротивление возрастает, поэто¬
му напряжение приходится постепенно повышать. В течение 1,5—
2 сут прогрева бетон приобретает 50—60% проектной прочности.
Остывание монолитного бетона после прогрева тоже должно бытьпостепенным — со скоростью 5—10°С в 1 ч.Индукционный прогрев густоармированных монолитных конст¬
рукций избавляет от опасности замыкания электродов на армату¬
ру, его применяют для каркасных конструкций, возводимых в ме¬
таллической н неметаллической опалубке. Однако количество теп¬
ла, выделяемого в конструкции с металлической опалубкой, будет253
больше, так как здесь увеличивается площадь источников тепла.
При индукционном прогреве вокруг обогреваемой конструкции
укладывают индуктор — витки изолированного провода. У торцов
конструкции, соприкасающихся с холодным воздухом, витков боль¬
ше, чтобы компенсировать потери тепла. Для сохранения тепла
поверхности укрывают теплоизоляционным материалом. Скорость
индукционного разогрева конструкций с модулем поверхности от 6
до 10 равна 5—10°С, а продолжительность прогрева зависит от тре¬
буемой прочности бетона.Индукционный прогрев бетона выгодно отличается от электро¬
прогрева: не нужно тратить металл на электроды, более равномер¬
ный прогрев бетона, поэтому качество бетона густоармированных
каркасных монолитных конструкций более высокое.Обогрев инфракрасными лучами применяют при зимнем бетони¬
ровании монолитных железобетонных конструкций и при заделке
стыков раствором и бетоном. Для обогрева бетона применяют ге¬
нераторы инфракрасного излучения в виде стержней и трубок, на¬
греваемых до 600—1000°С. Поверхность конструкции покрывают
влагонепроницаемой (например, полиамидной) пленкой, предотвра¬
щающей испарение воды из бетона. Синтетическая пленка хорошо
пропускает инфракрасные лучи (поглощение не превышает 5—
10%). Данный метод привлекает простотой генерирования инфра¬
красного излучения, возможностью направлять поток излучения
рефлекторами. Однако прогрев лучистой энергией действует на
слой бетона толщиной 15—20 см, поэтому он пригоден для сравни¬
тельно тонких монолитных конструкций. При бетонировании мас¬
сивных и железобетонных конструкций инфракрасный прогрев мож¬
но использовать как своеобразную тепловую защиту в сочетании с
методом термоса.Безобогревиый метод зимнего бетонирования (или метод «холод¬
ного» бетона) отличается простотой и дешевизной. Бетонную
смесь приготовляют на воде, в которой растворены соли, понижаю¬
щие температуру ее замерзания и ускоряющие твердение бетона,
поэтому свежеуложенный бетон не замерзает даже при сильном
морозе, на холоде продолжаются, химические реакции гидратации
цемента, и бетон набирает прочность. Лучшими противоморозны-Таблица 36Количество противоморозных добавок, % от массы цементаТемпература твердения
бетона, °СКоличество добавокNaCl+CaClBк.со,NaNO,—52+05—64—6— 103,5+1,56—86—8— 153+4,5а—ю8—10—2010—12——25"12—15254ми добавками являются хлористые соли натрия и кальция, которые
рекомендуется применять одновременно, а также поташ (К2СО3) и
нитрит натрия (NaNCh). Понижение температуры замерзания воды
затворения пропорционально концентрации растворенного вещест¬
ва в растворе. Поэтому оптимальная добавка соли возрастает приусилении морозов (табл. 36).Раствор солей — электролитов усиливает коррозию стальной ар¬
матуры, поэтому бетоны с противоморозными добавками нельзя
применить в предварительно напряженных конструкциях.Сильные электролиты NaCl и СаСЬ можно использовать толь¬
ко в конструкциях неармированных или армированных нерасчет¬
ной арматурой с защитным слоем не менее 5 см. Добавки же по¬
таша и нитрита натрия можно использовать при бетонировании как
бетонных, так и обычных железобетонных монолитных конструк¬
ций. Хлористые соли и поташ сильно ускоряют схватывание бетон¬
ной смеси, поэтому нередко эти добавки сочетают с замедлителя¬
ми схватывания портландцемента.
РАЗДЕЛ VIСТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫГлава 37
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯСтроительный раствор — это искусственный каменный материал,
полученный в результате затвердевания растворной смеси, состоя¬
щей из вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя и добавок,
улучшающих свойства смеси и растворов. Крупный заполнитель от¬
сутствует, так как раствор применяют в виде тонких слоев (шов
каменной кладкигштукатурка и т. п.).Для изготовления строительных растворов чаще используют не¬
органические вяжущие вещества (цементы, воздушную известь и
строительный гипс). В дорожном строительстве и в специальных
работах (устройство стяжек, защитных антикоррозионных слоев)
находят применение растворы, основанные на битумных и поли¬
мерных вяжущих; в состав этих растворных смесей вода не
входит.Строительные растворы разделяют в зависимости от вида вяжу¬
щего вещества, величины объемной массы и назначения.По виду вяжущего различают растворы цементные, известко¬
вые, гипсовые и смешанные (цементно-известковые, цементно-гли¬
няные, известково-гипсовые и др.).По объемной массе различают: тяжелые растворы объемной
массой более 1500 кг/м3, изготовляемые обычно на кварцевом пес¬
ке; легкие растворы объемной массой менее 1500 кг/м3, изготовляе¬
мые на пористом мелком заполнителе и с порообразующими добав¬
ками.По назначению различают строительные растворы: кладоч¬
ные — для каменной кладки стен, фундаментов, столбов, сводов
и др.; штукатурные — для оштукатуривания внутренних стен, по¬
толков, фасадов зданий; монтажные — для заполнения швов меж¬
ду крупными элементами (панелями, блоками и т. п.) при монтаже
зданий и сооружений из готовых сборных конструкций и деталей;
специальные растворы (декоративные, гидроизоляционные, тампо-
нажныеидр.).266Глава 38
РАСТВОРНЫЕ СМЕСИ§ 1. Материалы для изготовления растворных смесейВяжущие вещества. Применяют портландцемент и шлакопорт*
ландцемент, принимают марку цемента в 3—4 раза выше марки
раствора. Воздушную известь в виде известкового теста вводят в
смеситель при изготовлении растворной смеси; реже используют
молотую негашеную известь. Строительный гипс входит в состав
гипсовых и известково-гипсовых растворов.Пески применяют природные — кварцевые, полевошпатовые, а
также искусственные дробленые — из плотных горных пород и из
пористых пород и искусственных материалов (пемзовые, керамзи¬
товые, перлитовые и т. п.). Пористые пески служат для приготов¬
ления легких растворов. Если песок содержит крупные включения
(комья глины и др.), то его просеивают. Для кирпичной кладки
применяют растворы на песках с зернами не более 2 мм. Для рас¬
творов Ml00 и выше пески должны удовлетворять тем же требова¬
ниям в отношении содержания вредных примесей, что и пески для
изготовления бетона. Для растворов М50 и ниже допускается по
соглашению сторон согласно ГОСТ 8736—77 содержание пылевид¬
ных частиц (проходящих через сито с сеткой № 014) до 20% по
массе.Пластифицирующие добавки. Чаще всего растворные смеси
укладывают тонким слоем на пористое основание, способное отса¬
сывать воду (кирпич, бетоны легкие, ячеистые и т. п.). Чтобы сохра¬
нить удобоукладываемость растворных смесей при укладке на по¬
ристое основание, в них вводят неорганические и органические пла¬
стифицирующие добавки, повышающие способность растворной
смеси удерживать воду.Неорганические дисперсные добавки состоят из мелких частиц,
хорошо удерживающих воду, (известь, глина, зола ТЭС, диатомит,
молотый доменный шлак и т. п.). Глина, используемая в качестве
пластифицирующей добавки, не должна содержать органических
примесей и легкорастворимых солей, вызывающих появление «вы¬
цветов» на фасадах зданий. Глину вводят в растворную смесь в
виде жидкого теста.Органические поверхностно-активные пластифицирующие и воз¬
духововлекающие добавки: омыленный древесный пек, канифоль¬
ное мыло, мыленафт, СДБ и другие вводят в количестве 0,1—0,3%
от массы вяжущего. Они не только улучшают удобоукладываемость
растворных смесей, но также повышают морозостойкость, снижают
водопоглощение и усадку раствора.В растворы, применяемые для зимней кладки и штукатурки, до~
бавляют ускорители твердения, понижающие температуру замер¬
зания растворной смеси: хлористый кальций, поташ, хлористый
натрий, хлорную известь и др.9-664 257
§ 2. Свойства растворных смесейУдобоукладываемость — это свойство растворной смеси легко
укладываться плотным и тонким слоем на пористое основание и не
расслаиваться при хранении, перевозке и перекачивании растворо-
насосами. Она зависит от подвижности и водоудерживающей спо¬
собности смеси.Подвижность растворных смесей характеризуется глубиной по¬
гружения металлического конуса стандартного прибора (массой
300 г). Подвижность назначают в зависимости от вида раствора и
отсасывающей способности основания. Для кирпичной кладки под¬
вижность растворов составляет 9—13 см, для заполнения швов
между панелями и другими сборными элементами — 4—6 см, а для
вибрированной бутовой кладки — 1—3 см.Водоудерживающая способность — это свойство растворной сме¬
си сохранять воду при укладке на пористое основание, что необхо¬
димо для сохранения подвижности смеси, предотвращения расслое¬
ния и хорошего сцепления раствора с пористым основанием (кир¬
пичом и т. п.). Водоудерживающую способность увеличивают
путем введения в растворную смесь неорганических дисперсных до¬
бавок и органических пластификаторов. Смесь с этими добавками
отдает воду пористому основанию постепенно, при этом он стано¬
вится плотнее, хорошо сцепляется с кирпичом., отчего кладка ста¬
новится прочнее.Удобоукладываемую растворную смесь получают, если правиль¬
но назначен зерновой состав ее твердых составляющих, определяе¬
мый соотношением песка, вяжущего и дисперсной добавки. Тесто
вяжущего заполняет пустоты между зернами песка и равномерно
покрывает песчинки тонким слоем, уменьшая внутреннее трение.
С удобоукладываемой растворной смесью удобно работать (камен¬
щики говорят — мягкая и не тянется за кельмой), в результате по¬
вышается производительность труда. От удобоукладываемости рас¬
творной смеси зависит качество каменной кладки. Правильно по¬
добранная растворная смесь заполняет неровности, трещины, уг¬
лубления в кирпиче или камне, поэтому получается большая
площадь контакта между раствором и кирпичом (камнем), в ре¬
зультате прочность и монолитность кладки возрастает. Увеличива¬
ется и долговечность наружных стен.Глава 39
РАСТВОРЫ
§ 1. Кладочные, монтажные и штукатурные растворыОсновными свойствами растворов являются: прочность (марка)
к заданному сроку твердения, сцепление с основанием, морозо¬
стойкость и деформативные характеристики: усадка в процессе258твердения, влияющая на трещиностойкость, модуль упругости, ко¬
эффициент Пуассона.Прочность при сжатии определяют испытанием образцов — ку¬
биков с длиной ребра 7,07 см в возрасте, установленном в стандар¬
те или технических условиях на данный вид раствора. Изготовле¬
ние образцов из растворной смеси подвижностью менее 5 см про¬
изводят в обычных фор¬
мах с поддоном, а из
смеси с подвижностью
5 см и более — в фор¬
мах без поддона, уста¬
новленных на отсасы¬
вающем основании —
кирпиче (покрытом
смоченной водой газет¬
ной бумагой).Прочность цемент¬
ного раствора при от¬
сутствии отсоса воды
определяется теми же
факторами, что и проч¬
ность бетона; зависи¬
мость предела прочно¬
сти раствора при сжа¬
тии R2& от активности
цемента Яц и цементо¬
водного отношения оп¬
ределяется формулой
Н. А. ПоповаRis — **'ц \“>/" ->“/•Прочность раствора, уложенного на пористое основание (кир¬
пич), удобно выразить в зависимости от расхода вяжущего вещест¬
ва, а не от Ц/В, поскольку после отсоса воды основанием в раство¬
ре остается примерно одинаковое количество воды:Ru=*kRa( Ц-0,05)+ 4.Приведенная формула Н. А. Попова применима для цементно-
известковых растворов: Ц — расход цемента, т/м3 песка; коэффици¬
ент k зависит от качества песка: для крупного песка — 2,2, песка
средней крупности — 1,8, мелкого песка — 1,4.Прочность смешанных растворов зависит от количества введен¬
ной в раствор извести или глины. Оптимальная добавка известко¬
вого или глиняного теста, позволяющая получить удобоукладывае-
мые растворные смеси и плотные растворы, соответствует макси¬
муму на кривых прочности, приведенных на рис. 117 для раствор¬
ных смесей разного состава — от «жирных» состава 1 :3 до
«тощих» состава 1:2:9; состав указан в объемных частях — це¬
мент: тесто (известковое, глиняное): песок. На основании законо-Рис. 117. Общий характер влияния (по. Н. А. По¬
пову) дисперсных добавок (извести, глины) на
прочность растворов состава (цемент: песок по
объему):J — 1:3; 2— 1:4: 3—1:5; 4 — 1 ; в; 5 — 1:9ПА.Г? ГТТ/R n9*259
мерностей, управляющих прочностью растворов (они приведены
выше в виде формул и графиков), составлены таблицы рекомендуе¬
мых составов разных марок, которыми широко пользуются на прак¬
тике.Строительные растворы по прочности в 28-суточном возрасте
при сжатии делят на марки: М4, М10, М25, М50, М75, М100, М150,
М200 *. Растворы М4 и М10 изготовляют на местных вяжущих
(воздушной и гидравлической извести и Др.).Для каменной кладки наружных стен зданий применяют глав¬
ным образом цементные и смешанные растворы (цементно-извест¬
ковые и цементно-глиняные) М10, М25 и М50 в зависимости от
влажностных условий и требуемой долговечности здания. В кладке
перемычек, простенков, карнизов, столбов марка может быть по¬
вышена до М100.Виброкирпичные панели изготовляют с применением растворов.
М75, М100, М150, приготовленных на портландцементе и шлако-
портландцементе.Монтажные растворы для заполнения горизонтальных швов при
монтаже стен из легкобетонных панелей должны иметь марку не
ниже М50, а для панелей из тяжелого бетона — не ниже М100.Минимальные расходы цемента для растворов различного наз¬
начения 75—125 кг/м3 песка принимают для подземной кладки зда¬
ний в зависимости от относительной влажности воздуха в помеще¬
ниях, а для кладки фундаментов— в соответствии с влажностью
грунтов.Для кладки во влажных грунтах и ниже уровня грунтовых вод
применяют растворы на портландцементе с активными минеральны¬
ми добавками или на шлакопортландцементе (с минимальным рас¬
ходом цемента 125 кг/м3).Понижение температуры замедляет рост прочности растворов:Температура твердения, °С1510152025Предел прочности при сжатии в 28-су¬
точном возрасте, % от R2a при 15°С557288100106110Следовательно, при низких положительных температурах проч¬
ность раствора в возрасте 28 сут составляет 55—72% от марки.
Поэтому в зимнее время широко применяют растворы с химиче¬
скими добавками (поташа, нитрита натрия и др.), понижающими
температуру замерзания раствора и ускоряющими набор его проч¬
ности. Зимой марку раствора для каменной кладки (без тепляков)
и монтажа крупнопанельных стен обычно повышают на одну сту¬
пень против марки при летних работах (например, М75 вместо
М50).* Мелкозернистые бетоны, применяемые для изготовления железобетонных
и бетонных конструкций, могут иметь и более высокие марки.£60Морозостойкость раствора характеризуется числом циклов по¬
переменного замораживания и оттаивания, которое выдерживают
насыщенные водой стандартные образцы-кубики размером 7,07X7,
0,7X7,07 см (допускается снижение прочности образцов не более
25% и потеря массы не свыше 5%).- Строительные растворы для каменной кладки наружных стен
и наружной штукатурки имеют марки по морозостойкости: МрзЮ,
Мрз15, Мрз25, Мрз35 и Мрз50, причем марка повышается для
влажных условий эксплуатации. В таких условиях растворы удов¬
летворяют и более высоким требованиям по морозостойкости:
МрзШО, Мрз150, Мрз200 и МрзЗОО. Морозостойкость растворов за¬
висит от вида вяжущего вещества, водоцементного отношения, вве¬
денных добавок и условий твердения.§ 2. Специальные растворыДекоративные растворы предназначены для отделочных слоев
стеновых панелей и блоков, наружной и внутренней отделки зда¬
ний. Эти растворы изготовляют ка белом, цветном и обыч¬
ном портландцементах; для цветных штукатурок внутри зда¬
ний применяют также строительный гипс и известь. Заполнителем
служит чистый кварцевый песок либо дробленые пески из белого
известняка, мрамора и т. п. Для лицевого отделочного слоя пане¬
лей наружных стен (из легкого бетона) применяют раствор М50,
для отделки железобетонных конструкций — М150 с морозостойко¬
стью не ниже Мрз35.Гидроизоляционные растворы для гидроизоляционных слоев и
штукатурок обычно изготовляют состава 1 : 2,5 или 1 : 3,5 (цемент:
песок по массе), применяя портландцемент, расширяющиеся цемен¬
ты, сульфатостойкий портландцемент.Инъекционные цементные растворы применяют для заполнения
каналов в предварительно напряженных конструкциях и уплотне¬
ния бетона. Марка раствора должна быть не ниже М300, поэтому
используют портландцемент М400—М500.Тампонажные растворы предназначены для гидроизоляции сква¬
жин, шахтных стволов и туннелей путем закрытия водоносных грун¬
тов, трещин и пустот в горных породах и заполнения закрепленно¬
го пространства. Вяжущим в этих растворах служит специальный
тампонажный портландцемент, а в агрессивных водах — сульфато¬
стойкий портландцемент.Рентгенозащитный раствор приготовляют на баритовом песке
(BaS04) (предельной крупностью 1,25 мм), применяя портланд¬
цемент или шлакопортландцемент. В него вводят добавки, содер¬
жащие легкие элементы: литий, бор и др.
РАЗДЕЛ VIIИСКУССТВЕННЫЕ КАМЕННЫЕ НЕОБОЖЖЕННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯГлава 40
АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
§ 1. Материалы для изготовления асбестоцементаАсбестоцемент является цементным композиционным материа¬
лом, упрочненным асбестовым волокном.Асбест. Применяют, главным образом, хризотил-асбест, отчас¬
ти амфиболовые асбесты. Волокна хризотил-асбеста в виде тонких
трубочек разной длины имеют внутренний диаметр 50 А, наружный
диаметр 360—430 А, толщину стенки 155—190 А. Для асбестоце¬
мента применяют асбест 3—6-го сортов, в котором длина волокни¬
стых частиц изменяется от 10 мм до нескольких сотых мм, а содер¬
жание их составляет 50—24% по массе. Остальные 50—76% при¬
ходятся на долю пылевидных и других неволокнистых частиц,
В некоторых случаях 10—15% асбеста заменяют базальтовой ми¬
неральной ватой или шлаковой ватой.Цемент. В качестве вяжущего используют специальный «порт¬
ландцемент для асбестоцементных изделий» М400 и М500, выпус¬
каемый по ГОСТ 9835—77 из клинкера с содержанием 3Ca0-Si02
не менее 52%, ЗСа0-А1203—3—8%, CaOCBs£l%, MgO<5%, гипса
(в пересчете на SO3) — 1,5—3,5%. Тонкость помола цемента харак¬
теризуется удельной поверхностью 2200—3200 см2/г; начало схваты¬
вания — не ранее 1 ч 30 мин, конец — не позднее 10 ч от начала за¬
творения. Применяют также песчанистый портландцемент с добав¬
кой 38—45% молотого песка (при автоклавном твердении изделий),
а также белый портландцемент и цветные цементы.Большая удельная поверхность асбестового волокна, достигаю¬
щая 15—30 м2/г, обусловливает его высокую адсорбционную спо¬
собность.В приготовленной исходной массе волокна асбеста должны рас¬
пределяться равномерно. Адсорбируя выделяющиеся при твердении
цемента продукты гидратации, асбест уменьшает их концентрацию
в растворе. Это ускоряет схватывание и твердение цемента, а це¬
ментный камень прочно связывается с волокнами асбеста. При
дальнейшем твердении прочность связи волокон асбеста с цемен¬
тным камнем в асбестоцементных изделиях нарастает,262§ 2. Понятие об изготовлении асбестоцементных изделийПроизводство асбестоцементных изделий включает следующие
операции: 1) расщепление (распушка) асбеста на тонкие волокна;2) приготовление асбестоцементной суспензии; 3) отфильтрование
из жидкой асбестоцементной массы тонкого полотна; 4) формова¬
ние из него изделий: волнистых (кровельных) и плоских листов,
труб, вентиляционных коробов и др.; придание изделиям нужной
плотности и формы путем прессования, выгибания, резки (для обес¬
печения нужных размеров); 5) твердение изделий в пропарочных
камерах, водных бассейнах, в автоклавах и выдерживание их в
утепленных складках до приобретения нужной прочности.Рис. 118. Асбестоцементные волнистые листы унифициро¬
ванного профиля:
а — профиль листа; б — детали профиляРаспушку асбеста производят, обрабатывая его на бегунах, а
затем в голлендере. Голлендер представляет собой резервуар, внут¬
ри которого вращается барабан с ножами. В голлендоре смешива¬
ют цемент, воду и асбест. Из голлендера полученная масса идет в
ковшевую мешалку, а затем поступает в формовочную машину
(листоформовочную или трубоформовочную). Рабочая часть листо-
формовочной машины состоит из ванны с асбестоцементной суспен¬
зией и полого каркасного барабана, обтянутого металлической сет¬
кой. При вращении барабана на металлической сетке отфильтровы¬
вается тонкий слой асбестоцемента, который снимает бесконечная
лента технического сукна и переносит на металлический форматный
барабан, навивающий концентрические слои асбестоцементной
смеси. Когда слой асбестоцемента на форматном барабане достиг¬
нет нужной толщины, его разрезают по образующей цилиндра.
Получаемый сырой асбестоцементный лист поступает на конвейер
для дальнейшей обработки: его разрезают по требуемым разме¬
рам, прессуют под давлением 30—40 МПа, а для получения профи¬
лированных листов волнируют. Асбестоцементные листы СВ и УВ
имеют одну пониженную волну 1 (рис. 118, б), которая при мон-263
таже кровли должна быть перекрыта волной нормальной высоты
соседнего листа.Для изготовления труб применяют съемные форматные бараба¬
ны, диаметр которых соответствует внутреннему диаметру трубы.
Навивающиеся на сердечник слои асбестоцементной массы опрес-
совываются. Когда стенка трубы достигнет нужной толщины, фор¬
матный барабан (сердечник) снимают и устанавливают новый. От¬
формованную же трубу снимают с форматного барабана и отправ¬
ляют в водные бассейны или пропарочные камеры. Твердение
изделий завершается в утепленных складах.Кроме описанного выше «мокрого способа» формования асбес¬
тоцементных изделий применяют полусухой и сухой способы.При полусухом способе изделия формуют из концентрирован¬
ной (сметанообразной) массы с влажностью 30—35% на специаль¬
ных машинах бесслойного формования изделий при сильном уплот¬
нении.При сухом способе формования производят распушку асбеста
и смешивание его с цементом и молотым песком в сухом состоянии.
Затем эту смесь, увлажненную до 14—16%, уплотняют на конвей¬
ерной линии под прессом или валками; изделия (плитки для по¬
лов и облицовки) твердеют в автоклавах при температуре 175°С.§ 3. Механические свойства асбестоцементаМеханические свойства асбестоцемента зависят от содержания
асбестового волокна и его качества (длины и диаметра волокон),
активности цемента, плотности асбестоцемента, условий твердения
и др.Асбест служит минеральной дисперсной арматурой, которая зна¬
чительно повышает прочность цементного камня при растяжении.
Прочность при растяжении волокна распушенного асбеста около
700 МПа; по прочности он не уступает лучшим маркам арматурной
стали.При обычном принятом в производстве асбестоцементных изде¬
лий содержании асбеста в асбестоцементе (около 15%) прочность
асбестоцемента выше прочности цементного камня: при растяжении
в 3—5 раз, при изгибе в 2—3 раза (табл. 37).Таблица 37Прочность и растяжимость асбестоцемента и цементного камня
(по данным И. И. Бернея)Вид материалаОбъемнаяПредел прочности, МПвПредельнаямасса, г/см*при растяже¬
ниипри изгиберастяжимостьХ10*Асбестоцемент в листах
Цементный камень1,6—1,8
1,7—28,8—11,23,44—4,4217,2—24,59,1—11,816—83—1,5Примечание. Объемная масса асбестоцемента в иепрессованных изделиях 1.6—1.7 г/см3
прессованных 1,В г/см*.264' Прочность асбестоцемента обусловлена его плотностью, прочно¬
стью сцепления цементного камня с волокном, содержащим волок¬
на, и степенью его распушки. Все эти факторы регулируют в тех¬
нологическом процессе производства асбестоцементных изделий.Согласно теории прочности асбестоцемента, развитой П. Н. Со¬
коловым, между длиной волокна / и его диаметром d должно соб¬
людаться соотношение, определяемое зависимостью{Ud) Крит = ^?а-р/^т0>где Яар = 630 МПа — предел прочности при растяжении асбесто¬
вого волокна; то — предел прочности при сдвиге волокна относи¬
тельно матрицы (цементного камня).Из приведенной зависимости следует, что, увеличивая связь ас¬
бестового волокна с матрицей, можно повысить использование ко¬
ротких волн, у которых l/d невелико. Например, у непрессованных
листов то~4 МПа, а у прессованных т0 повышается до 6 МПа, по¬
этому (//й)Крит может быть снижено с 73 до 52. Если степень рас¬
пушки асбеста будет излишней — l/d>(l/d)Kpит, то разрушение ас¬
бестоцемента произойдет вследствие разрыва волокна; при недоста¬
точной распушке прочность волокон используется не полностью.Положительной особенностью асбестоцемента является его вы¬
сокая растяжимость (8—16) -10—превышающая растяжимость це¬
ментного камня в 6—10 раз.Из приведенных данных видно, что конструктивные качества
асбестоцемента (особенно прочность при растяжении и изгибе) вы¬
ше, чем у бетона. К недостаткам асбестоцемента относится хруп¬
кость, склонность к короблению. Эти недостатки устраняют техно¬
логическими и конструктивными методами, применяя прессование и
автоклавную обработку, армирование крупноразмерных изделий
и др.§ 4. Виды асбестоцементных изделийАсбестоцементные изделия подразделяют согласно ГОСТ
22739—77 на листы, панели и плиты, трубы и фасонные детали
к ним.Асбестоцементные листы в зависимости от назначения выпуска¬
ют: кровельные, стеновые, облицовочные, для элементов строитель¬
ных конструкций,электротехнические.По форме различают листы: 1) плоские (прессованные и непрес¬
сованные), 2) профилированные (волнистые, двоякой кривизны и
фигурные).Волнистые листы в зависимости от высоты волны бывают трех
видов: листы низкого профиля — при высоте волны до 30 мм, сред¬
него профиля — при высоте волны 31—42 мм, высокого профиля —
от 43 мм и более. Листы изготовляют естественного серого цвета
и окрашенные или офактуренные, мелкоразмерные — длиной до
2000 мм и крупноразмерные — длиной 2000 мм и более.Асбестоцементные волнистые листы унифицированного профи-265
ля УВ согласно ГОСТ 16233—77 имеют шестиволновый профиль
(рис. 118); ширина листа 1125 мм, длина 1750, 2000 или 2500 мм,
толщина 6,0 и 7,5 мм. Обозначение У В-7,5-1750 указывает толщи¬
ну и длину листа в мм. Высота волны: перекрываемой — 45 мм, пе¬
рекрывающей — 54 мм.Назначение листов типа УВ зависит от их характеристик;Для чердачных кровель жилых и об¬
щественных зданий и сооружений УВ-6-1750
Для свесов чердачных кровель и сте¬
новых ограждений производствен¬
ных зданий УВ-6-2000Для стеновых ограждений зданий исооружений УВ-6-2500Для кровель производственных зда¬
ний Для доборных элементов кровель про¬
изводственных зданий и сооруженийУВ-7,5-1750
УВ-7,5-2000
УВ-7,5-2500Листы и детали кровли (коньковые, переходные, уголковые и
др.) должны быть морозостойкими — выдерживать следующее чис¬
ло циклов попеременного замораживания и оттаивания: листы
УВ-6 и детали — 25 циклов, листы УВ-7,5—50 циклов.Листы типа УВ выпускают с государственным Знаком качест¬
ва, высшего и первого сортов с физико-механическими показателя¬
ми, указанными в табл. 38.Таблица 38Физико-механические показатели листов унифицированного профиляНормы для листовНаименованиес государствен-
ним Знаком ка*
чествавысший сортпервый сортУВ-61 УВ-7,5УВ-6УВ-7,5УВ-6УВ-7,5Объемная масса, г/см3, не
менее1,71,751,71,751,651,7Сосредоточенная нагрузка от
штампа, Н, не менее
Предел прочности при изги¬
бе, МПа, не менее16172303147021561470215618,120,617,619,615,718,6Ударная вязкость, кДж/м2,
не менее1,61,81,51,61,41,5Листы среднего профиля СВ имеют восьмиволновый или семи¬
волновый профиль; высота волны 32—40 мм, ширина листов — 980
или 1130 мм, длина 1750, 2000 и 2500 мм, толщина 5,8 и 6 мм. Они
применяются для устройства кровель жилых, общественных и сель¬
скохозяйственных зданий и стеновых ограждений производственных
зданий.Листы обыкновенного профиля ВО имеют шестиволновый про¬
филь; высота волны 28 мм, ширина листов 686 мм, длина 1200 мм,
266Таблица 39Физико-механические показатели плоских листов—— ■ -Нормы для листовпрессованных |непрессованныхНаименованиеВЫСШИЙсорт (А)первый
сорт (Б)высший
сорт (А)первый
сорт (Б)Объемная масса, г/см3, не1,81,751,61,5менееПредел прочности при из--
гибе, МПа, не менееМорозостойкость: количе¬
ство циклов попеременного
замораживания и оттаивания
(при сохранении 90% оста¬
точной прочности)2450232518251725толщина 5,5 мм. Предназначены для устройства кровель жилых иобщественных зданий.Листы волнистые усиленного профиля: кровельные ВУ-К и сте¬
новые ВУ-С имеют шестиволновый профиль; высота волны 50 мм,
ширина листов 1000 мм, длина 2800 мм, толщина 8 мм. Служат для
устройства кровель и стеновых ограждений производственных зда¬
ний и сооружений.Асбестоцементные плоские листы согласно стандарту СТ СЭВ
827—77 выпускают толщиной 4, 5, 6, 8, 10 и 12 мм, шириной 800,
1200, 1500 мм и длиной 2000, 2500, 3200, 3600 мм.Физико-механические показатели листов соответствуют требова¬
ниям, приведенным в табл. 39.Панели и плиты подразделяют по назначению на кровельные
(покрытия, поднесные потолки), стеновые и перегородки. Их изго¬
товляют преимущественно сборными (из отдельных элементов), ре-
же цельноформованными. По конструкции панели и плиты разде¬
ляют на неутепленные, утепленные и акустические. Плиты утеплен¬
ные для покрытий промышленных зданий (рис. 119) изготовляют
двух типов: рядовые — АП
(основной тип) и краевые —АПК (доборные).Асбоцементные трубы
выпускают следующего на¬
значения: водопроводные
(напорные и безнапорные),
газопроводные, канализаци¬
онные, вентиляционные, об- ~ . ,, ~ ’ Рис. 119. Асбестоцементная полая утеплен-садные и муфты. Трубы име- ная плита для покрытий промышленныхют круглое либо прямоуголь- зданий:Ное поперечное сечение. На- / — асбестоцементные фигурные листы; 2— алю-
__ миниевые заклепки; 3 — утеплитель; 4 — опорные„порные водопроводные тру- бобышки267
бы по максимальному рабочему давлению подразделяют на классы:
до 0,6 МПа —класс ВТ6, до 0,9 МПа — класс ВТ9, до 1,2 МПа —
класс ВТ12, до 1,5 МПа — класс ВТ15, до 1,8 МПа — класс ВТ18.Муфты асбоцементные самоуплотняющиеся типа САМ предназ¬
начены для соединения асбоцементных труб. Соединение типа
САМ состоит из асбоцементной муфты с проточенными пазами и
двух резиновых манжет. Эффект самоуплотнения достигается бла¬
годаря давлению воды, которое передается на стенки цилиндриче¬
ских углублений в манжетах и плотно прижимает их к уплотняе¬
мым поверхностям груб и муфт.Газопроводные трубы по максимальному рабочему давлению
подразделяют на марки: ГАЗ-НД — для газопроводов низкого дав¬
ления (до 0,005 МПа), ГАЗ-СД — для среднего давления
(до 0,3 МПа),Глгва 41
АВТОКЛАВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ§ 1. Понятие об автоклавной технологииПроизводство автоклавных строительных материалов базирует¬
ся на гидротермальном синтезе гидросиликатов кальция, который
осуществляется в реакторе-автоклаве в среде насыщенного водя¬
ного пара давлением 0,8—1,3 МПа и температурой 175—200°С. Для
гидротермального синтеза можно использовать при надлежащем
обосновании иные параметры автоклавизации, применять обработ¬
ку не только паром, но и паровоздушной или парогазовой смесью,
водой.Силикатные автоклавные материалы — это бесцементные мате¬
риалы и изделия (силикатные бетоны, силикатный кирпич, камни,
блоки), приготовленные из сырьевой смеси, содержащей известь
(гашеную или молотую негашеную), кварцевый песок и воду, ко¬
торые образуют в процессе автоклавной обработки гидросиликаты
кальция:Са(ОН)2 -{- SiOa -f- m Н20 = CaO • SiOa • n H20В условиях автоклавной обработки можно получить различные
гидросиликаты кальция в зависимости от состава исходной смеси:
тоберморит 5Ca0-6Si0.2-5H20, слабо закристаллизованные гидро¬
силикаты: (0,8—1,5) Ca0-Si02-H20—CSH(I) и (1,5—2)СаОХ
XSi02H20—CSH(II). В высокоизвестковых смесях синтезируется
гиллебрандит 2Ca0-Si02-H20.Автоклав представляет собой горизонтально расположенный
стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крыш¬
ками (рис. 120). Диаметр автоклава — 2,6—3,6 м, длина — 21—
30 м. Автоклав снабжен манометром, показывающим давление па¬
ра, и предохранительным клапаном, автоматически открывающим*
2G8ся при повышении давления выше предельного. В нижней части
автоклава уложены рельсы, по которым передвигаются загружен¬
ные в автоклав “вагонетки с изделиями. Автоклав оборудован
устройствами для автоматического контроля и управления режи¬
мом автоклавной обработки. Для уменьшения теплопотерь авто¬
клав покрыт слоем теплоизоляции.После загрузки автоклав закрывают и в него постепенно впус¬
кают насыщенный пар. Высокая температура при наличии в бето¬
не воды в капельно-жидком состоянии создает благоприятные ус¬
ловия для химического взаимодействия между гидратом окиси
кальция и кремнеземом.По П. И. Боженову * автоклавная обработка состоит из шести
этапов.Первый этап— от начала впуска пара до установления в авто¬
клаве температуры 100°С. На этой стадии нагревания наблюдается
большой температурный перепад между поверхностью и серединой
изделия, достигающий 30—50°С и могущий вызвать значительные
температурные напряжения и появление трещин.Второй этап — от начала подъема давления пара до достиже¬
ния максимального давления в автоклаве — сопровождается повы¬
шением температуры от 100°С до максимальной. Пар под давлени¬
ем проникает в поры изделия и конденсируется в них, изделие про¬
гревается во всем объеме, температурный перепад сокращается до
3—5°С.Третий этап — выдержка изделий при постоянных давлении и
температуре; чем выше давление и температура, тем короче про¬
должительность автоклавизации. Иногда третья стадия может от¬
сутствовать (так называемый «пиковый» режим).Четвертый этап начинается с момента снижения давления пара
и температуры, которое необходимо проводить постепенно. На этом
этапе внутренние напряжения в изделиях возникают вследствие
разности температуры и давления в материале и в автоклаве.* Боженов П. И. Технология автоклавных материалов. Л., 1978.269
Пятый этап — остывание изделий от 100 до 18—20°С.Шестой этап — вакуумирование (может добавляться). При ва-
куумировании давление водяного пара внутри изделий примерно на
0,02 МПа выше, чем в автоклаве, поэтому происходит подсушка
изделий и более быстрое их остывание.Следовательно, прочность автоклавных материалов формирует¬
ся в результате взаимодействия двух процессов: 1) структурообра-
зования, обусловленного синтезом гидросиликатов кальция и 2) де¬
структивного, обусловленного внутренними напряжениями.Для снижения внутренних напряжений автоклавную обработку
проводят по определенному режиму, включающему постепенный
подъем давления пара в течение 1,5—2 ч, изотермическую выдерж¬
ку изделий в автоклаве при температуре 175—200°С и давлении
0,8—1,3 МПа в течение 4—8 ч и снижение давления пара в течение2—4 ч. После автоклавной обработки продолжительностью 8—14 ч
получают силикатные бетоны и силикатный кирпич.§ 2. Силикатные бетоныСиликатные бетоны, как и цементные, могут быть тяжелыми
(заполнитель — песок и щебень или песок и песчано-гравийная
смесь), легкими (заполнители пористые — керамзит, вспученный
перлит, аглопорит и др.) и ячеистыми.В силикатном бетоне применяют известково-кремнеземистое вя¬
жущее, в состав которого входят воздушная известь и тонкомоло¬
тый кварцевый песок (взамен песка применяют золу ТЭС, молотый
доменный шлак). Прочность известково-кремнеземистого вяжу¬
щего зависит от активности извести, соотношения СаО/БЮг, тон¬
кости измельчения песка и параметров автоклавной обработки (тем¬
пературы и давления насыщенного пара, длительности автоклавно¬
го твердения). Оптимальным будет такое
соотношение CaO/SiOj и такая тонкость
помола песка, при которых вся СаО бу¬
дет связана в низкоосновные гидросили¬
каты кальция (рис. 121).Изготовление бетонных и железобе¬
тонных изделий включает приготовление
известково-кремнеземистого вяжущего,
приготовление и гомогенизацию силикат¬
нобетонной смеси, формование изделий,
автоклавную обработку. В процессе авто-
клавизации между всеми компонентами
бетона имеют место химические взаимо¬
действия. Заполнитель (в особенности
кварцевый песок) участвует в синтезе
новообразований, подвергаясь изменени¬
ям на глубину до 15 мкм.Тяжелый силикатный бетон объемной
массой 1800—2500 кг/м3 с марками по
2707,5. 15 22,5 27,5
Сокржание молотого
песка, %Рис. 121. Влияние тонкости
помола и содержания квар¬
цевого песка на прочность
силикатного бетона:J — удельная поверхность моло¬
того песка 1500 см’/г; 2 —то же.
2500 см*/г; 3 — то же, 4500 сыг/г
(по данным О. А. Гершберга)прочности 150—800 применяют для изготовления сборных бетонных
и железобетонных конструкций, в том числе предварительно напря¬
женных.§ 3. Силикатный кирпичСиликатный кирпич изготовляется из жесткой смеси кварцевого
песка (92—94%), извести (6—8%, считая на активную СаО) и во¬
ды (7—9%) путем прессования под давлением (15—20 МПа) и по¬
следующего твердения в автоклаве.Цвет силикатного кирпича светло-серый, но он может быть лю¬
бого цвета путем введения в состав смеси щелочестойких пигмен¬
тов. Выпускают кирпич двух видов: одинарный 250x120x65 мм и
модульный 250X120X88 мм. Модульный кирпич изготовляют с
пустотами, чтобы масса одного кирпича не превышала 4,3 кг.В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе си¬
ликатный кирпич имеет марки: 100, 125, 150, 200 и 250.Объемная масса силикатного кирпича (без пустот)—около
1900 кг/м3, т. е. он немного тяжелее обыкновенного глиняного кир¬
пича. Водопоглощение лицевого силикатного кирпича не превышает
14%, а рядового— 16%. Марки по морозостойкости для лицевого
кирпича: Мрз25, Мрз35, Мрз50; для рядового — Мрз15.Силикатный кирпич, как и глиняный, применяют для несущих
стен зданий. Не рекомендуется его применять для цоколей зданий
из-за недостаточной водостойкости. Для кладки труб и печей сили¬
катный кирпич не используют, так как при высокой температуре
дегидратируется Са(ОН)д, разлагаются СаСОз и гидросиликаты
кальция, а зерна кварцевого песка при 600°С расширяются и вызы¬
вают растрескивание кирпича.На производство силикатного кирпича расходуется меньше теп¬
ла, поскольку не требуется сушка и высокотемпературный обжиг,
лоэтому он на 30—40% дешевле глиняного кирпича.
...РАЗДЕЛ VIII
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТЕКЛАГлава 42
ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТЕКЛА§ 1. Химический состав стекла и его свойства«Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем пе¬
реохлаждения расплава, независимо от их химического состава и
температурной области затвердевания и обладающие в результате
постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твер¬
дых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стекло¬
образное должен быть обратимым». Это общее определение стек¬
ла, данное комиссией по терминологии при Академии наук СССР,
охватывает наиболее характерные свойства, присущие любой стек¬
ловидной системе.Для стекловидного состояния характерно наличие небольших
участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие пра¬
вильной пространственной решетки, изотропность свойств, отсутст¬
вие определенной температуры плавления.Строительное стекло содержит (%): 75—80% SiOa, 10—15°/о
СаО, около 15% Na^O.Химическая стойкость стекла зависит от его состава, более стой¬
кими из силикатных стекол являются такие, в которых содержится
мало щелочных окислов. При замене ЫадО на двух-, трех- и четы¬
рехвалентные окислы химическая стойкость стекла повышается.Основными оптическими свойствами стекла является: светопро-
пускание (прозрачность), светопреломление, отражение, рассеива¬
ние и др. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю ви¬
димую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолето¬
вые и инфракрасные лучи. Изменяя химический состав стекла и его
окраску, можно регулировать светопропускание стекла (см. увио-
левое, отражательное, теплозащитное стекло). Показатель прелом¬
ления строительного стекла (1,46—1,53) определяет светопропуска¬
ние при разных углах падения света. Так, при изменении угла
падения света с 0° (перпендикулярно плоскости стекла) до 75° све¬
топропускание стекла уменьшается с 92 до 50%.Плотность обычного стекла 2500 кг/м3, наибольшую плотность
имеют стекла с повышенным содержанием окиси свинца (тяжелые
флинты) — до 6000 кг/м3. Модуль упругости стекол изменяется от
48 000 до 83 000 МПа, для кварцевого стекла — 71 400 МПа. При¬
сутствие окислов СаО и Ва03 (до 12%) повышает модуль упру¬
гости.272Стекло обладает высокой прочностью на сжатие 700—1000 МПа
и малой прочностью при растяжении — 35—85 МПа, Прочность
закаленного стекла в 3—4, иногда в 10—15 раз больше, чем отож¬
женного.Твердость обычных силикатных стекол 5—7 по шкале Мооса.
Кварцевое стекло, а также боросиликатные малощелочные стеклаобладают большой твердостью.Стекло плохо сопротивляется удару, т. е. оно хрупко: прочность
при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. У закаленных об¬
разцов она в 5—7 раз выше, чем у отожженных. Присутствие в
стекле борного ангидрида, окиси магния увеличивает сопротивле¬
ние стекла удару.Теплоемкость стекол определяется их химическим составом. Прикомнатной температуре значения теплоемкости находятся в преде¬
лах от 0,63 до 1,05 кДж/(кг>°С).На термическое расширение стекол также влияет химическийсостав. Наиболее низкий коэффициент температурного расширения
у кварцевого стекла — 5,8-10-7 1/°С, у обычных строительных сте¬
кол — 9-10-® — 15-10-6 1/°С.Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100°С со¬
ставляет 0,4—0,82 Вт/(м-°С). Наибольшую теплопроводность име¬
ет кварцевое стекло— 1,340 Вт/(м-°С). Малой теплопроводностью
обладают стекла, содержащие большое количество щелочных окис¬
лов. Боросиликатные стекла имеют высокую термостойкость, наи¬
более термостойко кварцевое стекло.Электропроводность стекол изменяется с изменением темпера¬
туры. Наибольшее влияние на электропроводность оказывает со¬
держание в них окиси лития; чем больше ее в составе стекла, тем
выше электропроводность. Понижают электропроводность окислы
двухвалентных металлов (больше всего ВаО), а также SiOa и В203.
Следует учитывать поверхностную проводимость стекла, которую
. обусловливает пленка, образующаяся на поверхности стекла в ре¬
зультате гидролиза силикатов. Эта пленка поглощает значительное
количество влаги и вызывает, повышенную активность стекла.Стекло поддается механической обработке: его можно пилить
циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победито¬
выми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать. В пластич¬
ном состоянии, при температуре 800—1000°С, стекло поддается фор¬
мованию. Его можно выдувать, вытягивать в листы, трубки, волок¬
на, можно сваривать.§ 2. Понятие о получении стеклаДля изготовления стекла основным сырьем служат: кварцевый
песок, известняк, сода или сульфат натрия. Варка строительного
силикатного стекла производится в стекловаренных печах при тем¬
пературе до 1500°С.В процессе стекловарения при 800—900°С протекает стадия си-ликатообразования. К концу следующей стадии стеклообразова-273
ния — 1150—1200°С масса становится прозрачной, но в ней еще
содержится много газовых пузырей. Дегазация заканчивается при
1400—1500°С, к ее концу стекломасса освобождается от газовых
включений, свилей и становится однородной. Для достижения нуж¬
ной для формования рабочей вязкости температура массы сни¬
жается на 200—300°С.Вязкость стекломассы зависит от химического состава: окислы
Si02, А1.20з, Zi02 повышают вязкость, Na20, CaO, L20, наоборот, ее
понижают.Переход от жидкого состояния в стеклообразное является об¬
ратимым явлением. При длительном нахождении на воздухе и на¬
гревании некоторых стекол обычная для них аморфная структура
может переходить в кристаллическую; это явление называют рас-
стекловыванием.§ 3. Виды листового стеклаЛистовое стекло используют для остекления оконных, и двер¬
ных проемов, витрин, наружной и внутренней отделки зданий. На¬
ряду с обычными промышленностью вырабатываются специальные
виды листового стекла: теплопоглощающее, увиолевое, армирован¬
ное, закаленное, декоративно-художественное и др. Листовое окон¬
ное стекло вырабатывают трех сортов и в зависимости от толщи¬
ны— шести размеров: 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. С увеличением толщи¬
ны стекла несколько снижается светопропускание. Сорт листового
стекла определяется в зависимости от наличия дефектов, к кото¬
рым относятся: полосность — неровности на поверхности; свиль —
узкие нитевидные полоски; пузыри — газовые включения и др.Витринное стекло изготовляют полированным и неполирован¬
ным. Размеры витринного стекла достигают 3,5X4,5 м при толщине5—12 мм. В строительстве применяют также стекла, обладающие
повышенной прочностью. К ним относятся закаленное и армирован¬
ное стекло. При получении стекла с заданными специальными
свойствами в процессе производства в него добавляют различные
окислы металлов или наносят на стекло покрытия в виде тонкой
пленки металла, окислов или краски. Добавки и покрытия придают
стеклу способность отражать свет или поглощать тепло, могут по¬
высить электропроводность стекла или сообщить ему декоративные
свойства.Отражающее стекло используют для уменьшения нагрева сол¬
нечными лучами и регулирования освещенности. Эти свойства до¬
стигаются путем покрытия, наносимого на стекло в вакуумной ка¬
мере и образующего с ним единое целое. Стекло выпускают двух
типов — «под золото» и «под серебро». Стекло, покрытое хромом,
имеет снаружи серебристый оттенок, причем в дневное время оно
изнутри прозрачно. В сочетании с обычным стеклом может исполь¬
зоваться для изготовления стеклопакетов.Стекло для облицовочных панелей в виде горизонтальных конст¬
руктивных элементов располагают между рядами окон многоэтаж-274ного здания. На внутреннюю поверхность толстого полированного
стекла наносят при нагревании непрозрачное покрытие из керами¬
ческой эмали различного цвета, составляющей единое целое со
стеклом. Покрытие защищается со стороны помещения тонким сло¬
ем алюминия, наносимом в вакууме.Закаленное стекло получают путем нагрева стекла до темпера¬
туры закалки (540—650°С) и последующего быстрого равномерно¬
го охлаждения. Этим добиваются однородного распределения внут¬
ренних напряжений в стекле. Прочность при ударе и предел проч¬
ности при изгибе закаленного стекла в несколько раз выше, чем у
обычного. Листовое закаленное стекло находит применение для ос¬
текления витрин, изготовления стеклянных дверей, балконных и
лестничных ограждений и т. п.Армированное стекло. Стекло армируют металлической сеткой
из отожженной, хромированной или никелированной стальной про¬
волоки. Будучи запрессованной в стекло, металлическая сетка слу¬
жит каркасом, удерживающим мелкие осколки стекла при его по¬
вреждении. Армированное стекло выпускают плоским и волнистым
(рис. 122, а). Волнистое армированное стекло используют в кро¬
вельных конструкциях.Увиолевое стекло получают из шихты с минимальными примеся¬
ми окислов железа, титана, хрома. Увиолевое стекло пропускает
25—75% ультрафиолетовых лучей, т. е. гораздо больше, чем обыч¬
ное оконное стекло, поэтому его используют для остекления оран¬
жерей, а также оконных проемов в детских учреждениях и лечеб¬
ницах.Электропроводящие прозрачные покрытия наносят на стекло в
основном с целью обогрева стекла и предотвращения запотевания.
Электропроводящая пленка (толщиной 0,5 мкм) может быть полу¬
чена напылением солей металлического серебра и нагревом стекла
до температуры 500—700°С. После покрытия пленки тонким слоем
люминофора стекло можно использовать в качестве светящегося
элемента (с голубым, желтым, зеленым свечением). Кроме того, в
качестве источника тепла используют стеклопакеты с внутренним
слоем из электропроводящего стекла.Теплопоглощающее (теплозащитное) стекло по своему составу
отличается от обычных стекол содержанием окислов железа, ко¬
бальта и никеля, благодаря чему приобретает слабый сине-зеленый
оттенок. Теплопоглощающее стекло задерживает 70—75% инфра¬
красных лучей, т. е. в 2—3 раза больше, чем обычное оконное стек¬
ло. Интенсивное поглощение лучистой энергии приводит к сильному
нагреванию и значительным температурным деформациям стекла.
Поэтому при остеклении следует предусматривать достаточный за¬
зор между рамой и стеклом.Щ При двойном остеклении теплозащитное стекло помещают с
;'Р внешней стороны, чтобы оно охлаждалось наружным воздухом, а
’ обычное стекло — изнутри.^ ^ Стекло, устойчивое к радиоактивным излучениям, получают из
шихты специального состава. Для поглощения рентгеновских и 7-лу-275Л; .
Рис. 122. Виды материалов и изделий из стекла:а —волнистое армированное стекло; 6 — стеклянный блок; в —
стеклопрофилит коробчатого сечения; г—то же, швеллерного се*
чения; д — полимерные прокладки для креплениячей используют оптические стекла с высоким содержанием свинца
и бора. Чтобы улучшить устойчивость стекла к излучению, в ших¬
ту добавляют 0,25—1,5% окиси церия.Защитные свойства стекла можно приближенно оценивать по
их плотности. Например, тяжелое свинцовое стекло с объемной
массой 6200 кг/м3, содержащее 80% окиси свинца, по своей защит¬
ной способности в отношении у-излучения эквивалентно стали.
Стекла, поглощающие медленные нейтроны, должны содержать
один из следующих окислов: окись бора, окись лития, окись кад¬
мия и др. Стекло, устойчивое к действию радиоактивных излучений,
применяют прн сооружении атомных электростанций (например,
для устройства защитных смотровых окон) и предприятий по изго¬
товлению изотопов.Термостойкое стекло (боросиликатное) содержит окись руби¬
дия, окись лития и др. Термостойкие стекла имеют коэффициент
линейного температурного расширения около 2—4*10~6°С-1, т. е.
в 2—3 раза меньше, чем обычное стекло. Изделия из таких стекол
выдерживают перепады температур до 200°С. Их используют для276изготовления термостойких деталей аппаратуры (например, водо¬
мерных трубок).Облицовочное стекло используют для достижения большой ар¬
хитектурно-художественной выразительности зданий. Цветные пли¬
ты марблит изготовляют из непрозрачного («глушеного») стекла с
полированной лицевой поверхностью. Иногда текстура стекла име¬
ет по-разному окрашенные зоны и прожилки, как у мрамора. Из от¬
ходов листового оконного стекла получают эмалированные плитки
размером 150Х150 и 150X75 мм.В сборном строительстве для облицовки наружных стеновых па¬
нелей из легкого и тяжелого бетона начали применять ковровую
стеклянную мозаику. Ее набирают из мелких квадратных плиток
(чаще всего 20X20 мм), изготовляемых путем переработки цвет¬
ной глушеной стекломассы.§ 4. Изделия из стеклаПустотелые стеклянные блоки обладают хорошей светорассеи¬
вающей способностью, а выполненные из них световые проемы и
перегородки имеют хорошие тепло- и звукоизоляционные свойст¬
ва. Блоки состоят из двух отпрессованных половинок, которые сва¬
риваются между собой. Наиболее распространенные виды стеклян¬
ных блоков имеют на внутренней стороне рифления, придающие
блокам светорассеивающую способность (рис. 122, б). Светопро-
пускание — не менее 65%, светорассеивание — около 25%, коэф¬
фициент теплопроводности — 0,4 Вт/(м-°С).Помимо обычных изготовляют цветные, двухкамерные (тепло¬
защитные) и светонаправленные блоки.Стеклобетонные конструкции представляют собой бетонную
обойму, внутри которой на растворе уложены стеклянные блоки.
Эти конструкции несгораемы и препятствуют распространению ог¬
ня. В промышленном строительстве стеклянные блоки применяют
для устройства окон. В жилых и общественных зданиях пустоте¬
лые стеклянные блоки используют для заполнения наружных све¬
товых проемов, остекления лестничных клеток, а также для уст¬
ройства светопрозрачных перекрытий и перегородок.Стеклопакеты в индустриальном строительстве находят все боль¬
шее применение. Они состоят из двух или трех листов стекла, меж¬
ду которыми образуется герметически замкнутая воздушная по¬
лость. Стеклопакетное остекление обладает хорошей тепло- и зву¬
козащитной способностью, оно не запотевает и не нуждается в про¬
тирке внутренних поверхностей. В зависимости от назначения
стеклопакеты могут быть выполнены с применением оконного, зака¬
ленного, отражающего или других видов стекла.Стеклянные трубы в ряде случаев (например, в условиях хими¬
ческой агрессии) могут оказаться эффективнее металлических. Они
обладают высокой химической стойкостью, гладкой поверхностью,
прозрачны и гигиеничны. Благодаря этим высоким качествам их
Широко используют в пищевой и химической промышленности. Ос¬277
новными недостатками стеклянных труб следует считать хрупкость,
т. е. слабое сопротивление изгибу и ударам, а также невысокую
термостойкость (около 40°С). В последнее время на основе боро¬
силикатных стекол получены термостойкие трубы с малым тепло¬
вым расширением.Панели из профильного стекла (стеклопрофилит). Отечествен¬
ной промышленностью освоен выпуск профилированных стеклян¬
ных изделий больших размеров. Подобные изделия имеют коробча¬
тый, ковровый, ребристый и другие профили и используются для
монтажа светопропускающих перегородок и перекрытий
(рис. 122, в, г, д).Глава 43
ИЗДЕЛИЯ ИЗ СИТАЛЛОВ
§ 1. Понятие о получении ситалловСиталлы получают путем направленной кристаллизации стекол
или расплавов различных составов, протекающей во всем объеме
отформованного изделия. Микроструктура ситаллов характери¬
зуется наличием мелких кристаллов, равномерно распределенных
в стекле. В большинстве случаев процесс кристаллизации доводит¬
ся почти до конца, так что количество стеклофазы не превышает
нескольких процентов. Средний размер кристаллов в ситаллах —
1—2 мкм, в то время как толщина прослойки из стекла не превы¬
шает десятых долей микрона. Отдельные кристаллы сами по себе
обладают неодинаковыми свойствами в разных кристаллографиче¬
ских направлениях, однако благодаря их беспорядочной ориента¬
ции анизотропия в ситаллах отсутствует.Для изготовления ситаллов используют те же исходные компо¬
ненты, что и для стекла, а также специальные добавки — катализа¬
торы кристаллизации (соединения титана, лития, циркония и др.).
Однако при производстве ситаллов предъявляются повышенные тре¬
бования в отношении чистоты сырья и соблюдения установленного
технологического режима.Получение ситаллов включает следующие технологические опе¬
рации. Шихта, содержащая катализатор, подвергается плавлению,
при этом катализатор кристаллизации растворяется в расплавлен¬
ном стекле. Из расплава формуется изделие теми же методами, что
и при производстве стекла. Затем изделие охлаждается до темпера¬
туры выделения микроскопических частиц катализатора, которая
обычно на 50°С превышает температуру отжига стекла. На этой
стадии производится выдержка в течение 1 ч для образования мак¬
симального количества частиц катализатора. На следующей стадии
термообработки изделие нагревают до температуры, соответствую¬
щей максимальной скорости образования и роста кристаллов ситал-
ла и выдерживают при этой температуре до возможно более полно¬278го завершения кристаллизации. Наконец, ситалловое изделие ох¬
лаждают до комнатной температуры.Регулируя режимы термообработки, можно изменить степень
кристаллизации, размеры кристаллов, что отражается на свойст¬
вах изделия.§ 2. Свойства ситаллов и изделия из нихСиталлы обладают благоприятным сочетанием многих важных
свойств: высокой механической прочностью, влаго- и газонепрони¬
цаемостью, термостойкостью, высокой температурой размягчения,
хорошими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью.Ситаллы выдерживают сравнение с рядом конструкционных ма¬
териалов— легированными сталями, черными металлами, алюми¬
нием и превосходят по своим свойствам стекло.Твердость некоторых ситаллов приближается к твердости зака¬
ленной стали и почти в 25 раз больше твердости шлифованного
оконного стекла.Ситаллы обладают высокой стойкостью к действию сильных
кислот (кроме плавиковой) и щелочей. Значительная механиче¬
ская прочность, а также химическая стойкость способствуют при¬
менению ситалловых изделий в химической и нефтехимической про¬
мышленности. Термостойкость изделий из ситалла равна 200—
700°С, а иногда достигает 1100СС.Высокие термомеханические свойства предопределяют исполь¬
зование ситалловых изделий в специальных областях строительст¬
ва. Они находят применение для изготовления деталей, сохраняю¬
щих стабильные размеры при изменениях температуры (например,
фундаменты особо точных станков). Трубы из ситалла применяют
для изготовления теплообменников.Получены ситаллы, поглощающие медленные нейтроны, а так¬
же отличающиеся жаростойкостью и способностью герметически
паяться со сталью. Эти ситаллы используют при изготовлении
стержней в ядерных реакторах и для устройства биологической
защиты.В СССР разработан эффективный и экономически выгодный спо¬
соб получения ситаллов из огненно-жидких металлургических шла¬
ков.- Для получения шлакоситаллов в расплавленный шлак вводят
корректирующие добавки и добавки-катализаторы, ускоряющие
кристаллизацию шлаков. В качестве кристаллизаторов используют
чаще всего Ti02, Р5О5, CaF2, сульфиды тяжелых металлов Fe и Мп
в количестве 4—5%. При охлаждении огненно-жидкого шлака про¬
исходит выделение тонкодисперсных частичек катализатора,
которые являются зародышами кристаллизации расплава. Отфор¬
мованное из расплава изделие подвергают термообработке по оп¬
ределенному режиму.Объемная масса шлакоситаллов 2500—2650 кг/м3, предел проч¬
ности при сжатии — 500—650 МПа, при изгибе — 90—130 МПа,
модуль упругости— 11-104 МПа, рабочая температура — до 750°С,279
температура размягчения — около 950°С, водопоглощение практи¬
чески равно нулю.По внешнему виду шлакоситалл представляет собой плотный,
тонкозернистый, непрозрачный материал. Практически можно по¬
лучить шлакоситалл любого цвета путем использования в процес¬
се изготовления изделий различных керамических красок. Из шла-
коситалла изготовляют дешевые и высококачественные изделия,
отличающиеся высокой долговечностью и используемые в жилищ¬
ном и промышленном строительстве для устройства лестничных
ступеней, плиток для полов, подоконников, внутренних перегородок
и других деталей. Волнистый и плоский листовой шлакоситалл мож¬
но применять как кровельный и стеновой материал.Шлакоситаллы применяют в гидротехническом строительстве
для облицовки ответственных частей гидросооружений, а также в
дорожном строительстве в качестве плиты для тротуаров, дорож¬
ных покрытий, бортовых камней. Листовой шлакоситалл можно ис¬
пользовать и как декоративно-отделочный материал для наружной
и внутренней облицовки различных сооружений.Вспененный шлакоситалл (пеношлакоситалл) имеет ячеистую
структуру, как и пеностекло, но отличается от него своим строени¬
ем. Пеношлакоситалл является эффективным теплоизоляционным
материалом, поскольку он обладает незначительным водопоглоще-
нием и малой гигроскопичностью. Его используют для утепления
стен и перекрытий, а также для звукоизоляции помещений. Изде¬
лия из пеношлакоситалла могут работать при температурах до
750°С, поэтому их применяют также для изоляции теплопроводов и
промышленных печей.РАЗДЕЛ IXМАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫГлава 44
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯСССР является великой лесной державой, занимающей первое
место в мире по величине лесных массивов. Особенно велики запа¬
сы древесины в Сибири, ценные породы деревьев имеются в Карель¬
ской АССР, Западной Украине, на Кавказе и Дальнем Востоке.
Велика роль леса в охране окружающей среды и оздоровлении воз¬
душного бассейна. Поэтому в СССР постоянное внимание уделяется
восстановлению лесов в зонах промышленных разработок, а также
разведению лесов в защитных и водоохранных зонах.В целях сохранения и приумножения лесных богатств СССР по¬
требность в лесоматериалах удовлетворяется путем комплексной и
Глубокой переработки древесины. Наряду с такими традиционны¬
ми материалами, как круглый лес, доски, брусья, шпалы и т. п.,
ясе шире применяют клееные деревянные конструкции и разнооб¬
разные изделия, получаемые из отходов лесообработки. Отходы от
переработки древесины (горбыль, рейки, стружки, опилки и т. п.)
составляют значительную долю (50—60%) заготовляемой древеси¬
ны. Эти отходы, а также неделовую (дровяную) древесину превра¬
щают, используя хорошо освоенную технологию, в древесностру¬
жечные и древесноволокнистые плиты с ценными и разнообразны¬
ми свойствами. На передовых деревообрабатывающих комбинатах
коэффициент использования древесного сырья доходит до 0,98.Высокая прочность и упругость древесины сочетается с малой
объемной массой, а, следовательно, и с низкой теплопроводностью.
Древесина морозостойка, не растворяется в воде и органических
растворителях, способных растворить синтетические полимеры. Хо¬
рошо известна легкость обработки древесины, удобство скрепления
деревянных элементов с помощью клея, врубок, гвоздей и пр. Од¬
нако древесине присущ ряд особенностей, которые должны учиты¬
ваться при обработке, хранении и эксплуатации лесоматериалов.Качество древесины зависит от породы дерева, условий его рос¬
та и наличия тех или иных пороков (трещин, сучков и пр.). Поэто¬
му прочность и другие характеристики древесины колеблются в
очень широких пределах. К тому же прочность сильно меняется
при изменении влажности, причем увлажнение сопровождается
разбуханием, а высушивание — значительной усушкой древесины.
Неравномерность усушки вызывает коробление и растрескивание
досок и других лесных материалов. Волокнистое анизотропное
строение древесины предопределяет и неодинаковые ее механиче¬281
ские, теплотехнические и другие свойства в разных направлениях,
что учитывается при проектировании деревянных конструкций.Недостатками древесины являются легкая возгораемость припожаре и гниение, происходящее под влиянием грибковых пора¬
жений.Изготовление деревянных конструкций путем склеивания тон¬
ких элементов водостойкими полимерными клеями уменьшает
усушку, предотвращает коробление древесины. Для борьбы с гние¬
нием применяют пропитку дерева антисептиками; огнестойкость по¬
вышают, применяя антипирены.Глава 45
СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
§ 1. Макроструктура древесиныДревесиной называют освобожденную от коры ткань волокон,
которая содержится в стволе дерева. Ствол дерева состоит из кле¬
ток, имеющих разное назначение в растущем дереве, а следователь¬
но, разную форму и величину.Макроструктуру ствола (види¬
мую невооруженным глазом) можно
рассмотреть на трех основных раз¬
резах: поперечном (или торцовом)
и двух продольных — радиальном
(проходящем через ось ствола) и
тангенциальном (рис. 123).На торцовом срезе видна кора,
камбий и древесина. Кора состоит
из наружной кожицы, пробкового
слоя под ней и внутреннего слоя —
луба. Под слоем луба у растущего
дерева находится тонкий камбиаль¬
ный слой, состоящий из живых кле¬
ток, размножающихся, делением.
Древесина состоит из вытянутых ве¬
ретенообразных клеток — ячеек,
стенки которых состоят в основном
из целлюлозы. Эти пустотелые ячей¬
ки образуют волокна, воспринимаю¬
щие на себя механические нагрузки.
Вначале в листьях дерева из атмо¬
сферного углекислого газа и воды
Рис. 123. Строение древесины: под действием солнечного света об-ци1льрнь1йгвр-вт0йиб ратдиаль™й;н7- разуется глюкоза, хорошо растворя-кора; 2- луб; 3- камбий; 4-забо- ЮЩЭЯСЯ В ВОДе. В раСТВОреННОМ ВИ-
лонь; 5 —ядро; о — сердцевина; 7— ^годовые слои; 8 —* сердцевинные лучи ГЛКЖОЗЗ ПО ВНуТрбННИМ К&Н&Л&М282дерева поступает к растущим клеткам камбия. В стенке клетки
молекулы глюкозы соединяются своими концами между собой:—ОН + НО —О— + Н20В результате происходящей реакции поликонденсации образуется
кислородная связь (—О—) и молекула воды, уходящая в сок де¬
рева.Кислородная связь объединяет кольца глюкозы в макромолеку¬
ле целлюлозы, состоящей из нескольких сотен глюкозных ячеек:СН2ОНон он н онСледовательно, целлюлоза является природным линейным по¬
лимером, нитевидные цепи которого жестко связаны (сшиты) гид¬
роксильными связями. Это объясняет отсутствие у древесины об¬
ласти высокоэластичного состояния, возникающего при нагревании
многих линейных полимеров.Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается
осенью. Поэтому древесина ствола состоит из ряда концентрических
годовых колец. В свою очередь каждое годовое кольцо включает
внутренний слой ранней (или весенней) древесины и внешний слой
поздней (или летней) древесины.Древесина, образовавшаяся весной и в начале лета, состоит из
крупных тонкостенных клеток. Поздняя древесина, образовавшая¬
ся летом и в начале осени, состоит из клеток меньшего размера и
имеет более темный цвет, большую плотность и прочность, чем
ранняя древесина. Поэтому механическая прочность древесины
возрастает при увеличении относительного содержания в ней позд¬
ней древесины.На поперечном разрезе ствола дерева видны сердцевина, ядро
и заболонь (рис. 123).Сердцевинная трубка представляет собой рыхлую первичную
ткань, которая состоит из тонкостенных клеток, имеет малую проч¬
ность и легко загнивает. Поэтому сердцевина не допускается в тон¬
ких досках и брусках, предназначенных для растянутых и изгибае¬
мых элементов конструкций. Нежелательна сердцевина и в столяр¬
ных изделиях, так как она постепенно выкрашивается.Ядро, или спелая древесина,— внутренняя часть стволу дерева.
Ядро выделяется темным цветом (рис. 123), так как стенки клеток
древесины ядра постепенно изменяют свой состав: у хвойных по¬
род они пропитываются смолой, а у лиственных — дубильными ве¬
ществами; движение влаги по этим клеткам прекращается. Поэто-283
ну древесина ядровой части ствола обладает большей прочностью
и стойкостью к загниванию по сравнению с древесиной заболони.Заболонь состоит из колец более молодой древесины, окружаю¬
щих ядро (или спелую древесину). По живым клеткам заболони
растущего дерева перемещается влага с растворенными в ней пи¬
тательными веществами. Древесина заболони имеет большуювлажность, легко загнивает, вследствие значительной усушки склон¬
на к короблению.Древесные породы делят на: 1) ядровые, имеющие ядро и за¬
болонь (дуб, ясень, платан, сосна, лиственница, кедр и др.);2) спелодревесные, имеющие спелую древесину (она не отличается
по цвету от заболони) и заболонь (ель, пихта, осина, бук и др.);3) заболонные, у которых отсутствует ядро и нельзя заметить су¬
щественного различия между центральной и наружной частями дре¬
весины ствола (береза, клен, ольха, липа).§ 2. Микроструктура древесиныМикроструктура древесины — это строение древесины, видимое
под микроскопом.Клетки древесины классифицируют в зависимости от выполняе¬
мых ими функций.~v' ' " V1 гРис. 124. Микроструктура древесины хвойных пород:/ — клетки (трахеиды) поздней древесины; 2 — клетки ранней дре*
весины; 3 — запасающие клетки сердцевинных лучей; 4 — поры в
стенках клеток284Механическая, или опорная, ткань древесины — наиболее проч¬
ная и стойкая к загниванию. В древесине хвойных пород опорную
ткань образуют трахеиды поздней древесины. Древесина хвойных
пород состоит главным образом из трахеид, на их долю приходится
90—95% общего объема древесины (рис. 124). Опорная ткань в
стволах лиственных пород состоит из веретенообразных толстостен¬
ных клеток, называемых «древесны¬
ми волокнами».Проводящие клетки — сосуды у
лиственных пород и трахеиды — у
хвойных. Сосуды представляют со¬
бой тонкостенные трубочки, распо¬
ложенные одна над другой диамет¬
ром 0,04—0,3 мм, длиной около
100 мм и более. У большинства хвой¬
ных пород сосудов нет, так как соот¬
ветствующую функцию у них выпол¬
няют трахеиды, сообщающиеся ме¬
жду собой с помощью микроскопи¬
ческих отверстий, указанных на
рис. 124. Следовательно, трахеиды
хвойных пород выполняют роль
опорной и проводящей ткани.Сердцевинные лучи видны на по¬
перечном разрезе ствола дуба, кле¬
на, бука и некоторых других лист¬
венных пород в виде узких радиаль¬
ных полосок. На тангенциальном
разрезе ствола сердцевинные лучи
представляются в виде темных
штрихов. У хвойных пород они очень
узки и видны только под микроскопом. В растущем дереве сердце¬
винные лучи служат для перемещения питательных веществ и со¬
хранения запаса их на зиму. По отношению к объему всей древеси¬
ны хвойные породы содержат 5—10%, а лиственные 10—35% серд¬
цевинных лучей.Древесина сравнительно легко раскалывается по сердцевин¬
ным лучам, по ним же проходят трещины, образующиеся при вы¬
сыхании лесных материалов. Это объясняется тем, что сердцевин¬
ные лучи состоят из коротких тонкостенных клеток, слабо связан¬
ных между собой.Стенка клетки (по Рёберту) состоит из нескольких слоев, раз¬
личающихся по своему составу и толщине (рис. 125). Вакуоль I
ограничена внутренним очень тонким слоем 2, первичные волокна
(фибриллы) целлюлозы расположены в нем примерно вдоль ocil
клетки. Второй слой 3 гораздо толще внутреннего и состоит из
множества пучков фибрилл целлюлозы, расположенных по спира¬
ли. В межфибрилльном пространстве находится немного лигнина.
В среднем слое 4 фибриллы целлюлозы расположены более илиРис. 125. Строение стенки клетки
древесины285
менее правильно, покрывая витками предыдущий слой. В межфиб*
рилльном пространстве расположен лигнин. Следующий слой 5 со¬
стоит из переплетающихся между собой фибрилл целлюлозы.
Межклеточный элемент 6 не содержит целлюлозы. Он субмикро-
скопической толщины и при делении клетки сначала образуется
как разделительная стенка между вновь возникающими клетками,
состоящая из протопектина совместно с лигнином.Глава 46
ОСНОВНЫЕ ПОРОДЫ ДРЕВЕСИНЫ
§ 1. Хвойные породыСосна — ядровая порода, ядро у нее обычно буро-красного цве¬
та, а заболонь желтого цвета. Древесина сосны мягкая (объемная
масса 470—540 кг/м3) и прочная, легко обрабатывается. Так назы¬
ваемая «рудовая» сосна, растущая на возвышенных местах, пес¬
чаных и супесчаных почвах имеет мелкослойную, плотную, смоли¬
стую древесину. У «мяндовой» сосны, растущей на низменных гли¬
нистых почвах, древесина крупнослойная, рыхлая с широкой забо¬
лонью и поэтому хуже, чем у «рудовой» сосны. Широкое распро¬
странение и хорошие свойства выдвигают сосну на первое место
среди хвойных пород. Сосна применяется в строительстве в виде
круглого леса и пиломатериалов, из нее изготовляют готовые строи¬
тельные конструкции и столярные изделия, она используется для
производства фанеры и др.Ель применяют в строительстве в большом количестве наравне
с сосной,, хотя по качеству она уступает сосне. Ель имеет спелую
древесину белого цвета с желтым оттенком, менее смолистую и бо¬
лее легкую, чем у сосны (объемная масса ели 440—500 кг/м3).
Вследствие большого количества твердых сучков ель трудно обра¬
батывать. Древесину ели широко используют не только в строи¬
тельстве, она является основным сырьем целлюлозно-бумажной
промышленности.Лиственница распространена в лесах Сибири и Дальнего Вос¬
тока. Эта порода имеет ядро красновато-бурого цвета, ее заболонь
узкая и по окраске резко отличается от ядра. Древесина листвен¬
ницы плотная (объемная масса 630—790 кг/м3), твердая и прочная,
менее подвержена гниению, чем древесина сосны. Поэтому лист¬
венница особенно ценится в гидротехническом строительстве и мос¬
тостроении; из нее изготовляют шпалы, рудничные стойки. В ме¬
бельном и фанерном производстве эта порода также занимает до¬
стойное место.Кедр имеет мягкую и легкую древесину, ее механические свой¬
ства ниже, чем у сосны. Применяют в виде круглого леса и пилома¬
териалов, для столярных изделий и отделки мебели — в виде деко¬
ративной фанеры.286Пихта представляет собой древесину, сходную с древесиной ели,
но не имеющую смоляных ходов. Легко загнивает, поэтому ее не
применяют во влажных условиях эксплуатации. Пихту в значитель¬
ных количествах используют в целлюлозно-бумажной промышлен¬
ности.§ 2. Лиственные породыДуб имеет древесину плотную (средней объемной массой около
720 кг/м3), очень прочную и твердую. Ядро темно-бурого цвета
резко отличается от желтоватой заболони. Многочисленные круп¬
ные сердцевинные лучи видны на всех разрезах и придают древеси¬
не дуба своеобразную текстуру. Дуб применяют в ответственных
конструкциях (шпонки, нагели и т. п.) в гидротехнических соору¬
жениях, мостостроении. Дубовый паркет, мебель, столярные изде¬
лия, ножевая фанера для столярно-отделочных работ — характер¬
ные области применения дуба. Особенно ценится мореный дуб чер¬
ного или темно-серого цвета.Ясень имеет тяжелую (объемной массой 660—740 кг/м3) древе¬
сину, гибкую и вязкую, но менее прочную, чем у дуба. Благодаря
красивой текстуре ценится в мебельном производстве и столярно¬
отделочных работах..Ильмовые породы (ильм, вяз, карагач) имеют прочную, твердую
и гибкую древесину. Большей частью их используют в столярном
производстве для изготовления мебели и строганой фанеры.Береза — заболонная порода, распространенная в наших лесах,
имеет тяжелую (около 650 кг/м3) древесину, но относительно легко
загнивает в сырых и плохо вентилируемых местах. В больших ко¬
личествах используют для изготовления фанеры, в качестве сто¬
лярных изделий и отделочных материалов, благодаря тому что ее
легко имитировать под ценные породы. Для отделочных работ осо¬
бую ценность представляет карельская береза со своеобразной из¬
вилистой и узловатой текстурой.Бук — спелодревесная порода, ее древесина (белая с краснова-
. тым оттенком) тяжелая (около 650 кг/м3) и твердая, легко раска¬
лывается. Древесина бука, так же как и древесина березы, отно¬
сительно легко загнивает. Применяют для производства паркета,
мебели, фанеры.Граб имеет древесину, похожую на буковую, но более тяжелую.
Используют для тех же целей, что и бук.Осина — заболонная порода, широко распространенная в наших
лесах. Ее древесина с зеленым оттенком легкая (420—500 кг/м3),
мягкая, склонная к загниванию, служит исходным сырьем для изго¬
товления фанеры, древесных плит. В значительных количествах
применяют в спичечной, бумажной промышленности, для изготов¬
ления тары.Ольха — заболонная порода с мягкой древесиной, склонной к
загниванию. Применяют в основном там же, где и березу..Пипа — спелодревесная мягкая порода, используется для изго¬
товления фанеры, мебели, тары.287
Глава 47СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ§ 1. Физические свойства древесиныПлотность древесины изменяется незначительно, так как древе¬
сина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещест¬
ва — целлюлозы. Поэтому среднюю плотность древесины можно
принять равной 1,54 г/см3.Объемная масса древесины разных пород и даже древесины од¬
ной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, по¬
скольку строение и пористость растущего дерева зависят от почвы,
климата и других природных условий. Древесина может быть очень
легкой — y = 450 кг/м3 (кедр, пихта), легкой — у=460—600 кг/м3
(сосна, ель, осина), со средней объемной массой — у = 610—
750 кг/м3 (лиственница, дуб, береза), тяжелой — у — 760—900 кг/м3
(граб, железное дерево) и очень тяжелой —y>910 кг/м3 (самшит,
кизил). С увеличением влажности объемная масса древесины воз¬
растает. Свежесрубленная древесина значительно тяжелее древеси¬
ны воздушно-сухой, имеющей влажность 15% (табл. 40).Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 81%,
лиственных — от 32 до 80%.Влажность W выражают обычно в % по отношению к массе су¬
хой древесины. В древесине различают гигроскопическую влагу,
связанную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свобод¬
но заполняет полости клеток и межклеточное пространство.Таблица 40Объемная масса и пористость древесины некоторых хвойных
и лиственных породОбъемная масса
древесиныв?о вЧ «1и оПородадереваРайон произрастанияпрн
15%-ной
влажностисвеже-срублен-нойПористослСреднее чн
годовых сл
в 1 смСоснаЕвропейская часть
СССР
То же53086053—706Ель46079062—7512ЛиственницаСеверо-европейская
часть СССР68084046—7310КедрЗападная Сибирь44088060—805ПихтаУрал39080055—818ДубЕвропейская часть
СССР
То же720103032—616Береза64088050—615БукКавказ65095040—707ОсинаЕвропейская часть
СССР50076062—805288Предел гигроскопической влажности (в среднем он составляет
около 30%) соответствует полному насыщению стенок клеток дре¬
весины водой. Полная влажность древесины, считая вместе гигро¬
скопическую и капиллярную влагу, может значительно превышать
30%. Например, у свежесрубленного дерева она может колебаться
от 40 до 120%, а при выдерживании древесины в воде ее влажность
может возрасти до 200%. При длительном нахождении влажной
древесины на воздухе она постепенно высыхает и достигает равно¬
весной влажности.Температура Воздуха, °СРис. 126. Номограмма равновесной влажности древеси¬
ны (2—28% — величины равновесной влажности древе¬
сины)Равновесная влажность зависит от температуры и относитель¬
ной влажности окружающего воздуха. Для определения равновес¬
ной влажности пользуются номограммой (рис. 126), где по оси аб¬
сцисс отложена температура воздуха от —20 до +100°С, по оси
ординат — относительная влажность воздуха от 0 до 100%. Каждая
из наклонных прямых линий представляет геометрическое место
точек, соответствующих одной и той же равновесной влажности
древесины.Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет8—12%, поэтому до такой влажности высушивают паркетную клеп¬
ку, древесину, идущую на изготовление столярных изделий, и т. п.
Воздушно-сухая древесина после продолжительной сушки на от¬
крытом воздухе имеет влажность 15—18%.Показатели свойств (объемной массы, прочности), полученные
при испытании древесины различной влажности, для возможности10—6Q4 289
сопоставления приводят к стандартной влажности, равной 12%.
При необходимости численные характеристики древесины (напри¬
мер, предел прочности) пересчитывают к влажности 15%.Усушка, разбухание и коробление. Колебания влажности воло¬
кон древесины влекут изменение размеров и формы досок, брусьев
и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины
до достижения ею, предела гигроскопичности стенки древесных
клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению разме¬
ров и объема Деревянных изделий. Как вид¬
но из рис. 127, свободная влага, заполняю¬
щая полости клеток, на размерах древеси¬
ны не отражается. Усушка древесины про¬
исходит за счет удаления связанной влаги
из стенок клеток, т. е. если влажность дре¬
весины становится меньше предела гигро¬
скопичности, то усушка достигает макси¬
мального значения при полном удалении
влаги, содержащейся в клеточных стенках.Вследствие неоднородности строения
древесина усыхает в различных направле¬
ниях неодинаково (рис. 127). Вдоль оси
ствола (вдоль волокон) максимальная ли¬
нейная усушка сравнительно невелика —
около 0,1% (или 1 мм на 1 м), в радиаль¬
ном направлении она составляет 3—6%
(3—6 см на 1 м), а в тангенциальном —6—12% (6—12 см на 1 м).При высушивании древесины от предела
гигроскопичности (который характеризует¬
ся влажностью около 30%) до воздушно-сухого состояния (соответ¬
ствующего 15—18% влажности) усушка составит примерно поло¬
вину своего максимального значения. При высушивании до ком¬
натно-сухого состояния (т. е. до влажности 8—10%) получается
усушка, равная трем четвертям максимальной.Объемную усушку У у вычисляют, не учитывая продольной усуш¬
ки, с точностью до 0,1% по формулеУv = аЬ ~-°Ь° 100,
аЬгде а и Ь — размеры поперечного сечения образца при данной на¬
чальной влажности, мм; а0 и Ь0 — то же, в абсолютно сухом со¬
стоянии.Степень усушки древесины характеризуется коэффициентом
объемной усушки ky, который вычисляют на 1 % влажности с точ¬
ностью до 0,01% по формуле= Уу. шах/30.В этой формуле среднее значение предела гигроскопичности
древесины различных пород принято равным 30%.290Влажность древесины,Рис. 127. Влияние влаж¬
ности древесины на раз¬
бухание:/ — вдоль волокон; 2 — по¬
перек волокон в радиальном
направлении; 3 —то же, в
тангенциальном направле¬
нии; 4 — объемноеУсушка и разбухание дре¬
весины — свойства 'отрица¬
тельные, они вызывают короб¬
ление и растрескивание лес¬
ных материалов.Коробление деревянных из¬
делий (рис. 128) является след¬
ствием: 1) разницы в усушке
древесины в тангенциальном и
радиальном направлениях и2) неравномерности высыха¬
ния. Неравномерность усушки
и коробления вызывает появле¬
ние внутренних напряжений в
древесине и растрескивание
пиломатериалов и бревен. Ши¬
рокие доски коробятся больше,
чем узкие, поэтому для настил¬
ки пола и столярных изделий
применяют доски шириной
10—12 см.Для предотвращения короб¬
ления и растрескивания дере¬
вянных изделий используют
древесину с той равновесной
влажностью, которая будет в
условиях эксплуатации. Например, для столярных изделий влаж¬
ность древесины не должна превышать 8—10%, а для наружных
конструкций 15—18%. Чтобы защитить древесину от последующе¬
го увлажнения, ее покрывают красками, лаком или эмалями.В круглом лесе и пиломатериалах трещины усушки образуют¬
ся, в первую очередь, на торцах. Для уменьшения растрескивания
торцы бревен, брусьев, досок обмазывают смесью из извести, соли
и клея или другими составами.Текстура — это рисунок древесины, зависящий от сочетания ее
видимых элементов: годовых слоев, сердцевинных лучей, сосудов
и др. Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы
дерева. С возрастом интенсивность окраски заметно усиливается.
Породы умеренного климатического пояса имеют бледно окрашен¬
ную древесину, и появление синей, красной, зеленоватой полосатой
окрасок у этих пород указывает на поражение древесины микроор¬
ганизмами (гнилями). Многие древесные породы Прикарпатской
Украины, Закавказья, некоторых областей Дальнего Востока име-
• ют красивую текстуру и разнообразную окраску. Текстура дуба,
чинары, бука, груши и некоторых других пород высоко ценится в
отделочных и краснодеревных работах. Древесные породы тропи¬
ческого пояса могут иметь своеобразную окраску, например древе¬
сина эбенового дерева — черного цвета, бакаута — темно-оливко¬
вого.10*23*
Блеск древесины зависит от плотности и степени обработки.
Блеск придается древесине путем полирования и покрытия лаками.
Древесина теряет блеск при загнивании.Запах древесины зависит от содержания в ней смолистых, эфир¬
ных и дубильных веществ. Например, древесина лиственницы и
сосны пахнет скипидаром.Теплопроводность сухой древесины незначительна: для сосны
поперек волокон — 0,17; вдоль волокон — 0,34 Вт/(м-°С). Теплопро¬
водность древесины зависит от ее пористости, влажности и направ¬
ления потока тепла. Теплозащитные свойства древесины широко
используют в строительстве.Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Древе¬
сина, используемая при электрической проводке (розетки, доски
и т. п.), должна быть сухой. Электросопротивление сухой древесины
в среднем — 75-1Q70m-cm, а сырой древесины — в десятки раз
меньше.§ 2. Механические свойства древесиныМеханические свойства древесины определяют путем испытания
малых чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Мини¬
мальное количество образцов для проведения испытания вычисля¬
ют по формулам в зависимости от коэффициента вариации изучае¬
мого свойства.Показатели свойств древесины должны быть пересчитаны на
влажность 12% (в случае необходимости — на влажность 15%).
Как видно из рис. 129, прочность древесины понижается, когда ее
влажность возрастает от 0 до 30% (до предела гигроскопичности),
при этом в интервале влажности от 8 до 20% понижение прочности
прямо пропорционально приросту влажности:R12 = Rw [1 + a (W — 12)],где Rw — предел прочности образца с влажностью W в момент ис¬
пытания; R\2 — то же, при влажности 12%; а — коэффициент сни¬
жения прочности древесины при увеличении ее влажности на 1%.После того как древесина достигла предела гигроскопичности
(30%), дальнейшее увеличение влажности не влияет на ее проч¬
ность (рис. 129). Поэтому предел
прочности образца с влажностью,
равной и большей предела гигроско¬
пичности, пересчитывают к влажно¬
сти 12% по формулеRl2 ~ Rwki2tгде А: 12 — пересчетный коэффициент
для данной породы дерева.Прочность древесины характери¬
зуется пределами прочности при
сжатии, растяжении, статическом!1«Ю|
" 80Ь§■§ 60\
ъЬ «о%ЩгЯ\£20 кО ВО S0100120 W ISO ISO
Влажность, °/Ряс. 129. Влияние влажности
прочность древесины292а)Ф80*)в)&Рис. 130. Схема испытания древесины:
а— на прочность при сжатии: б — на прочность при изгибе; в — на
прочность при скалывании вдоль волокон; г — на твердостьизгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный пре>
дел прочности при местном смятии и предел прочности при перере¬
зании поперек волокон.На рис. 130 представлены схемы основных испытаний дре¬
весины.Прочность при сжатии определяют путем испытания образцов,
имеющих.форму параллелепипеда основанием 20X20 мм и длиной
вдоль волокон 30 мм (рис. 130,а). Определяют пределы прочности
древесины вдоль и поперек волокон. Прочность древесины при сжа¬
тии вдоль волокон в 4—6 раз больше, чем прочность поперек
волокон. Например, предел прочности при сжатии образцов воз¬
душно-сухой сосны вдоль волокон — около 100 МПа, а поперек —только 20—25 МПа.Прочность при изгибе определяют путем испытания образцов пасхеме рис. 130,6. Предел прочности древесины при растяжении
вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий
предел прочности при сжатии.293
Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон
(Rply) примерно такая же, как у высокопрочной стали и стеклопла¬
стика (табл. 41).Таблица 41Удельная прочность при растяжении некоторых
строительных материаловМатериалыПредел
прочности
при растяже¬
нии /?р, МПаОтносительная
объемная
масса 7Удельная
прочность
R/Т. МПаДревесина (сосна с 12%-ной влажно¬
стью)Высокопрочная сталь
Стеклопластик1150,5321320004007,852,0255200Следовательно, древесина по своей удельной прочности конку¬
рирует с современными конструкционными материалами. Однако
использовать высокую прочность древесины не так легко, посколь¬
ку сучки, трещины и другие пороки сильно снижают ее механиче¬
ские свойства. В этом отношении большие возможности дает при¬
менение древесины в клееных деревянных конструкциях.Прочность при статическом изгибе древесины очень высокая:
она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль
волокон и составляет около 70% прочности при растяжении. Поэто¬
му древесина (балки, настилы и т. п.) чаще всего работает на
изгиб (рис. 130,6).К тому же дерево стойко к концентрации напряжений всиду
наличия внутренних поверхностей раздела между волокнами.Прочность древесины при скалывании имеет большое значение
при устройстве врубок, клеевых швов и т. п. в деревянных конст¬
рукциях. Для определения предела прочности при скалывании ис¬
пользуют специальные образцы и приспособления (рис. 130,в). Пре¬
дел прочности при скалывании вдоль волокон для основных древес¬
ных пород составляет 6,0—13 МПа, а при скалывании поперек
волокон — в 3—4 раза выше. Кроме этих испытаний может про¬
водиться определение предела прочности древесины при перереза¬
нии поперек волокон.Статическая твердость (рис. 130,г) численно равна нагрузке,
которая необходима для вдавливания в образец древесины поло¬
вины металлического шарика радиусом 5,64 мм (при этом площадь
отпечатка равна 1 см2). Твердость древесины по торцу на 15—50%
выше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Мягкие
породы (сосна, ель, пихта, ольха) имеют торцовую твердость 35—
50 МПа, твердые породы (дуб, граб, береза, ясень, лиственница
и др.)—50—100 МПа, очень твердые (кизил, самшит)—более
100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они
обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают
шурупы.234Твердость древесины понижается при увлажнении.Ударную твердость Н(Дж/см2) вычисляют по формулеЩр = 4mgh/(nd2),где пг—масса стального шарика диаметром 2,5 мм, падающего нд
образец древесины; g — ускорение земного притяжения; h — высота
падения шарика (по стандарту равна 50 см); d— средний геомет*
рический диаметр отпечатка, вычисляемый по формуле d = Vd4rf2,
где d\ — диаметр отпечатка поперек волокон; dj — то же, вдоль
волокон.Ударную и статическую твердость пересчитывают к влажнос¬
ти 12%.Модуль упругости при статическом изгибе древесины с влаж-
нбстью W определяют, нагружая образец, покоящийся на двух
опорах, двумя сосредоточенными силами.Модуль упругости вычисляют по формулеEv “ 3P/3/(646/i3/),где Р — нагрузка; / — расстояние между рпорами (0,24 м); Ь в
h — ширина и толщина образца; f — прогиб образца в зоне чисто¬
го изгиба.Модуль упругости Е& образца с влажностью 8—20% пересчиты¬
вают к влажности 12% по формулеEi2 = Ew/[l-a(W-12)}.Пересчетный коэффициент а=0,01 на 1% влажности.Модуль упругости образцов с влажностью, равной или большей
предела гигроскопичности, пересчитывают к влажности 12% по
формулеЕ{2 3 Ew& 12*Пересчетный коэффициент /г!2 равен 1,25 для хвойных пород;
для различных лиственных пород он колеблется от 1,12 до 1,3.Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели— 10 000—
15000 МПа, он возрастает с увеличением плотности древесины, а
увлажнение его снижается. Известно, что гнуть сырую древесину
легче, чем сухую. Еще больше облегчает гнутье древесины пропа¬
ривание— это удобный способ нагрева древесины без ее высу¬
шивания.Особенностью древесины является ползучесть, проявляющаяся
особенно во влажных условиях. Следствием ползучести является
постепенное увеличение деформаций (прогибов балок, провисание
тесовых крыш и т. д.) при длительном действии нагрузки.Факторы, влияющие на механические свойства древесины.
В табл. 42 сопоставлены объемная масса и показатели прочности
древесины хвойных и лиственных пород, произрастающих в СССР.Общая тенденция состоит в том, что, чем плотнее древесина,
тем большую прочность она имеет. Плотность и прочность древеси-295
Таблица 42Средние показатели механических свойств древесины
хвойных и лиственных пород (при 15%-ной влажности)Порода деревак2&S3и(J• Sкw§4>*
8Предел прочности, МПапри сжатви вдоль
волоконif0
И1
1цtJ§Чв опри св*3Xо|вII
«в
0.2
и &лываниияSА|9Я ч
К ®
§3.“ (Вл вЛиственница680529712911,512,5Сосна530447911577.5Ель4604277,51225• lw5Кедр4403564,5785,56Пихта3903358,58466,5Дуб72052941298,510,5Бук65046941291013Береза640451001208,511Липа540396811678Осина500377711168ны пород возрастают, если лес растет на возвышенных местах
и песчаных почвах.Повышение влажности до предела гигроскопичности (до 30%)
понижает механические свойства древесины. Высушивание же дре¬
весины на 1% (в пределах изменения влажности от 20 до 8%) по¬
вышает ее сопротивление сжатию и изгибу на 4%, растяжению —
на 1%.Показатели прочности древесины в весьма большей степени за¬
висят от того, под каким углом к волокнам направлена сила. Если
принять за 100% предел прочности древесины вдоль волокон, то
сопротивление сжатию поперек волокон составит 20—30%, а рас¬
тяжению— всего лишь 2—3%.Пороки древесины понижают ее прочность.Пороками, называют недостатки отдельных участков древесины,
снижающие ее качество и ограничивающие возможности ее ис¬
пользования.Дефектами называют пороки механического происхождения,
возникающие в древесине в процессе заготовки, транспортировки,
сортировки, штабелевки и обработки.Ввиду наличия пороков прочность бруса или доски не может
быть оценена по результатам испытания малых чистых образцов.
Поэтому в отличие от других материалов, сорта лесоматериалов
устанавливают не по прочности образцов, а на основании оценки
характера, размеров и количества пороков.296Глава 48ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ§ 1. Сучки и трещиныСучки — части ветвей, заключенные в древесине. Они нарушают
однородность строения древесины, вызывают искривление волокон
и затрудняют механическую обработку. По состоянию древесины
различают сучки здоровые, загнившие, гнилые и табачные. По ста*
пени срастания сучки могут быть сросшиеся, частично сросшиеся,
несросшиеся и выпадающие несросшиеся. По взаимному располо¬
жению выделяют три разновидности сучков: разбросанные, группа•
вые и разветвленные (рис. 131). Кроме того, сучки классифициру¬
ют по положению в сортименте, форме разреза и степени зара*
стания.Стандрат устанавливает правила измерения размеров сучкови других пороков древесины.Трещины представляют собой разрывы древесины вдоль воло¬
кон (рис. 132,Л). Они нарушают целостность лесоматериалов, сни¬
жают их механическую прочность и долговечность.Метиковые трещины, — это радиально направленные трещины
в ядре или спелой древесине, отходящие от сердцевины (рис. 132,Б).
Они возникают в растущем дереве и увеличиваются в срубленном
дереве при его высыхании. Простые метиковые трещины состоят из
одной или двух трещин, расположенных на обоих торцах бревна в
одной плоскости. Сложные метиковые трещины состоят из одной
или нескольких трещин, расположенных на торцах бревна в разных
плоскостях.1 г зРис. 131. Разновидности сучков:/ — круглый; 2 — овальный: S — продолговатый; 4 — оластевый; J — кро-
, «очный; в — ребровый; 1 — сшивные; i — групповые; 9 — разветвленные£97
Морозные трещины, образующиеся в растущем дереве, направ¬
лены радиально, проходят из заболони в ядро и имеют значитель¬
ную протяженность по длине ствола дерева (рис. 132,Л, б).Трещины усушки, возникающие в срубленном дереве по мере его
высыхания, то же направлены по радиусу торцового среза
(рис. 132,А, в). Они отличаются от метиковых и морозных трещин
меньшей глубиной и протяженностью (обычно не более 1 м).Рис. 132. Трещины:А — основные разновидности: / — пластевые; 2 — кромочные; 3 — торцо¬
вые; а — метнковые; б — морозные; 5 —усушки; г—-отлупные; Б — мети*
ковые трещины; 1 — простая; 2 н 3 — сложныеОтлупные трещины проходят между годичными слоями
(рис. 132, А, г); возникая в растущем дереве, увеличиваются в
срубленной древесине при ее высушивании.В зависимости от глубины различают трещины: неглубокие
(глубиной не более ’/ю толщины изделия), глубокие (более
Vю толщины), но не имеющие второго выхода на боковую поверх¬
ность изделия), сквозные (имеющие два выхода на поверхность).Сомкнутые трещины имеют ширину не более 0,2 мм, а разошед¬
шиеся трещины — более 0,2 мм.По расположению в изделии трещины могут быть боковыми,
пластевыми, кромочными, торцовыми.§ 2. Пороки формы стволаСбежистость — это уменьшение диаметра круглых лесоматериа¬
лов от толстого к тонкому концу, превышающее нормальный сбег,
равный 1 см на 1 м длины бревна. Этот же порок наблюдается у
необрезных пиломатериалов в виде ненормального уменьшения ши¬
рины досок по длине, превышающего допустимый предел. Сбежи¬
стость увеличивает отходы при распиловке и лущении бревен,
Обусловливает появление радиального наклона волокон в пилома¬
териалах и шпоне, а следовательно, и снижение прочности этих
материалов.898Закомелистость проявляется в
виде резкого увеличения комлевой
(нижней) части ствола дерева. Раз¬
личают округлую и ребристую зако¬
мелистость со звездчато-лопастной
формой поперечного сечения бревна.Нарост — резкое местное утол¬
щение ствола, имеющее различную
форму и размеры.Кривизна — искривление про¬
дольной оси бревен, обусловленное
кривизной ствола дерева. Бывает
простая и сложная кривизна (рис.133), характеризующаяся несколь¬
кими изгибами.§ 3. Пороки строения древесиныНаклон волокон — непараллель-
ность волокон древесины (рис.134)
продольной оси изделий (бревен,
досок, брусьев и т. п.). Наклон уве¬
личивает прочность древесины при
раскалывании, НО затрудняет ее ме- вое бревно? nTwi азиаченное' для раз*
ханическую обработку и снижает яелки на чурэкипрочность пиломатериалов при рас¬
тяжении и изгибе вследствие перерезания волокон древесины.Крень — ненормальное утолщение поздней древесины в годо¬
вых слоях; свойственна наклонно стоящим и покривленным де¬
ревьям.Свилеватость — волнистое или беспорядочное расположение во¬
локон древесины, чаще встречающееся у лиственных пород, преиму¬
щественно в комлевой части, ствола.Завиток — местное резкое искривление годовых слоев под влия¬
нием сучков и проростей.Сердцевина — узкая центральная часть ствола, состоящая из
рыхлой древесной ткани; попадая в деревянные изделия, усиливаетих растрескивание.Двойная сердцевина в виде двух сердцевин с самостоятельны¬
ми системами годовых слоев увеличивает отходы при обработке
древесины, усиливает ее растрескивание.Пасынок — отмершая вторая вершина или толстый сук, прони¬
зывающие ствол под острым углом к его продольной оси. Ухудшает
однородность и механические свойства древесины.Водослой — это участки ядра или спелой древесины, имеющие
ненормально темную окраску и возникающие в растущем дерево
вследствие повышенной влажности этих участков. Этот порок част^
является причиной растрескивания и гниения древесины, снижает'
ударную вязкость при изгибе.Рис. 133. Кривизна:I и 2 —поостая: 3 — сложная: 4 — kdh*
Прорость в виде обросшего древесиной участка поверхности
ствола с омертвевшими тканями и отходящая от него радиальная
трещина возникает в растущем дереве при зарастании повреж¬
дений.Рак — рана, возникающая на поверхности ствола растущего де¬
рева вследствие жизнедеятельности грибков и бактерий.Рис. 134. Наклон волокон:а — тангенциальный (виден по трещинам); б — радиальный
(виден по годичным слоям)Сухобокость возникает в местах повреждений (заруб, ожог,
ушиб и т. п.) и представляет собой омертвевший участок ствола.Засмолок — участок древесины, обильно пропитанный смолой;
присущ только хвойным породам. Он снижает ударную вязкость
и водопроницаемость, затрудняет отделку — лакировку, окраску.Смоляной кармашек в виде полости, заполненной смолой, встре¬
чается у хвойных пород, чаще всего у ели. Препятствует лицевой
отделке и склейке древесины.Некоторые пороки (например, пятнистость, внутренняя забо¬
лонь и др..) не оказывают существенного влияния на механические
свойства древесины.§ 4. Химические окраски и грибные пораженияНеестественные окраски возникают в срубленном дереве в ре¬
зультате химических и биохимических процессов, в большинстве
случаев вызывающих окисление дубильных веществ. Бывают свет-800окраски, они не влияют
на физико-механические
свойства древесины, но
могут портить внешний
вид облицовочных мате¬
риалов.Ядровая гниль, разви¬
вающаяся в растущем де¬
реве под действием дере¬
воразрушающих грибов,
существенно снижает ме¬
ханические свойства и
сортность древесины.Наружная трухлявая
гниль то же возникает
вследствие поражения
древесины дереворазру¬
шающими грибами, на
поверхности пораженной
древесины наблюдаются
тяжи грибницы и плодовые тела. Сама же пораженная древесина
распадается на части и растирается в порошок (рис. 135). Процесс
разрушения может развиваться не только в сырой, но и в относи¬
тельно сухой древесине. Этот вид гнили резко снижает механичес¬
кие свойства древесины вплоть до полной ее непригодности. Пора¬
женная древесина является источником грибной инфекции
для деревянных конструкций.Такие же пороки, как плесень, грибные
окраски (побурение заболони), мало изме¬
няют прочность древесины.Причины гниения древесины и защита
от нее рассмотрены ниже. 4§ 5. Повреждения насекомыми и прочие
порокиЧервоточиной называют ходы и отвер¬
стия, проделанные в древесине насекомыми.
Различают: 1) поверхностную червоточину,
проникающую в древесину на глубину не
более 3 мм (рис. 136); 2) неглубокую — глу¬
биной не более 15 мм в круглых лесомате¬
риалах и .не более 5 мм — в пиломатериа¬
лах; 3) сквозную, выходящую на две проти¬
воположные стороны материала.В зависимости от размера отверстий раз¬
личают некрупную червоточину с отверстия¬
ми не более 3 мм в диаметре и крупную —
с отверстиями более 3 мм.Рис. 135. Поражение древесины дереворазруша¬
ющими грибами:
а — настоящим домовым; б — белым301
Поверхностная червоточина не влияет на механические свой¬
ства древесины, однако глубокая червоточина снижает эти свой¬
ства, так как нарушается целостность древесины.Инородные включения — это присутствующие в древесине по¬
сторонние тела недревесного происхождения (песок, камни, гвозди
и т. п.). Подобные включения затрудняют обработку древесины,
могут явиться причиной аварий.Механические повреждения (заруб, запил, скол, вырыв и т. п.)
являются следствием небрежного или неумелого применения ме¬
ханизмов и инструментов при заготовке и обработке древесины.
Они не только снижают механическую прочность, но и затрудняют
использование лесоматериалов по назначению.Покоробленность—это искривление пиломатериала, возникаю¬
щее при распиловке, сушке и хранении. Различают простую, слож¬
ную покоробленность и крыловатость. Поскольку покоробленность
изменяет форму пиломатериалов, то она затрудняет, их обработку
и использование по назначению*.Глава 49ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ
И СПОСОБЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ§ 1. Физическая и химическая стойкость древесиныДолговечность древесины различных пород в воздушных и вод¬
ных условиях эксплуатации охарактеризована в табл. 43.В сухих условиях и при надлежащем проветривании древесина
сохраняется долго (деревянные изделия, находившиеся в пирами¬
дах— усыпальницах египетских фараонов, сохранились до наших
дней). Столь же долговечна древесина, постоянно находившаяся
в воде без доступа воздуха. Известны случаи сохранения подвод-Таблица 43Долговечность древесины в строительных конструкциях (по О. М. Иванову)ПородадереваДолговечность по сравне-
нию с Долговечностью
Древесины дуба при
эксплуатациивоздухев пресной воде!ДубВязЛиственницаСоснаЕль302ПородадереваДолговечность по сравне¬
нию с долговечностью
древесины дуба при
эксплуатациина воздухе10,6—0,9
0,4—0,85
0,4—0,85
0,4—0,67в пресной воде10,90,80,80,5БукОльхаБерезаИваОсина0,1—0,6
0,2—0,40,15—0,4
0,3
0,2—0,40,7Не приме¬
няется
То же
»»ных частей свай и мостов, построенных еще римлянами. Однако
попеременное увлажнение и высыхание деревянных элементов соз¬
дает благоприятную среду для гниения древесины. На древесину
влияет и химический состав воды. В морской воде древесина сохра¬
няется хуже, чем в речной. В строительстве гидротехнических со¬
оружений применяют в основном сосну, обладающую стабильной
долговечностью в воздушных и водных условиях эксплуатации
(табл. 43). Дуб и лиственницу используют в конструкциях, которые
должны быть прочными и стойкими против гниения. В лесоматериа¬
лах для гидротехнических сооружений не допускается гнили. Дре¬
весина капитальных сооружений для предохранения от гниения и
повреждения древоточцами должна быть антисептирована.Химическая стойкость древесины к действию кислот и щелочей
неодинакова для различных древесных пород. Разрушение древеси¬
ны зависит от концентрации и длительности воздействия раство¬
ров. Слабо диссоциированные кислоты (уксусная, молочная и т. п.)
не разрушают древесину, так же как и слабощелочные растворы.
Сильные кислоты (серная, фосфорная и т. п.) дегидратируют дре¬
весину, вызывая явление, подобное обугливанию.§ 2. Причины гниения древесины и с зсобы защитыГниение — разложение целлюлозы древесины, происходящее
вследствие деятельности дереворазрушающих грибов и микроорга¬
низмов.Поражающие древесину грибы отличаются большим разнообра¬
зием. Если плесень почти не изменяет механические свойства древе¬
сины и ее влияние ограничивается приданием древесине цветной
окраски, ухудшающей внешний вид, то дереворазрушающие грибы
могут сильно понизить качество древесины и даже делают ее не¬
пригодной.Питательной средой для дереворазрушающих грибов является
растворимый сахар (глюкоза), являющийся продуктом разлагае¬
мой ими целлюлозы. При содействии фермента, выделяемого гри¬
бом, нерастворимая в воде цюллюлоза гидратируется и переходит
в растворимое вещество — глюкозу:(СбН10О5)„ + п Н20 -> п (СвН12Ов)I 1 I 1Целлюлоза ГлюкозаВ теле гриба глюкоза окисляется кислородом воздуха, образуя
углекислый газ и воду. Следовательно, для жизнедеятельности
гриба необходимы влага и кислород воздуха. Вот почему легко за¬
гнивает древесина, находящаяся в условиях переменной влажности
(столбы, сваи, телеграфные столбы и т. п.). Споры различных
грибов почти всегда имеются на дереве, оставаясь пассивными до
тех пор, пока не наступят благоприятные условия. Болезнь дерева —■
гниение развивается при влажности более 18—20%, хотя споры
сохраняют жизнеспособность и в сухой древесине. При достаточной
влажности и положительной температуре споры прорастают и по-303
является грибница, сначала в виде ватообразного образования, а
затем в виде плотного тела на поверхности материала (то, что
обычно называют грибом). Плодовые тела выделяют огромное ко¬
личество спор, которые переносятся ветром и насекомыми и явля¬
ются основным источником заражения древесины.Различают лесные, складские и домовые грибы.Лесные грибы поражают растущее дерево и редко встречаются
в лесоматериалах, так как зараженные части ствола отделяются
при сортировке леса.Складские грибы паразитируют на срубленной древесине в лесу
или на складах, пока древесина еще сохраняет свои соки. К числу
опасных складских грибов, вызывающих гниль, относятся гриб
складской, встречающийся в штабелях бревен и пиломатериалов,
а также гриб столбовой (или шпальный).Домовые грибы поражают не только деревянные конструкции,
но и органические строительные материалы (древесноволокнистые
и древесностружечные плиты, камышит и т. п.).Наиболее опасными из домовых грибов являются: так называе¬
мый настоящий домовой гриб, белый домовой гриб, пленчатый до¬
мовой гриб и др. Эти грибы поражают древесину как хвойных, так
и лиственных пород.Способы предотвращения гниения имеют своей целью создание
условий, неблагоприятных для развития дереворазрушающих
грибов.Поскольку грибы развиваются при определенной влажности, то
основным способом предотвращения гниения является применение
для деревянных конструкций, находящихся на воздухе, сухой дре¬
весины и предохранение ее от увлажнения в последующем. Дости¬
гается это прокладкой гидроизоляции между деревянными элемен¬
тами и другими частями здания, применением соответствующих
красочных составов (лаков, эмалей, масляных красок). Большое
значение имеет создание условий для естественной вентиляции,
обеспечивающей постоянное проветривание деревянных конструк¬
ций и предотвращающей накопление влаги в древесине. Однако
нельзя предохранять древесину от увлажнения, когда деревянная
конструкция или ее часть подвергается в эксплуатационных усло¬
виях систематическому попеременному увлажнению и высыханию.
В этих случаях основным является химический способ борьбы с
гниением — введение в древесину антисептиков — веществ, ядови¬
тых для грибов.Антисептики, обладая токсичностью по отношению к грибам,
должны быть безвредными для людей и животных. Применяют ан¬
тисептики, не понижающие прочности древесины и не вызывающие
коррозии металлических креплений. Кроме того, антисептики долж¬
ны сохраняться в условиях эксплуатации. Для воздушных условий
обычно применяют антисептики, растворимые в воде. Антисептиро-
вание деревянных элементов, подвергающихся действию воды
(шпалы, столбы, сваи и т. п.), осуществляют не растворяющимися
маслянистыми веществами.304Водорастворимые антисептики — неорганические и некоторые
органические — применяют в виде водных растворов и антисепти¬
ческих паст. К этой группе антисептиков относятся соли и водо¬
растворимые смолы.Фтористый натрий (NaF) технический — белый порошок без
запаха, не изменяющий цвет древесины; рабочая концентрация ра¬
створа 2—3%, растворимость в воде при 16— 18°С составляет 4,5%.
Обладает высокой токсичностью по отношению к дереворастущим
грибам и насекомым, часто используют в комбинации с другими
антисептиками. При соединении с известью, цементом фтористый
натрий переходит в нерастворимый фтористый кальций и теряет
свою токсичность.Кремнефтористый натрий (Na2SiF6)—порошок белого или се¬
рого цвета; его растворимость в горячей воде — около 2,4%. При¬
меняют совместно с фтористым натрием в виде водного раствора,
а также в составе антисептических паст.Хлористый цинк (ZnCl2) применяют в водном растворе 5%-ной
концентрации, так как вызывает коррозию металла.Медный купорос (СиБО^бНгО) используют в виде 10%-ного
водного раствора. Может употребляться в составе комбинирован¬
ных препаратов. Например, препарат ХМ-5 представляет собой
смесь медного купороса и натриевого хромпика.Динитрофенолят натрия [C6H3(N02)20Na] имеет токсичность
выше токсичности фтористого натрия. Употребляется для пропитки
древесины (в концентрации 3—5%) и древесноволокнистых тепло¬
изоляционных изделий (в концентрации 1—2%). Динитрофеноляг
натрия нелетуч, не корродирует металл и не гигроскопичен, в по¬
рошкообразном виде горюч и взрывоопасен. Не применяют для
пропитки древесины, подвергающейся нагреву свыше 50°С. Прида¬
ет древесине оранжевую окраску.Высокотоксичные антисептики, содержащие арсенаты металлов,
в виде жидкостей и паст хорошо защищают древесину от загнива¬
ния, не ухудшая ее свойства и не оказывая корродирующего влия¬
ния на металлические детали.Ряд эффективных антисептических препаратов получают путем
сочетания соли (например, фтористого натрия) и водорастворимо¬
го органического антисептика (динитрофенола или др.).Маслянистые антисептики не растворяются в воде, поэтому их
используют для консервации древесины, находящейся на открытом
воздухе, в воде или земле. Токсичность антисептиков этой группы
обусловливается наличием в них фенола и его производных. Эти
вещества содержатся в маслах, получаемых в результате перера¬
ботки каменноугольного дегтя, который сам является одним из
продуктов процесса коксования каменного угля.Антраценовое масло — продукт перегонки каменноугольного
дегтя (при 270—410СС), сильно токсичен, обладает специфичным
резким запахом, темно-бурого цвета.Каменноугольное креозотовое масло получают при дистилляции
каменноугольного дегтя (при 250—280°С), применяют в подогретом305
до 50—60°С состоянии. Обладает сильным антисептирующим дей¬
ствием, не выщелачивается, не оказывает вредного действия на
древесину и металл. Является одним из лучших антисептиков для
шпал, деревянных столбов, опор, мостов.Сланцевое масло применяют наравне с антраценовым маслом.Древесина, пропитанная маслянистыми антисептиками, при¬
обретает темный цвет, имеет резкий фенольный запах, не поддает¬
ся окраске, увеличивает горючесть. Поэтому эти антисептики не
применяют для консервации деревянных конструкций и деталей,
находящихся внутри жилых помещений.Некоторые антисептики (пентахлорфенол, нафтенат меди и др.)
переводятся в рабочее жидкотекучее состояние путем растворения
в органических растворителях (зеленом масле, керосине и т. п.).Антисептические пасты состоят из трех частей: водорастворимо¬
го антисептика, связующего вещества, обеспечивающего прилипа¬
ние пасты к поверхности древесины и наполнителя — торфяного
порошка.Битумную пасту приготовляют путем добавления в расплавлен¬
ный битум зеленого масла (в качестве растворителя), фтористого
натрия и торфяного порошка. Состав перемешивают до получения
однородной смеси. Битумные пасты водостойки, торфяной порошок
(вводимый в количестве 5—10%) облегчает диффузию фтористого
натрия из битуминозного связующего в древесину.Силикатную пасту готовят из кремнефтористого натрия (15—
20%), жидкого стекла (около 72%), воды и добавки каменноуголь¬
ного масла, придающей отвердевшей пасте эластичность. Эта пас¬
та, так же как и экстрактовая, не горюча, но и не водостойка.Экстрактовая паста содержит фтористый натрий (25—40%),
экстракт сульфитных щелоков (26—28%), воду (30—40%) 'и тор¬
фяной порошок. Эту пасту после нанесения на деревянный элемент
надо покрывать гидроизоляционным слоем для защиты от вымы¬
вания.Антисептические пасты применяют как обмазки для защиты от
гниения деревянных конструкций при повышенной влажности воз¬
духа, а также для элементов, находящихся в грунтах с переменной
влажностью. Пасту, нанесенную на поверхность столбов или дру¬
гих элементов, соприкасающихся с землей, защищают гидроизоля¬
цией (толем, рубероидом и т. п.).Те места деревянной конструкции, которые повреждены дерево¬
разрушающими грибами или насекомыми, обрабатывают сильно-
действующими антисептиками. Древесину, пораженную гнилью,
удаляют и сжигают во избежание заражения здоровой древе¬
сины.Древесина может подвергаться стерилизации путем облучения
лучами Со-60 (кобальта) по определенному режиму. Применение
радиационных методов возможно только при строгом обеспечении
правил охраны .труда.Усовершенствование установок, для стерилизации древесины го¬
рячим воздухом (при 100°С), который вызывает гибель грибов и
зовнасекомых, поможет сохранить деревянные конструкции, находя¬
щиеся в эксплуатации.Способы антисепгирования древесины применяют в зависимостиот типа и условий службы конструкции.Поверхностная обработка производится водными растворами
антисептиков, которые наносят на поверхность деревянных элемен¬
тов кистями или распылителями за 2—3 раза. Глубина пропитки
древесины составляет в этом случае 1—2 мм (ее легко определить,
если раствор подкрасить, например, анилиновой краской). Боль¬
шая глубина пропитки получается при погружении деревянных эле¬
ментов в ванну с холодным или подогретым раствором антисептика.Пропитка в горяче-холодных ваннах осуществляется в опреде¬
ленной последовательности; сначала подсушенную древесину по¬
гружают в горячий антисептик (с температурой 90—95°С) и выдер¬
живают в нем несколько часов. За это время древесина нагревается
и воздух, находящийся* в ее порах, частично удаляется. Затем де¬
ревянные элементы переносят в ванну с «холодным» антисептиком
(20—40°С). При охлаждении воздух в порах сжимается и под дей¬
ствием создающегося вакуума антисептик засасывается в древесину.
Для пропитки применяют водорастворимые и маслянистые анти¬
септики. Способ горяче-холодных ванн позволяет пропитать древе¬
сину сосны на всю толщину заболони.Пропитка под давлением производится в автоклавах. Материал
загружают в автоклав, который герметически закрывают. Сначала
в автоклаве создается вакуум и материал выдерживают до удале¬
ния воздуха из древесины. Затем автоклав заполняют подогретым
антисептиком и повышают давление в нем до 0,6—0,8 МПа, после
чего давление снижают до нормального, выпускают оставшийся
антисептик и выгружают из автоклава антисептированный мате¬
риал. Этим способом обрабатывают деревянные элементы, соприка¬
сающиеся с землей, бетоном или каменной кладкой.Пропитка в высокотемпературной ванне (разработанная
А. И. Фоломиным) объединяет процессы сушки и пропитки сырой
древесины. Материалы из хвойных или лиственных пород помеща¬
ют в ванну с каменноугольным маслом (или другим равноценным
антисептиком), нагретым до температуры 160—170°С, при которой
из древесины быстро удаляется влага (в виде пара) и воздух. Это
значительно облегчает проникновение антисептика в древесину при
погружении ее в ванну с температурой антисептика около 100°С.
Сушка древесины в высокотемпературной жидкой среде позволяет
избежать трещин и добиться полной стерилизации древесины.Диффузионная пропитка происходит, когда водорастворимый
антисептик, содержащийся в антисептической пасте, постепенно
растворяется и пропитывает древесину вследствие медленного диф¬
фузионного перемещения. Части деревянных конструкций, подвер¬
гающиеся периодическому увлажнению (концы деревянных балок
и прогонов, опорные части ферм и т. п.) покрывают слоем битум¬
ной, силикатной или экстрактовой пасты, содержащей NaF, Na2SiF6
и т. п.30?
§ 3. Защита древесины от возгоранияСущественным недостатком древесных материалов является их
легкая воспламеняемость. Температура воспламенения древесины
(соответствующая вспышке горючих газов) колеблется в пределах
от 250 до 300°С в зависимости от породы дерева. Горят продукты
термической деструкции древесины, образующиеся при нагревании
ее после удаления влаги, начиная с температуры 170°С. Интенсив¬
ное же выделение горючих газов происходит при 280°С. Однако
длительный нагрев древесины (от печей, дымоходов и т. п.) при
более низких температурах (120—150°С) то же может быть опасен
вследствие постепенного обугливания древесины с образованием
самовоспламеняющегося угля. При температуре выше 350°С газы,
выделяющиеся из древесины, воспламеняются даже при отсутствии
открытого пламени.Для предупреждения возгорания деревянных элементов следует
предусматривать соответствующие конструктивные меры: необходи¬
мое удаление дерева от источников нагревания, устройство перего¬
родок из несгораемых материалов (бетона, кирпича и т. п.), покры¬
тие деревянных частей слоем малотеплопроводного минерального
материала (асбестового, пористой штукатуркой и т. п.). Для пре¬
дохранения от огня поверхность деревянных конструкций покрыва¬
ют огнезащитными красочными составами или пропитывают огне¬
защитными веществами — антисептиками.Огнезащитные красочные составы состоят из связующего веще¬
ства (обычно жидкого стекла), наполнителя (кварцевого песка, ме¬
ла или магнезита) и щелочестойкого пигмента (охры, мумии
и т. п.). Огнезащитное действие окраски проявляется в том, что при
пожаре краска пузырится, образующийся пористый слой замедля¬
ет нагревание древесины Если же горючие газы все же образуются
и прорывают красочное покрытие, то их воспламенение происходит
на некотором расстоянии от поверхности деревянного элемента.Защитное действие антипиренов основано на том, что некоторые
из них при пожаре плавятся и древесина покрывается пленкой,
затрудняющей доступ кислорода. Другие антипирены при нагрева¬
нии выделяют негорючие газы, снижающие концентрацию кислоро¬
да в газовой среде возле конструкции.Антипиренами являются фосфорнокислые и сернокислые соли
аммония. Сернокислый аммоний при нагревании диссоциирует:
(NH4)2S04—>-2NH3 + H2SO4. Образовавшаяся сильная кислота де¬
гидратирует поверхностный слой древесины, который защищает
внутреннюю необугленную древесину от сильного нагрева. Бура —
борнонатриевая соль ЫагВ+О?-ЮН20 при нагревании выделяет па¬
ры воды и плавится, образуя пленку на поверхности конструктивно¬
го элемента.Растворы антипиренов применяют для поверхностной обработ¬
ки и пропитки древесины, их используют для повышения огнестой¬
кости древесных материалов и изделий.308Глава 50СУШКА ДРЕВЕСИНЫ
§ I. Естественная сушкаСушка не только повышает прочность древесины, но при прове¬
дении соответствующих конструктивных и защитных мероприятий
против гниения обеспечивает ее длительную сохранность. Сушка
может быть естественной (на складах) или искусственной, осущест¬
вляемой в сушилах, горячих жидкостях или в поле токов высокойчастоты.Для высушивания древесных материалов нужно обеспечить ис¬
парение влаги с поверхности материала и создать условия для
быстрого передвижения влаги изнутри к поверхности изделия.Естественная (или воздушная) сушка происходит на складах
лесоматериалов. Склад устраивают на ровной площадке, располо¬
женной на сухом возвышенном месте и оборудованной водостока¬
ми. Доски укладывают в штабеля иа некотором расстоянии друг
от друга для создания равномерной вентиляции и защищают от
дождя, покрывая штабель навесом. Бревна укладывают в штабеля
на прокладки из жердей также на некотором расстоянии друг от
друга. Верхний ряд располагают с наклоном и покрывают гидро¬
изоляционным материалом. Для предотвращения быстрого высы¬
хания и растрескивания торцы досок и бревен промазывают жид¬
ким составом из извести, клея, поваренной соли. Штабеля
лесоматериалов размещают на складе, учитывая направление
господствующего ветра, на расстоянии 2—2,5 м друг от друга;
предусматривают проезды шириной 8—10 м.Естественная сушка не требует специального оборудования,
однако она осуществляется медленно, зависит от погоды и может
быть только в определенное время года. В зависимости от породы
дерева и толщины естественная сушка досок занимает от 2—3 ме¬
сяцев до 1—1,5 лет, воздушно-сухую древесину получают с мини¬
мальной влажностью 15%.§ 2. Искусственная сушкаИскусственная сушка происходит во много раз быстрее и позво¬
ляет высушить древесину до 6—10%-ной влажности.Сушила бывают непрерывного и периодического действия с ес¬
тественной и принудительной циркуляцией воздуха; теплоносите¬
лем в сушилах является водяной пар и нагретый воздух. В начале
процесса сушки древесину прогревают на всю толщину паром или
влажным воздухом с температурой 70—80°С. Это позволяет избе¬
жать больших градиентов температуры по толщине материала во
время последующей интенсивной сушки, осуществляемой циркули¬
рующим сухим воздухом с температурой 50—60°С.Наиболее производительны и экономичны автоматизированные
сушила непрерывного действия с механизированной погрузкой и309
разгрузкой лесоматериалов. В столярном и мебельном производст¬
ве нередко применяют сушку древесины в камерных сушилах пе¬
риодического действия: в них можно создать мягкий режим сушки
и избежать растрескивания древесины. Продолжительность камер¬
ной сушки сосновых и еловых досок толщиной 25—50 мм составля¬
ет 3—6 сут.Скоростная сушка древесины в петролатуме длится всего 8—
12 ч. Петролатум — побочный продукт депарафинизации нефтяных
масел, состоящий из углеводородов и их производных, в воде не
растворяется и с водой не смешивается. При нагреве переходит в
состояние подвижной жидкости. Сушка осуществляется путем по¬
гружения пакета деревянных изделий в ванну с нагретым до 130°С
петролатумом. Из погруженной древесины быстро удаляется в ат¬
мосферу влага в виде пара. Одновременно древесина пропитывает¬
ся петролатумом на глубину около 2 мм, при этом расход петрола-
тума на 1 м3 древесины составляет 8—20 кг. Ценно то, что при суш¬
ке в петролатуме древесина не коробится и не растрескивается.Сушка древесины в поле токов высокой частоты разработана в
СССР, она основана на превращении энергии переменного электри¬
ческого поля высокой частоты в тепловую энергию, вызывающую
нагрев древесины. Деревянные элементы помещают между сетча¬
тыми электродами, к которым от генератора проведен ток высокой
частоты. Древесина быстро и равномерно нагревается. Поскольку
поверхность материала имеет более низкую температуру вследствие
испарения влаги, то находящаяся в древесине влага интенсивно
перемещается изнутри материала наружу. Это дает возможность
высушивать древесину очень быстро, не опасаясь ее растрескивания
и коробления. Электросушка древесины требует значительного рас¬
хода электроэнергии, поэтому ее применяют для высококачествен¬
ных древесных материалов.Глава 51
ЛЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ
§ 1. Лесные материалыКруглые лесоматериалы — отрезки стволов деревьев с обруб¬
ленными сучьями с корой или без коры. В зависимости от диаметра
ствола в верхнем отрубе различают: бревна (диаметр более 12 см),
подтоварник (диаметр 8—11 см) и жерди (диаметр 3—7 см). По
назначению бревна подразделяют на строительные и пиловочные.Бревна строительные изготовляют преимущественно из сосны,
лиственницы, кедра, реже из ели и дуба. Они предназначены для
несущих строительных конструкций: свай, элементов свайных опор,
пролетных строений мостов, гидротехнических сооружений, опор
воздушных линий связи и т. п. Длина бревен 3—6,5 м с градацией
через 0,5 м. В зависимости от качества древесины и дефектов об¬310работки круглые лесоматериалы разделяют на четыре сорта.
В строительстве применяют преимущественно бревна 2-го и 3-госортов.Пиловочные бревна из стволов хвойных и лиственных пород ис¬
пользуют для получения разнообразных пиломатериалов. Кряжи в
виде толстых обрезков ствола дерева (диаметром больше 200 мм)
являются сырьем для лущения в производстве фанеры и спичек.
В фанерном производстве используют преимущественно березо¬
вые, ольховые и осиновые кряжи.Пиломатериалы изготовляют путем продольной распиловки пи¬
ловочных бревен. Бревна могут распиливаться по диаметру (пла¬
стины) или по двум взаимно перпендикулярным диаметрам (чет¬
вертина) (рис. 137).Доски имеют толщину 100 мм и менее, причем их ширина в3 раза и более превышает толщину. Доска и бруски бывают обрез-Рис. 137- Виды лесных материалов:/ — пиловочные строительные бревна; 2 —пластина; 3 — четверти¬
ны; 4, 5 — обрезные доскн; 6 — необрезная доска; 7 —горбыль;
в •— брус; 9 — доска, строганная с четырех сторон; 10 — шпунтован-
ные доскн с прямоугольным пазом и гребнем; 11 — шпунтованные
доски с треугольным пазом н гребнем; 12 — фальцованные доскн;
13 — плинтус; И — наличникизи
ные — с пропиленными кромками и необрезные, у которых кромки
не пропилены.Бруски имеют толщину менее 100 мм, но в отличие от досок
ширина брусков меньше их трехкратной толщины.Брусья имеют ширину и толщину выше 100 мм. Их подразделя¬
ют на четырехкантные, опиленные с четырех сторон, и двухкантные,
опиленные с двух противоположных сторон по параллельным плос¬
костям.Пиломатериалы хвойных пород изготовляют длиной 1—6,5 м с
градацией через 0,25 м. Доски и бруски разделяют на пять сортов:
отборный 1, 2, 3 и 4-й. В столярном деле используют 1-й и 2-й сор¬
та, в строительстве — все сорта.Пиломатериалы лиственных пород изготовляют из древесины
твердых и мягких пород длиной 0,5—6,5 м с градацией через 0,5 м,
их разделяют на три сорта.Шпалы изготовляют из сосны, ели, лиственницы, кедра, пихты
и бука путем обработки круглого леса на два или четыре канта.
Шпалы имеют длину 2,5—2,7 м для широкой колеи и 1,35—1,8 м —
для узкой колеи.§ 2. Полуфабрикаты и изделия из древесиныСтроганые и шпунтовые доски и бруски имеют на одной кромке
шпунт, а на другой — гребень для плотного соединения элементов.Фрезерованные изделия: плинтусы и галтели применяют для
заделки углов между стенами и полом; поручни и наличники для
обшивки оконных и дверных коробок.Паркет бывает обыкновенный (планочный) и щитовой. Паркет¬
ные планки (дощечки) изготовляют из твердых пород — дуба, бу¬
ка, ясеня и др. Щитовой паркет имеет основание из досок или
брусьев, на которые наклеен паркет, набранный из отдельных пла¬
нок. Паркетные доски состоят из реечного основания (которое по¬
зволяет избежать коробления), на которое наклеены паркетные
планки. На кромках паркетных досок имеется паз и гребень для
плотного соединения при настилке пола. Применение паркетных до¬
сок дает большие преимущества по сравнению с штучным паркетом.
Их изготовляют заводским механизированным способом, устрой¬
ство чистого пола из паркетных досок производится значительно
быстрее.Столярные изделия — оконные и дверные коробки с вмонтиро¬
ванными в них оконными переплетами и дверными полотнами. Эти
изделия изготовляют заводским путем и выпускают полностью от¬
деланными.§ 3. Индустриальные строительные детали из древесиныДеревянные детали и сборные конструкции заводского изготов¬
ления поступают на строительство в готовом виде, а на строитель¬
ной площадке производится лишь их сборка. В число деревянных312деталей и сборных конструкций входят: балки междуэтажных и
чердачных перекрытий, щиты для наката перекрытий и перегоро¬
док, элементы сборных деревянных домов.Дома заводского изготовления выпускают брусковые, каркасно¬
обшивные. В каркасно-щитовых домах для заполнения каркаса ис¬
пользуют панели из фибролита или из древесноволокнистых плит.
Наружные стены могут быть облицованы (например, асбоцемент¬
ными цветными плитками). Каркасно-обшивной дом имеет каркас,
собираемый из брусьев (вертикальные стойки, нижняя и верхняяобвязки). Каркас обшивают сна¬
ружи и внутри обрезными доска¬
ми, пространство между которы¬
ми заполняют теплоизоляцион¬
ным материалом. Балки пола и
стропила, выполняемые из досок
толщиной 50 мм, дополнительноукрепляют каркас.Дома заводского изготовления
выпускают одно- и двухэтажные,
их собирают на строительной
площадке из готовых элементов.§ 4. Клееные деревянные
конструкцииКлееные изделия и конструк¬
ции выпускают домостроитель¬
ные комбинаты в значительныхколичествах.Клееные деревянные строи¬
тельные конструкции отличаются
меньшей массой, большей проч¬
ностью, водостойкостью, мень¬
шей возгораемостью, чем обыч¬
ные деревянные конструкции.Они почти не подвержены усуш¬
ке и короблению и могут изготов¬
ляться в виде балок, ферм, арок.В клееных конструкциях отдель¬
ные слои древесины располагают
таким образом, чтобы ослабить
влияние анизотропности древеси¬
ны, а также уменьшить местное
влияние трещин, сучков и другихПОрОКОВ. ния; в —рои- Склеиванием древесных заготовок из маломерного по длине и
сечению пиленого материала можно изготовить дверные полотна,
оконные и дверные коробки, щиты для полов, а также крупные
конструктивные элементы — балки (рис. 138, а, б); прогоны, фермы
(рис. 138, в, г я д) ; рамы (рис. 138, е), сваи, шпунты.до mooЙ <12-зо тод) JLРис. 138. Клееные деревянные кон¬
струкции:
а — балка прямолинейная постоянного се¬
чения; б — балка двускатная; в — балка
шпренгельная; г — металлодеревянная фер¬
ма треугольная; д — металлодеревянная
ферма с ннжннм поясом ломаного очерта¬
ния; е — рама трехшарнирная313
РАЗДЕЛ XТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯГлава 52
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯТеплоизоляционными называют неорганические и органические
малотеплопроводные материалы, предназначенные для тепловой
изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования
и трубопроводов. Тепловая защита тепловых агрегатов, техниче¬
ской аппаратуры и трубопроводов позволяет экономить топливо,
сокращать потери тепла и интенсифицировать технологические про¬
цессы. На тепловых электростанциях потери тепла сокращаются
примерно в 20—25 раз, улучшаются условия труда обслуживающе¬
го персонала.Применение теплоизоляционных материалов в строительстве
позволяет повысить степень индустриализации строительных работ.
В полносборном домостроении широко применяют облегченные
крупные панели с утеплителем. Это дает возможность снизить мас¬
су здания и затраты топлива. В северных районах нашей страны,
где стоимость перевозки в несколько раз превосходит стоимость
самого материала, строят здания из легких слоистых элементов,
состоящих из наружной прочной оболочки и внутреннего слоя по¬
ристого утеплителя. На Севере особенно важно повысить термиче¬
ское сопротивление наружных ограждений: количество топлива,
расходуемое в течение 4—5 лет на отопление здания, почти равно
массе его наружных стен.Согласно ГОСТ 4.201—79 теплоизоляционные материалы и из¬
делия подразделяются на следующие группы: 1) по виду исходного
сырья: неорганические и органические; 2) по структуре, форме и
внешнему виду: а) неорганические: штучные волокнистые изделия
(минераловатные, стекловатные плиты и т. п.); штучные ячеистые
изделия (из ячеистых бетонов, пеностекла и т. п.); рулонные и
шнуровые материалы (маты, шнуры, жгуты и т. п.); рыхлые волок¬
нистые материалы( минераловатная смесь и др.); сыпучие зерни¬
стые материалы (вспученный перлит, вермикулит и т. п.);
б) органические: штучные волокнистые изделия (плиты древесно¬
стружечные, фибролитовые и др.); штучные ячеистые изделия
(ячеистые пластмассы); 3) по сжимаемости: мягкие М — деформа¬
ция свыше 30%; полужесткие ПЖ — деформация 6—30%; жест¬
кие Ж — деформация не более 6%. Сжимаемость характеризуют
относительной деформацией материала при сжатии под действием
удельной нагрузки 0,002 МПа.314СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ§ 1. Строение и теплофизические свойстваТеплоизоляционные материалы имеют высокопористое строение,
они создаются из веществ, имеющих аморфное строение, так как
кристаллические вещества хорошо проводят тепло. Теплопровод¬
ность уменьшается в 10 и более раз, если использовать материалы,
получаемые путем быстрого охлаждения расплава, примером яв¬
ляются стеклянные и минеральные волокна.Воздух наименее теплопроводен из всех сред, не считая безвоз¬
душного пространства. Теплопроводность сухого воздуха, заклю¬
ченного в мелких порах, составляет лишь 0,023 Вт/(м>°С). Однако
теплопроводность воздушных слоев значительно возрастает при
увеличении их толщины. Тепло через воздушный слой передается
теплопроводностью Ят, конвекцией Кк и излучением Я„, поэтому
эквивалентный коэффициент теплопроводности слоя Хэ можно
представить состоящим из трех слагаемых:кэ — Хт + Кк -f-На рис. 139 показано увеличение теплопроводности воздушного
слоя вследствие резкого возрастания теплопередачи конвекцией
и излучением по ме(>е увеличения размера воздушного слоя. По¬
этому в технологии теплоизоляционных материалов стремятся по-Рис 139 Зависимость теплопроводности от толщины воздушных
гии IOV. - прослоек315
лучать поры в виде мелких ячеек либо тонких воздушных слоев,
разделяющих волокна.В практике используют следующие основные способы создания
высокопористого строения материала.Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бето¬
ны, пеностекло, пористые пластмассы) используют способы газо-
выделения и пенообразования.Способ же высокого водозатворения состоит в применении боль¬
шого количества воды при получении формовочных масс (напри¬
мер, из трепела, диатомита); последующее испарение воды при суш¬
ке и обжиге отформованных изделий
способствует образованию воздушных
пор. Этот способ часто сочетается с
введением выгорающих .добавок (дре¬
весных опилок, измельченного низко¬
сортного каменного угля, торфяной
крошки и др.).Создание волокнистого каркаса —
основной способ образования по¬
ристости у волокнистых материалов
(минеральная вата, фибролит и т. п.).
Высокопористое строение закрепляется
главным образом путем тепловой об¬
работки изделий, которая осуществля¬
ется в различных видах — путем обыч¬
ного пропаривания или автоклавной
обработки, сушки и обжига.Важное значение имеет равномерное распределение воздушных
пор в материале и характер пор. Желательно создавать мелкие,
равномерно распределенные поры — ячейки закрытого типа. В за¬
крытых порах воздух находится в спокойном состоянии и лучше
выполняет роль теплоизолятора. В замкнутые поры не попадает
вода (при обычных условиях насыщения), что очень важно для со¬
хранения стабильных теплофизических свойств и долговечности.
Стремление к замкнутой пористости отличает структуру теплоизо¬
ляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые
должны иметь определенное количество «сквозных» пор. Это прин¬
ципиальное отличие необходимо иметь в виду, так как часто для
производства теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий
используются одни и те же исходные материалы (например, мине¬
ральное волокно, древесная масса и др.).Теплопроводность К связана с коэффициентом температуропро¬
водности а, теплоемкостью с и объемной массой у материала сле¬
дующим соотношением:X — асу.Объемная масса является главным аргументом, определяющим
теплопроводность. Теплоизоляционные материалы по объемной
массе (кг/м3) делят на: 1) особо легкие (ОЛ)—М15, М25, М35,«'S'4gf ОАГ< -211ши 1ии m w 5оо то т
Объемная мат, кг/м3Рис. 140. Зависимость теплопро¬
водности теплоизоляционных
материалов от объемной массы:
1 — неорганические материалы; 2 —
органические материалы316М50, М75, М100; 2) легкие (Л) — М125, М150, М175, М200, М250,
М300, М350 и 3) тяжелые (Т) — М400, М450, М500 и М600. Мате¬
риал, имеющий объемную массу, не совпадающую с показателями
марок, относят к ближайшей большей марке. На рис. 140 представ¬
лен график зависимости теплопроводности материалов от объем¬
ной массы.По теплопроводности теплоизоляционные материалы делят на
три класса: класс А — малотеплопроводные — с теплопроводностью
до 0,058 Вт/(м-°С); класс Б — среднетеплопроводные — 0,058—
0,116 Вт/(м-°С) и класс В — повышенной теплопроводности — не
более 0,18 Вт/(м-°С).Теплопроводность пористых материалов резко возрастает при
увлажнении (см. рис. 8), так как теплопроводность воды, равная
0,58 Вт/(м-°С), в 25 раз больше теплопроводности воздуха. В опре¬
деленных пределах теплопроводность повышается прямо пропор¬
ционально возрастанию объемной влажности (№<>, в %), что позво¬
ляет вычислить теплопроводность влажного материала Kw по сле¬
дующей формуле:^ — К ~Ь Wo,где ко — теплопроводность сухого материала; б — приращение
теплопроводности на 1 % объемной влажности, которое составляет:
для неорганических материалов при положительной температуре —
0,002 Вт/(м-°С), при отрицательной температуре — 0,004 Вт/(м-°С);
для органических соответственно — 0,003 и 0,004 Вт/(м-°С).Замерзание воды в порах материала с образованием льда уве¬
личивает kw, так как теплопроводность льда равна 2,32 Вт/(м*°С),
т. е. в 4 раза больше теплопроводности воды.Теплоизоляция тепловых агрегатов и теплопроводов работает
при повышенных температурах.Теплопроводность fa при средней температуре материала мож¬
но вычислить, зная теплопроводность Я0 при 0°С и температурную
поправку р на 1°С повышения температуры:. (1 + Р0-У различных пористых материалов теплопроводность возраста¬
ет при повышении температуры с разной скоростью, поэтому и
температурный коэффициент р будет различный. Расчетные значе¬
ния теплопроводности материала принимают по СНиП И-З—79.
Нормы проектирования. Строительная теплотехника.У некоторых материалов (магнезитовых огнеупоров, металлов)
теплопроводность уменьшается при повышении температуры и,
следовательно, температурная поправка имеет отрицательный знак.§ 2. Фиэико-мзханические свойства теплоизоляционных
материаловПрочность теплоизоляционных материалов при сжатии сравни¬
тельно невелика — 0,2—2,5 МПа. Основной прочностной характе¬
ристикой волокнистых материалов (плит, скорлуп, сегментов) яв-317
ляется предел прочности при изгибе. У неорганических материалов
он составляет 0,15—0,5 МПа; у древесных плит — 0,4—2 МПа.
Гибкие теплоизоляционные материалы (минераловатные маты, вой¬
лок, асбестовый картон) испытывают на растяжение.Прочность материала должна быть такова, чтобы обеспечива¬
лась его сохранность при перевозке, складировании, монтаже и,
конечно, в эксплуатационных условиях.Водопоглощение не только ухудшает теплоизоляционные свой¬
ства пористого материала, но также понижает его прочность и
долговечность. Материалы с закрытыми порами, например пено¬
стекло, отличаются небольшим водопоглощением. Для снижения
водопоглощения при изготовлении материалов вводятся гидрофо-
бизующие добавки.Температуростойкость—-способность материала выдерживать
длительный нагрев при определенной температуре.Газо- и паропроницаемость учитывают при применении в ограж¬
дающих конструкциях. Она может иметь как положительное, так
и отрицательное значение. Например, желательно, чтобы теплоизо¬
ляция не препятствовала воздухообмену жилых помещений с окру¬
жающей средой, происходящему через наружные стены зданий.
Однако теплоизоляцию стен влажных производственных помеще¬
ний часто защищают от увлажнения с помощью надежной гидро¬
изоляции, устраиваемой с «теплой» стороны.§ 3. Свойства, характеризующие долговечность
теплоизоляционных материаловОгнестойкость — способность материала и конструкций выдер¬
живать в течение определенного времени действие пожара. Она
связана со сгораемостью материала, т. е. его способностью воспла¬
меняться и гореть. Сгораемые материалы можно применять только
при осуществлении мероприятий по защите от возгорания.Морозостойкость должна учитываться как важное свойство
утеплителя ограждающих конструкций зданий и холодильни¬
ков.Химическая и биологическая стойкость. Большая пористость
теплоизоляционных материалов благоприятствует проникновению
в них агрессивных газов и паров, находящихся в окружающей сре¬
де. Стойкость теплоизоляции повышают, применяя защитные по¬
крытия. Органические' теплоизоляционные материалы и связу¬
ющие (клей, крахмал) должны обладать биологической стой¬
костью, т. е. сопротивляться действию микроорганизмов, домовых
грибов, насекомых (муравьев, термитов).Большие работы в области теплоизоляционных материалов
выполнили К. Э. Горяйнов, Ю. П. Горлов, В. А. Китайцев
и др.318Глава 54НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ
§ 1. Виды неорганических теплоизоляционных изделийМинеральная вата состоит из тонких стекловидных волокон
диаметром 5—15 мкм, получаемых из расплава легкоплавких гор¬
ных пород (мергелей, доломитов и др.), металлургических и топ¬
ливных шлаков. Расплав обычно получают в вагранке. Волокна
образуются при воздействии подаваемого под давлением пара или
воздуха на непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава
(рис. 141,а) либо путем подачи расплава на валки или диск цен¬
трифуги (рис. 141,6). Полученное минеральное волокно собирается
в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке
(рис. 141,в). В эту камеру вводят органические или минеральныесвязующие вещества.Рис. 141. Схемы получения минерального волокна и изделий изнего:о —“ дутьевой способ: / — вагранка; 2 —желоб; 3 ~ пароподводящая труб¬
ка; 4 — дутьевая головка; 5 — камера волокнообразовання; 6— отверстие;7 — струя расплава; 8— раздув расплава минерального волокна; б — цен-
тробежно-валковый способ: / — струя расплава; 2 •— вращающиеся валки;3 — волокна; в—схема горизонтально-дутьевого способа получения мнне-
раловатных матов; / — вагранка; 2—дутьевые сопла; 3 — камера волок-
нообразованкя; 4—камера тепловой обработки; 5 — нож продольной резки;5 —нож поперечной резня; 7—упаковка; 8 — минераловатный мат319
На основе минеральной ваты выпускают штучные, рулонные,
шнуровые изделия и сыпучие материалы.Минераловатные твердые плиты, имеющие повышенную жест¬
кость, изготовляют на синтетическом связующем (фенолоспирте,
растворе или дисперсии карбамидного полимера и др.). По техно¬
логии, разработанной в Уралниистромпроекте, предусматривается
изготовление твердых плит из гидромассы, т. е. «мокрым» спосо¬
бом. Помимо минерального волокна и раствора полимера в гидро¬
массу вводят пенообразователь (клееканифольный или др.). Гидро¬
массу приготовляют в скоростных турбулентных смесителях. Плиты
из массы жидкотекучей консистенции формуют в вакуум-прессах.
Отформованные плиты поступают в туннельные или камерные су¬
шилки, где их подвергают тепловой обработке при 150—180°С.
Получают плиты объемной массой 180—200 кг/м3, теплопровод¬
ностью 0,047 Вт/(м*°С); водопоглощением не более 15%, толщиной
30—70 мм. При утеплении бесчердачных кровель твердыми мине¬
раловатными плитами гидроизоляционный слой устраивают, на¬
клеивая рулонный гидроизоляционный материал непосредственно
на эти плиты. При жестких же плитах требуется устройство стяж¬
ки из цементного или асфальтового раствора между плитой и гид¬
роизоляцией.Минераловатные жесткие плиты, скорлупы и сегменты выпуска¬
ют с синтетическим, битумным и неорганическим связующим (це¬
ментом, глиной, жидким стеклом и др.). Для повышения прочности
и снижения количества связующего в состав изделий вводят корот¬
коволокнистый асбест. Плиты толщиной 40—100 мм выпускают объ¬
емной массой 100—400 кг/м3 и теплопроводностью 0,051—
0,135 Вт/(м-°С).Минераловатные полужёсткие и мягкие плиты изготовляют с
синтетическим, битумным и крахмальным связующим. Изделия
(плиты, цилиндры, сегменты, маты) с синтетическим связующим
имеют меньшую объемную массу, более прочны и привлекательны
на вид по сравнению с изделиями на битумном связующем. Расход
фенолоспиртов составляет 10—15%, битума — 9—20% в полужест-
ких плитах и 3—5% по массе в мягких плитах. Объемная масса
плит — 35—250 кг/м3, теплопроводность — 0,041—0,07 Вт/(м-°С).Минераловатные маты в рулонах выпускают следующих видов:1) с синтетическим связующим (у —35—75 кг/м3), прошивные с ме¬
таллическими, тканевыми, бумажными обкладками, с обкладками
из стеклохолста (у=100—200 кг/м3); 2) из штапельного стеклово¬
локна (y = 25—50 кг/м3); 3) из непрерывного стекловолокна(y = 80—20 кг/м3); 4) в виде холста из базальтового волокна
(V=15—20 кг/м3).К сыпучим материалам относят: минеральную вату гранулиро-
ванную и минераловатную смесь с неорганическим вяжущим для
мастичной теплоизоляции.Керамические теплоизоляционные изделия изготовляют путем
формования, сушки и обжига. По сравнению с другими тепло¬
изоляционными материалами они имеют высокую прочность и тем-320пературостойкость до 900°С. В качестве сырья используют диато¬
мит, трепел, огнеупорную глину, перлит. Большая пористость соз¬
дается путем введения в формовочную массу пенообразователей,выгорающих добавок.Виды и характеристики керамических изделий приведены втабл. 44. : .Таблица 44Физико-механическиесвойства неорганических жестких, изделийИзделияДиатомитовые кирпич, скор¬
лупы, сегменты
Изделия из ячеистой кера¬
мики — плиты, скорлупы
Перлитокерамические плиты,
кирпич, скорлупы
Перлитовые плиты, скорлу¬
пы, сегменты на цементе, жид¬
ком стекле
Вармикулитовые изделия на
цементе, жидком стекле
Вулкакитовые изделияа Г7£I900900900600600600УааО *2500600400300400250350250400350400Предел прочности,
не менее, МПаприсжатииприизгибе0,60,81,20,610,250,30,150,30,30,35►О<аолц
р
4> о)
НЯ0,1160,140,1160,0810,1050,0750,0870,0870,1050,0870,093Теплоизоляционные легкие бетоны (слитного строения и круп¬
нопористые) изготовляют из пористого заполнителя — вспученного
перлита, легкого керамзита или вермикулита, и минерального (ре¬
же органического) вяжущего.Вулканитовые изделия изготовляются из смеси молотого диато¬
мита или трепела (около 60%), воздушной извести (20%) и асбес¬
та (20%). Отформованные изделия подвергают автоклавной обра¬
ботке, которая ускоряет химическое взаимодействие между крем¬
неземистым компонентом и воздушной известью, приводящее к об¬
разованию гидросиликатов кальция.' Совелит является у нас наиболее распространенным асбесто-
матнезиальным материалом. Сырьем для производства совелита
служат доломит (СаС£)3-МдСОз) и асбест (в количестве 15%). До¬
ломит подвергают сложной переработке, которая включает обжиг,
гашение обожженного доломита, карбонизацию полученного доло¬
митового молока с использованием газов, содержащих СО2. Ко¬
нечным продуктом химической переработки доломита является че¬
тырехводный основной карбонат магния MgC03-Mg(0H)2,4H20,
который вместе с осажденным СаСОз.составляет основу совелита.on11—664321
Тепловая обработка совелитовых изделий состоит из двух стадий:
сушки и прокаливания, имеющего целью декарбонизацию магнези¬
альной составляющей. Благодаря прокаливанию снижается объем¬
ная масса и теплопроводность, а температуростойкость повышает¬
ся. Совелит применяют для изоляции промышленного оборудова¬
ния при температурах до 500°С.Теплоизоляционные цементные ячеистые бетоны (газо- и пено-
бетоны) имеют объемную массу не более 500 кг/м3. Ячеистые бето¬
ны применяют для изоляции трубопроводов, а также для утепления
строительных конструкций.Ячеистое стекло (пеностекло) вырабатывают из стекольного
боя, либо используют те же сырьевые материалы, что и для произ¬
водства других видов стекла: кварцевый песок, известняк, соду и
сульфат натрия. Могут использоваться горные породы: трахиты,
сиениты, нефелины, обсидианы. При спекании порошка стекольного
боя с газообразователями — коксом и известняком — выделяется уг¬
лекислый газ, образующий поры. Газообразующими добавками мо¬
гут служить также антрацит и мел или карбиды кальция и крем¬
ния. Имеются автоматические установки для непрерывного произ¬
водства ячеистого стекла. При выходе из печи от непрерывно
движущегося бруса отрезаются блоки определенной длины, направ¬
ляемые в печь отжига. Благодаря этому предотвращается возник¬
новение внутренних напряжений, вызывающих растрескивание.Ячеистое стекло имеет специфическое строение. В материале
стенок крупных пор содержатся мельчайшие микропоры. Двоякий
характер пористости обусловливает малую теплопроводность при
достаточно высокой прочности, водостойкости и морозостойкости.
Ячеистое стекло — несгораемый материал с высокой температуро-
стойкостью — 400°С, для бесщелочного — до 600°С. Ячеистое стекло
хорошо сцепляется с цементными материалами, его можно обраба¬
тывать— пилить, шлифовать, сверлить. Ячеистое стекло применяют
для теплоизоляции тепловых сетей при их подземной бесканальной
прокладке. Оно находит применение для теплоизоляции стен, пере¬
крытий, кровель, в конструкциях холодильников.Крупнопористый керамзитобетон в виде плит используют для
утепления ограждающих конструкций. Его объемная масса 400—
500 кг/м3, марки по прочности при сжатии М4 — М10, теплопро¬
водность 0,14—0,17 Вт/(м-°С).. Стеклопор получают путем грануляции и вспучивания жидкого
стекла с минеральными добавками (мелом, молотым песком, золой
ТЭС и др.). Технологический процесс включает производство гра-
нулята — «стеклобисера» и его низкотемпературное (при 320—
360°С) вспучивание. Стеклопор выпускают трех марок: «СЛ» с
у=15—40 кг/м3, X=0,028—0,035 Вт/(м-°С); «Л» с у =*40—80 кг^м\
Я=0,032—0,04 Вт/(м.°С); «Т» с у=80—120 кг/м3; X=0,038—
0,05 Вт/(м-°С). Себестоимость стеклопора — 6—7 руб^м3, расход
жидкого стекла — 22—65 кг/м3. В сочетании с различными связую¬
щими стеклопор используют для изготовления штучной, мастичной
и заливочной теплоизоляции. Наиболее эффективно применение
322стеклопора в наполненных пенопластах, так как введение его в пе¬
нопласт позволяет снизить расход полимера и значительно повы¬
сить огнестойкость теплоизоляционных изделий.Монтажные асбестовые материалы выпускают в виде листов и
рулонов из асбестового волокна; иногда вводят наполнитель и не¬
большое количество склеивающих веществ (крахмала, казеина
и др.), получая асбестовую бумагу, картон, шнур.Алюминиевую фольгу применяют в качестве отражательной изо¬
ляции в воздушных прослойках слоистых ограждающих конструк¬
ций зданий и для теплоизоляции промышленного оборудования и
трубопроводов при температурах до 300°С.§ 2. Неорганические рыхлые материалыНеорганические рыхлые материалы для мастичной теплоизоля¬
ции изготовляют из смеси волокнистых материалов (асбеста, мине¬
рального волокна) с неорганическими вяжущими, затворяемыми
водой. Их применяют для изоляции промышленного оборудования
и трубопроводов с учетом температуры у границ теплоизоляцион¬
ного слоя.Минераловатную смесь приготовляют из минеральной ваты, ас¬
беста, тонкодисперсной глины и портландцемента. Объемная масса
изоляции в сухом состоянии— 400 кг/м3, теплопроводность -* неболее 0,028 Вт/м-°С).Асбестодиатомитовый порошок представляет собой смесь асбес¬
та (15%) и молотого диатомита или трепела (85%) иногда с до¬
бавками других веществ (отходов асбоцементных заводов, слюды).
Объемная масса теплоизоляции — 450—700 кг/м3, теплопровод¬
ность—0,093—0,21 Вт/(м-°С).Совелитовый порошок — это смесь легкого основного углекисло¬
го магния и углекислого кальция с асбестом, применяемая при тем¬
пературах до 500°С. Готовая совелитовая теплоизоляция имеет объ¬
емную массу 450 кг/м3 и теплопроводность — не более 0,098 Вт/(мХ
Х°С).Асбестомагнезиальный порошок (ньювель) приготовляют в виде
смеси легкого основного углекислого магния с асбестом и приме¬
няют при температурах до 350°С.Неорганические зернистые материалы для теплоизоляционных
засыпок. При температурах до 900°С применяют: вспученный пер¬
лит в виде пористого песка (зерна до 5 мм) с объемной массой
75—250 кг/м3 и теплопроводностью 0,04—0,058 Вт/(м*°С); вспучен¬
ный вермикулит в виде смеси пластинчатых зерен крупностью не
более 15 мм, объемной массой 100—300 кг/м3 и теплопроводностью
0,075—0,104 Вт/(м-°С): измельченные и обожженные диатомиты
и трепелы с крупностью до 5 мм, объемной массой 400—700 кг/м3 и
теплопроводностью 0,11—0,18 Вт/(м-°С).При температурах до 450—600°С применяют гранулированную11*323
и стеклянную вату, дробленую пемзу и вулканический туф, топлив¬
ные шлаки, получаемые при сжигании кускового топлива, топлив¬
ные золы от сжигания пылевидного топлива, доменные гранулиро¬
ванные шлаки.Глава 65
ОРГАНИЧЕСКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И8ДЕЛИЯ
§ 1. Изделия на основе древесного волокнаФибролит — плитный материал, изготовляемый из древесной
шерсти и неорганического вяжущего вещества. Древесную шерсть
(стружку длиной 200—500, шириной 2—5 и толщиной 0,3—0,5 мм)
получают на специальных станках, используя короткие бревна ели,
липы, осины или сосны. Вяжущим чаще всего служит портландце¬
мент. Древесную шерсть предварительно смачивают на вибросите
раствором минерализатора — хлористого кальция при помощи дож¬
девальной установки, а затем подают транспортером в смеситель¬
ный барабан принудительного действия. Туда же поступает через
дозировочный шнек цемент. Перемешанную массу укладывают
ленточным транспортером в непрерывно передвигающиеся по роль¬
гангу формы. Формы с массой последовательно проходят камеру
начеса, прессовочный вал, пост разделки на плиты. Скомплектован¬
ные в штабеля (по 10—12 шт.) плиты с пресса направляют в каме¬
ру твердения и сушки. Влажность цементно-фибролитовых плит
должна быть не более 20% по массе. Плиты выпускают объемной
массой 300—500 кг/м3, теплопроводностью 0,1—0,15 Вт/(м*°С), с
пределом прочности при изгибе 0,4—1,2 МПа. Толщина плит — 25,
50, 75, 100 мм.Плиты применяют для теплоизоляции ограждающих конструк¬
ций зданий II и III классов, для устройства перегородок, каркас¬
ных стен и перекрытий в сухих условиях. Фибролит хорошо обраба¬
тывается— его можно пилить, сверлить, в него можно вбивать
гвозди.Арболитовые изделия изготовляют из портландцемента и орга¬
нического коротковолокнистого сырья (древесных опилок, дробле¬
ной станочной стружки или щепы, сечки соломы или камыша, ко¬
стры и др.), обработанного раствором минерализатора. Химически¬
ми добавками служат: хлористый кальций, растворимое стекло,
сернокислый глинозем. Применяют теплоизоляционный арболит
объемной массой до 500 кг/ма и конструкционно-теплоизоляцион¬
ный объемной массой до 700 кг/м3. Прочность арболита при сжа¬
тии— 0,5—3,5 МПа, растяжение при изгибе — 0,4—1,0 МПа; тепло¬
проводность— 0,1—0,126 Вт/(м-°С).Древесностружечные плиты изготовляют путем горячего прессо¬
вания массы, содержащей около 90% органического волокнистого
сырья (чаще всего применяют специально приготовленную древес¬
ную шерсть) и 8—10% синтетических смол (феноло-формальдегид-324ной или мочевино-формальдегидной). Объемная масса изоляцион¬
ных плит — до 350 кг/м3, теплопроводность—до 0,093 Вт/(м-°С).
Для улучшения свойств плит в сырьевую массу добавляют гидро-
фобизующие вещества, антисептики и антипирены (см. разд. IX,
гл. 49).Древесноволокнистые изоляционные плиты производят из,неде¬
ловой древесины, используют отходы лесопиления и деревообработ¬
ки, а также бумажную макулатуру, солому, стебли кукурузы. Объ¬
емная масса — до 250 кг/м3, теплопроводность — до 0,07 Вт/(м-°С).На основе растительного сырья изготовляют ряд местных мате¬
риалов: камышит, соломит, торфяные изоляционные плиты и др.§ 2. Теплоизоляционные пластмассыСинтетические связующие широко применяют в жестких и гиб¬
ких изделиях из минеральных и органических волокон, используют
также газонаполненные пластмассы — сотопласты и ячеистые.Сотопласты изготовляют путем склейки гофрированных листов
бумаги, стеклянной или хлопчатобумажной ткани, пропитанных по¬
лимером. Они служат эффективным утеплителем в трехслойных
панелях. Теплоизоляционные свойства сотопласта повышаются
при заполнении ячеек крошкой из мипорььЯчеистые пластмассы подразделяются в зависимости от харак¬
тера пор на пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют преиму¬
щественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими пе¬
регородками. К поропластам относятся ячеистые пластмассы с со¬
общающимися порами. Имеются материалы со смешанной струк¬
турой.В ячеистых пластмассах поры занимают 90—98% объема мате¬
риала, а на стенки приходится всего лишь 2—10%, поэтому ячеис¬
тые пластмассы очень легки и малотеплопроводны (теплопровод¬
ность 0,026—0,058 Вт/(м-°С)). В то же время они водостойки, не за¬
гнивают; жесткие пено- й поропласты достаточно прочны, гибки и
эластичны. Особенностью теплоизоляционных пластмасс является
ограниченная температуростойкость. Большинство из них горючи,
поэтому необходимо предусматривать конструктивные меры защи¬
ты пористых пластмасс от непосредственного действия огня.Ячеистые пластмассы в виде плит и скорлуп применяют для
утепления стен и покрытий, теплоизоляции промышленного обору¬
дования и трубопроводов при температурах до 60°С.Теплоизоляционный слой пенопласта толщиной 5—6 см, имею¬
щий массу около 2—3 кг/м3, эквивалентен слою 14—16 см из мине¬
ральной' ваты или ячеистого бетона. Поэтому масса 1 м2 трехслой¬
ной панели, утепленной ячеистой пластмассой, снижается на 20—
50 кг.Пористые пластмассы можно пилить, резать обычными спосо¬
бами, а также проволокой, нагреваемой электрическим током. Они
хорошо склеиваются с бетоном, асбоцементом, металлом, древеси¬325
ной. Это значительно упрощает изготовление крупных панелей ог¬
раждающих конструкций.Пенополистирол — жесткий пластик, изготовляемый из поли¬
стирола с порообразователем. Применяют прессовый и беспрессо-
вый методы производства пенополистирола.Пенополивинилхлорид выпускают жесткий и эластичный. Жест¬
кий пенополивинилхлорид — теплоизоляционный материал, незна¬
чительно изменяющий свои свойства при изменении температуры от
+ 60 до —60°С. Он менее горюч по Сравнению с пенополистиролом.Мипору изготовляют путем вспенивания мочевино-формальде-
гидной смолы, отверждения отлитых из пеномассы блоков и их по¬
следующей сушки. Мипора наиболее легкий (10—20 кг/м3) и наи¬
менее теплопроводный из всех теплоизоляционных материалов —
=0,026—0,03 Вт/(м*°С).Пенополиуретан получают в результате химических реакций,
протекающих при смешении исходных компонентов (полиэфира, ди¬
изоцианата, воды, катализаторов и эмульгаторов). Изготовляют
жесткий и эластичный полиуретан как непрерывным, так и перио¬
дическим методом. Жесткий пенополиуретан применяют в виде
плит и скорлуп с учетом его горючести. Эластичный пенополиуре¬
тан служит для герметизации стыков панелей.Разработаны рецептуры заливочных композиций, которые могут
вспениваться даже на холоде.Пенопласты на основе феноло-формальдегидных полимеров вы¬
пускают на основе чистого полимера (ФФ), с введением в него
стеклянного волокна (ФС) или каучука (ФК), а также каучука и
газообразОвателя в виде алюминиевой пудры (ФК-А).Пенопласты получают по беспрессовому методу из готовой сме¬
си компонентов путем вспенивания смеси при нагреве и последую¬
щего охлаждения. Регулируя рецептуру исходной смеси и техноло¬
гические условия, можно получить пенопласты с каучуком, выдер¬
живающие длительное время действие высоких температур (200—
250°С). Эти полимеры устойчивы к влиянию вибрации.Глава 56
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
В КОНСТРУКЦИЯХ
§ 1. Теплоизоляция промышленного оборудования
и трубопроводовИзоляционные конструкции из жестких изделий — плит, скор¬
луп, сегментов могут выполняться из одного материала или из двух
разных материалов, укладываемых послойно (рис. 142). В верхнем
слое могут применяться менее температуростойкие материалы.Производя^я двухслойные изделия, сочетающие огнеупорный
и теплоизоляционный слои.326На рис. 142 приведе¬
ны различные типы теп¬
ловой изоляции трубо¬
проводов. Оберточные
изоляционные конст¬
рукции применяют в тех
случаях, когда трубы
подвержены вибрации
или частым сотрясени¬
ям. Используют асбес¬
товую бумагу и картон,
различные виды шнура
(асбестовый, стекло¬
ватный, минераловат¬
ный шнур) и жгуты.Мастичные конст¬
рукции выполняют пу¬
тем нанесения на
изолируемую поверх- ~ой Изоляционный слой; 2 — наружное защитное покры-нплтт. ТРП 7ТПИЧОЛЯ11ИОН- тие; 3 — комплектное нзделне; б — изоляция трубопрово-
НОСТЬ теплоиаилмциип дов минераловатиымн матамн в оболочках: /-маты;НОГО материала в плас- г — проволочные подвески; в —крепление плитытичном состоянии в ви¬
де мастики. Мастикуприготовляют на месте работ путем затворения порошкообразного
материала водой до рабочей густоты. Мастику наносят послойно
вручную, поэтому работы по мастичной изоляции трудоемки и
продолжаются в 2—4 раза дольше монтажа изоляции из готовых
изделий.Бесканальная прокладка может выполняться с применением
гидрозащитной оболочки трубопровода и без нее. Взамен гидроза¬
щитной оболочки теплопровод окружен пористым слоем, который
образуется путем его обсыпки гравием (с размером зерен 3—
15 мм) или обкладки скорлупами (сегментами) из крупнопористого
бетона (рис. 143).Рис. 142. Минераловатные изделия полной завод¬
ской готовности:
а — олрырнт гЛопной изоляции тоубопровода: / — основ-Рис. 143. Теплоизоляция при бесканальной прокладке тепло¬
вых сетей:в — засыпной вариант; б —сборный вариант; / —труба; 2 — теплоизо¬
ляция; 3 —гравийный слой; 4 —песок; 5 — дренажная труба; 6 — ан-
Гикоррознонное покрытие; 7 — скорлупы на крупнопористого бетона
§ 2. Теплоизоляция ограждающих конотрукций зданийНавесные панели стен выполняют в основном трехслойными.
Некоторые типы слоистых панелей представлены на рис. 144. Наи¬
большее снижение массы 1 м2 панели достигается при использова¬
нии в качестве утеплителя пористых пластмасс, являющихся эф¬
фективной теплоизоляцией. Например, трехслойные панели с утеп¬
лителем из пенопласта (или сотопласта) при толщине 15—20 -см
имели следующую массу (в кг на 1 м^ панели): асбестоцемент¬
ные — 20, алюминиевые — 25, стеклопластиковые — 50.г)г -гп4°-г /~"*--г'jГч—j«лРис. 144. Типы трехслойных панелей наружных стен:
а — облицовка из плоских железобетонных плит; б — то же, из ребристых
железобетонных плит; в — облицовка из конструктивно-отделочных листо¬
вых материалов (алюмннневых листов, асбестоцемента, стеклопластика);
г —то же, с воздушным промежутком; / — наружная облицовка; I — внут¬
ренняя облицовка; 3 — утеплитель; 4 — паронзоляцняТеплоизоляционные материалы широко применяют для утепле¬
ния покрытий зданий (рис. 145).Показателем технико-экономической эффективности теплоизо-
; ляционного материала являются приведенные затраты на единицу
термического сопротивления (в руб.), вычисляемые по формулеП = плгде П1 — приведенные затраты на I м3 теплоизоляционного мате*-
риала, руб.; К — теплопроводность, Вт/(м-°С),ФРис. 145. Ограждающие конструкции покрытий
промышленных зданий:
а — утепленный профилированный настИЛ;' б — «монопа¬
нель»; / — металлический профилированный настил; I —
утеплитель; 3 — рубероидный ковер на битумной масти¬
ке в три слоя; 4 — слой пленочной полимерной гидро¬
изоляции328Наиболее эффективными являются минераловатные изделия на
синтетическом связующем, маты и плиты из стекловолокна, древес¬
новолокнистые плиты, фибролит, так как для их производства ис¬
пользуется дешевое сырье.Индустриализация монтажных работ состоит в применении
сборных теплоизоляционных конструкций — цилиндров, скорлуп и
др., заменяющих мастичную и набивную теплоизоляцию. Изоляция
вулканитовыми или минераловатными изделиями не только снижа¬
ет стоимость теплоизоляции, но и уменьшает затраты с учетом экс¬
плуатации на 12,5—32%.Перспективен метод предварительной изоляции технологическо¬
го оборудования до установки его на место. Он позволяет механи¬
зировать работы, повышает производительность труда изолиров¬
щиков в 1,3—1,5 раза, улучшает качество работ и снижает стои¬
мость изоляции в среднем на 10—15%,
РАЗДЕЛ XIАКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫГлава 57
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯАкустическая обработка помещений промышленных, жилых и
общественных зданий проводится для защиты человека от шума.
Городской шум возрастает в среднем на 1 дБ в год. Повышенный
шум в помещениях относится к категории санитарно-гигиенических
вредностей: если шум превышает нормативные требования на 15—
20 дБ, то снижается на 10—20% производительность труда.Уменьшение шума за счет использования акустических мате¬
риалов сохраняет здоровье и силы человека, создает для него необ¬
ходимые удобства и способствует повышению производительности
труда.Выбор подходящего акустического материала зависит от вида
шума, его уровня и частотной характеристики.Воздушным шумом называют шум от работы оборудования, му¬
зыкальных инструментов, телевизора и т. д., распространяющийся
в виде звуковых волн в воздухе.Ударный шум возникает при ударе по конструкции, вибрации
оборудования, передвижке мебели и т. п.Изоляция от воздушного шума определяется звукоизолирующей
способностью конструкции R и показывает на сколько (в дБ) сни¬
жается уровень звукового давления после прохождения звука через
конструкцию. Звукоизолирующая способность/?= ioig-L,Xгде х — коэффициент звукопроницаемости.Изоляцию от ударного шума определяют по приведенному уров¬
ню звукового давления в помещении под перекрытием Ln.Нормальное ухо человека воспринимает звуковые колебания
частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц, причем особо чувствитель¬
ными являются частоты от 1500 до 3000 Гц.Интенсивность (Вт/м2) звука определяется звуковой энергией,
проходящей за 1 с через площадку в 1 м2, параллельную фронту
волны.Уровень звукового давления L (дБ) определяют по формулеL = 10 lg///0,где I — интенсивность данного звука, /0 — пороговый уровень ин¬
тенсивности звука (порог слышимости), соответствующий звуково¬
му давлению 2- 10~5Н/м3, /®= 10_12Вт/м2.330Требуемое снижение октавных уровней звукового давления
ALTp(aB) определяют согласно СНиП II-12—77 по формулеAZ.jp — i ^доп»где ЬД0а — допустимый октавный уровень звукового Давления в рас¬
четной точке, принимаемый для жилых и общественных зданий по
СНиП II-12—77, а для производственных предприятий согласно
ГОСТ 12.1.003—76.Предельные (максимально допустимые) уровни шума устанав¬
ливаются в зависимости от назначения помещения и частотной ха¬
рактеристики звука. Примерные значения уровней шума для произ¬
водственных помещений с речевой связью — 80—85 дБ, админист¬
ративных помещений — 38—71 дБ, больниц — 13—51 дБ.Шум может измеряться несколькими приборами. Из последова¬
тельно соединенных приборов образуется «измерительный тракт»,
включающий шумомер, анализатор, самописец и др.Встречаются шумы различного вида и уровня, поэтому приме¬
няют акустические материалы различного назначения.Звукопоглощающие материалы и конструкции служат для сни¬
жения энергии отраженных звуковых волн, т. е. для снижения шума
в помещениях.Принято среди звукопоглощающих выделять декоративно-акус¬
тические материалы, необходимые для создания акустического ком¬
форта и отделки интерьера.Звукоизоляционные материалы применяют в основном для ос¬
лабления ударного звука, хотя часто (например, в междуэтажном
„ перекрытии) эти же материалы помогают изоляции воздушного
шума,Глава 58
ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. Свойства звукопоглощающих материаловКоэффициент звукопоглощения. Основной акустической харак¬
теристикой звукопоглощающих материалов является коэффициент
звукопоглощения а, равный отношению количества поглощенной
звуковой энергии Ев0гл к общему количеству звуковой энергии
ЕийД, падающей на материал в единицу времени:а. г* ^дагл/^лад •Все строительные материалы обладают способностью в той или
иной степени поглощать звук, поэтому для них а>0, а наибольшее
значение а= 1. Звукопоглощающими материалами принято назы¬
вать такие, у которых коэффициент звукопоглощения на средних
частотах более 0,2.Коэффициент звукопоглощения зависит от пористости мате¬
риала,331
Сквозная пористость. Из рис. 146 видно, что
коэффициент звукопоглощения сильно’ повы¬
шается при возрастании пористости, поэтому
звукопоглощающие материалы стремятся
выпускать с пористостью 40—90%. В этом от¬
ношении есть сходство их с теплоизоляционны¬
ми материалами. Однако требования к харак¬
теру пористости различны. Если в теплоизоля¬
ционном материале предпочитают замкнутые
воздушные поры, то эффективность звукопо¬
глощающего материала возрастает при нали¬
чии сквозных пор или специально предусмот¬
ренной перфорации. Звукопоглощение порис¬
тых материалов обусловлено потерями энер¬
гии звуковых волн благодаря вязкому трению
в порах и переходу части механической энер¬
гии в тепловую.Сопротивление продуванию является специ¬
фической характеристикой, позволяющей установить влияние струк¬
туры материала на коэффициент звукопоглощения. Влияние сопро¬
тивления продуванию на коэффициент звукопоглощения при посто¬
янной толщине слоя показано на рис. 147. При низких частотах
целесообразно иметь меньшее удельное сопротивление продуванию,
т. е. следует применять рыхлый и толстый материал с крупными
сквозными порами.Более эффективной является звукопоглощающая конструкция в
виде сравнительно тонкого слоя пористого материала, установлен¬
ного с относом для создания воздушного промежутка.Помимо специальных акустических требований, звукопогло¬
щающие материалы должны удовлетворять санитарно-гигиениче-Рис. 147. Коэффициент звукопоглощения звукоизоляционных ма¬
териалов:а — в зависимости от вида материала: / — жесткий пенополиуретан
(V-70 кг/м'); ? —мягкий пенополиуретан (¥“35 кг/м*); 3 — минераловат¬
ные маты (¥-75 кг/м*, толщина 40 мм); 4 — плнта сАкмигран» (у™
—J50 кг/м*); о-в зависимости от толщины мннераловатиых матов
(¥-75 кг/м*); / — 60 мм; 1 — 40 мм; J —20 мм332Рис. 146. Зависимость
коэффициента звуко¬
поглощения от порис¬
тости материала:1 — стекловата; 2 — аку¬
стическая штукатуркаским и общим строительно-техническим требованиям огнестойко¬
сти, механической прочности, долговечности и экономичности. Зву¬
копоглощающие материалы не должны выделять летучие вещества,
требования же к их декоративным качествам зависят от назначения
помещения.§ 2. Виды звукопоглощающих материаловНаибольшее значение из числа материалов с волокнистой струк¬
турой имеют минераловатные плиты, изготовляемые из минераль¬
ного, стеклянного или асбестового волокна. В качестве связующе¬
го используют полимеры (преимущественно феноло-формаль-
дегидный и мочевино-формальдегидный), битумную эмульсию,
кр ахм ально-бентонитовое связующее.Звукоизоляционные минераловатные плиты отличаются от теп¬
лоизоляционных более жестким скелетом и сквозной пористостью.
Плитам придают желобчатую, ноздреватую или трещиноватую де¬
коративную фактуру; перфорация плит делается примерно на
*/а толщины материала. Например, декоративно-акустические пли¬
ты «Акмигран» изготовляют из гранулированной минеральной ва¬
ты (76—80%), крахмала (10—12%) и бентонитовой глины (10—
15%). Плиты имеют красивый вид и являются эффективным звуко¬
поглощающим материалом с коэффициентом звукопоглощения
0,8—0,9 при среднем и высоком диапазонах частот.Древесноволокнистые плиты, изготовляемые из древесной мас¬
сы по обычной технологии, применяют в качестве звукопоглощаю¬
щей облицовки. Для повышения огнестойкости необходимо вводить
в состав массы добавки антипиренов. Перфорация плит делается
обычно на */» толщины в виде круглых отверстий или пазов; плиты
окрашиваются.Акустический фибролит получают из древесной шерсти и мине¬
рального вяжущего вещества (портландцемента или гипса) с объ¬
емной массой 350—600 кг/м3.Рулоны и маты изготовляют из минерального и органического
волокна (синтетического, хлопкового волокна и т. п.), небольшого
количества связующего (синтетической бмолы, битума, крахмала)
или прошивают нитками, тонкой проволокой. Для защиты от пыли
и повышения механической прочности маты и плиты покрывают
тонкими пленками (например, полиамидной) и декоративной стек¬
лотканью. Их объемная масса 50—200 кг/м3.Акустические бетоны и растворы изготовляют из пористых за¬
полнителей, отличающихся небольшой объемной массой (вспучен¬
ный перлит, вермикулит, легкие виды керамзита, природной и шла¬
ковой пемзы). Используют также крошку глиняного кирпича и као¬
линовую. крошку из отходов керамической промышленности.
Вяжущим служит цветной, белый или обычный портландцемент.
Акустические бетоны применяют в виде плит или шумоглушащих
блоков.333
Рис. .1,48. Слоистые звукопоглощающие
изделия:а — общий вид трехслойной плиты: I — основ¬
ной слой из звукопоглощающего материала;I — промежуточный слой с воронкообразными
лункаМй; 3 — перфорированный экран; 4 — от-
вйрстия перфорации; б — звуко- и виброизо-
ЛяционНая панель из эластомера, состоящая
из плит с больший числом кольцевых пазов;
/и 1 — вертикальное и горизонтальное сече¬
ния панелиКерамические блоки и пли¬
ты могут изготовляться из кир¬
пичной крошки на жидком сте¬
кле. Блоки применяют для глу¬
шения шума промышленных ус¬
тановок при температуре до
500°С, а плиты — для глушения
шума в вентиляционных кана¬
лах.Ячеистые неорганические
материалы: ячеистый бетон, пе¬
ностекло, пеноперлитокерамика
отличаются высокой огнестой¬
костью, небольшой массой и до¬
статочной прочностью. При
обычных температурных усло¬
виях хорошее звукопоглощение
достигается при использовании
поропластов, т. е. ячеистых
пластмасс, имеющих сооб¬
щающиеся между собой поры.
Например, пористый полиуре¬
тан толщиной 50 мм имеет ко¬
эффициент звукопоглощения
0,9 при частоте 500 Гц.Звукопоглощающие изделия
из пористого материала с пер¬
форированным покрытием на¬
шли широкое применение. Сра¬
внительная простота сочетается
с возможностью получить наи-
чучшую частотную характери¬
стику звукопоглощения для лю¬
бых конкретных условий. Мож¬
но подобрать диаметр отверс¬
тий перфораций, процент пер¬
форации, толщины экрана, воз¬
душного зазора и слоя порис¬
того материала так, чтобы по¬
лучить при данных частотах
высокий коэффициент звукопо¬
глощения. Основным элементом
изделия является пористый ма¬
териал с объемной Массой не
более 100—140 кг/м3 в виде ми¬
нераловатных плйт, рулонов,
акустических беТонных плит
или полиуретанового пороплас-
та. Для защиты от увлажнения334рулоны, маты или мягкие плиты обертывают в ткань, пропитанную
гидрофобным составом. Применяют также защитные тонкие син¬
тетические пленки. Перфорированные покрытия делаются из слоис¬
того пластика, дуралюмина, оцинкованной листовой стали, асбесто¬
цементных листов, гипсовых акустических плит.Жесткие древесноволокнистые плиты со щелевой перфорацией
успешно применяют при обеспечении необходимой огнестойкости с
помощью добавок, вводимых при изготовлении, или противопожар¬
ной пропитки. Воздушный промежуток создается путем применения
каркаса, устроенного из проволоки диаметром 1—2 мм, либо из де¬
ревянных реек, пропитанных огнезащитным составом, по которым
прокладывается металлическая сетка.Слоистые звукопоглощающие изделия (рис. 148) могут изготов¬
ляться в виде трехслойных плит, состоящих из перфорированного
экрана 3 толщиной около 0,5 мм, основного слоя из звукопоглощаю¬
щего рыхлого материала 1 толщиной 37—55 мм и расположенного
между ними промежуточного слоя 2 толщиной 6 мм из уплотненно¬
го волокнистого материала с отштампованными с двух сторон лун¬
ками в виде усеченных конусов; все слои склеены между собой.Экран можно изготовлять из стеклопластика; площадь перфора¬
ции составляет около 15% площади экрана. Промежуточный и ос¬
новной слои состоят из прессованной стеклянной ваты на синтети¬
ческом связующем. Плита имеет общую толщину около 58 мм, она
крепится к конструктивным элементам с помощью крепежных де¬
талей. Такие плиты трудносгораемы, биостойки, легко моются, хо¬
рошо сопротивляются случайным ударам.§ 3. Применение звукопоглощающих материаловЗвукопоглощающие облицовки часто устраивают из слоя одно¬
родного пористого материала, который монтируется непосредствен¬
но на ограждающей конструкции либо на некотором расстоянии
для создания воздушного зазора. Применяют готовые штучные из¬
делия в виде плит, панелей, блоков, а также рулонов и матов.Акустическая обработка признается целесообразной, если ожи¬
даемое снижение уровня шума не менее 3 дБ.Снижение уровня шума можно определить по формулеAL = 101g(l + -^-),где S — эквивалентная площадь звукопоглощения необработанно¬
го помещения; AS — добавочное поглощение после акустической
обработки.Штучные звукопоглотители в виде отдельных щитов, кубов,
призм, конусов, шаров подвешивают к потолкам шумных помеще¬
ний. Они могут быть использованы не только для акустической об¬
работки помещения, но и для декоративного решения интерьера в
соответствии с требованиями эстетики.335
Перфорированные стенки штучных поглотителей делают из алю¬
миниевой фольги, алюминиевых листов, а также йз прозрачных ма¬
териалов (например, органического стекла), что имеет важное зна¬
чение при естественном освещении помещений. Штучные поглотите¬
ли заполняют или облицовывают изнутри пористыми материалами.Объемные многорезонансные штучные поглотители устраивают
в виде набора полых кубов разного размера. Каждый из них пред¬
ставляет резонирующий воздушный объем, ограниченный перфори¬
рованными гранями, с высоким поглощением на частотах, близких
к собственной частоте. Многорезонансная сис¬
тема имеет широкую рабочую полосу частот.Клиновые поглотители. Облицовка из них
при правильном устройстве практически пол¬
ностью поглощает звуковые волны, падающие
на внутреннюю поверхность стен. Звукопогло¬
щающему материалу придается форма: клина,
конуса или пирамиды. Клиновые поглотители
набивного’ типа имеют проволочный или дере¬
вянный каркас, обтянутый марлей или другой
тканью, пропитанной огнезащитным составом.
Заполнение производится рыхлым волокнис¬
тым материалом; капроновым волокном, шла¬
ковой или стеклянной ватой, асбестовым шну¬
ром. Клинья требуемой формы могут делаться
без каркаса из жестких минераловатных плит
лист: 2 ФотсекиТ 3НЫ- и других плиточных материалов,
ткань, закрывающая от- С ПОМОЩЬЮ ОблИЦОВКИ ИЗ КЛИНОВЫХ ПОГЛО-верстия тителей можно предотвратить отражение зву¬ковых волн и получить безэховые помещения.Акустические подвесные потолки, в частности, из профилирован¬
ных алюминиевых листов, асбестовых перфорированных листов и
звукопоглощающих материалов типа «Акмигран» или «Акминит»
получили большое распространение. По акустическим и декоратив¬
ным свойствам они не уступают лучшим иностранным материалам.Резонаторный звукопоглотитель представляет воздушную поп
лость, соединенную отверстием (горлом) с окружающим воздухом.
Он является колебательной системой, на частотах резонанса кото-
рой резко; возрастает скорость’движения воздуха в горло. Горло ре¬
зонатора закрывается фрикционным материалом (рис. 149). В ка¬
честве фрикционного материала обычно используют стеклоткань,
марлю и т. п. Предпочтительнее огнестойкие материалы.Один или несколько слоев ткани подклеивают к- перфорирован¬
ному экрану. Перфорированный экран делают -из винипластовых
листов, оцинкованной кровельной стали, огнестойких жестких дре¬
весноволокнистых плит и.фанеры, гипсовой, сухой штукатурки. Пер¬
форация может быть в виде круглых; отверстий и щелевая.Для обеспечения звукопоглощения в широком диапазоне частот
применяют многослойные резонаторные звукопоглотители, состоя¬
щие из 2—3 параллельных экранов с воздушными промежутками.Рис. 149. Резонатор-
ная звукопоглощаю¬
щая конструкция:836Резонирующие панели используют в области низких частот (ни¬
же 200 Гц) в виде щитов, имеющих каркас, на котором крепится
мембрана из листов фанеры, древесноволокнистых плит или плот¬
ной непродуваемой ткани. Щиты монтируют на потолке и стенах с
относом.. Воздушный промежуток заполляют волокнистым материа¬
лом, либо делают прокладки из пористого материала по периметру
щита. Щиты изготовляют плоскими, полуцилиндрическими или в
виде складчатых конструкций.Глава 69
ЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. Свойства звукоизоляционных материаловДинамический модуль упругости является основной характери¬
стикой прокладочных звукоизоляционных материалов. Уменьшение
модуля упругости сильно снижает скорость распространения зву¬
ка. Скорость распространения продольной волны составляет (м/с):
в стали — 5050, граните — 3950, железобетоне — 4100, кирпиче —
3350, дереве — 1500, пробке — 500, резине — 30. Поэтому для зву¬
коизоляционных прокладок применяют пористые материалы, обла¬
дающие небольшим модулем упругости.Прокладочный материал часто находится под действием сжи¬
мающих сил. Относительная сжимаемость (%) под нагрузкой е ха¬
рактеризует деформативные свойства:е = у- 100,где ДI — уменьшение первоначальной толщины I под нагрузкой.Повышению звукоизоляционных качеств прокладочных материа¬
лов способствует увеличение внутреннего трения, которое характе¬
ризуется коэффициентом потерь или коэффициентом внутреннего
трения. Коэффициент потерь определяют резонансным методом на
виброметре.Оптимальное сочетание всех характеристик получают при при¬
менении пористо-волокнистых, резиновых и резиноподобных мате¬
риалов с губчатой структурой.§ 2. Виды звукоизоляционных материаловСтекловолокнистые изделия изготовляют из непрерывного стек¬
лянного волокна, имеющего диаметр' 10—30 мкм (стеклянная вата,
стекловолокнистые маты и полосы), которые прошиваются или про¬
клеиваются. Из штапельного стеклянного волокна длиной 20—
40 см и толщиной 8—20 мкм получают плиты на полимерных свя¬
зующих.Маты и плиты выпускают с объемной массой 30-—250 кг/м3 тол¬
щиной 10, 30, 40, 50>мм. Повышение тонкости стеклянного волокна
увеличивает звукоизоляционные свойства материалов.337
Минераловатные изделия изготовляют в виде мягких и полужест-
ких плит с объемной массой 50—150 кг/м3, используя связующее на
основе полимеров: феноло-формальдегидного, мочевино-формальде-
гидного, а также поливинилацетатную эмульсию.Асбестовые изделия выпускают в виде матов из асбестового во¬
локна с добавкой вяжущего вещества (например, цемента, жидкого
стекла). Асбестовые плиты имеют толщину от 15 до 40 мм, а асбе¬
стовые маты — до 80 мм.Древесноволокнистые плиты для звукоизоляции применяют с
объемной массой 150—250 кг/м3.Прокладки с губчатой структурой — это упругие материалы с
малым модулем упругости, имеющие большую сквозную порис¬
тость. Их изготовляют из пористой резины, эластичных полимеров:
полиуретановых смол (поролоны), полихлорвинила обычного
(ПХВ) и эластичного (ПХВЭ). Объемная масса губчатой резины —
100—750 кг/м3, поролонов — 30—75 кг/м3, ПХВ — 60—350 кг/м3 в
зависимости от марки.Звукоизоляционные мягкие покрытия полов значительно улуч¬
шают изоляционные свойства перекрытий. Безосновный линолеум
лишь незначительно улучшает звукоизоляцию перекрытия от удар¬
ного шума. Более эффективны двухслойные покрытия, в особенно¬
сти линолеум на слое пенополиуретана или ворсовая нейлоновая
ткань на губчатой резине.§ 3. Применение звукоизоляционных материаловЗвукоизоляционные материалы применяют в виде слоев, полосо¬
вых и штучных прокладок.Звукоизоляция перекрытия значительно улучшается при устрой¬
стве звукоизоляции по типу «плавающего пола».Плавающий пол отделяется от несущей конструкции перекрытия
и стен прокладками из звукоизоляционного материала (рис. 150),
не имея с ними жестких контактов.Рис. 150. «Плавающий пол» с цементно-песчаной про¬
слойкой:/ — железобетонная плита перекрытия; f — плинтус (приби¬
вается только к стенке); покрытие пола; 4 —цементно*
песчаная прослойка толщиной 50 мм; 5 —арматурная про*
волочная сетка; 6 — гидроизоляция; 7 — упругий слой (маты
из минерального или стеклянного волокна)*38С помощью упругих прокладок из
звукоизоляционных материалов звук
изолируют по внутренним стенам и пе¬
регородкам. Прокладки устанавливают
в местах примыкания и сопряжения
ограждающих конструкций и перекры¬
тий (рис. 151).Машины, инженерное и бытовое
оборудование помещений вызывают
вибрацию строительных конструкций.Для уменьшения шума от вибрации
необходим комплекс мероприятий. Ви¬
броизоляция фундаментов машин дос¬
тигается установкой амортизаторов (в
виде пружин и упругих прокладок),
располагаемых между фундаментами и
полом. Хорошая виброизоляция полу¬
чается тогда, когда частота собствен¬
ных колебаний установки на амортиза¬
торах будет по меньшей мере в 3—4 раза меньше частоты вынужденных
колебаний.Для изоляции трубопроводов от строительных конструкций осу¬
ществляется их подвеска к потолку или прокладка по стойкам,
которые должны опираться на несущую конструкцию через звуко¬
изоляционные прокладки (рис. 152). В местах прохода через стены
и перекрытия трубопровод тщательно изолируется минеральной
ватой или другим подходящим изоляционным материалом, который
предотвращает образование акустических мостиков.Рис. 152. Изоляция трубопровода:а — крепление на кронштейнах; б — крепление к перекрытию; в — проход
через стену; / — деревянный башмак; 2—металлические пластинки
280X120X10 мм; 3 — резиновые прокладки длиной 120 мм; 4 — шлаковатаРис. 151. Схема применения
звукоизоляционных материалов
в сопряжениях внутренних стен
и междуэтажных перекрытий:J — полосовые ненагруженные про¬
кладки; 2 — панель внутренней не*
сущей стены; 3 — нагруженные про¬
кладки; 4 — панель перекрытия
РАЗДЕЛ X»ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
И МАТЕРИАЛЫ ИЗ НИХГлава 60
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯБитумы применялись в качестве строительного материала еще в
глубокой древности. За 3000 лет до нашей эры в Вавилоне и Асси¬
рии, расположенных в междуречье Тигра и Евфрата, природный
битум использовали в качестве цементирующего и водоизолирую¬
щего материала.Органические вяжущие вещества делят на две основные группы:
битумные и дегтевые.К битумным материалам относятся следующие.Природные битумы — вязкие жидкости или твердообразные ве¬
щества, состоящие из смеси углеводов и их неметаллических произ¬
водных. Природные битумы получились в результате естественного
процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы
встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а
иногда и асфальтовые озера. Однако природные битумы в чистом
виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные
породы.Асфальтовые породы — пористые горные породы (известняки,
доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Из этих
пород извлекают битум или их размалывают и применяют в виде
асфальтового порошка.Нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой
нефтяного сырья, в зависимости от технологии производства могут
быть: остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глу¬
бокого отбора из него масел; окисленные, получаемые окислением
гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинго¬
вые, получаемые переработкой остатков, образующихся при кре¬
кинге нефти.Гудрон — остаток после отгонки из мазута масляных фракций;
он является основным сырьем для получения нефтяных битумов,
используется в виде связующего вещества в дорожном строитель¬
стве.К дегтевым материалам относят различные виды дегтя и пеки.Наиболее широкое применение органические вяжущие вещества
получили в гидротехническом, дорожном, промышленно-граждан¬
ском строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных мате¬
риалов, асфальтобетона, асфальтораствора, уплотняющих материа¬
лов. Органические вяжущие хорошо совмещаются с резиной и по-
340лимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных
материалов в соответствии с требованиями современного строи¬
тельства.Возникла новая отрасль, производящая гидроизоляционные ма¬
териалы (изол, бризол и др.) из вторичного резинового сырья.Изготовление рулонных кровельных и гидроизоляционных мате¬
риалов осуществляется на полностью механизированных поточных
линиях непрерывного действия.Глава 61
БИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
§ 1. Состав и отроение битумовБитумы относятся к наиболее распространенным органическимвяжущим веществам.Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода
70—80%, водорода 10—15%, серы 2—9%, кислорода 1—5%, азота0—2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и
их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав
битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться предельные
углеводороды, от С9Н2о до СзоНвг. Все многообразные соединения,
образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смо¬
лы и масла.Твердая часть битума — это высокомолекулярные углеводороды
и их производные с молекулярной массой 1000—5000, плотностью
более 1, объединенные общим названием «асфальтены». В асфаль-
тенах содержатся карбены, растворимые только в ССЦ, и карбоиды,
не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав биту¬
мов могут входить также твердые углеводороды — парафины.Смолы представляют собой аморфные вещества темно-коричне¬
вого цвета с молекулярной массой 500—1000, плотностью около 1.Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов
с молекулярной массой 100—500, плотностью менее 1.По своему строению битум представляет коллоидную систему, в
которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой явля¬
ются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде
частиц размером 18—20 мкм, являются ядрами, каждое из них
окружено оболочкой убывающей плотности — от тяжелых смол к
маслам.Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соот¬
ношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфаль-
тенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой
возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости биту¬
ма. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум
мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и
смол также повышает пластичность битума.341
Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свой¬
ства, повышает хрупкость при пониженных температурах. Поэтому
стремятся к тому, чтобы содержание парафина в битуме не пре¬
вышало 5%.Состав определил практические способы перевода твердых би¬
тумов в рабочее состояние: 1) нагревание до 140—170°С, размяг¬
чающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах; 2) рас¬
творение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное
масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без на¬
грева (холодные мастики и т. п.); 3) эмульгирование и получение
битумных эмульсий и паст.§ 2. Свойства битумовФизические свойства органических и неорганических вяжущих
веществ и материалов, изготовляемых на их основе, различны. Для
органических веществ в отличие от минеральных характерны гидро-
фобность, атмосферостойкость, растворимость в органических рас¬
творителях, повышенная деформативность, способность размягчать¬
ся при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства
обусловили применение органических вяжущих для производства
кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов,
а также их широкое распространение в гидротехническом и дорож¬
ном строительстве.Плотность битумов в зависимости от группового состава колеб¬
лется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна
для аморфных веществ и составляет 0,5—0,6 Вт/(м*°С); теплоем¬
кость — 1,8—1,97 кДж/кг-°С. Коэффициент объемного теплового
расширения при 25°С находится в пределах от 5-10-4 до 8- 10~4°С-1,
причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расши¬
рения; при пониженных температурах — около 2>10-4°С-1. Устой¬
чивость при нагревании характеризуется: 1) потерей массы при на¬
гревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и2) температурой вспышки (230—240°С — в зависимости от марки).Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых
соединений (в битуме не более 0,2—0,3% по массе). Электроизоля¬
ционные свойства используют при устройстве изоляции электрока¬
белей.Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов
при температуре 20—25°С составляет 25—35 эрг/см2. От содержания
поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вя-
жущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепле¬
ние с каменными материалами (порошкообразными наполнителя¬
ми, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные
связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с
большим количеством адсорбционных центров в виде катионов
Са2+ и Mg2+.Старение — процесс медленного изменения состава и свойств
битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением342гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кис¬
лорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хруп¬
ких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых ве¬
ществ и масел.Реологические свойства битума зависят от группового состава
и строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут
себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона.
Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко-
упругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одно¬
временно возникает упругая (обратимая) и пластическая (необра¬
тимая) составляющие деформации. Для описания процесса дефор¬
мирования вязко-упругих тел используют реологическую модель
Максвелла и др. (см. разд. 1).Химические свойства. Наиболее важным свойством является хи¬
мическая стойкость битумов и битумных материалов к действию
агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов,
металлов и других строительных материалов. По данным Н. А. Мо-
щанского, битумные материалы хорошо сопротивляются действию
щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%),
а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и
уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, со¬
держащей окислы азота, а также при действии концентрированных
растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в
органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости
и экономичности битумные материалы широко применяют для хи¬
мической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.Физико-механические свойства. Марку битума определяют твер¬
достью, температурой размягчения и растяжимостью., Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в де¬
сятых долях миллиметра).Температуру размягчения определяют на приборе «кольцо и
шар», помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той темпера¬
туре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под
действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное
испытуемым битумом.Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см)
образца битума («восьмерки») при температуре 25°С, определяе¬
мым на приборе — дуктилометре.Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По на¬
значению различают битумы строительные, кровельные и дорож¬
ные. Основные требования, предъявляемые к строительным и кро¬
вельным битумам, приведены в табл. 45.Строительные битумы применяют для изготовления асфальто¬
вых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик,
покрытия и восстановления рулонных кровель.Кровельные битумы используют для изготовления кровельных
рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким биту¬
мом марки БНК 45/180 пропитывают основу (кровельный картон);
а тугоплавкие битумы служат для покровного слоя.343
Таблица 45Физико-механические свойства нефтяных битумовМарка битумаТемпература размяг¬
чения, не ннже, °СГлубина проникания
иглы при 25°С,10-‘мм,Растяжимость при 25°С,
не менее, смСтроительные битумы (по ГОСТ 6617—-76)БН 50/505041—60 '40БН 70/307021—403БН 90/10905—201Кровельные битумы (по ГОСТ 9548—74)БНК. 45/18040—45140—220Не нормируетсяБНК 90/4085—9535—45»БНК 90/3085—9525—35лГлава 62
ДЕГТЕВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
§ 1. Состав дегтей и лекаДеготь представляет собой густую вязкую массу черно-коричне¬
вого цвета, образующуюся при нагревании без доступа воздуха
твердых видов топлива (каменного и бурого углей, горючего слан¬
ца, торфа, древесины). В строительстве применяют главным обра¬
зом каменноугольные дегти, получаемые в коксохимическом произ¬
водстве. При переработке 1 т угля получают 700—750 кг кокса,
300—350 м3 коксового газа, 12—15 л бензола, до 3 кг аммиака и
30—40 кг сырой каменноугольной смолы (сырого дегтя).Дегтевые вяжущие вещества подразделяются на следующие
виды:1) сырой каменноугольный деготь: а) низкотемпературный пер¬
вичный, получаемый при полукоксовании, заканчивающемся при
500—600°С; представляет собой вязкую темно-бурую жидкость
плотностью 0,85—1 г/см3, состоящую из насыщенных и ненасыщент
ных углеводородов и фенола: часто служит для получения отогнан-
його дегтя; б) высокотемпературный деготь, получаемый при коксо¬
вании (которое заканчивается при 1000-^1300°С) в виде черной
вязкой жидкости, либо вязкотвердого продукта плотностью 1,12—
1,23 г/см3 и температурой размягчения до 40—70°С; ■2) отогнанный деготь (каменноугольная смола), получаемый в
результате фракционирования сырой низкотемпературной смолы с
344выделением из нее лигроиновой и керосиновой фракций (до 30% от
массы смолы); по своей вязкости и свойствам близок к высокотем¬
пературному. дегтю;3) пек, являющийся твёрдым остаточным продуктом перегонки
сырой каменноугольной смолы с выделением из нее: легких масел
(кипящих до 180°С), фенольной фракции (180—210°С), нафталино¬
вой фракции (210—230®С), антраценового масла (до 360°С); пек —
аморфная хрупкая масса черного цвета с характерным раковистым
изломом плотностью 1,25—1,28 г/см3; состоит из высокомолекуляр¬
ных углеводородов и их производных, а также свободного углерода
(от 8 до 30%);4) составленные дегти, получаемые сплавлением пеков с дегте¬
выми маслами (антраценовым или др.) или обезвоженными сыры¬
ми дегтями; широко применяются в строительстве, так как, изменяя
соотношение между пеком и растворителем (антраценовым мас¬
лом), можно получать составленные дегти требуемой вязкости и
.температуры размягчения.В состав дегтевых вяжущих веществ входят в основном углево¬
дороды ароматического ряда — производные бензола и их соеди¬
нения с кислородом, азотом и серой.Состав каменноугольного дегтя характеризуется содержанием
следующих групп веществ: 1) твердые (углистые и неплавкие ве¬
щества), нерастворимые в органических растворителях, называе¬
мые свободным углеродом; 2) дегтевые смолы твердые неплавкие
(подобные асфальтенам в битуме) и вязко-пластичные плавкие
смолы, растворимые в бензоле и хлороформе; 3) жидкие дегтевые
масла, состоящие в основном из жидких углеводородов.Следовательно, дегтевые вяжущие представляют собой сложные
дисперсные системы, свойства которых будут определяться соотно¬
шением между твердой составляющей, смолами и маслами.§ 2. Свойства дегтейСредняя плотность каменноугольных дегтей— 1,25 г/см3.Вязкость дегтей повышается с увеличением количества свобод¬
ного углерода и твердых смол за счет уменьшения масляной части
дегтя.Температура размягчения дегтей высоких марок обычно ниже,
чем тугоплавких битумов.Атмосферостойкость дегтевых материалов (толя, толь-кожи
и др.) ниже по сравнению с битумными материалами (рубероидом,
пергамином и др.). Это объясняется тем, что дегти стареют быст¬
рее, чем нефтяные битумы. В дегтях. содержится большое количе¬
ство непредельных углеводородов, которые подвергаются окисли¬
тельной полимеризации при контакте с кислородом и водой, воз¬
действии ультрафиолетовых лучей солнечного света. Испарение ма¬
сел и частичное вымывание водой фенолов ускоряет старение,—
дегтевые материалы становятся хрупкими и теряют водоотталки¬
вающие свойства.345
Биостойкость материалов на основе дегтевых вяжущих выше по
сравнению с битумными материалами. Стойкость против гниения
объясняется высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола
(карболовой кислоты).Глава 63
МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БИТУМОВ И ДЕГТЕЙ
§ 1. Кровельные и гидроизоляционные материалыРулонные материалы. Кровлю из рулонных материалов делают
из нескольких слоев, составляющих кровельный ковер. В низ ковра
укладывают подкладочные материалы (беспокровные), а верхний
слой устраивают из покровных материалов, имеющих покровный
слой из тугоплавкого битума (дегтя) и посыпку: крупнозернистую
(К), мелкозернистую (М) или пылевидную (П). Допускается вы¬
пуск кровельного рубероида с чешуйчатой посыпкой (РКЧ).Выпускают основные и безосновные рулонные материалы. Ос¬
новные материалы изготовляют путем обработки основы (кровель¬
ного картона, асбестовой бумаги, стеклоткани и др.) битумами,
дегтями и их смесями. Безосновные получают в виде полотнищ оп¬
ределенной толщины, применяя прокатку смесей, составленных из
органического вяжущего (чаще битума), наполнителя (минераль¬
ного порошка или измельченной резины) и добавок (антисептика,
пластификатора).Рубероид изготовляют, пропитывая кровельный картон легко¬
плавким битумом с последующим покрытием с одной или с обеих
сторон тугоплавким нефтяным битумом с наполнителем и посып¬
кой. Кровельный картон получают из тряпья, бумажной макулату¬
ры и древесной целлюлозы. Крупнозернистая цветная посыпка не
только повышает атмосферостойкость рубероида, но и придает ему
привлекательный вид. В зависимости от назначения (кровельный —
К, подкладочный — П), вида посыпки и массы 1 м2 основы (кро¬
вельного картона) рубероид делят на марки РКК-500А, РКК-400А,
РКК-400Б, РКК-400В, РКМ-350Б, РКМ-400В, РПМ-300А,
РПМ-ЗООБ, РПМ-300В, РПП-350Б, РПП-350В, РПП-300А,
РПП-ЗООБ, РПП-300В. На нижнюю поверхность кровельно¬
го рубероида, образующего верхний слой кровельного ковра,
и на обе стороны подкладочного рубероида наносят мелкозернис¬
тую или пылевидную посыпку, предотвращающую слипание мате¬
риала в рулонах. Рубероид подвержен гниению — в этом его боль¬
шой недостаток, поэтому освоено производство антисептированного
рубероида.Для районов с холодным климатом выпускают рубероид
РЭМ-350 с эластичным покровным слоем битума, модифицирован¬
ным полимерами. Добавка полимера снижает температуру хрупко¬
сти покровного битума до —50°С. Долговечность кровли увеличива-
346ется в 1,5—2 раза, рубероид с эластичным покровным слоем обла¬
дает повышенной погодоустойчивостью.Наплавляемый рубероид является новым кровельным материа¬
лом. Его главное преимущество в том, что при устройстве кровли
наклейка осуществляется без применения кровельной мастики —
расплавлением утолщенного нижнего покрывного слоя (пламенем
горелки или другим способом). В результате производительность
труда повышается на 50%, удешевляются кровельные работы,
улучшаются условия труда.Пергамин — рулонный беспокровный материал, получаемый
пропиткой кровельного картона расплавленным нефтяным битумом
с температурой размягчения не ниже 40°С. Служит подкладочным
материалом под рубероид и используется для пароизоляции.Стеклорубероид и стекловойлок — рулонные материалы, полу¬
чаемые путем двустороннего нанесения битумного (битуморезино¬
вого или битумополимерного) вяжущего на стекловолокнистый
холст или на стекловойлок и покрытия с одной или двух сторон
сплошным слоем посыпки.В зависимости от вида посыпки и назначения стеклорубероид
выпускают следующих марок: С-РК (с крупнозернистой посып¬
кой), С-РЧ (с чешуйчатой посыпкой) и С-РМ (с пылевидной и
мелкозернистой посыпкой). Применяют стеклорубероид для верх¬
него и нижних слоев кровельного ковра и для оклеечной гидроизо¬
ляции. Сочетание биостойкой основы и пропитки с повышенными
физико-механическими свойствами позволило получить стеклорубе¬
роид долговечностью около 30 лет.Асфальтовые армированные маты получают путем покрытия
предварительно пропитанной стеклоткани с обеих сторон гидро¬
изоляционной битумной мастикой. Используют для оклеечной гид¬
роизоляции и уплотнения деформационных швов.Толь — рулонный материал, изготовляемый пропиткой и покры¬
тием кровельного картона дегтями с посыпкой песком или мине¬
ральной крошкой. Толь с крупнозернистой посыпкой применяют
для верхнего слоя плоских кровель, а толь с песочной посыпкой —
для кровель временных сооружений, гидроизоляции фундаментов
и других частей сооружений.Толь-кожу и толь гидроизоляционный выпускают без покровно¬
го слоя и посыпки. Применяют в качестве подкладочного мате¬
риала под толь при устройстве многослойных кровель, а также для
паро- и гидроизоляции.Дегтебитумные материалы получают пропиткой картона дегтем
(предотвращающим гниение картона) и покрытием с двух сторон
битумом и посыпкой. Их используют для устройства многослойных
плоских кровель.Гидроизол — рулонный беспокровный гидроизоляционный ма¬
териал, полученный путем пропитки асбестового картона нефтяным
битумом. Он предназначается для устройства гидроизоляционного
слоя в подземных и гидротехнических сооружениях, а также для
защитного противокоррозионного покрытия. Гидроизол выпускают347
• Таблица 46Фнзико-механические свойства гидроиэолаСвойстваГИ-КВодонепроницаемость под давлением столба воды
5 см при выдерживании не менее, суток
Водопоглощение за 24 ч, не более, % по массе
Разрывной груз при растяжении полоски шириной
50 мм, не менее, Н3020610350300двух марок ГИ-Г и ГИ-К со следующими характеристиками свойств
(табл. 46).Фольгоизол — рулонный двухслойный материал, состоящий из
тонкой рифленой или гладкой алюминиевой фольги, покрытой с
нижней стороны защитным битумно-резиновым составом. Он пред¬
назначен для устройства кровель и парогидроизоляции зданий и
сооружений, герметизации стыков. Рулон имеет длину 10 м, шири¬
ну 1 м. Внешняя поверхность фольгоизола может быть окрашена в
различные цвета атмосферостойкими лаками. Фольгоизол—долго¬
вечный материал, не требующий ухода в течение всего периода его
эксплуатации.Металлоизол — гидроизоляционный материал из алюминиевой
фольги, покрытой с обеих сторон битумной мастикой. Металлоизол
выпускают двух марок, отличающихся толщиной алюминиевой
фольги. Он имеет высокую прочность на разрыв и долговечность.
Применяют металлоизол для гидроизоляции подземных и гидротех¬
нических сооружений.Изол и бризол не имеют специальной основы, ее роль выполня¬
ют волокна асбеста, вводимые в битумно-резиновое вяжущее.Бризол изготовляют, прокатывая массу, полученную смешивани¬
ем нефтяного битума, дробленой резины (от изношенных автопо¬
крышек), асбестового волокна и пластификатора. Бризол стоек к
серной кислоте при концентрации до 40% и в соляной кислоте при
концентрации до 20% и температуре до 60°С. Его применяют для
защиты от коррозии подземных металлических конструкций и тру¬
бопроводов. Приклеивают к поверхности битумно-резиновой мас¬
тикой.Изол — безосновный рулонный гидроизоляционный и кровель¬
ный материал, изготовляемый прокаткой резинобитумной компози¬
ции, полученной термомеханической обработкой девулканизиро*
ванной резины, нефтяного битума, минерального наполнителя, ан¬
тисептика и пластификатора. Изол долговечнее рубероида более
чем в 2 раза, эластичен, биостоек, незначительно поглощает влагу.
Его выпускают в рулонах шириной 800 и 1000 мм, толщиной 2 мм,
общей площадью полотна 10—15 м2. Изол применяют для гидро¬
изоляции гидротехнических сооружений, бассейнов, резервуаров;348подвалов, антикоррозионной защиты трубопроводов, для покрытия
двух- и трехслойных пологих и плоских кровель. Приклеивают изол
холодной или горячей мастикой под тем же названием.Кровельные и гидроизоляционные материалы должны отвечать
установленным требованиям по водонепроницаемости, водопогло-
щению, теплостойкости и механической прочности. Водонепрони¬
цаемость испытывают при гидростатическом давлении, установлен¬
ном для каждого материала. Например, при испытании стеклорубе-
ройда под гидростатическим давлением 0,07 МПа в течение 10 мин
на поверхности образцов не должно появляться признаков про¬
никания воды. Водопоглощение должно быть минимальным — для
стеклорубероида — не более 0,5%. Теплостойкость характеризуется
температурой, которая не вызывает сползания посыпки и появле¬
ния вздутий и других дефектов покровного слоя. Теплостойкость
битумных материалов (рубероида, стеклорубероида) — не менее
80°С, толя — 45°С, дегтебитумных материалов — не ниже 70°С. Ме¬
ханическая прочность характеризуется разрывным грузом при рас¬
тяжении полоски материала шириной 50 мм. Для рубероида этот
показатель не менее 320—340 Н, стеклорубероида — не ниже
300 Н.Листовые материалы и штучные изделия. Листы битумные фа¬
сонные, предназначенные для лицевых покрытий кровли, выпуска¬
ют марок ЛБ-500 и ЛБ-600 с температурой размягчения пропиточ¬
ной массы не ниже 60°С.Армированные плиты изготовляют прессованием горячей масти¬
ки или горячей асфальтовой смеси, применяя армирование стекло¬
тканью или металлической сеткой.Н еармированные плиты изготовляют из тех же смесей, но без
армирования. Плиты применяют для устройства гидроизоляции и
заполнения деформационных швов.§ 2. МастикиМастика представляет собой смесь нефтяного битума или дегтя
(отогнанного и составленного) с минеральным наполнителем. Для
получения мастик применяют: а) пылевидные наполнители (из¬
мельченный известняк, доломит, мел, цемент, золы твердых видов
топлива); б) волокнистые наполнители (асбест, минеральную вату
и Др.).Наполнители адсорбируют на своей поверхности масла, при
этом повышается теплостойкость и твердость мастики. Кроме то¬
го, уменьшается расход битума или дегтя; волокнистые наполните¬
ли, армируя материал, увеличивают его сопротивление изгибу.Мастики подразделяют; а) по виду связующего — на битумные,
битумно-резиновые, битумно-полимерные;б) по способу применения на горячие, применяемые с предва¬
рительным подогревом до 160°С — для битумных мастик и до
130°С — для дегтевых мастик, и холодные, содержащие раствори¬
тель, используемые без подогрева при температуре воздуха не ни-349
же 5°С и с подогревом до 60—70°С при температурах воздуха ни¬
же 5°С;в) по назначению — на приклеивающие, кровельно-изоляцион¬
ные, гидроизоляционные асфальтовые и антикоррозионные.Приклеивающие мастики применяют для склеивания рулонных
материалов при устройстве многослойных кровельных покрытий и
оклеечноЙ гидроизоляции. Битумные кровельные материалы (рубе¬
роид, пергамин) приклеивают битумной мастикой, а дегтевые
(толь, толь-кожа) — дегтевой.Марку приклеивающей мастики устанавливают по показателю
теплостойкости. Теплостойкость мастики характеризуется предель¬
ной температурой, при которой слой мастики толщиной 2 мм, склеи¬
вающий два образца пергамина, не вытекает из шва при выдержи¬
вании образца в течение 5 ч на уклоне кровли в 45°.Марки приклеивающих горячих мастик приведены в табл. 47.Таблица 4Приклеивающие мастикиВид мастикиКомпонентыМаркаТеплостой¬
кость, “СГибкость *
— диаметр
стержня,
ммБитумныеНефтяной битум, на¬МБК-Г-656515полнитель, антисептикМБК-Г-757520МБ К-Г-858530МБК-Г-909035ДегтевыеКаменноугольные дег-МДК-Г-505025ти, наполнительМДК-Г-606030МДК-Г-707040* При изгибе мастикн, нанесенной на образец беспокровного рулонного материала слоем
толщиной 1 мм, не должно появляться трещин (температура испытания 18±2°С).Выбор марки мастики производят в зависимости от максималь¬
ной температуры воздуха и уклона кровли.Гидроизоляционные асфальтовые мастики применяют для уст¬
ройства литой и штукатурной гидроизоляции и в качестве вяжуще¬
го для изготовления плит и других штучных изделий.Горячие битумно-минеральные мастики изготовляют из битума
с количеством минерального наполнителя 30—64% в зависимости
от назначения и предъявляемых требований. Их применяют для
заливочной гидроизоляции швов гидротехнических сооружений
(рис. 153).Холодные асфальтовые мастики (хамаст) получают,' смешивая
битумно-известковую пасту с минеральным наполнителем без на¬
грева компонентов. Их 1уэименяют для штукатурной гидроизоляции
(рис. 154) и заполнения деформационных швов.350Рис. 153. Уплотнение деформационных
швов плотины:
а — поперечныП разрез; 6 — горизонтальны!!
разрез; 1 — наружное контурное уплотнение;2 — основное вертикальное уплотнение (шпон-
ив), выполненное нз горячей битумной масти¬
ки или асфальтового раствора; 3 — смотровой
колодецРис. 154. Гидроизоляция холодной ас¬
фальтовой мастиной подземной части
здания при отрывающем напоре
(по С. П. Попченко):I — слой гидроизоляции 10—15 мм; 2—це¬
ментная стяжка; 3 — красочное покрытиеГидрофобный газоасфальт изготовляют на основе битумно-из¬
вестковой пасты с добавкой 10—50% портландцемента и алюми¬
ниевой пудры в качестве газообразователя. Используют в конструк¬
циях комплексных кровельных панелей и теплогидроизоляции тру¬
бопроводов.Антикоррозионные битумные мастики служат для защиты
строительных конструкций и трубопроводов от агрессивных воздей¬
ствий. Они представляют смесь расплавленных тугоплавких биту¬
мов с наполнителем. Применяют для защиты от действия разбав¬
ленных растворов кислот и щелочей, окислов азота, сернистого га¬
за, аммиака и паров кислот при температуре до 60°С.Битумно-резиновые мастики для изоляции подземных стальных
трубопроводов представляют сплав из битума, порошка резины и351
некоторых добавок. Их применяют как в горячем, так и в холодном
состоянии — с растворителем.Битумно-полимерные мастики содержат добавку каучука йли
синтетической смолы, придающей эластичность на морозе и тепло¬
стойкость.§ 3. Эмульсии и паотыБитумные и дегтевые эмульсии представляют собой дисперсные
системы, в которых вода является средой и в ней битум или деготь
диспергированы в виде частиц размером около 1 мкм. Устойчивость
эмульсии обеспечивается путем введения в нее эмульгаторов — по¬
верхностно-активных веществ, уменьшающих поверхностное натя¬
жение на поверхности раздела битум (деготь) — вода; Эмульгато¬
рами служат мыла (нафтеновых, сульфонафтеновых, смоляных ор¬
ганических кислот), сульфитно-дрожжевая бражка. К твердым
эмульгаторам относятся тонкие порошки глин, извести, цемента,
каменного угля, сажи. Твердые эмульгаторы, как и водороствори-
мые, адсорбируются на поверхности частиц (глобул) битума или
дегтя, образуя защитный слой, препятствующий слипанию частиц,
диспергированных в воде. Эмульсии приготовляют в специальных
машинах диспергаторах, гомогенизаторах, установках с использо¬
ванием ультразвуковых колебаний. Приготовление эмульсии вклю¬
чает: разогрев битума (дегтя) до 50—120°С, приготовление эмуль¬
гатора, диспергирование вяжущего в воде с добавлением водного
раствора эмульгатора. Содержание битума (дегтя) в обычных
эмульсиях — 50—60%, в пастах 60—70%. Количество водораство¬
римых эмульгаторов в эмульсии обычно не превышает 3%, твердых
эмульгаторов 5—15% в зависимости от вида эмульгатора и дис¬
персности битумной (дегтевой) фазы.Пасты, являющиеся высококонцентрированными эмульсиями и
эмульсиями с твердыми эмульгаторами, разбавляют водой до по¬
лучения нужной вязкости. Эмульсии применяют для грунтовки ос¬
нования под гидроизоляцию, приклеивания рулонных и штучных
битумных и дегтевых материалов, для устройства гидро- и пароизо¬
ляционного покрытий и в качестве вяжущего вещества при изго¬
товлении асфальтовых (дегтевых) растворов и бетонов. При взаи¬
модействии эмульсии с каменным материалом (щебнем и песком)
происходит ее распад вследствие адсорбции эмульгатора, поглоще-_
ния и испарения воды; при этом битум (деготь) обволакивает и
связывает между собой зерна заполнителя.§ 4. Лакокрасочные покрытияБитумно-смоляные лаки представляют растворы битумов и ор¬
ганических масел в органических растворителях. При добавлении
алюминиевой пудры получают теплостойкую краску, идущую для
окраски санитарно-технического оборудования.352§ 5. Асфальтовые бетоны и растворыДля приготовления асфальтовых растворов и бетонов применя¬
ют асфальтовое вяжущее,, представляющее смесь нефтяного битума
с тонкомолотыми минеральными порошками (известняка, доломи¬
та, мела, асбеста, шлака). Минеральный наполнитель не только
уменьшает расход битума, но и повышает температуру размягчения
бетона.Прочность асфальтового вяжущего обусловлена соотношением
компонентов Б/Н и пористостью после уплотнения и отвердевания.
При оптимальном соотношении Б/Н весь битум адсорбирован в ви¬
де тонких непрерывных пленок на поверхности частиц тонкомолото¬
го наполнителя, поэтому асфальтовое вяжущее имеет наибольшую
прочность. 1Мелким заполнителем в растворе и бетоне служат чистые при¬
родные и искусственные пески с содержанием пылевато-глинистыхчастиц не более 3% по массе.Щебень изготовляют из прочных и морозостойких изверженных,
осадочных и метаморфических горных пород, а также из ме¬
таллургических шлаков. Из осадочных предпочитают карбонатные
породы (известняки, доломиты), хорошо сцепляющиеся с битумом.
Щебень должен выдерживать без разрушения не менее 50 циклов
попеременного замораживания и оттаивания.Асфальтовые бетоны подразделяют по назначению на гидротех¬
нические, дорожные и аэродромные, для устройства полов в про¬
мышленных цехах и складских помещениях, плоской кровли, стя¬
жек. Гидротехнические асфальтовые бетоны используют для уст¬
ройства экранов и в уплотняющих конструкциях швов сооружений,
в качестве гидроизоляционных слоев при строительстве каналов,
шлюзов, ирригационных сооружений. Специальные виды плотного,
бетона, изготовленные на химически стойких заполнителях приме¬
няют для создания кислото- и щелочестойких покрытий. Имеются
декоративные асфальтовые бетоны (цветные и офактуренные), из
которых выполняются разделительные полосы на дорогах, перехо¬
ды, полы вестибюлей гражданских зданий.Основные свойства асфальтового ‘бетона зависят от применен¬
ного асфальтового вяжущего, состава и пористости*.Пористость асфальтового бетона обычно колеблется от 5 до 7%.
Плотные бетоны (с пористостью не более 5%) практически водоне¬
проницаемы. Пористость ухудшает долговечность асфальтового бе¬
тона в связи с возрастанием водопоглощения, снижением морозо¬
стойкости и увеличением химической коррозии. Наиболее агрессив¬
ными слоями по отношению к битуму, которые могут содержаться
в воде, являются сульфаты натрия и магния.Биохимическая стойкость характеризует сопротивление «орга¬
ническому выветриванию» под влиянием бактерий, вызывающих
разложение сложных органических веществ, составляющих битум.* Методы оптимизации состава асфальтовых бетонов предложены
И. А. Рыбьевым на основе теории искусственных строительных конгломератов.12—664353
Для повышения биостойкости в состав битумного вяжущего вводят
антисептики.Состав асфальтового раствора должен быть такой, чтобы пусто¬
ты в песке были полностью заполнены асфальтовым вяжущим с из¬
бытком (10—15%) для обволакивания песчинок.Асфальтовый бетон можно представить как смесь асфальтового
раствора и крупного заполнителя — щебня. Количество асфальто¬
вого раствора берут с расчетом заполнения пустот в щебне и не¬
большого избытка (10—15%) для получения плотного бетона. При¬
мерные составы асфальтовых растворов и бетонов см. в табл. 48.Таблица 48Примерные составы асфальтовых растворов и бетоновНаименованиеСостав, % по массеБитумПекКамен-но-уголь-наясмолаНапол*нктельПесокЩе¬беньАсбестАсфальтовый раствор1820557Пекосмоляной раствор—154И62 8Асфальтобетон7——33060 Пекобетон—8—122—35—1040—3545—40—В отличие от цементного бетона на показатели прочности ас¬
фальтового бетона сильно влияет температура. Например, если
предел прочности при сжатии асфальтобетона при 20°С—2,2—
2,4 МПа, то при 50°С — только 0,8—1,2 МПа. Зато асфальтовые бе¬
тоны и растворы лучше, чем цементные, противостоят коррозии.Асфальтовые бетоны укладывают в горячем или холодном со¬
стоянии. Наиболее распространены горячие асфальтобетонные сме¬
си, имеющие при укладке температуру 140—170°С. Для их приго¬
товления предварительно высушенные и подогретые до 180—200°С
минеральные составляющие бетона (тонкомолотый наполнитель,
песок и щебень) загружают в смеситель, в котором их перемешива¬
ют с расплавленным битумом (температурой 150—170°С). Готовые
горячие смеси привозят на специальных машинах и после укладки
уплотняют катками. После остывания, через 1—2 ч, асфальтобетон
отвердевает, приобретая плотность и прочность.Асфальтовые бетоны, укладываемые в холодном состоянии, при¬
готовляют на жидких битумах и битумной эмульсии. Жидкий битум
подогревают до 110—120°С и смешивают с высушенными и подо¬
гретыми до той же температуры заполнителями. Асфальтобетонную
смесь охлаждают до 60°С, развозят на места и укладывают при
температуре окружающей среды не ниже 5°С. Бетон готовят и на
битумной эмульсии, смешивая вяжущие и заполнители без подогре¬
ва. В дегтебетон в качестве вяжущего вещества входит деготь (или
пек). Водостойкость, износ и долговечность дегтебетона ниже, чем
асфальтового бетона.РАЗДЕЛ XIIIМАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАССГлава 64
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯПластическими массами называют материалы, содержащие в
качестве важнейшей составной части высокомолекулярные соеди¬
нения — полимеры и обладающие пластичностью на определенном
этапе производства, которая полностью или частично теряется пос¬
ле отверждения полимера.Молекулы высокомолекулярных соединений состоят из несколь¬
ких тысяч или даже сотен тысяч атомов. Чаще всего макромолеку¬
лы таких соединений построены путем многократного повторения
определенных структурных единиц. Степенью полимеризации назы¬
вают число структурных единиц, содержащихся в одной макромо¬
лекуле.Высокомолекулярные соединения встречаются в природе. К ним
принадлежит ряд природных веществ: природный каучук, целлюло¬
за, шелк, Шерсть, янтарь и др. Однако для строительных материа¬
лов широко применяют искусственные полимеры, полученные путем
синтеза из низкомолекулярных веществ. Некоторые строительные
материалы (например, нитролаки) изготовляют в результате моди¬
фицирования природных высокомолекулярных соединений.Пластмассы получают обычно из связующего вещества и напол¬
нителя, вводя в состав исходной массы те или иные специальные
добавки — пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и краси¬
тели.Связующим веществом в пластмассах служат различные поли¬
меры — синтетические смолы и каучуки, производные целлюлозы.
Выбор связующего вещества в значительной мере определяет тех¬
нические свойства изделий из пластмасс: их теплостойкость, спо¬
собность сопротивляться воздействию растворов кислот, щелочей
и других агрессивных веществ, а также характеристики прочности
и деформативности. Связующее вещество — это обычно самый до¬
рогой компонент пластмассы.Для производства полимеров имеются огромные запасы сырья.
Исходными материалами для их получения являются природный
газ и так называемый «попутный» газ, сопровождающий выходы
нефти. В газообразных продуктах переработки нефти содержится
этилен, пропилен и другие газы, перерабатываемые на предприяти¬
ях в полимеры.Сырьем для полимеров служит также каменноугольный деготь,
получаемый при коксовании угля и содержащий фенол и другие
компоненты.12* 355
В производстве синтетических материалов применяют также
азот и кислород, получаемые из воздуха, воду и ряд других широко
распространенных веществ.Наполнители представляют собой разнообразные неорганиче¬
ские и органические порошки и волокна. В виде наполнителей сло¬
истых пластмасс широко применяют также бумагу, ткани, древес¬
ный шпон и другие листовые материалы. Наполнители значительно
уменьшают потребность в дорогом полимере и тем самым намного
удешевляют изделия из пластмасс. Кроме того, наполнители улуч¬
шают ряд свойств изделий — повышают теплостойкость и твер¬
дость, а волокна ткани и листовые материалы сильно повышают
сопротивление растяжению и изгибу, действуя подобно арматуре в
железобетоне.Пластификаторы — это вещества, добавляемые к полимеру для -
повышения его высокоэластичности и уменьшения хрупкости. В ви¬
де пластификаторов могут использоваться некоторые низкомолеку¬
лярные высококипящие жидкости. Молекулы жидкости, проникая
между звеньями цепей полимера, увеличивают расстояние и ослаб¬
ляют связи между ними. Это и приводит к уменьшению вязкости
полимера.При изготовлении пластмасс в их состав вводят и другие добав¬
ки. Вещества, являющиеся инициаторами реакции полимеризации,
ускоряют процесс отверждения пластмасс и их поэтому называют
отвердителями. Добавки — стабилизаторы способствуют сохране¬
нию структуры и свойств пластмасс во времени, предотвращая их
раннее старение при воздействии солнечного света, кислорода возду¬
ха, нагрева и других неблагоприятных влияний,Глава 65
СВЯЗУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА И НАПОЛНИТЕЛИ
§ 1. ПолимерыКлассификация и строение полимеров. В основу классификации
положены состав, методы получения и внутреннее строение поли¬
меров.По составу основной цепи макромолекул полимеры делят на три
группы:1) карбоцепные полимеры, молекулярные цепи которых содер¬
жат лишь атомы углерода (полиэтилен, полиизобутилен и т, п.):I I I I
—С—С—С—С—fill2) гетероцепные полимеры, в состав молекулярных цепей кото¬
рых входят кроме атомов углерода атомы кислорода, серы, азота, |
356фосфора (эпоксидные, полиуретановые, полиэфирные полимеры ,
и т. п.):I I—С—0-С—о—3) элементорганические полимеры, в основных молекулярных
цепях которых содержатся атомы кремния, алюминия, титана и не¬
которых других элементов, не входящих в состав органических сое¬
динений; типичны кремнийорганические соединения:R R R
I I I
—si—О—si—о—si-ii d dСинтетические полимеры делят в зависимости от метода полу¬
чения на полимеризационные и поликонденсационные.Полимеризационные полимеры (полиэтилен, полиизобутилен,
полистирол, полиметилметакрилат и т. п.) получают преимущест¬
венно методами полимеризации. Полимеризации могут подвергать¬
ся только такие мономеры, в молекулах которых содержатся крат¬
ные связи (или циклические группировки). За счет этих связей
(или за счет раскрытия цикла) у молекул исходного вещества об¬
разуются свободные валентности, которыми они соединяются меж¬
ду собой в макромолекулы. Поскольку в процессе полимеризации
не отщепляются атомы и атомные группы, химический состав по¬
лимера и мономера одинаков.Процесс полимеризации проходит с помощью инициаторов, ката¬
лизаторов, воздействия ядерных излучений, нагрева. В качестве
возбудителей реакции полимеризации (инициаторов) применяют
некоторые перекиси (перекись бензоила; перекись водорода, пер¬
сульфаты и т. п.) или катализаторы типа BF3, А1С1з и др.Полимеризация присоединения (или цепная полимеризация) со¬
стоит из трех стадий: инициирования, роста цепи и обрыва цепи.Поликонденсационные полимеры (фенолоальдегидные, мочеви¬
ноальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, полиамидные и т. п.)
получают методами поликонденсации. При поликонденсации мак¬
ромолекулы образуются в результате химического взаимодействия
между функциональными группами, находящимися в молекулах
исходных веществ; это взаимодействие сопровождается отщеплени¬
ем молекул побочных продуктов: воды, хлористого водорода, ам¬
миака и др. В связи с этим химический состав получаемого поли¬
мера отличается от состава исходных низкомолекулярных веществ.По внутреннему строению различают линейные и пространствен¬
ные (с поперечными связями и сетчатые) полимеры.Линейные полимеры состоят из длинных нитевидных макромо¬
лекул, связанных между собой слабыми силами межмолекулярного367
взаимодействия. Однако наличие в структурных единицах состав¬
ляющих полимер полярных группировок атомов усиливает взаимо¬
действие между цепями. В полимерах, содержащих гидроксильные
группы (целлюлоза), иминогруппы NH (нейлон), цепи могут свя¬
зываться водородной связью. Возникновение и развитие прочных
химических связей между цепями означает переход к полимерам с
пространственным каркасом.В пространственных полимерах прочные химические связи меж¬
ду цепями приводят к образованию единого пространственного кар¬
каса. Пространственные структуры гораздо хуже деформируются,
чем структуры из линейных молекул. При образовании сплошной
пространственной структуры полимер приобретает свойства твердо¬
го упругого тела (типа эбонита).Различие во внутреннем строении линейных полимеров и поли¬
меров с жестким пространственным каркасом отчетливо проявляет¬
ся при нагревании.Линейные полимеры при нагреве размягчаются и переходят в
вязкоупругое (каучукоподобное) состояние, поскольку межмолеку-
лярные силы и водородные связи между их цепями преодолевают-,
ся при сравнительно умеренном повышении температуры.Термопластичными (термопластами) называют полимеры, спо¬
собные обратимо размягчаться при нагреве и отвердевать при ох¬
лаждении, сохраняя основные свойства.■ В полимерах с жестким каркасом ковалентные связи между це¬
пями имеют прочность того же порядка, что и прочность связей
внутри цепей. Для разрыва таких связей тепловым движением тре¬
буется высокая температура, которая может вызвать разрыв связей
не только между цепями, но и внутри цепей. Разрыв наименее проч¬
ных связей, существующих внутри цепей, является началом де¬
струкции (химического разложения) полимера. Такой процесс не¬
обратим.Термореактивными (или реактопластами) называют полимеры,
которые, будучи отверждены, не переходят при нагреве в пластич¬
ное состояние. Следовательно, термореактивные полимеры при по¬
вышении температуры ведут себя подобно древесине: при высоко¬
температурном нагреве они претерпевают деструкцию и загора¬
ются.Хотя большинство полимеров относят к аморфным веществам,
от аморфных тел полимеры отличаются наличием некоторой крис¬
талличности, подтверждаемой рентгеновскими исследованиями.
В аморфных полимерах цепи полимера располагаются в основном
беспорядочно, однако наблюдается известная упорядоченность рас¬
положения отдельных участков смежных цепей, а также объедине¬
ние цепей в «пачки», содержащие некоторое число цепей. Доля
кристаллизованного объема может достигать 80%. Кристалличе¬
ские полимеры особенно ценны для изготовления изделий, рабо¬
тающих при температурах, близких к температуре плавления поли¬
мера.358Влияние температуры на физическое состояние линейных поли-
меров. Физическое состояние линейного полимера зависит от тем-'
пературы. При относительно низких температурах (не превышаю¬
щих температуру стеклования tCT) полимер находится в «стеклооб¬
разном» упруго-твердом состоянии (рис. 155). При повышении
температуры он сначала переходит в высокоэластичное (каучукопо¬
добное) состояние, а при достижении температуры текучести
(/тек) переходит в вязкотекучее состояние.В температурном интервале между температурами стеклования
и текучести тепловое движение отдельных звеньев цепи становится
достаточным для преодоления
связи их со смежными звенья¬
ми соседних макромолекул.Это обусловливает гибкость це¬
пей и переход полимера в высо¬
коэластичное состояние, кото¬
рое свойственно только высоко¬
молекулярным веществам с ,
большими молекулами. Не все
линейные полимеры могут при
нагревании переходить в высо¬
коэластичное состояние. Поли¬
меры С достаточно прочными Рис- 155. Температурная зависимость де¬
связями между цепями, имею- форма"еЛ (Гв ГСеевуГ"
щими жесткую структуру, не
обладают этой способностью.К ним относится, например, целлюлоза: деструкция подобных поли¬
меров начинается прежде достижения температуры текучести.Находясь в высокоэластичном состоянии, полимер способен
сильно деформироваться при действии сравнительно слабых внеш¬
них сил.Полимеры с низкой температурой стеклования (полиэтилен, ка-
учуки и некоторые каучукоподобные материалы) сохраняют свою
эластичность даже при сильных морозах.Текучесть линейных полимеров проявляется при достижении
температуры 200—300°С, когда тепловое движение достаточно для
преодоления относительно слабых связей между цепями, приобре¬
тающих способность к диффузионному перемещению.Температурный интервал между температурами текучести и
стеклования, в котором полимер находится в высокоэластичном со¬
стоянии, возрастает по мере увеличения степени полимеризации,
т. е. средней молекулярной массы. При малой степени полимериза¬
ции этот интервал становится настолько малым, что практически
вещество из стеклообразного состояния при нагревании непосред¬
ственно переходит в вязкотекучее (пластичное) состояние.Полимеризационные полимеры. Полиэтилен (—СНг—СНг—’)п
пдлучают путем полимеризации этилена: 1) при высоком давлении.
120—250 МПа; 2) при среднем давлении 3—7 МПа в углеводород¬
ных растворителях с окиснометаллическими катализаторами;359-
3) при атмосферном или небольшом избыточном давлении (0,05—
0,6 МПа) с участием металлорганических катализаторов.Полиэтилен представляет соб.ой твердый белый роговидный
продукт. Его выпускают в виде гранул размером 3—5 мм или в ви¬
де белого порошка.Технические свойства полиэтилена зависят от молекулярной
массы, разветвленности цепи и степени кристалличности. Поэтому
на свойства полиэтилена влияет метод его производства. Полиэти¬
лен низкого давления имеет в основном кристаллическую структу¬
ру (рис 156), ему свойственны жесткость и твердость. Наоборот,полиэтилен высокого давления
обладает в тонких пленках
большой гибкостью, так как на
40—45% состоит из аморфной
фазы, представляющей недо¬
статочно упорядоченные участ¬
ки молекул.Полиэтилен один из самых
легких полимеров — его плот¬
ность меньше плотности воды
(0,92—0,97). В сочетании с вы¬
соким пределом прочности при
растяжении (12—32 МПа) это
дает высокий коэффициент кон¬
структивного качества. Высо¬
кие прочностные свойства поли¬
этилена благоприятно сочета¬
ются с незначительным водопо-
глощением (0,03—0,04%), вы¬
сокой химической стойкостью и
морозостойкостью. Хорошая
морозостойкость полиэтилена
обусловлена низкой температу¬
рой стеклования аморфной фазы (—80°С по В. А. Кирееву).Следует учитывать особенности полиэтилена, свойственные всем
линейным полимерам: сравнительно низкий модуль упругости
(150—800 МПа), малую твердость, ограниченную теплостойкость
(108—130°С), большой коэффициент теплового расширения. Для
замедления процессов окисления и старения в полиэтилен вводят
стабилизаторы. Хорошие результаты получаются при введении в
полиэтилен 2% сажи (по В. А. Воробьеву).Полиэтилен применяют для изготовления гидроизоляционных
материалов, труб, предметов санитарно-технического оборудо¬
вания.Поливинилхлорид (ПВХ) является продуктом полимеризации
винилхлорида. Мономер (СНг = СНС1) в нормальных условиях
представляет собой бесцветный газ, обладающий эфирным запа¬
хом. Винилхлорид (хлорвинил) получают из ацетилена или из
дихлорэтана.Рис. 156. Кристаллический полиэтилен
^расположение цепей образует ромбичес¬
кую элементарную ячейку)360Применяют блочный (полимеризация в массе), суспензионный
и эмульсионный методы полимеризации винилхлорида. Поливинил¬
хлорид выделяют из эмульсий сушкой или коагуляцией.Поливинилхлорид представляет собой белый (иногда желтова¬
тый) Порошок аморфного строения, лишенный запаха и вкуса. Тем¬
пературный предел эксплуатации полимера 60°С. Плотность по¬
ливинилхлорида 1,38—1,4 (примерно в 1,4 раза больше, чем поли¬
этилена) . Это свидетельствует о высокой плотности упаковки цепей
поливинилхлорида, которая обусловливает значительную проч¬
ность полимера при растяжении (50—60 МПа) и изгибе (80—
120МПа), а также сравнительно большую твердость (по Бринеллю15—16).Высокие механические свойства поливинилхлорида определили
главные области его применения в строительстве. Этот полимер ис¬
пользуют в основном для производства разнообразных материалов
для чистых полов: однослойного безосновного линолеума, линолеу-
мов на тканевой и теплой основах, многослойных линолеумов, пли¬
ток для полов. Из поливинилхлорида изготовляют гидроизоляци¬
онные и отделочные декоративные материалы.Ценным свойством поливинилхлорида является стойкость к дей¬
ствию кислот, щелочей, спирта, бензина, смазочных масел. Поэтому
его широко применяют для производства труб, используемых в си¬
стемах водоснабжения, канализации и технологических трубопро¬
водах. Из него изготовляют плинтусы, поручни, ячеистые теплоизо¬
ляционные материалы.Недостатками поливинилхлорида является резкое понижение
прочности при повышении температуры, а также ползучесть придлительном действии нагрузки.Перхлорвинил получают хлорированием поливинилхлорида в
хлорбензоле до содержания 60—80% хлора. Перхлорвиниловые со¬
ставы хорошо зарекомендовали себя в качестве фасадных красок.
Устойчивость перхлорвинила к агрессивным средам (кислотам, ще¬
лочам и др.) благоприятствует их долговечности. Температура раз¬
мягчения перхлорвинила 85—100°С.Полистирол является одним из наиболее применяемых полиме¬
ров. Его получают путем полимеризации мономера — стирола
С6НбСН = СН2. Стирол (винилбензол) получают из этилена и бен¬
зола. В противоположность мономеру полистирол лишен запаха и
вкуса, физиологически безвреден. При обычной температуре поли¬
стирол представляет собой твердый прозрачный материал, похожий
на стекло, пропускающий до 90% видимой части спектра. Выпуска¬
ют полистирол в виде гранул (6—10 мм), мелкого или крупнозер¬
нистого порошка, а также в виде бисера (при суспензионном мето¬
де производства) с влажностью до 0,2%.Полистирол, применяемый в строительстве, имеет аморфное
строение, хотя при определенных условиях производства получают
полимер с ббльшим содержанием кристаллической фазы (до 50%).
Степень полимеризации колеблется от 500 до 2000, что соответству¬
ет молекулярной массе полимера от 50000 до 200 000.S61
' Полистирол легок (его плотность 1,04-— 1,06) и малотеплопрово¬
ден (теплопроводность 0,09—0,15 Вт/(м-°С). Поэтому он в боль¬
ших количествах идет для производства пенополистирола.Обладая высокими механическими свойствами (/?Р=35—
60 МПа, /?ож = 80—JJ0 МПа), полистирол водостоек, хорошо сопро¬
тивляется действию концентрированных кислот (кроме азотной и
ледяной уксусной кислот), противостоит растворам щелочей (с кон¬
центрацией до 40%). В силу этих свойств полистирольные облицо¬
вочные плитки долговечны, их применяют (взамен керамических
плиток) для облицовки стен вацн^к комнат, санузлов, кухонь, ла¬
бораторных помещений и т. п. Плитки изготовляют методом литья
под давлением с применением литьевых машин. Из полистирола
делают также трубки для электропроводки. Однако полистироль¬
ные пленки уступают полиэтиленовым и поливинилхлоридным
пленкам, они более хрупки.К недостаткам полистирола, ограничивающим его применение,
относятся: невысокая теплостойкость, хрупкость, проявляющаяся
при ударной нагрузке.Для повышения теплостойкости и вязкости полистирола приме¬
няют различные способы модификации полимера: совмещение с
каучуками, сополимеризацию с другими мономерами и др. Сопо¬
лимеры стирола с дивинилбензолом, вследствие сшивки последним
полистирольных цепей, имеют трехмерную структуру и повышен¬
ную теплостойкость (не ниже 110°С).Полиметилметакрилат, называемый также органическим стек¬
лом, является продуктом полимеризации метилового эфира метакри-
ловой кислоты. Метилметакрилат синтезируют в виде бесцветной
прозрачной жидкости, подвергая сложной химической перера¬
ботке исходные сырьевые продукты (нефтяные углеводороды, при¬
родный газ и др.). Полимеризация мономера ведется блочным
(т. е. в массе), эмульсионным и суспензионным методами. При
блочном методе тщательно перемешанную смесь метилметакрила-
та, инициатора (перекись бензоила) и пластификатора (дибутил-
фталата) заливают в форму из силикатного полированного стекла.
По окончании полимеризации (она длится 18—40 ч при 40—13Q°C)
из форм вынимают готовые листы полиметилметакрилата (органи¬
ческого стекла). Эмульсионную полимеризацию используют для
получения литьевых и прессовочных порошков. Суспензионная по¬
лимеризация дает гранулированный полимер — «бисер», более
жесткий и упругий материал, который затем перерабатывается в
изделия в виде прозрачных или окрашенных листов, блоков, тру¬
бок и т. п. Полиметилметакрилат имеет аморфное строение, его
плотность 1,18 г/см3.Особенностью органического стекла является его исключитель¬
ная прозрачность, бесцветность, способность пропускать ультра¬
фиолетовые лучи, светостойкость й атмосферостойкость. Органиче¬
ское стекло пропускает 73,5% ультрафиолетовых лучей, обычное
силикатное — лишь 0,6%, зеркальное силикатное — 3%, а кварце¬
вое стекло—100%. Поэтому органическое стекло применяют для
862остекления окон больниц, витрин, теплиц, парников, фонарей про-
изводственных помещений, декоративных ограждений и т. п. При
температуре вЫше 90°С полимер становится эластичным и хорошо
формуется. Полиметилметакрилат легко обрабатывается резанием,
шлифовкой. Техническое органическое стекло имеет высокую проч¬
ность: при сжатии 120—160 МПа, при растяжении 60—80 МПа,
при изгибе 80—140 МПа. Ударная вязкость органического стекла
почти не снижается в интервале температур от 60 до 183°С. Одна¬
ко недостаточная абразивостойкость и теплостойкость (80°С) огра¬
ничивают применение органического стекла. Этот полимер не стоек
в растворах кислот и щелочей, легко растворяется в органических
растворителях (ацетон и т. п.), при соприкосновении с огнем горитярким пламенем.Политетрафторэтилен (—CF2 —CF2—)„ — продукт полимериза¬
ции тетрафторэтилена, осуществляемой блочным и суспензионным
методами в растворителях. Плотность полимера 2,14—2,35 г/см3.
Он обладает наиболее высокой химической стойкостью, выдержи¬
вает действие высокой температуры (до 200°С), является одним из
лучших диэлектриков. В строительстве применяют уплотняющие
прокладки из политетрафторэтилена в особо коррозионных средах.Поливинилацетат получают в результате полимеризации винил-
ацетата (сложного эфира уксусной кислоты и винилового спирта).
Поливинилацетатные смолы бесцветны, эластичны, светостойки, хо¬
рошо прилипают к поверхности различных материалов. Поэтому
их используют для изготовления эмульсионных красок, клеев, мас¬
тик. Водные дисперсии полимера применяют для устройства бес¬
шовных полов, а также вводят в цементные бетоны и растворы с
целью увеличения их водонепроницаемости и химической стой*
кости.Полиизобутилен (—СН2— С (СНз) 2—) п — продукт полимериза¬
ции изобутилена СН2=С(СНз)2, получаемого из продуктов перера¬
ботки нефти. Полимер представляет собой эластичный каучукопо¬
добный материал с молекулярной массой 300 000—500 000. В отли¬
чие от каучуков полиизобутилен не способен к реакции вулканиза¬
ции («сшивке» молекул). Полиизобутилен практически бесцветен,
не обладает запахом и физиологически безвреден. Этот полимер об¬
ладает ценными свойствами. Он легок, как и полиэтилен (его плот¬
ность 0,91—0,93 г/см3), но значительно эластичнее. Полиизобутилен
способен выдержать относительное удлинение 1000—2000%. Он
водостоек, на него не действуют кислоты, щелочи, соли галоидов,
полярные растворители. Но полиизобутилен растворяется в арома¬
тических углеводородах (бензоле, толуоле и т. п.) и минеральных
маслах, набухает в жирах и растительных маслах. Высокая моро¬
зостойкость обусловлена низкой температурой стеклования
(—75°С). Полиизобутилен в сочетании с наполнителями (сажей,
графитом, тальком) применяют в разнообразных герметизирую¬
щих материалах, служащих для уплотнения горизонтальных и вер¬
тикальных швов в панельных зданиях. Из него изготовляют липкие
ленты, линолеумные клеи, гидроизоляционные материалы. Поли¬369
изобутилен хорошо совмещается с битумом, повышая его эластич¬
ность на холоду.Индено-кумароновый полимер получают в результате полиме¬
ризации ароматических соединений: кумарона, индена, стирола и
их гомологов, находящихся в сыром бензоле и фенольной фракции
каменноугольного дегтя. Полимер применяют для лаков, из него
изготовляют плитки для пола.Поликонденсационные полимеры. Феноло-альдегидные полиме¬
ры получают в результате реакции поликонденсации фенолов (фе¬
нола, резорцина, крезола и др) с альдегидами (формальдегидом,
фурфуролом, лигнином и т. п.).Феноло-формальдегидный полимер первый получил широкое
применение в технике. Этот полимер изготовляют из фенола и фор¬
мальдегида. Фенол СбШОН получают из каменноугольного дегтя
и синтетическим путем, а формальдегид СН20 — путем окисления
метилового спирта или метана. Формальдегид — газ; его исполь¬
зуют в виде водного раствора, называемого формалином.Фенол вступает в реакцию с формальдегидом при нагревании
в водных растворах кислот или щелочей в присутствии катализа¬
торов.Новолачные (новолаки) полимеры с линейным строением моле¬
кул и термопластичными свойствами получают при избытке фенола
и конденсации в кислой среде.Резольные термореактивные полимеры с трехмерным строением
молекул образуются при избытке формальдегида и конденсации
в щелочной среде.Феноло-формальдегидные полимеры при нормальной темпера¬
туре— твердые хрупкие вещества светлого или темно-коричневого
цвета, с плотностью 1,2—1,27 г/см3. Эти полимеры хорошо совме¬
щаются с наполнителями — древесной стружкой, бумагой, тканью,
стеклянным волокном, при этом получаются пластики более проч¬
ные и менее хрупкие, чем сами полимеры. Поэтому феноло-фор¬
мальдегидные полимеры широко применяют в качестве связующего
при изготовлении древесностружечных плит, бумажнослоистых
пластиков, стеклопластиков и разнообразных изделий из минераль¬
ной ваты. Эти же полимеры используют для получения клеев, баке¬
литового лака, водостойкой фанеры. Из твердых резольных поли¬
меров приготовляют пресс-порошки и фаолит, из которых производят
трубы, листы, плитки и электротехнические изделия (здесь ис¬
пользуются высокие диэлектрические свойства полимера). Широ¬
кому распространению феноло-формальдегидных полимеров в тех¬
нике способствует их относительная дешевизна.Карбамидные (мочевино-формальдегидные или амино-формаль-
дегидные) полимеры изготовляют из мочевины и формальдегида.
Мочевина (карбамид) CO(NH2b в чистом виде представляет со¬
бой крупные бесцветные призматические кристаллы, хорошо раст¬
воряющиеся в воде и хлороформе. Мочевину получают из аммиака
и углекислого газа. Карбамидные полимеры бесцветны, хорошо
окрашиваются в различные цвета. Эти полимеры сравнительно де¬364шевы. Применяют их для изготовления теплоизоляционных мате¬
риалов (ячеистых пластмасс и сотопластов), слоистых и волокни¬
стых пластиков и клеев.Кремнийорганические полимеры представляют собой особую
группу полимеров. Методы получения кремиийорганических поли¬
меров были разработаны в СССР в 1935—1939 гг. К. А. Андриано¬
вым *.Особенностью строения макромолекулы полимера является на¬
личие кремнийкислородной (силоксановой) связи. В строительстве
наиболее широко применяются кремнийорганические полимеры
типа (/?— радикал, например, С2Н5):R R
I I—Si—О—Si—L RR XВ кремнийорганическом полимере молекулы построены из крем¬
неземистого скелета с органическими ответвлениями (радикалами).
Поэтому такой полимер выгодно сочетает лучшие свойства сили¬
катных материалов (высокую теплостойкость) и обычных синтети¬
ческих полимеров (эластичность и др.). Кремнийорганические по¬
лимеры получают из низкомолекулярных кремнийорганических
соединений — алкил (арил) хлорсиланов и др.Низкомолекулярные кремнийорганические полимеры в виде
жидкостей (ГКЖ-Ю, ГКЖ-11, ГКЖ-94) используют в качестве во¬
доотталкивающих фасадных красок; эти же жидкости добавляют
в бетон с целью придания ему гидрофобных свойств.Высотомолекулярные полимеры линейной структуры являются
синтетическими каучуками, которые применяют в виде различных
герметизирующих и изоляционных паст и клеев.^Высокомолекулярные полимеры сшитой структуры обладают
жесткостью и теплостойкостью. Обычные органические полимеры
неустойчивы уже при температуре 100—140°С, а кремнийорганиче¬
ские выдерживают без разрушения температуру 300—500°С. Поэто¬
му на основе этих полимеров изготовляют жароупорные лаки и
эмали. Их же используют в производстве пенопластов и клеев, а
в виде связующих и пропиточных составов — при изготовлении
слоистых и волокнистых пластиков.Эпоксидные полимеры получили свое название в виду наличия=С—С=в их молекуле эпоксигруппы \^/ . Промышленное произ-* Кузьма Андрианович Андрианов (1904—1978)—академик АН СССР, Ге¬
рой Социалистического Труда, выдающийся советский ученый, впервые в мире
получил кремнийорганические полимеры, создал новое направление в этой облас¬
ти химии.365
водство полиэпоксидов было начато сравнительно недавно, в
1948 г. Основным сырьем для эпоксидных полимеров является
эпихлоргидрин, получаемый из глицерина и пропилена. В большин¬
стве случаев эти полимеры представляют собой жидкости различ¬
ной вязкости.Эпоксидные смолы характеризуются высокой химической стой¬
костью, за исключением сильных окислителей и влажного хлора.
Материалы на их основе (клеи, краски, мастики, растворы и бето¬
ны) отличаются высокой прочностью и универсальной клеящей спо¬
собностью к бетону, металлу, керамике, дереву, стеклу и др. Эти
замечательные свойства у них сочетаются с относительно высокой
теплостойкостью (100—150°С). В качестве отвердителей эпоксид¬
ных смол применяют: при холодном отверждении — гексаметилен-
диамин (ГМД), полиэтиленполиамин; при горячем отверждении —
мела мин, фталевый ангидрид, карбамидные и другие смолы.Полиэфиры — это группа полимеров, получаемых в результате
поликонденсации многоосновных кислот со спиртами. Широкое
применение получил, например, глифталевый полимер. Его готовят
из глицерина и фталевого ангидрида. Глицерин — простейший трех¬
атомный спирт СзН5(ОН)3. Получают его синтезом из продуктов
нефтепереработки. Фталевый ангидрид СбН^СОЬО является про¬
дуктом окисления нафталина, выделяемого из каменноугольного
дегтя. Распространенность сырья и относительная дешевизна поз¬
воляют применять полиэфирные полимеры для изготовления стек¬
лопластиков, светопрозрачных и цветных покрытий, санитарно-тех¬
нических изделий, клеев, фасадных красок и лаков. Полиэфирные
полимеры стойки к влажному хлору и концентрированным раство¬
рам окисляющих кислот, разрушающим фурановые и эпоксидные
полимеры. Однако при длительном воздействии воды прочность
полиэфирного полимера понижается (до 40%), уменьшается и его
адгезионная способность.Полиамидные полимеры, получаемые в результате реакции по¬
ликонденсации двухосновных кислот и диаминов, сходны с поли¬
эфирными. Их применяют, например, в виде влагоизолирующих
пленок.Полиуретаны готовят из изоцианатов и многоатомных спиртов,
содержащих две и более гидроксильные группы. Линейные поли¬
уретаны применяют для изготовления волокон, пленок, листовых
материалов, которые выдерживают высокую влажность и темпера¬
туру до 110°С.Полиуретановые каучуки синтезируют из диизоцианатов и по¬
лиэфиров, причем в зависимости от вида полиэфира получают мяг¬
кие эластичные и жесткие материалы, а из них прекрасные звуко-
и теплоизоляционные пластмассы.Полимеры, получаемые путем модификации природных высоко¬
молекулярных веществ (целлюлозы и белков), имеют определенное
значение для строительства. Из ацетилцеллюлозы вырабатывают
прочные и водостойкие лаки для окрашивания древесины и ме¬
талла.366§ 2. Каучуки и резиныСинтетические каучуки являются продуктами полимеризации
и сополимеризации ненасыщенных углеводородов. Для получения
синтетических каучуков в качестве мономеров применяют: изопрен,
бутадиен (дивинил), хлорпрен, изобутилен и др. Реакция полиме¬
ризации начинается с мономера, содержащего две двойные связи,
из которых одна расходуется, а оставшаяся двойная связь перехо¬
дит в центр звена:ГН R Н Н1
1111ГН R Н Н11 1 1 1п1111
С=С—С=С
1 11 1 1 1
С—С=С—С
1 1—_н Н __н н_пгде R — радикал; может представлять собой СНз (изопрен), Н (бу¬
тадиен), С1 (хлорпрен); связь С~С, в отличие от одиночной, не
может поворачиваться, поэтому центр мономерного звена является
жестким, но гибкость между звеньями сохраняется.В зависимости от исходных мономеров выпускают многочислен¬
ные разновидности каучуков: изопреновый, бутадиеновый, хлорпре-новый, бутадиен-стирольный и др.С. В. Лебедев впервые разработал способ получения синтетичес¬
кого каучука *. Натрий-бутадиеновый (СКВ) каучук, разработан¬
ный в СССР, был первым в мире синтетическим каучуком. В на¬
стоящее время выпускают новые виды бутадиенового каучука с
улучшенными свойствами: полидивиниловый (СК.Д) и сополимеры
дивинила — бутадиен-стирольный (СКС) и бутадиен-нитрильный
(СКН). По эластическим свойствам они близки к натуральному
каучуку и превосходят его по теплостойкости и сопротивлению ис¬
тиранию.Полиизопреновые каучуки (СК.И) по своему химическому соста¬
ву и структуре молекул как бы воспроизводят натуральный каучук,
этим объясняется аналогия в свойствах полиизопрена и натураль¬
ного каучука: высокие прочности и эластичность при статических
и динамических нагрузках, высокая стойкость к нагреванию и окис¬
лению. В группу изопреновый синтетических каучуков входит бу-
тилкаучук, представляющий продукт сополимеризации изобутиле¬
на и изопрена (1—1,5%). Бутилкаучук (СК.И-3) выделяется высо¬
кой морозостойкостью и водостойкостью, эластичностью и
стойкостью к действию кислорода, озона, сильных. кислот.Хлорпреновые каучуки получают эмульсионной полимеризацией
хлорпрена, который является хлорзамещенным производным бута¬
диена. Хлорпреновые каучуки выпускают различных марок под об-* Сергей Васильевич Лебедев (1874—1934) —действительный член АН СССР,
выдающийся советский ученый, разработал способ получения каучука из бутадие¬
на полимеризацией в присутствии натрия. Под руководством С. В. Лебедева был
построен первый в СССР завод синтетического каучука.367
щим наименованием «наирит». Хлорпреновые каучуки выделяются
особыми техническими свойствами: высокой клейкостью (в сыром
виде), устойчивостью к действию света, озон"а, кислорода и стой¬
костью к растворам кислот и щелочей; они также выдерживают дей¬
ствие масел и бензина. Хлорпреновый каучук, практически газо¬
непроницаем (по этому свойству уступает только дивинилнитриль-
ному), он не горит, хотя и обугливается.Синтетические каучуки применяют для изготовления клеев и
мастик (служат для приклеивания линолеума, плиток пола и т. п.).
Каучуки необходимы в производстве разнообразных герметизи¬
рующих материалов. В качестве компонентов герметиков широко
используют бутилкаучуки и хлорпреновые каучуки. Синтетические
каучуки служат также для модификации других полимеров с целью
придания им упругих свойств.С развитием производства полимерных материалов синтетичес¬
кие каучуки найдут применение в различных полимербетонах.Резина представляет собой вулканизированный каучук и обыч¬
но содержит наполнители (сажу, мел и др.). Вулканизация каучу¬
ка— это процесс, при котором в результате взаимодействия каучука
с серой или другими веществами (либо под влиянием радиации)
образуется значительное число новых связей между цепями (цепи
«сшиваются»), что приводит к повышению жесткости и теплостой¬
кости, снижению растворимости и набухания в органических раст¬
ворителях.Резину используют в качестве материала для чистых полов, от¬
ходы резины (в виде дробленой отработанной резины — резиновой
крошки) являются компонентом битуморезиновых материалов
(бризола, битуморезиновой мастики и др.).Молекулы каучука, хотя и имеют линейную структуру, но не
вытянуты в линию, а имеют изгибы и петли, могут смыкаться свои¬
ми концами. Растягивание каучука вызывает упорядоченность
расположения цепей и выделение соответствующего количества
теплоты. Рентгеновским методом обнаруживают кристалличность
растянутого каучука, исчезающую после снятия нагрузки. После
растяжения до удлинения в несколько сотен процентов каучуки
полностью восстанавливают свою форму. Согласно кинетической
теории упругости каучука при растяжении происходит распрямле¬
ние и сближение цепей, однако внутреннее тепловое движение мо¬
лекул и, в частности, вращение отдельных звеньев цепей противо¬
действует таким изменениям и по прекращении действия внешней
силы каучук возвращается в первоначальное состояние.Высокоэластическая деформация каучука, достигающая 1000%
и более, является обратимой деформацией, зависящей от времени,
поскольку она вызывает перемещение молекул и атомов. Деформа¬
цию линейных полимеров определяют сочетанием упругих, вязко-
упругих и вязких свойств. Для анализа деформаций этих материа¬
лов в температурном интервале, охватывающем все три состояния
полимеров, может быть полезна модель, включающая три элемен¬
та: 1—упругий 3 (рис. 157,а), 2 — вязкоупругий 1 и 3 и 3 — вяз-368кий 3. Полная деформация е этой модели равна сумме деформаций
каждого последовательно расположенного элемента:е = е, -Ь еа -f е3.Поскольку каждый элемент модели функционирует раздельно^
он характеризуется своими значениями Е и т|, поэтому
е = ст/Е, + о/Е2 (1 — + ot/vi3.Рис. 157. Деформация полимеров:модель деформации (вязкоупругости); 6 — реологическая кривая развн»
тия деформации во времени; / и 2 —демпфер (вязкий элемент); 3 — пружина
(упругий элемент)На рис. 157,6 представлено развитие деформации во времени.
После прекращения действия напряжения, начиная с, момента вре¬
мени 11, упругая ei и вязкоупругая е2 составляющие деформации
становятся равными нулю, а вязкая деформация ез необратима.§ 3. НаполнителиНаполнителями служат неорганические и органические мате¬
риалы: порошки, волокна, ткани, бумага, древесный шпон и др.
Различают ненаполненные пластмассы, пластмассы с порошкооб¬
разным или волокнистым наполнителями, слоистые пластмассы
(текстолит, бумопласт и т. п.), а также газонаполненные пластмас¬
сы (ячеистые и сотопласты). Наибольшее повышение механических
свойств достигается при использовании волокнистого и слоистого
наполнителей.В табл. 49 сопоставлены свойства чистого полиэфирного поли¬
мера со свойствами пластмассы на его основе и стали. Волокнистый
наполнитель увеличил модуль упругости материала примерно в
10 раз и повысил сопротивление растяжению в 20 раз по сравнению
с чистым полимером. Полимеры в чистом виде плохо сопротивляют¬
ся ударным воздействиям: лишь 7% составляет их ударная вяз-369
Таблица 49Физико-механические свойства полиэфирной смолы в чистом виде
и со стеклянным наполнителем в виде волокна
(по В. А. Кирееву)Предел прочности, МПаУдарная
вязкость,
% к сталиМатериалПлотность,г/см’Rcm^изгМодуль
упругос¬
ти, МПаЧистый полимер1,3421509072000—5000Полимер со стек¬
лянным волокном
(70%)1,9840490105015630 000—
38 000Сталь7,8390—840350—420420—460100210 000кость по отношению к стали. Введение наполнителя исправляет
этот недостаток. Удельные показатели прочности волокнистого
стеклопластика, отнесенные к единице плотности, выше, чем у ста¬
ли и сплава алюминия.Упрочняющее действие наполнителя объясняется взаимодейст¬
вием молекул полимера с поверхностью волокон или зерен напол¬
нителя. При адсорбции молекул полимера на поверхности частиц
наполнителя происходит ориентация молекул полимера, повышает¬
ся упорядоченность их расположения. Тонкие слои ориентирован¬
ных молекул, располагающиеся между частицами наполнителя,
обладают повышенной механической прочностью. Важное значение'
имеют поверхностные явления на границе полимер — наполнитель.
Для увеличения их сцепления волокна наполнителя нередко под¬
вергают специальной обработке — аппретированию. Волокна явля¬
ются препятствием для развития трещин, возникающих в материа¬
ле, поэтому волокнистые и слоистые наполнители превращают
хрупкий полимер в вязкий пластик, прекрасно сопротивляющийся
удару.Волокнистым наполнителем является тонкое стеклянное волок¬
но, используемое для конструкционных стеклопластиков. Широкое
применение получили древесные волокна, используемые в массовом
производстве древесных плит различного вида.Глава 66ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НЕСУЩИХ
И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ§ 1. Полимербетоны и полимерцементные бетоныПолимербетоны изготовляют преимущественно на основе тер¬
мореактивных полимеров: полиэфирных, эпоксидных, феноло-фор-
мальдегидных, фурановых и др. Заполнители выбираются в зави¬'370симости от вида агрессивной среды. Для кислых сред изготовляют
полимербетоны на кислотостойких заполнителях <— кварцевом пес¬
ке и щебне из кварцита, базальта или гранита. Используют также
бой кислотоупорного кирпича, кокс, антрацит, гра'фит.В зависимости от назначения и объемной массы различают:1) конструкционный тяжелый полимербетон объемной массой
1800—2500 кг/м3, в котором применяют плотные минеральные за¬
полнители (кварцевый песок, гранитный щебень и т. п.); 2) кон¬
струкционно-теплоизоляционный легкий бетон объемной массой
900—1200 кг/м3 с минеральным пористым заполнителем (керамзи¬
том и т. п.); теплоизоляционный особо легкий бетон объемной мас¬
сой до 500 кг/м3, в котором применяют высокопористые заполните¬
ли (из пенопласта, пробки, древесины, вспученного перлита и т. п.).Механические свойства полимербетона значительно повышают¬
ся при армировании его стальной и стеклопластиковой арматурой.
Изготовляют изделия и готовые конструкции из стале- и стекло-
полимербетона — элементы шахтной крепи, опоры контактной се¬
ти, шпалы, коллекторные кольца и др. Разработаны комбинирован¬
ные несущие конструкции, в сжатой зоне которых расположен
цементный железобетон, а в растянутой — армополимербетон. При
таком сочетании существенно повышается трещиностойкость растя¬
нутой зоны, поскольку предельная растяжимость полимербетона
примерно в 10 раз, а прочность при растяжении в 5 раз выше, чем
у цементного бетона.Для сталеполимербетона применяют связующие вещества на
основе фурфуролацетонового мономера, эпоксидного полимера
и др.Фурфурол — желтоватая маслянистая жидкость с характерным
запахом, темнеющая на воздухе. По химическому составу фурфу¬
рол представляет простейший альдегид фуранового ряда (С5Н402).
Его получают путем гидролиза (при 150—180°С) разбавленными
кислотами природного сырья: отходов сельского хозяйства (лузги
семян подсолнуха, соломы, кукурузных кочерыжек и т. п.) или дре¬
весины.Высокой химической стойкостью обладает полимербетон, изго¬
товляемый на основе фурфуролацетонового мономера (ФАМ) и
кислого отвердителя — бензосульфокислоты (БСК).Для уменьшения хрупкости полимербетона применяют волокнис¬
тые наполнители — асбест, стекловолокно и др. Полимербетоны
отличаются от обычного цементного бетона не только химической
стойкостью, но и высокими показателями прочности, в особенности
при растяжении (7—20 МПа) и изгибе (16—40 МПа). Прочность
при сжатии достигает 60—120 МПа. Прочность склеивания с сухой
бетонной поверхностью при сдвиге — 3—5 МПа, сцепление со
стальной арматурой — около 6 МПа.Полимербетоны применяют с учетом их теплостойкости, состав¬
ляющей 100—200°С в зависимости от вида связующего вещества.
Отрицательным свойством полимербетонов является их большая
ползучесть, а также старение, усиливающееся при действии попе-371
ременного нагревания и увлажнения. Кроме того, необходимо
соблюдение специальных правил охраны труда при работе с поли¬
мерами и кислыми отвердителями, могущими вызвать ожоги.
В частности, необходима хорошая вентиляция, обеспечение рабо¬
чих защитными очками, резиновыми рукавицами, спецодеждой.Полимерцементные бетоны и растворы содержат добавку син¬
тетической смолы или каучука (от 0,2 до 5—12%). Добавки вводят
в виде эмульсий или суспензий, что обеспечивает более равномер¬
ное распределение небольшого количества полимера в объеме ма¬
териала. Обычно применяют водные дисперсии поливинилацетата,
полистирола, поливинилхлорида, латексы, а также кремнийоргани-
ческие соединения. В результате уменьшается водопоглощение и
водопроницаемость, увеличивается прочность бетона на растяжение
и изгиб (в 2—3 раза), при этом возрастает растяжимость.Полимерцементные материалы применяют в виде красок, клеев,
обмазок (например, для защиты арматуры); полимерцементные
растворы и бетоны используются в виде защитных слоев резервуа¬
ров, труб, а также для устройства полов.§ 2. Пластмассы, упрочненные волокнамиДля несущих и ограждающих конструкций применяют большую
группу полимерных композиционных материалов, упрочненных во¬
локнами. К волокнистым композитам принадлежат стеклопластики,
древесностружечные (ДСП) и древесноволокнистые плиты (ДВП)
и некоторые другие листовые, плитные и рулонные материалы.Полимерный волокнистый материал состоит из двух основных
компонентов: упрочняющих волокон (или ткани) и связующего
(матрицы) —полимера или каучука. Сочетание в одном материале
двух разнородных компонентов — волокна (стеклянного, асбестово¬
го, древесного или др.) и полимера дает легкий композиционный
материал с высокой прочностью при растяжении и изгибе. В этом
убедимся, анализируя прочность волокнистого композита с по¬
мощью простой модели*, представляющей собой выделенный из
композита параллелепипед длиной, равной единице, армированный
волокнами, расположенными параллельно.Содержание волокна Ув и матрицы VM дано в долях от объема
композита, принятого за единицу, следовательно,VB + V„=1, = 1 — V в.Наполнение композита волокном обычно составляет 20—90%,
т. е. VB = 0,2—0,9.Осевое растягивающее усилие Р, воспринимаемое композитом,
распределяется между двумя компонентами — волокном (Рв) И
матрицей (Рм)"Р = РВ + Рк.* Для количественных решений используют статистическую теорию прочнос¬
ти композитов, рассматриваемую в специальных курсах.372Переходя к напряжениям, получим распределение напряжения
в композите (при £=1)<7к = + М1 — Ув)-В пределах упругой работы материала согласно закону Гука
ок — sB£BV в ~Ь еыЕа (1 VB).Композит работает как единый материал, т. е. отсутствует про¬
скальзывание волокна относительно матрицы, поэтому относитель¬
ные деформации композита ек, волокна ев и матрицы ем равны
между собой:ек = ев = ем = 6 •Учитывая условие цельности композита, получим уравнение
прочности волокнистого композита RK в следующей форме:= [£вУв + £„(1-Ув)]е.Следовательно, модуль упругости композита Ек в рассмотрен¬
ном случае формируется по правилу смесей:EK = EBVB + EM(1-VB).Графическую интерпретацию уравнения прочности композита
рассмотрим применительно к стеклопластику, принимая модуль
упругости стекловолокна £в = 60 000 МПа и полимерной матрицы
£м=2000 МПа, т. е. соотношение Ев : £м=30:1. На рис. 158 пока¬
зано возрастание прочности композита при увеличении наполнения
его волокном. В стеклопластике содержание волокна доводят до
80—90%, армируя его не отдельными волокнами, а стеклотканью.
Из рис. 158, а также из соотношения Рв/Рм — (EJEM) VB/(l—VB) вид¬
но, что усилие, воспринимаемое волокнами, возрастает по мере
увеличения содержания волокна и его модуля упругости. Соответ¬
ственно уменьшается доля нагрузки, передаваемой на менее проч¬
ную матрицу.Прочность волокна при
растяжении и модуль упру¬
гости зависят от толщины во¬
локна, как это видно из рис.159. Высокопрочное стеклян¬
ное волокно с большим мо¬
дулем упругости имеет диа¬
метр 3—7 мкм. Модуль
упругости стеклопластика,
армированного таким волок¬
ном, составляет 18 000—35000 МПа, он в 10—20 раз
выше, чем у полимера. Сле¬
довательно, конструкцион-
ные полимерные композици¬
онные материалы имеют мо¬
дуль упругости примерно
как у цементного бетона.373Рис. 158. График зависимости прочности
при растяжении волокнистого композита:
/ — от объемной концентрации волокна; 1 — доля
прочности, вносимая матрицей
Композиционные материалы часто называют материалами бу¬
дущего за их легкость, сочетающуюся с высокими модулем упру¬
гости и сопротивлением растяжению. Прогресс в этой области свя¬
зан с применением тонкого «суперволокна» из материалов, у ко¬
торых модуль упругости примерно на порядок выше, чем у стекла.
Проводятся работы по получению непрерывистых волокон бора,
карбида кремния, углерода, а также бездефектных кристаллов —Рис. 159. Графики зависимости прочности на растяжение минеральных воло¬
кон от их диаметра:
а — стеклянное волокно; б— монокристаллы (усы): кремния — белые кружки; окисицинка — черные«усов» окиси алюминия (сапфира), нитрида кремния и др. Стои¬
мость этих волокон высокая, и они в первую очередь будут приме¬
няться в самолетостроении и в тех областях техники, где стоимость
материала имеет второстепенное значение. Однако исторические
аналогии (например, с алюминием) говорят о том, что через 10—
15 лет стоимость новых материалов снизится и по мере осво¬
ения производства они станут доступными для строительной тех¬
ники.Стеклопластики — это листовые материалы из стеклянных во¬
локон или тканей, связанных полимером. Связующим веществом
в стеклопластиках обычно служат феноло-формальдегидные, по¬
лиэфирные и эпоксидные полимеры. Выпускают три разновидности
стеклопластиков: на основе ориентированных волокон, рубленых
волокон и тканей или матов.Стеклопластики с ориентированными волокнами (типа СВАМ —
стекловолокнистого анизотропного материала) обладают большей .,
прочностью (при растяжении до 1000 МПа), легкостью (их плот¬
ность 1,8—2 г/см3), что в сочетании с химической стойкостью дела¬
ет их эффективным материалом для строительных конструкций,
емкостей и труб.374Стеклопластики с рубленым стеклянным волокном изготовляют
в виде волнистых или плоских листов на полиэфирном связую¬
щем, обладающем светопрозрачностью. Эти изделия применяют для
устройства кровель, ограждений балконов, лоджий и перегоро¬
док.Стеклопластики, изготовляемые на основе стеклянной ткани
(стеклотекстолиты), получают горячим прессованием полотнищ
ткани, пропитанной термореактивным полимером, при высоком дав¬
лении и температуре. Стеклотекстолит идет для наружных слоев
трехслойных стеновых панелей (внутренний слой панели из тепло¬
изоляционного материала). Этот же материал применяют для уст¬
ройства оболочек и других строительных конструкций.Стеклопластики получают также прессованием пастообразной
массы из полиэфирного полимера, стекловолокна, асбеста и порош¬
кообразного наполнителя. Из этого материала формуют оконные
и дверные блоки, фурнитуру, санитарно-технические изделия.Древесностружечные плиты изготовляют путем горячего прес¬
сования специально приготовленных древесных стружек с термо¬
реактивными жидкими полимерами (карбамидными или феноло-
формальдегидными). Расход полимера составляет 8—12% (по мас¬
се). Стружку получают на специальных стружечных станках,
используя сырье в виде отходов деревообработки, фанерного и ме¬
бельного производства, а также неделовую древесину. Средний
слой трехслойных плит состоит из относительно толстых стружек
(толщина до 1 мм), наружные слои выполняются из тонких стру¬
жек (толщиной до 0,2 мм), которые повышают прочность изделий.
В качестве декоративной отделки, защищающей плиты от увлажне¬
ния и истирания, применяют полимерные пленочные материалы,
бумагу, пропитанную смолами. Нередко поверхность плит (предва¬
рительно отшлифованную) покрывают водостойкими фенольными
или эпоксидными лаками.Выпускают древесностружечные плиты различной объемной
массой: очень высокой 0,81—1,0, высокой 0,66—0,8, средней 0,51 —
0,65, малой 0,36—0,5, очень малой 0,35 г/см3. Плиты средней и вы¬
сокой объемной массы применяют как конструкционный и отделоч¬
ный материал. Плиты малой объемной массы служат тепло- и зву¬
коизоляционным материалом. Для придания плитам биостойкости
в полимерно-стружечную массу добавляют антисептики (фтори¬
стый и кремнефтористый натрий, буру и др.). В качестве антипире¬
нов используют добавку сульфата аммония и диаммонийфосфат.
С целью уменьшения набухания плит во влажном воздухе в исход¬
ную массу вводят гидрофобизующие вещества (парафиновую
эмульсию, раствор кремнийорганического полимера и др.). Разме¬
ры плит: длина — 1800—3500 мм, Ширина— 1220—1750 мм, толщи¬
на — 4—100 мм.Древесноволокнистые плиты изготовляют путем горячего прес¬
сования волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, во¬
ды, наполнителей, полимера и специальных дрб^рок (антисептиков,
антипиренов, гидрофобизующих веществ). ДрёВбСныё волокна по-375
лучают из отходов деревообрабатывающих производств и недело¬
вой древесины. Древесину на рубильных машинах перерабатывают
в щепу, которую проваривают в 1—2%-ном растворе едкого натра
для нейтрализации смолистых и сахаристых веществ. Затем щепу
размельчают в дефибраторах и других машинах до состояния тон¬
ких волокон. После дополнительной обработки паром (при темпе¬
ратуре 150°С и давлении 0,6—1 МПа) волокна смешивают с водой
и указанными добавками. При изготовлении сверхтвердых плит в
смесь вводят феноло-формальдегидный полимер. Приготовленная
масса передается на отливочную машину, имеющую бесконечную
металлическую сетку и вакуумную установку. Здесь масса обезво¬
живается, уплотняется, разрезается на плиты, которые и направля¬
ются в роликовую сушилку, если формуются высокопористые
изоляционные плиты. Для получения твердых плит необходимо
прессование массы, которое осуществляется на гидравлических
многоэтажных прессах при температуре 150—165°С под давлением1—5 МПа. Горячее прессование ускоряет отверждение термореак¬
тивного полимерного связующего; изменяя давление прессования,
можно получить плиты разной объемной массы и с различными фи¬
зико-механическими свойствами.Выпускают плиты пяти видов: 1) сверхтвердые объемной мас¬
сой y^950 кг/м3 с пределом прочности при изгибе 7?Иэ^50 МПа;2) твердые v^850 кг/м3, э^40 МПа; 3) полутвердые
Y^400 кг/м3, 7?из^15 МПа; 4) изоляционно-отделочные у=250—
350 кг/м3, 7?из^2 МПа; 5) изоляционные v Д° 250 кг/м3,
Лиз>1,2 МПа.Плиты имеют длину 1200—3600 мм и ширину 1000—1800 мм.
Твердые плиты имеют толщину 3—8 мм, а изоляционные 8—25 мм.Твердые плиты применяют для устройства перегородок, подшив¬
ки потолков, настилки полов, для изготовления дверных полотен
и встроенной мебели.Отделочные плиты облицовывают синтетической пленкой с про¬
кладкой текстурной бумаги под цвет и текстуру древесины ценных
пород. Их также выпускают с матовой поверхностью, окрашенными
водоэмульсионными поливинилацетатными красками. Такие плиты
служат облицовкой стен и потолков. Плиты, окрашенные эмалями,
имеют глянцевую поверхность и они более водостойки. Эти плиты
применяют для облицовки стен в медицинских учреждениях, про¬
дуктовых магазинах и т. п.Крупноразмерность, красивый внешний вид и невысокая стои¬
мость предопределяют высокую технико-экономическую эффектив¬
ность плит.Изоляционные древесноволокнистые плиты находят широкое
применение в виде тепло- и звукоизоляционного материала. Произ¬
водство древесноволокнистых и древесностружечных плит быстро
увеличивается, чему способствуют обширные ресурсы разнообраз¬
ного органического сырья в виде отходов деревообработки, бумаж¬
ной макулатуры, неделовой древесины; сырьем могут служить так*
же стебли тростника, солома, льняная костра и т. п.376§ 3. ФанераФанера представляет собой листовой материал, скленный из
трех и более слоев лущеного шпона. Наружные слои шпона в фа¬
нере называют «рубашками», а внутренние — «серединками». Лице¬
вая «рубашка» имеет меньше пороков древесины (сучков и др.) и
дефектов обработки, чем оборотная «рубашка» и «серединки». При
нечетном числе слоев шпона уменьшается коробление фанеры.
Обычно фанеру склеивают из листов шпона, расположенных так,
чтобы волокна смежных листов шпона были взаимно перпенди¬
кулярны. Однако в диагональной фанере волокна «рубашек» на¬
правлены под углом 45° к волокнам «серединок». Выпускают так¬
же фанеру с направлением волокон шпона в соседних слоях подуглом 30 или 60°.Лущеный шпон. Короткие (до 2 м) бревна — «чураки» пропари¬
вают или выдерживают в бассейнах с горячей водой, чтобы придать
древесине пластичность. Затем на лущфгьных станках с поверхнос¬
ти чурака, вращающегося вокруг своей оси, снимается тонкая не¬
прерывная стружка — шпон; строганый шпон применяют только
для производства декоративной фанеры. Клееную фанеру изготов¬
ляют из березы, бука, ольхи, клена, ясеня, дуба, сосны, ели, кедра,
лиственницы.Пакеты шпона, набранные по заданной схеме из определенным
образом промазанных клеем листов, поступают в гидравлический
пресс, плиты которого обогреваются паром. Отверждение полимер¬
ного клея происходит при температуре 120—160°С и удельном дав¬
лении прессования 1,4—2,0 МПа в течение 20—30 мин.В зависимости от вида примененного клея и его водостойкости
различают фанеру повышенной водостойкости (марка ФСФ на фе-
ноло-формальдегидном клее), средней водостойкости (марки ФК и
и ФБА соответственно на карбамидном и альбумино-казеиновом
клеях) и ограниченной водостойкости (марки ФБ на казеиновом
клее).Бакелизированную фанеру получают из березового лущеного
шпона, пропитанного и склеенного феноло-формальдегидными по¬
лимерами. В зависимости от примененного пропиточного и склеи¬
вающего состава выпускают: 1) бакелизированную фанеру, скле¬
енную и пропитанную спиртовым раствором полимера (ФБС),2) фанеру, у которой «серединки» склеены водным раствором по¬
лимера, а «рубашки» пропитаны и склеены спиртовым раствором
полимера (ФБСВ); 3) фанеру, изготовленную на водорастворимом
полимере (ФБВ). Толщина бакелизированной фанеры 5—18 мм.
Обращают на себя внимание высокие конструктивные качества
бакелизированной фанеры: ее предел прочности при растяжении
60—80 МПа, при этом она почти так же легка, как и древесина.Декоративную клееную фанеру изготовляют из березового,
ольхового или липового шпона и облицовывают с одной, или двух
сторон строганым шпоном из ценных пород дерева (дуба, груши
и т. п.) с красивой текстурой, либо полимерными пленками.377
Фанерные плиты представляют собой многослойные изделия из
шпона, склеенного полимерными клеями; их толщина 8—30 мм и
35—78 мм.Столярные плиты — это реечные щиты, оклеенные с обеих сторон
березовым или другим шпоном. Толщина плит 16—50 мм. Их при¬
меняют для дверей, перегородок и встроенной мебели.Древеснослоистые пластики — это листы или плиты, изготовлен¬
ные из лущеного шпона, пропитанного и склеенного резольным фе-
ноло-формальдегидным полимером. Отличаются от фанеры боль¬
шей объемной массой (1,25—1,33 г/см3) и обладают высокими
механическими свойствами: предел прочности при растяжении
вдоль волокон «рубашки» 140—260 МПа, при изгибе 150—280 МПа,
удельная ударная вязкость 3—8 МПа. Эти пластики стойки к дей¬
ствию масел, растворителей, моющих средств. Применяют в строи¬
тельных конструкциях, от которых требуется химическая стойкость,
немагнитность, высокое сопротивление истиранию.§ 4. Декоративно-облицовочные изделияИзделия из полимерных материалов в виде крупноразмерных
листов, декоративных пленок и плиток позволяют исключить ошту¬
катуривание, окраску и другие «мокрые» процессы внутренней от¬
делки. Это не только ускоряет отделочные работы, но и значительно
снижает их трудоемкость и стоимость.Рулонные отделочные материалы изготовляют однослойные и
многослойные, без подосновы и на бумажной, картонной, тканевой
подоснове. Для изготовления рулонных отделочных материалов
применяют поливинилхлорид, глифталевый полимер, полиметилме-
такрилат, пленки, армированные волокнами.Декоративные беэосновные самоклеящиеся поливинилхлорид¬
ные пленки приготовляют из пасты, содержащей кроме полимера
пигмент, пластификатор, стабилизатор и другие добавки. Рисунок
на пленке печатают на многокрасочной машине глубокой печати
специальными красками. Рисунок воспроизводит древесину, камень,
ткани и т. п. Пленки стойки к моющим средствам, растворам ще¬
лочей и разбавленных кислот. Они атмосферо- и морозостойки.Декоративные поливинилхлоридные панели («полидекор») с
текстурой, имитирующей различные древесные породы, представ¬
ляют собой материал, используемый для отделки стен, потолков.Линкруст состоит из бумажной подосновы, покрытой слоем па¬
сты, состоящей из глифталевого полимера (связующее), олифы,
парафина и наполнителей (древесной муки, сепарированного мела).
Для наклейки линкруста применяют казеиновый клей или мастики
(кумароновую, канифольную).Моющиеся влагостойкие обои — рулонный отделочный материал
на бумажной основе, которая покрыта тонким слоем водной дис¬
персии поливинилацетата, поливинилхлорида, полиметилметакри-
лата или кремнийорганического полимера. Обои с рифленой по¬
верхностью выпускают с имитацией под штукатурку, древесину,378ткань и т. п. Ширина обоев 500—750 мм, длина 7—12 м. Достоинст¬
вом обоев, покрытых дисперсиями полимеров, является воздухо¬
проницаемость. Эти обои можно протирать влажной тряпкой и
мыть с мылом. Наклеивают их так же, как и обычные бумажныеобои.Облицовочные полистирольные плитки — тонкие квадратной или
прямоугольной формы с гладкой наружной и рифленой тыльной
поверхностью. Плитки изготовляют методом литья под давлением
на литьевых автоматических машинах. Полимерная композиция
включает кроме полимера еще наполнитель (тальк, каолин), пиг¬
мент, а иногда и модифицирующие добавки. Толщина плиток —
1,25—1,5 мм, поэтому масса 1 м2 плиток составляет лишь 1,5—
1,7 кг. К поверхности стен плитки приклеивают полимерными или
каучуковыми мастиками. Плитки имеют красивые расцветки, ги¬
гиеничны, водо- и химически стойки. Плитки применяют для обли¬
цовки стен санузлов и торговых помещений. Однако полистироль¬
ные плитки горючи, поэтому их нельзя использовать возле откры¬
того огня (например, около газовых плит).Отделочные полистирольные панели («полиформ») изготовляют
из ударопрочного полистирола с добавлением вспенивающего ком¬
понента толщиной 8—10 мм. Панели крепят при помощи шурупов и
гвоздей, используют для внутренней облицовки потолков, стен, а
также для устройства передвижных перегородок и элементов ин¬
терьера.Бумажнослоистые пластики изготовляют из нескольких слоев
специальной бумаги, пропитанных феноло-формальдегидным или
карбамидным полимером. Пластик выпускают в виде листов дли¬
ной 1000—3000 мм, шириной 600—1600 мм, толщиной 1—5 мм. Бу¬
мажнослоистые пластики разнообразны по цвету и рисунку, хоро¬
шо обрабатываются, — их можно пилить, сверлить, фрезеровать.
Пластик толщиной до 1,6 мм крепят битумно-каучуковыми и дру¬
гими мастиками, эпоксидными и резорцино-формальдегидными
клеями. Более толстые листы пластика крепят механическим спо¬
собом.§ 5. Материалы для половВ табл. 50 даны сравнительные показатели полов из древесиныи синтетических материалов.Паркетные и дощатые полы требуют много древесного сырья,
они дороги и трудоемки. Поэтому полы в жилых зданиях выпол¬
няют в основном из синтетических материалов.Линолеум выпускают безосновный и на теплозвукоизоляционной
основе (тканевой, войлочной, вспененной). Независимо от основы
динолеум может состоять из двух или большего количества слоев.
Верхний лицевой полимерный слой содержит меньше наполнителей,
более стоек к истиранию, эластичен и декоративно оформлен. По¬
следующий слой более жесткий, содержит меньше полимера и боль¬
ше наполнителей, чем лицевой слой. Наполнителями служат тон¬
кие минеральные порошки (мел, тальк и др.).
Таблица 50Сравнительные показатели устройства 1 м3 пола
(по В. М. Хрулеву)Материал полаСебестои¬
мость, руб.Трудовыезатраты,чел-днПриведенные
затраты, руб.Эксплуатаци¬
онные затра¬
ты, руб/годПаркетДощатые полы
Безоснбвный поливинил¬
хлоридный линолеум
ПВХ-линолеум на тепло-
звукоизоляционной основе7,004,653,703,600,510,490,220,129,907,806,505,700,190,260,240,21Линолеум на тканевой основе получают путем нанесения пасты,
содержащей полимер, пластификатор, наполнитель, краситель и
другие добавки, на джутовую или иную ткань. Затем ткань со сло¬
ем нанесенной пасты проходит через термокамеру, в которой про¬
исходит полимеризация и превращение пасты в упругий и эластич¬
ный материал. Войлочную основу линолеума пропитывают анти¬
септиками для придания биостойкости.Линолеум-релин (резиновый линолеум) состоит из двух слоев —
нижнего (подкладочного), изготовленного из бывшей в употребле¬
нии дробленой резины с битумом, и верхнего (лицевого) — из
смеси синтетического каучука (резины) с наполнителем и пиг¬
ментом.Двухслойный линолеум выпускают и другого типа: лицевым
слоем служит обычный линолеум, а подкладочным — ячеистая
(вспененная) пластмасса, придающая покрытию пола высокие теп¬
ло- и звукоизоляционные свойства.Около половины общего выпуска рулонных полимерных мате¬
риалов для пола приходится на долю поливинилхлоридного лино¬
леума. Чистые полы из этого линолеума гигиеничны, биостойки и
огнестойки. Низкая себестоимость и незначительные эксплуатаци¬
онные расходы являются их преимуществом перед паркетными и до¬
щатыми полами (табл. 50). Выпускается также глифталевый
(алкидный) и коллоксилиновый (нитроцеллюлозный) линолеумы
коричневого и красного цветов. Из-за повышенной возгораемости
коллоксилиновый линолеум не применяют в детских учреждениях,
театрах и т. п.Линолеум изготовляют с гладкой и рельефной поверхностью,
придавая ей разные цвета и рисунок. Длина рулонов 12 м, ширина
1,4—1,6 м, толщина 2—4 мм. Укладывают линолеум по ровному
основанию, наклеивают с использованием горячих и холодных
мастик.Ковровые синтетические материалы для пола имеют основу из
полиуретана (или другого полимера), а для верха ковра применяют
380синтетические волокна, из которых изготовляют тканые и нетканые
покрытия. Например, ворсолин состоит из двух слоев: основой его
служит поливинилхлоридная пленка, а покрытие выполнено из вор¬
совой пряжн.Для устройства чистых полов могут применяться водостойкие
сверхтвердые древесностружечные плиты с объемной массой не ме¬
нее 950 кг/м3, имеющие высокую прочность при изгибе (не ниже
50 МПа). Однако при сборке пола даже из крупноразмерных листов
все же получаются швы. Но из полимерных материалов можно
устраивать чистые монолитные полы, вовсе не имеющие швов. Для
этой цели применяют мастики, состоящие из связующего поли¬
мерного вещества, наполнителей, специальных добавок и краси¬
телей.Бесшовные полы устраивают, применяя состав на основе водо¬
разбавляемой поливинилацетатной эмульсии. Водную дисперсию
полимера, воду, наполнитель (молотый песок, зола и т. п.), пигмент
(охра, крон, редоксайд) загружают в растворомешалку. Получен¬
ную после 4—5 мин перемешивания однородную мастику наносят
на подготовленное основание пистолетом-распылителем в 2—3 слоя,
причем каждый последующий слой наносят после высыхания пре¬
дыдущего.Полиэфирные составы для бесшовных полов приготовляют, ис¬
пользуя перекисные инициаторы и наполнители в виде стеклянного
волокна, белой сажи и др. Благодаря химической стойкости, сопро¬
тивлению ударам и истиранию полимерные полы применяют, в пер¬
вую очередь, в зданиях с химически агрессивными средами. Однако
полиэфирные полы недостаточно водостойки.Полимербетонные полы толщиной ,20—50 мм не только химиче¬
ски стойки, но и способны выдержать тяжелые нагрузки, возникаю¬
щие при работе внутрицехового транспорта. Полимерным связую¬
щим в бетоне являются феноло-формальдегидные, фурановые,
эпоксидные или полиэфирные смолы с модификаторами, пластифи¬
каторами, отвердителями, стабилизаторами и другими добавками.
В состав бетонной смеси помимо связующего входят порошкообраз¬
ный наполнитель и заполнители (песок, щебень или гравий). По-
лимербетонную смесь укладывают на хорошо подготовленное осно¬
вание и уплотняют выброрейками или катками, потом поверхностьпола заглаживают.Лолимерцементные составы имеют в качестве связующей осно¬
вы каучуковые латексы и портландцемент (реже глиноземистый
цемент). Заполнителем служит песок с зернами до 3 мм. Кроме
латексов для полимерцементных составов применяют поливинил-ацетатную эмульсию.Плитки для пола размером 300X300, 200X200 и 150x150 мм
изготовляют из поливинилхлорида, инденкумаронового полимера
или резины. Износостойкие и химически стойкие плитки получают
также из фенолоальдегидных прессовочных порошков, состоящих
из полимера, наполнителя и добавок.381
Глава 67ТРУБЫ, САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ
И ПОГОНАЖНЫЕ ИЗДЕЛИЯ, СИНТЕТИЧЕСКИЕ КЛЕИ
§ 1. ТрубыТермопластичные трубы получают из поливинилхлорида, поли¬
этилена и полипропилена экструзионным способом, прессованием,
сваркой или склеиванием из листовых заготовок. Например, трубы
из органического стекла получают непрерывным свертыванием
листов-заготовок с одновременной сваркой шва. Пластмассовые
трубы легки (в 3—6 раз легче стальных), обладают высокой корро¬
зионной стойкостью. Благодаря низкому коэффициенту трения
внутренней поверхности пропускная способность труб увеличивает¬
ся на 30—40% (по сравнению с железобетонными или стальными).
Трубы легко резать, сверлить, сваривать..Их используют при сооружении канализационных и водопровод¬
ных сетей, вентиляционных сетей, вентиляционных систем. Про¬
зрачные трубы из органического стекла не имеют запаха, гигиенич¬
ны, наибольшее применение находят в парфюмерном производстве
и медицинской промышленности.Стеклопластиковые трубы изготовляют из полиэфирных поли¬
меров, стекложгута, стеклоткани центробежным методом, намоткой
на сердечник пропитанной стеклоткани и стеклолент. Стеклоплас¬
тиковые трубы значительно прочнее других полимерных труб, они
выдерживают рабочие температуры до 150°С. Применяют их в ос¬
новном при строительстве химических предприятий и в нефтяной
промышленности.§ 2. Санитарно-технические и погонажные изделияДля получения санитарно-технических изделий применяют по-
лиметилметакрилат, ударопрочный полистирол, полипропилен, по¬
лиамиды, стеклопластики. Из пластмасс изготовляют ванны, мойки,
сифоны, смывные бачки, детали вентиляторов, отдельные детали в
кранах-смесителях и т. д. Все эти изделия отличаются малой мас¬
сой (пластмассовая ванна примерно в 10 раз легче эмалированной),
коррозионной стойкостью. Изделия из пластмасс обходятся дешев¬
ле фаянсовых и чугунных.Цветные длинномерные элементы для отделки зданий, называе¬
мые погонажными изделиями, — плинтусы, поручни лестничных
перил, наличники, нащельники, защитные уголки для лестничных
перил, проступи и т. п. изготовляют на основе поливинилхлорида,
полиэтилена, полистирола, органического стекла. Такие профильно¬
погонажные изделия имеют гладкую поверхность, окрашиваются в
различные цвета. Изделия долговечны и обходятся не дороже де¬
ревянных.382§ 3. Синтетические клеиКлеи из синтетических материалов обладают высокой клеящей
способностью и водостойкостью, они не загнивают. Разработаны
универсальные составы, которые в отличие от природных клеев хо¬
рошо склеивают различные материалы: древесину, пластмассы, ме¬
таллы, керамику, стекло, природные камни. Синтетические клеи да¬
ют возможность просто и быстро осуществлять сборку строительных
элементов. При этом прочность, например, клееных деревянных кон¬
струкций выше прочности конструкций, скрепляемых на гвоздях,
болтах или при помощи врубок.Рис. 160. Монтаж предварительно напряженных железобетонных кон¬
струкций моста с клеевыми соединениями на эпоксидном составеПрименение синтетических клеев способствовало развитию про¬
изводства индустриальных деревянных клееных конструкций. Ис¬
пользуют синтетические клеи и для склеивания бетонных элементов.
Синтетические клеи применяют в виде жидкостей, порошков и
пленок.Клеи изготовляют из синтетических смол, каучуков и производ¬
ных целлюлозы. Для регулирования свойств в клеи вводят раство¬
рители, наполнители, пластификаторы и отвердители. Применяют
клеи горячего и холодного отверждения, широко распространенные
в строительстве (рис. 160).Глава 68
ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ, КРОВЕЛЬНЫЕ
И ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. Гидроизоляционные материалыГидроизоляционные пленочные материалы изготовляют из поли¬
винилхлорида, полиэтилена; ацетилцеллюлозы, синтетического кау¬
чука и других полимеров. Толщина пленочных материалов зависит383
от их назначения: для ус¬
тройства противофнльтра-
ционных завес используют
полиэтиленовую пленку
толщиной 0,2 мм; гидро¬
изоляцию тоннелей и дру¬
гих сооружений против
действия агрессивных вод
выполняют из огнестойкой
поливинилхлоридной или
полиэтиленовой пленок
толщиной 1,5—2 мм. Пле¬
нку выпускают в виде ру¬
лонов с прочностью при
растяжении 15—17,5 МПа.
Она обладает стойкостью
против действия природ¬
ных вод, нейтральных со¬
левых, щелочных и кис¬
лотных растворов с содер¬
жанием этих веществдо 5%.На рис. 161 схематиче¬
ски показан вариант уст¬
ройства гидроизоляции
тоннеля. На основу в оп¬
ределенных точках при¬
крепляют ленточки из
пленки (или «подтяжки»),
которые затем горячим
воздухом приваривают к
пленочному полотну. Пос¬
ле этого сваривают вна¬
хлестку кромки полотен.
Разработан бестраншей¬
ный способ устройства
вертикальных пленочных
противофильтрационных
завес на оросительных ка¬
налах, дамбах (рис. 162).Пленочные материалы используют также в конструкциях плоских
крыш.Рис. 161. Схема устройства пленочной
гидроизоляции тоннеляА-Аilililil.i.iiiii'1'iiiililili
ёВз-Рис. 162. Схема устройства экрана:1 — тягач; 2— рабочий орган (шнек-кассета); 3 —
дамба (валик); 4 — пленочный вкран; 5 — разрыхлен’
ный грунт; 6 — путь фнльтрацнн; 7 — стык двух по¬
лотнищ пленки§ 2. Кровельные материалыВолнистые и плоские кровельные листы изготовляют из стекло¬
пластиков на полиэфирных полимерах. Толщина листов 0,8—
1,5 мм, предел прочности при растяжении 220—230 МПа, а при из¬
гибе— 350—400 МПа. Кровля из стеклопластиков легка, прочна,384красива и прозрачна, пропускает много естественного света, одна¬
ко следует учитывать ее горючесть.Рулонные материалы из пластмасс имеют толщину 1,2—2,5 мм,
их основой служит крафт-бумага или кровельный картон (как при
изготовлении рубероида), а также хлопчатобумажная или стеклян¬
ная ткань.§ 3. Герметизирующие материалыГерметизирующие материалы (герметики) применяют для уп¬
лотнения швов между элементами сборных конструкций (панелями
и блоками наружных стен и т. п.). Они должны обеспечить эластич¬
ность, необходимую для восприятия темпе¬
ратурных и усадочных деформаций, и не до¬
пускать проникания влаги через швы.В настоящее время для заполнения и
уплотнения швов служат герметизирующие
мастики (нетвердеющие и твердеющие) и
эластичные уплотняющие прокладки.Герметизирующую мастику наносят в
пластичном состоянии специальным инстру¬
ментом (рис. 163), который может иметь
сменные наконечники, приспособленные к
конфигурации шва. Поэтому мастика хоро¬
шо заполняет не только сам шов, но и места
пересечений вертикальных и горизонталь¬
ных швов, являющиеся уязвимым местом
сборной конструкции. Мастика хорошо при¬
липает к бетону и сохраняет адгезию к бетону при положительных
и отрицательных температурах; она не должна сползать или стекать
при повышении температуры (до 60°С). Широко применяют масти¬
ки на основе полисульфидных каучуков — тиоколов и резинобитум¬
ного вяжущего.Тиоколовые мастики приготовляют перед началом работ путем
тщательного смешения тиоколовой пасты, вулканизирующей до¬
бавки, ускорителя вулканизации и разжижителя. В результате
процесса вулканизации смесь отверждается непосредственно в шве
и получается эластичный, резиноподобный уплотнитель черного
цвета.-Нетвердеющую мастику изготовляют из полиизобутилена, мяг-
чителя (нейтрального масла) и тонкодисперсного минерального на¬
полнителя— мела, известняка или другого порошкообразного ма¬
териала. Для нагнетания мастики применяют шприц со сменными
патронами. Сменные патроны могут быть металлическими и кар¬
тонными, иногда их изготовляют из стеклопластиковых труб. Тер¬
мошкаф для подогрева патронов оборудован электронагревате¬
лями.Мастика изол представляет собой сложную смесь, составленную
из резиновой крошки (полученной измельчением отработанной ре-Рис. 163. Нанесение гер¬
метизирующей мастики
пневматическим шприцем13-664385
зины), битума, кумароновой смолы, волокнистого наполнителя
(асбеста) и антисептика (антраценового масла). Эту мастику при~
меняют как в горячем состоянии (подогретой до температуры 80—
100°С), так и в холодном виде — с добавкой растворителя (бензи¬
на, лигроина, зеленого масла и т. п.). Холодная мастика изол ис¬
пользуется для обмазки и приклейки пороизола.Эластичные прокладки выпускают в виде иористых или плотных
жгутов на основе резины, полиуретана, синтетических каучуков.Пороизол — эластичные пористые жгуты, изготовляемые из крош¬
ки отработанной резины, мягчителя, порообразователя и антисеп¬
тика. Применяют для герметизации вертикальных и горизонталь-,
ных швов панелей наружных стен, а также для герметизации зазо-,
ров между оконными коробками и примыкающими к ним панелями.
Пороизол выпускают в виде полос прямоугольного сечения раз¬
мером 30X40 и 40X40 мм или жгутов диаметром 10—60 мм.Гврнит—пористая эластичная прокладка в виде жгута с водо¬
непроницаемой пленкой на поверхности. Его изготовляют на основе
негорючего полихлорпренового каучука, хорошо сопротивляющего¬
ся атмосферным воздействиям. Прокладки из гернита выпускают
длиной 3 м и диаметром 20, 40 и 60 мм. Плотная наружная оболоч¬
ка обеспечивает водонепроницаемость гернита: его водопоглоще-
ние за 48 ч не превышает 0,4%. Гернит более долговечен, чем по¬
роизол, к тому же он обладает и большим относительным удлине¬
нием.Для герметизации швов применяют прокладки сплошного и по-,
логого сечения. Внутри полой прокладки можно создать вакуум; та¬
кую прокладку устанавливают в шов, конец ее обрезают, и воздух/
заполняя полость прокладки, плотно прижимает ее стенки к кром-;
кам панели, что обеспечивает хорошую герметизацию шва. Необхо-,
дим постоянный контроль за операциями подготовки швов к герме¬
тизации и за качеством самой герметизации. Кромки панелей в ме¬
стах укладки герметики должны быть очищены от раствора и
загрязнений, нужно проверять степень обжатая упругих прокладок
(гернита, пороизола и т. п.) в швах по всей длине прокладок, а
также плотность приклеивания прокладок к бетонным кромкам па¬
нелей.При герметизации стыков следует тщательно соблюдать прави¬
ла охраны труда. При использовании мастик с горячими компонен¬
тами (растворителями и др.) предусматривают меры пожарной
безопасности: при приготовлении мастик и в местах, где ведутся
работы, нельзя курить и пользоваться открытым огнем. Руки защи¬
щают резиновыми перчатками и специальной мыльной пастой, ко¬
торую наносят до начала работ.РАЗДЕЛ XIVЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫГлава 69
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯЛакокрасочными материалами называют вязкожидкие составы,
наносимые на поверхность конструкции тонким слоем, который че¬
рез несколько часов отвердевает и образует пленку, прочно сцеп¬
ляющуюся с основанием. Схема лакокрасочного покрытия показа¬
на на рис. 164.К лакокрасочным материалам относят: 1) грунтовки и шпаклев¬
ки, служащие для подготовки поверхности к окраске; нанося их,
получают однородные и ровные поверхности; 2) красочные соста¬
вы (краски), применяемые в вязкожидком или пастообразном виде,
образующие покрытие нужного цвета; 3) связующие вещества и
пигменты, из которых изготовляют красочные составы; 4) лаки,
создающие пленку, отличающуюся блеском; 5) растворители и раз-
жижители лаков и красок; 6) пластификаторы, отвердители поли¬
мерных красок и другие специальные добавки.Лакокрасочные -материалы применяют для архитектурной от¬
делки фасадов зданий, они придают помещениям красивый вид,
создают в них необходимые санитарно-гигиенические условия. Не¬
редко лакокрасочные материалы помогают предохранить материал
конструкции от разрушительных воздействий среды. Отделочный
слой фасада здания первый встречает действие дождя, ветра, аг¬
рессивных газов, содержащихся в воздухе, изменения температуры
среды. Придавая лакокрасочному покрытию водоотталкивающие
свойства и эластичность, можно значительно увеличить срок безре¬
монтной службы самой отделки, повысить долговечность конструк¬
ции и улучшить эксплуатационные качества зданий. Все шире при¬
меняют лакокрасочные материалы специального назначения. Одни
из них являются химически
стойкими, ими покрывают
- металлические и железобе¬
тонные конструкции для пре¬
дохранения от коррозии, дру¬
гие необходимы для защиты
древесины (антисептические
и огнезащитные краски для
дерева). Имеются жароупор¬
ные лаки, которыми окраши¬
вают промышленное обору¬
дование. Санитарно-техни-Рис. 164. Схема лакокрасочного покрытия:i — основа (бетон); 2 — раковины, заполненные
цементным раствором; 3 — грунтовка; 4 —шпак¬
левка; 5 — слои красочного состава (два и бо¬
лее); 6 — слой лака (бесцветного)13»387
ческое оборудование, металлические трубопроводы тоже нуждаются
в защитной окраске.Лакокрасочная промышленность выпускает в основном готовые
материалы, перед их употреблением добавляют лишь растворители
или разбавители.Сборные конструкции и детали должны поступать с заводов на
строительство с полной готовностью, т. е. в окончательно отделан¬
ном виде. Для этого на заводах сборных строительных конструк¬
ций предусматривается конвейерная линия отделки элементов.Глава 70
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КРАСОЧНОГО СОСТАВА
§ 1. Связующие (пленкообразующие) веществаСвязующими веществами в красочных составах служат следую¬
щие материалы: полимеры— в полимерных красках, лаках, эма¬
лях; каучуки — в каучуковых красках; производные целлюлозы —
в нитролаках; олифы — в масляных красках; клеи — животный и
казеиновый — в клеевых красках; неорганические вяжущие веще¬
ства — в цементных, известковых, силикатных красках.Полимеры применяют в красках и лаках вместе с растворите¬
лем, а также в сочетании с олифой или цементом (полимерцемент-
ные красочные составы).Применение синтетических полимеров значительно сократило
расход растительных масел на приготовление строительных красок
и дало возможность выпускать новые виды долговечных и эконо¬
мичных красочных составов. Хотя некоторые полимерные краски и
лаки еще дороги, все же стоимость окраски 1 м2 поверхности поли¬
мерными составами, отнесенная к 1 году эксплуатации, часто бы¬
вает ниже стоимости отделки другими строительными красками
(известковыми и др.). Широкое применение полимерных лаков и
эмалей привело к почти полному отказу от импорта дорогих при¬
родных смол (шеллака, копалла, даммара), ввозимых из Индии
и других стран. Прежде же основным сырьем лакокрасочной
промышленности являлись природные смолы и растительные
масла.Связующее вещество является главным компонентом красочно¬
го состава, который определяет консистенцию краски, прочность,
твердость и долговечность образующейся пленки. Связующее выби¬
рают, учитывая и прочность его сцепления (адгезию) с основанием
после отвердевания. Защитные свойства лакокрасочного покрытия
по отношению к металлу, бетону или другому материалу зависят
как от связующего, так и от примененного пигмента. Например,
алюминиевый пигмент замедляет коррозию стали, в то время как
малярная сажа ее ускоряет.388§ 2. ПигментыПигменты представляют собой тонкие цветные порошки, не рас¬
творимые в связующем веществе и растворителе. От них зависит
не только цвет, но и долговечность лакокрасочного покрытия. По¬
добно заполнителю в строительных растворах и бетонах, пигмент
уменьшает усадочные деформации пленки при ее твердении («вы¬
сыхании») и при колебаниях влажности окружающей среды. Ис¬
кусственные пигменты с большой красящей способностью разбав¬
ляют белым тонкодисперсным наполнителем, что удешевляет кра¬
сочный состав. Наполнителями служат мел, молотый известняк или
гипс, порошки сернокислого бария или талька, не снижающие ат-
мосферостойкоСти покры'гия.Неорганические пигменты почти полностью состоят из окислов
и солей металлов различного цвета.Красочные составы, выпускаемые заводами, а также приго¬
товляемые на месте строительных работ, содержат чаще всего не¬
органические пигменты.Органические пигменты — это сажа малярная, графит и синте¬
тические красящие вещества *, обладающие высокой красящей спо¬
собностью. К ним относятся: пигменты желтый и оранжевый све¬
топрочные, пигмент алый, пигмент голубой.Пигменты бывают природные (мел, охра, мумия, сурик желез¬
ный, киноварь) и искусственные. К искусственным пигментам, по¬
лучаемым путем химической переработки сырья, относят белила,
кроны, ультрамарин, лазурь малярную и др.Белые пигменты. К ним относят белила, мел, известь.Титановые белила представляют собой тонкий порошок двуоки¬
си титана ТЮг. Их считают лучшими из современных белил: они
светостойки, обладают хорошей кроющей способностью, не ядови¬
ты. Применяют для изготовления масляных, эмалевых и других
наружных и внутренних красок по металлу, дереву, штукатурке.Цинковые белила — в основном окись цинка ZnO — светостой¬
ки, не ядовиты, но так же, как и свинцовые белила, недостаточно
стойки к действию щелочей.Свинцовые белила — белый порошок основного углекислого
свинца 2РС03-РЬ(0Н)2. Применяют их редко вследствие токсич¬
ности. Темнеют при действии сероводорода, сернистого газа и дру¬
гих сернистых соединений. Поэтому свинцовые белила нельзя, на¬
пример, смешивать с ультрамарином.Литопоновые белила, состоящие из осажденных сернокислого
цинка и сернокислого бария, на свету желтеют. Поэтому их приме¬
няют в смеси с голубым пигментом для внутренних покрасок.Мел широко используют как пигмент и наполнитель для разбе-
ливания цветных пигментов. Чаще всего входит в состав клеевых
окрасок помещений, силикатных красок, побелок потолков.* Н. Н. Зинин создал в 1842 г. метод синтеза анилина и других продуктов,
на базе которых получено большинство органических красителей.389
Известь воздушную применяют главным образом для побелки
фасадов зданий.Алюминиевый пигмент имеет пластинчатую форму частиц, бла¬
годаря которой получают плотное красочное покрытие, имеющее
«панцирное» строение. Алюминиевая масляная окраска металличе¬
ских конструкций предохраняет их от коррозии, поскольку образу¬
ющаяся пленка водостойка, практически непроницаема для ультра¬
фиолетовых солнечных лучей и долговечна.Желтые пигменты — кроны и охры.Крон цинковый (хромовокислый цинк) применяют в основном
для антикоррозионных окрасок металлических покрытий.Кроны свинцовые (соединения хромовокислого и сернокислого
свинца) —это пигменты, имеющие цвет от лимонного до оранжево¬
го. Желтые кроны изменяют свой цвет под действием раствора ще¬
лочей (краснеют). Свинцовые кроны токсичны, работа с ними тре¬
бует соблюдения требований охраны труда.Охры, называемые иногда земляными красками, состоят из гид¬
рата окиси железа с примесью глины. Цвет охры может быть от
светло-желтого и золотистого до темно-желтого в зависимости от
содержания окиси железа и примесей. Прокаленная охра приобре¬
тает коричневый или красный цвета.Коричневые пигменты. Эта группа пигментов включает умбру и
ряд смешанных пигментов, получаемых из железного сурика и му¬
мии с добавкой измельченной перекиси марганца и окиси хрома.
Умбра, так же как и охра, относится к числу земляных красок.
Это тонкий порошок глины, окрашенный в природных условиях
Fe203, Мп02 и другими примесями в различные оттенки коричне¬
вого цвета.Зеленые пигменты — окись хрома, зелень цинковая и другие
смешанные пигменты.Окись хрома Сг203 обладает многими достоинствами: устойчива
к действию щелочей, кислот и повышенных температур. Для полу¬
чения зеленовато-синих оттенков добавляют ультрамарин.Зелень цинковую получают смешением кронов с малярной ла¬
зурью и наполнителем (BaSC^). Она устойчива к действию ще¬
лочей.Синие пигменты: ультрамарин и лазурь малярная.Ультрамарин получают сплавлением каолина с содой и серой
(или Na2S04 и углем). Наибольшее распространение нашел синий
ультрамарин, служащий пигментом в строительных красках, при¬
меняемый также для окраски бумаги и в быту («синька» использу¬
ется для подсинивания белья, льна). Состав ультрамарина прибли¬
женно выражается формулой Na4Al3Si3S20i2. Хотя он стоек к во¬
де, мылу и слабым щелочам, кислоты обесцвечивают ультра¬
марин, разлагая.его с выделением сероводорода и кремниевой кис¬
лоты.Лазурь малярная представляет собой интенсивно синюю соль
трехвалентного железа состава Fe4[Fe(CN6)]3. В воде и кислотах
лазурь практически нерастворима, но щелочи ее разлагают с выде¬390лением Fe(OH)3. Поэтому при нанесении на бетон или свежую шту¬
катурку эта краска теряет свой цвет.Красные пигменты. Из этой группы пигментов наиболее широко
применяют сурик железный, мумию, сурик свинцовый.Сурик железный — тонкий порошок окиси железа кирпично¬
красного цвета.Мумия искусственная — пигмент, имеющий различные оттенки
в зависимости от соотношения составных частей — окиси железа и
сернокислого кальция.Мумия природная — тонкий минеральный порошок, окрашенный
в естественных условиях окислами железа в красный цвет.Сурик свинцовый — порошок красно-оранжевого цвета, содер¬
жащий в основном перекись свинца РЬ0-РЬг03.Редоксайд — красный железоокисный пигмент, стойкий к ще¬
лочной среде.Черные и серые пигменты — сажа малярная, перекись марган¬
ца, тонкомолотый графит.Сажа малярная представляет порошок почти чистого углерода.
Пигменты, содержащие углерод в свободном состоянии (к ним от¬
носится сажа), образуют с железом гальваническую пару, уско¬
ряющую коррозию стали.Перекись марганца Мп02 (пиролюзит), получаемая из марган¬
цевой руды, свето- и щелочестойкий, сравнительно дешевый пиг¬
мент.Графит содержит 70—95% углерода, в измельченном виде при¬
меняется как серый пигмент.Основные свойства пигментов. Дисперсность пигмента влияет
на все его основные свойства. Чем мельче частицы пигмента, тем
выше его укрывистость и красящая способность (до достижения
оптимальной степени дисперсности). Полифракционный состав
пигмента позволяет получить плотное красочное покрытие при ми¬
нимальном расходе связующего вещества.Укрывистость характеризует расход красочного состава (по
массе) на единицу окрашиваемой поверхности.Красящая способность — это свойство пигмента передавать свой
цвет белому пигменту.Маслоемкость характеризуется количеством (в г) олифы, необ¬
ходимым для превращения 100 г пигмента в пастообразное состоя¬
ние.Светостойкость — свойство сохранять свой цвет при действии
ультрафиолетовых лучей. Большинство природных пигментов (ох¬
ра, сурик железный и др.)—светостойки. Литопоновые белила
желтеют на свету, некоторые органические пигменты обесцвечива¬
ются.Атмосферостойкость — свойство длительное время противосто¬
ять воздействию атмосферных факторов: воды, кислорода воздуха,
сернистых, и других газов, попеременному увлажнению и высыха¬
нию, замораживанию и оттаиванию.391
Химическая стойкость к действию щелочей и кислот. Ряд пиг¬
ментов изменяет свой цвет или обесцвечивается при соприкоснове¬
нии с щелочными растворами. Например, малярная лазурь в ще¬
лочной среде обесцвечивается, свинцовый желтый крон краснеет.
Подобные пигменты не применяют для изготовления красочных
составов, наносимых на поверхность свежего бетона или цементно-
известковой штукатурки. Щелочестойкими являются почти все при¬
родные пигменты (охры, мумия, умбра, перекись марганца), а также
многие искусственные пигменты (титановые белила, окись хрома,
органические пигменты «алый» и «оранжевый»).Для изготовления специальных кислотостойких красок приме¬
няют только кислотостойкие пигменты (графит, титановые белила,
окись хрома).Безвредность для здоровья работающих является важным тре¬
бованием к пигменту. Пигменты, содержащие соединения свинца
(свинцовые белила, крон и сурик свинцовые), токсичны и при их
применении необходимо соблюдать установленные правила охраны
труда.§ 3. Растворители и разбавителиРастворители применяют при изготовлении полимерных и кау¬
чуковых красок, лаков, эмалей и некоторых других красочных со¬
ставов. Способностью растворять полимеры, каучук и масла обла¬
дают большей частью углеводородные продукты: ацетон, скипидар,
бензол, лаковый керосин или уайт-спирит, сольвент-нафта, ком¬
бинированный растворитель Р-4.Разбавители не растворяют пленкообразующие вещества и слу¬
жат лишь для уменьшения вязкости красочного состава, т. е. их
добавляют для придания краске удобонаносимости. Роль разбави¬
теля выполняет олифа, добавляемая в густотертую масляную крас¬
ку, или вода, вводимая в водоэмульсионный красочный состав.Глава 71
ПОЛИМЕРНЫЕ КРАСОЧНЫЕ СОСТАВЫ
§ 1. Полимерные краскиПолимерная краска представляет собой суспензию пигмента в
растворе полимера или перхлорвиниловой смолы. К числу хорошо
зарекомендовавших себя фасадных красок принадлежат кремний¬
органические эмали (типа КО-174), перхлорвиниловая краска,
эпоксидно-полиамидная композиция. Вследствие высокой атмосфе-
ростойкости краски отделка фасада здания сохраняется 10—12 лет
и более, ее можно очищать от пыли, промывая водой. Кремний¬
органические покрытия непроницаемы для капельно-жидкой воды,392но пропускают водяной пар из помещения наружу. Такие покрытия
не препятствуют естественной вентиляции помещений, но в то же
время защищают наружные стены зданий от увлажнения. Поли¬
мерные краски широко применяют для отделки стеновых панелей
и блоков полной заводской готовности, а также для окраски и вос¬
становления фасадов построенных зданий. Затраты на отделку еди¬
ницы поверхности полимерными красками, отнесенные к одному
году эксплуатации, ниже по сравнению с другими красочными со¬
ставами.Каучуковые краски получают путем диспергирования хлоркау-
чука в летучем растворителе. Поскольку каучуковые краски хими¬
чески стойки и обладают высокой водостойкостью, то их применяют
для защиты от коррозии металлических и железобетонных кон¬
струкций. Положительным свойством хлоркаучуковых и кумароно-
каучуковых красок является высокая эластичность пленки, благо¬
даря чему защитное покрытие следует за деформациями конструк¬
ции и сохраняется без трещин.Эфироцеллюлозные краски представляют собой пигментирован¬
ные дисперсии нитро- или этилцеллюлозы в летучих растворителях.
Нитролаки часто применяют взамен масляных красок, причем эти
лаки высыхают значительно быстрее масляных красочных соста¬
вов.Как видно, полимерная краска содержит органический раство*
ритель в таком количестве (30—50% по массе), которое необходи¬
мо для придания составу малярной консистенции. После нанесения
Покрытия растворитель испаряется (улетучивается) и на окраши¬
ваемой поверхности образуется атмосферостойкая пленка. Диспер¬
сия полимера в летучем растворителе должна смачивать материал,
тогда она проникает в поры материала (бетона, кирпича и т. п.),
обеспечивая прочное сцепление образующейся пленки с основа¬
нием.Полимерные краски быстро высыхают, однако при этом без¬
возвратно теряются ценные продукты — летучие органические ра¬
створители. Большинство растворителей горит, их пары огнеопасны
и взрывоопасны. Накапливаясь в закрытых помещениях, пары
растворителей вредно влияют на здоровье людей и могут быть при¬
чиной пожара, поэтому должны соблюдаться установленные меры
охраны труда и противопожарной безопасности.Более безопасными и экономичными являются эмульсионные
красочные составы тоже на основе полимеров, но не содержащие
летучих растворителей или содержащие их в небольших количе-.
стЬах.§ 2. Полимерные эмульсионные (латексные) краскиЭмульсионной краской называют систему из двух несмеШиваю-
щихся жидкостей, в которой частицы (глобулы) одной жидкости
(дисперсная фаза) распределены в другой жидкости (дисперсная393
среда или внешняя фаза). Устойчивость эмульсии обеспечивается
лишь при введении эмульгатора, такого поверхностно-активного
вещества, которое, адсорбируясь на частицах дисперсной фазы, по¬
нижает поверхностное натяжение и образует оболочки вокруг час¬
тиц, препятствующие их слипанию.Эмульсионные красочные составы типа «полимер в воде» содер¬
жат полимер, диспергированный в воде, в виде мельчайших глобул.
Кроме пленкообразующего вещества (синтетической смолы или
каучука) и воды красочный состав содержит эмульгатор, пигмент
и добавки, улучшающие свойства краски. Эмульсионные краски
обычно поставляют в виде пасты (чтобы не возить лишнюю воду),
которую уже на месте применения разбавляют водой до малярной
консистенции. Воду из нанесенной на поверхность эмульсионной
краски частично впитывает пористое основание (бетон, штукатурка
и т. п.), а оставшаяся в покрытии вода испаряется. В результате
этого эмульсия распадается и через 1—2 ч образуется прочное
гладкое матовое покрытие, свето- и водостойкое. Благодаря своей
пористости покрытие газопроницаемо. Поэтому эмульсионными
красками нередко окрашивают непросохшие поверхности штука¬
турки или бетона, так как влага из материала подложки может
испаряться через поры покрытия. Эмульсионные краски не токсич¬
ны, пожаро- и взрывобезопасны. Их применяют для наружных и
внутренних малярных работ.Поливинилацетатная краска представляет собой пигментиро¬
ванную водную дисперсию поливинилацетата, пластифицирован¬
ную дибутилфталатом; применяют для окраски по бетону, штука¬
турке, дереву, для отделки древесноволокнистых плит и деталей из
гипсобетона.Бутадиенстирольную краску используют преимущественно для
высококачественной окраски внутри зданий. Для этой же цели при¬
меняют эмульсионную краску марки СЭМ, состоящую из глифта-
левого лака, воды, эмульгатора и специальных добавок.Акрилатные краски, отличающиеся высокой атмосферостойко-
стью, применяют для долговечной окраски фасадов зданий, а так¬
же для отделки влажных помещений. Их выпускают белого, оран¬
жевого и других цветов.Водостойкие эмульсионные красочные покрытия можно промы¬
вать водой с мылом.§ 3. Полимерцементные краскиПолимерцементные краски изготовляют на основе водной дис¬
персии полимера и белого портландцемента, в них обычно вводят
пигмент и наполнитель (известковую муку, тальк и т. п.). Для
получения полимерцементных красок часто используют поливинил-
ацетатную дисперсию.Полимерцементные составы применяют для заводской отделки
крупных панелей и блоков, а также для окраски фасадов зданий
(по бетону, штукатурке, кирпичу).394Глава 72
ЛАКИ И ЭМАЛЕВЫЕ КРАСКИ§ 1. ЛакиЛаками называют красочные составы, полученные диспергиро¬
ванием пленкообразующего вещества (природной или синтетиче¬
ской смолы, битума, олифы) в летучем растворителе. Кроме двух
главных компонентов лак обычно содержит пластификатор, отвер-
дитель и другие специальные добавки, улучшающие качество лако¬
вого покрытия.Битумный (асфальтовый) лак — коллоидный раствор битума в
летучем растворителе. Битумные лаки образуют водостойкие плен¬
ки черного цвета, применяют их для антикоррозионного покрытия
металлических деталей санитарно-технического оборудования, ка¬
нализационных и газовых труб. Ими же покрывают «черные» ско¬
бяные изделия — петли, дверные ручки и т. п.Битумно-масляные лаки используют для окраски металлических
конструкций и деталей (перил, оград и т. П.) Вводимые в состав
лака растительные масла улучшают свойства покрытия — сохра¬
няют эластичность на морозе и не так быстро стареют, как-покры¬
тие из безмасляного битумного лака.Спиртовые лаки и политуры — растворы синтетических или
природных смол в спирте, имеющие коричневый, желтый или дру¬
гой цвет. Их используют для полировки деревянных деталей, мебе¬
ли, для покрытия изделий из стекла и металла.Нитролаки — растворы производных целлюлозы в органических
растворителях, обычно содержащие пластификатор. Нитролак бы¬
стро высыхает, дает блестящую пленку коричневого или желтого
цвета, его широко применяют для окраски мебели и деревянных
деталей. Этилцеллюлозный лак бесцветен, им лакируют неокра¬
шенные и окрашенные изделия и детали из дерева. Нитролаки ог¬
неопасны; высыхая, выделяют вредные для здоровья пары раство¬
рителя. Поэтому необходима осторожность и соблюдение установ¬
ленных правил охраны труда.Смоляные лаки находят широкое применение сообразно свойст¬
вам синтетической смолы, диспергированной в органическом рас¬
творителе. Лаки на основе мочевино-формальдегидной и полиэфир¬
ной смол используют для окраски паркетных полов, для отделки
фанеры, столярных изделий, древесностружечных плит. Окраска
перхлорвиниловым лаком защищает материал строительных кон¬
струкций от коррозии. Для лакировки деталей из цветных метал¬
лов и дерева применяют алкидный лак.Масляно-смоляные лаки выпускают разного назначения. Одни
из них используют для лакировки мебели и деревянных полов, дру¬
гие предназначены для наружных малярных работ. Лакировка
масляной окраски усиливает антикоррозионные свойства по¬
крытия.395
§ 2. Строительные эмалевые краскиЭмалевой краской (или, сокращенно, эмалью) называют компо¬
зицию из лака и пигмента. Пленкообразующими веществами в эма¬
левых красках служат полимеры — глифталевые, перхлорвинило-
вые, алкидностирольные синтетические смолы, эфиры, целлюлозы.
Строительные эмали из глифталевых смол распространены для
внутренних отделочных работ по штукатурке, дереву, их же приме¬
няют для заводской отделки асбестоцементных листов, древесно¬
волокнистых плит. Нитроглифталевые и пентафталевые эмали при¬
меняют как для внутренних, так и для наружных малярных работ.Перхлорвиниловые эмалевые краски водостойки; их применяют
преимущественно для наружной отделки.Битумную эмалевую краску получают, вводя в битумно-масля¬
ный лак алюминиевый пигмент (алюминиевую пудру). Эти эмали
стойки к действию воды; применяют их для окраски санитарно¬
технического оборудования, стальных оконных рам, решеток.§ 3. Лакокргсочные защитные покрытияЛакокрасочные материалы применяют для защиты строитель¬
ных конструкций и сооружений от воздействия воды и влажной ат¬
мосферы, содержащей агрессивные газы.Химически стойкие красочные составы приготовляют на основе
перхлорвиниловых, эпоксидных и фуриловых смол. Используют
также резольную феноло-формальдегидную смолу (бакелитовый
лак), нефтяной битум и каменноугольный пек.Покрытие обычно состоит из грунтовки, шпаклевки и покров¬
ных слоев красочного состава (лака, эмалевой или эмульсионной
краски).Перхлорвиниловые лаки и эмали выпускают в широком ассор¬
тименте в виде дисперсии ПХВ смолы в растворителе Р-4. Химиче¬
ски стойкие эмали (ХСЭ) отличаются кислотостойкостью: для по¬
лучения плотного покрытия наносят несколько слоев эмали (до 6—
10 слоев).Эпоксидные лакокрасочные материалы (эмали, лаки, шпаклев¬
ки) получают на основе эпоксидных смол и их смесей с другими
смолами (компаунды). Используют известные органические раст¬
ворители — ацетон, толуол, а также специальные растворители.
Эпоксидные лаки и эмали отличаются высокой стойкостью к щело¬
чам, солям, маслам и к большинству растворителей. Они нашли
широкое применение для защиты различных сооружений (резерву¬
аров, отстойников, вытяжных труб), а также металлических кон¬
струкций и оборудования.Бакелитовый лак — раствор резольной феноло-формальдегид-
ной смолы. Для ускорения отверждения бакелитовые лаки подвер¬
гают тепловой обработке. Они стойки к кислотам, солям и к ряду
органических растворителей (ацетону, анилину и др.) при темпера¬
турах до 120°С, но разрушаются в растворах щелочей и при воздей¬396ствии влажного хлора и окислителей (азотной и крепкой серной
кислот). Бакелитовые лаки применяют для защиты от коррозии
промышленной аппаратуры и сооружений.Фуриловые лаки — это спирто-ацетоновые растворы фуриловых
и феноло-формальдегидных смол. Используют их для защиты бе¬
тонных и стальных поверхностей против кислых и щелочных сред.Кремнийорганические (силиконовые) лаки и эмали получают
на основе кремнийорганических смол, модифицированных другими
смолами. Они отличаются повышенной теплостойкостью (до 200—
300°С), могут выдерживать кратковременное действие высо¬
ких температур (до 500°С). Поэтому силиконовые полимеры при¬
меняют в термостойких покрытиях для окраски дымовых труб, пе¬
чей, вентиляторов и т. п.По Вейгелю, при нагреве силиконовых смол выше определенной
температуры (например, метилсиликонов свыше 260—300°С) про¬
исходит постепенное отделение и окисление алкильных и арильных
групп. Если пленки пигментированы, то образующиеся высокоак¬
тивные силиконовые группы могут вступать в реакцию с пигментом.
Этим объясняется, что пигментированные силиконовые пленки час¬
то не разрушаются даже при t=350—500°С, причем сохраняется их
адгезия к подложке, тогда как непигментированные пленки разру¬
шаются и отклеиваются. Силиконовые краски наносятся кистью,
распылением, окунанием или валиком. Некоторые из них высыхают
при комнатной температуре, другие — при нагревании до 260°С.На основе кремнийорганических смол получают также эмали
КО-174 общего назначения. Они представляют собой суспензию
пигментов и наполнителей в кремнийорганическом лаке (с добав¬
лением растворителя). Эмали выпускают разных цветов, их исполь¬
зуют в качестве защитных декоративных покрытий.Лакокрасочная защита строительных конструкций привлекает
сравнительной простотой выполнения покрытия, возможностью лег¬
ко возобновить защиту, относительной экономичностью по сравне¬
нию с другими видами защиты (оклеечная изоляция, футеровка).Все шире начали применять сложные компаунды, которые полу¬
чают сочетанием различных полимеров или совмещением их с
другими продуктами (например, с битумом). В компаундах исполь¬
зуют положительные свойства компонентов, что позволяет достиг¬
нуть почти универсальной стойкости (исключая действие сильных
окислителей).Получают распространение покрытия, армированные волокнами
или тканями (хлопчатобумажной, синтетической или стеклотканью
в зависимости от среды). Для создания более надежной защиты
прибегают к утолщенным покрытиям — обмазкам.§ 4. Обмазки и замазкиДля защиты стальной арматуры от коррозии, особенно опасной
в ячеистых бетонах, применяют защитные покрытия в виде обма¬
зок. Хорошо себя зарекомендовали смеси, приготовленные на осно-397
ве растворов химически стойких синтетических смол и портланд*
цемента.Цементно-полистирольную обмазку приготовляют из портланд*
цемента, полистирольного клея и молотого песка. Полистирольный
клей получают растворением полистирола в скипидаре в соотноше¬
нии 1 :4 (по массе). Обмазка высыхает на воздухе при 20°С при¬
мерно за 30 мин.Цементно-перхлорвиниловая обмазка состоит из перхлорвини-
лового лака и портландцемента, взятых в соотношении 1:1. Сушка
обмазки продолжается 4 ч. Арматура покрывается обмазкой, имею¬
щей сметанообразную консистенцию, малярными средствами, либо
погружением. Обмазка может использоваться в сочетании с инги¬
биторами коррозии арматуры (нитритом натрия и др.).Применяют и другие виды обмазок: цементно-казеиновую смесь,
цементно-битумную мастику и глино-битумную пасту.Замазки применяют преимущественно в качестве вяжущих при
выполнении облицовочных и футеровочных работ. Кроме того, их
используют как покрытия для защиты от коррозии металлической
промышленной аппаратуры.Арзамит-замазку приготовляют на основе раствора резольной
феноло-формальдегидной смолы с добавкой отвердителя и напол¬
нителя (молотого кварцевого песка, сернокислого бария, графито¬
вого порошка и т. п.). Она водостойка, хорошо противостоит дей¬
ствию кислых и нейтральных сред. Обладает сравнительно высокой
прочностью при растяжении от 3 до 5 МПа в зависимости от марки.
Рекомендуется применять замазку при температуре 18—20°С.Фаизол-замазку изготовляют на фурфурол-ацетоновом мономе¬
ре (ФА) с добавлением бензосульфокислоты (БСК). Наполните¬
лем служат графит, андезит, кокс в виде порошка. Фаизол-замазки
стойки к действию воды, щелочей, органических растворителей
(кроме ацетона) и кислот (за исключением окисляющих).Замазки токсичны, поэтому работы с замазками следует выпол¬
нять при строгом соблюдении установленных правил охраны
труда.Глава 73
ОЛИФЫ И МАСЛЯНЫЕ КРАСКИ
§ 1. ОлифыОлифами называют связующие вещества в масляных красочных
составах. Применяют натуральные и полунатуральные олифы.Натуральные олифы получают путем специальной обработки
растительных масел: льняного, конопляного и некоторых других.
Высыхающие масла представляют собой смесь сложных эфиров и
жирных кислот, содержащих двойные и тройные связи. Наличие
кратных связей предопределяет способность масел отвердевать в
398тонком слое на воздухе вследствие окислительной полимеризации.
•Чтобы ускорить процесс отвердевания («высыхания»), масло под¬
вергают термической обработке при температуре около 150°С с до¬
бавлением в него 2—4% сиккативов. Сиккативами служат окисли¬
тели, растворяющиеся в нагретом масле, — марганцевые, кобальто¬
вые соли жирных или нафтеновых кислот. Получаемая таким обра¬
зом олифа быстро высыхает в тонком слое (за 12—24 ч). Термин
высыхание олифы — условный, он характеризует переход олифы из
жидкого в твердое состояние, обусловленный химическими процес¬
сами окисления и полимеризации.Полунатуральные олифы получают путем растворения сильно
уплотненного масла в летучем органическом растворителе. Для
производства полунатуральных олиф можно применять невысыха¬
ющие и полувысыхающие пищевые масла (хлопковое, подсолнеч¬
ное, соевое, касторовое), не пригодные для натуральных олиф. Та¬
кие масла сначала сильно уплотняются, превращаясь з густовязкое
вещество в результате специальной обработки. Чаще всего приме¬
няется оксидация, осуществляемая в присутствии сиккативов, путем
продувания воздуха при 130—150°С. Происходящая в этом процес¬
се окислительная полимеризация масла дает возможность изготов¬
лять оксидированные олифы (оксоли). Полученная густая масса
доводится до малярной консистенции на заводе добавлением при¬
мерно равного (по массе) количества растворителя. Полунатураль¬
ные олифы высыхают вследствие испарения растворителя, а также
взаимодействия масла с кислородом воздуха.Реже применяют уплотнение масла путем его варки в атмосфе¬
ре нейтрального газа в вакууме при температуре около 300°С.Полунатуральные олифы уступают натуральным по показате¬
лям прочности и атмосферостойкости пленки, поэтому их применя¬
ют преимущественно для внутренних малярных работ.Глифталевая олифа представляет собой раствор синтетической
глифталевой смолы в летучем органическом растворителе с добав¬
кой около 35% растительного масла. Эта олифа по своей атмосфе¬
ростойкости почти не уступает натуральной олифе.Искусственные безмасляные олифы получают в виде раствора
алюминиевых и кальциевых солей оксикарбоновых рислот в лету¬
чем растворителе («карбоноль», «нафтеноль» и др.). Подобные
олифы дают малярное покрытие низкого качества и применяются
редко.Качество олиф характеризуется цветом, прозрачностью, скоро¬
стью высыхания, долговечностью и прочностью пленки.§ 2. Масляные краскиМасляные краски выпускают в виде однородных суспензий, в
которых каждая частица пигмента окружена адсорбированным на
ее поверхности связующим веществом — олифой. На заводах мас¬
ляные краски изготовляют путем тщательного растирания олифы
с пигментом и наполнителем в специальных машинах.399
Выпускают густотертые и жидкотертые масляные краски. Густо¬
тертые краски — в виде паст — доводят до рабочей вязкости добав*
лением олифы на месте работ. Жидкотертые краски выпускают го*
товыми к употреблению с содержанием 40—50% олифы. К таким
краскам относятся, например, титановые и цинковые белила.Масляные краски применяют с учетом вида олифы и пигмента,
входящих в их состав. Краски на натуральной олифе используют
для защитной окраски стальных конструкций мостов и гидротехни-
ческих сооружений, стальных опор и т. п., а также для окраски
оконных переплетов, полов и других деревянных элементов, пре¬
дохраняющей дерево от увлажнения. Нижние части стен больнич¬
ных и школьных помещений, подвергающиеся частой промывке,
окрашивают масляной краской. Матовое покрытие получают, при¬
меняя водоэмульсионные масляные составы, к тому же более деше¬
вые, чем масляная краска.Глава 74КРАСОЧНЫЕ СОСТАВЫ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ
ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ И КЛЕЯ ИЗ ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ§ 1. Цементные краскиВ цементных красках связующим веществом является белый
портландцемент; пигменты должны быть щелочестойкими. Для уве¬
личения водоудерживающей способности красочного состава в него
вводят известь-пушонку и хлористый кальций. Для повышения ат-
мосферостойкости в краску добавляют гидрофобизующие вещест¬
ва— мылонафт, стеарат кальция. Примерный состав цементной
краски (% по массе): цемент — 75, известь-пушонка—15, пиг¬
мент — 6, хлористый кальций — 3, гидрофобизующая добавка ^ 1—■
1,5. Цементные краски применяют для наружных малярных работ
и внутренней окраски влажных производственных помещений по
бетону, кирпичу, штукатурке (окрашиваемую поверхность предва¬
рительно увлажняют).§ 2. Известковые краскиВ известковых красках связующим веществом служит гашеная
известь. Известковое «молоко» должно иметь подходящую маляр¬
ную консистенцию. Пигменты применяют только щелочестойкие
(охры и т. п.). Для сохранения влаги в нанесенном составе, нужной
для успешной карбонизации извести, в состав вводят водоудержи¬
вающие добавки: поваренную соль, хлористый кальций или алю¬
миниевые квасцы. Доступность и дешевизна обусловили все еще
довольно широкое применение известковых составов для окраски
фасадов, хотя из-за слабой атмосферостойкости эти покрытия при¬
ходится часто возобновлять.400§ 3. Силикатные краскиВ силикатных красках связующим веществом является силикат
калия (КгО-тБЮг) в виде водного коллоидного раствора,В красочный состав входят, кроме связующего, минеральный
щелочестойкий пигмент (охра, железный сурик и др.) и кремне¬
земистый наполнитель (молотый кварцевый песок, диатомит или
трепел), повышающий водостойкость пленки.Силикат калия, являющийся пленкообразующим веществом, в
воде подвергается гидролизу:K2Si03 + ЗН20 = 2КОН + Si02 • 2НгОДигидрат кремнезема сам обладает вяжущими свойствами, а
едкая щелочь связывается диатомитом или трепелом:2КОН + m Si02 = КаО • m Si02 + H20и пленка силикатной краски становится малорастворимой в воде.Силикатными красками окрашивают деревянные конструкции
для защиты от возгорания. Они же используются для окраски фа¬
садов и внутри помещений. Атмосферостойкость наружного покры¬
тия повышается при нанесении силикатной краски на основания,
содержащие свободную гидроокись кальция (свежая цементная
или цементно-известковая штукатурка или бетон),§ 4. Клеевые краскиКлеевые красочные составы приготовляют, используя клеи из
природного сырья: мездровый, костяной или казеиновый; они-то и
являются связующим веществом. Следовательно, клеевая краска
представляет собой суспензию пигмента и наполнителя (мела) в
коллоидном водном растворе клея. Красочное покрытие отвердева¬
ет по мере высыхания клеевого состава. Прежде клеевые краски
были распространены во внутренних малярных работах по сухой
штукатурке и дереву. Однако клеевые составы не водостойки, для
них используют природное сырье (например, казеин получают из
молока). Теперь клеевые краски успешно заменяют синтетически¬
ми красочными составами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫБаженов Ю, М. Технология бетона. М., 1978.Волженский А. В., Бурое Ю. С., Колокольчиков В. С. Минеральные вяжу¬
щие вещества. М., 1979.Воробьев В. А. Лабораторный практикум по общему курсу строительных
материалов. М., 1978.Воробьев В. А., Андрианов Р. А. Технология полимеров. М., 1980.Гершберг О. А. Технология бетонных и железобетонных изделий. М., 1971.Горчаков Г. И. Специальные строительные материалы для теплоэнергетиче¬
ского строительства. М., 1972.Г орчаков Г. И., Мурадов Э. Г. Основы стандартизации и контроля качества
продукции. М., 1977.Горяйнов К. Э., Коровникова В. В. Технология производства полимерных и
теплоизоляционных материалов. М., 1975.Иванов И. А. Технология легких бетонов на искусственных пористых запол¬
нителях. М., 1974.Ратинов В. Б., Иванов Ф. М. Химия в строительстве. М., 1977.Роговой М. И. Технология искусственных пористых заполнителей и кера¬
мики. М., 1974.Рыбьев И. А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. М., 1978.Полухин П. И. Технология металлов и сварка. М., 1977,ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬАглопорит 221
Автоклав 269Активные минеральные добавки 139,
150
Алит 114Алюминиевая пудра 226
Ангидрит 61 ■Андезит 56
Антипирены 308
Антисептики 304
Асбест 262 .Асбестоцементные изделия 263—268
Асфальт природный 340
Асфальтены 341
Асфальтобетон 353
Асфальтовые растворы 354Базальт 55, 57
Белит 114Бетон гидротехнический 231— дорожный 234— для знмних работ 251— жаростойкий 237— защитный 235— кислотоупорный 239— крупнопористый 224— легкий 219— тяжелый 211— ячеистый 225
Бетонополимер 240
Биотит 49Битум 340, 341—344
Блоки стеклянные 277
Бумажнослонстый пластик 379Вата минеральная 319
Вермикулит вспученный 220
Вода для затворения бетона 217
Водопоглощение 21
Водопроницаемость 22
Водостойкость 22
Вулканит 321Вяжущие гипсовые 156— гипсоцементнопуццолановые 159— известково-пуццолановые 112— известково-шлаковые 112— магнезиальные 159— цементные 211Габбро 53
Г азобетон 226
Г азосиликат 226, 228
Геленит 154Герметизирующие материалы 385
Гернит 386
Гидроизол 347
Гипс природный 67, 156— строительный 157
Гипсобетон 224
Глазурь 84Глина 64, 82
Глифталевые смолы 396
Гнейс 71
Гравий 214
Гранит 51, 52
Грибы домовые 304Деготь 344—346
Дегтебетон 354
Диабаз 57
Диатомит 68
Диорит 52
Дислокации 36
Доломит 60Железобетон 242
Жесткость бетонной смеси 166
Жидкое стекло 159Закон прочности бетона 177
Замедлители схватывания 143
Заполнители 212, 214— пористые 219—221
Защита от коррозии 140, 141403
Известняк 65, 109, 116
Известь воздушная 107, 109— гидравлическая 108— молотая негашеная 110
Изол 385Интрузивные горные породы 50, 54Кальций хлористый 210, 254
Кальцит 60
Каменное литье 79
Камень бутовый 75— пиленый 76— тесаный 72, 73— керамический 95, 97
Каолин 82
Каолинит 61Карбамидный полимер 364
Кварц 48, 60
Кварцит 71
Керамзит 220Керамика отделочная 98—102— санитарно-техническая 103— эффективная 95
Кирпич глиняный 95—97— силикатный 271
Клеи 383Клинкер цементный 113—116
Конструкции асбестоцементные 267— железобетонные 242—244
Контракция 131—132
Коррозия 139—142
Краски известковые 400— клеевые 401— масляные 399— силикатные 401— эмалевые 396— эмульсионные (латексные) 393
Кремнийорганические полимеры 365Лабрадорит 53
Лаки 395
Линолеум 379
Лесные материалы 310
круглые 310— пиломатериалы 312Магнезит 60, 61
Магний хлористый 159Масло антраценовое 305
Мастики 349
Мел 68
Мергель 65Модели деформаций 42— реологические 164
Морозостойкость 24, 193
Мрамор 72
Мусковит 49
Муллит 87Наполнители 369Натрий кремнефтористый 160Огнестойкость 27Огнеупорные материалы 104, 105
Олифа 398
Отвердители 356Пек 345Пемза вулканическая 57— шлаковая 220
Пенобетон 228
Пеносиликат 228
Пеностекло 322
Пергамин 347
Перлит вспученный 220
Песок 63, 64, 76 v
Песчаник 63, 64
Пигменты 389
Подвижность 165—166
Пластификаторы 169, 170
Плиты асбестоцементные 267— древесноволокнистые 325, 375— древесностружечные 324, 375— минераловатные 320
Плитки керамические 100, 101— пластмассовые 379, 381— стеклянные 277Поверхностно-активные вещества 149
Погонажные изделия 382
Полевые шпаты 48
Поливинилацетат 363
Поливинилхлорид 360
Полиметилметакрилат 362
Полимерцемент 372404Полистирол 361
Полиэтилен 359
Пористость 16
Пороизол 386Ракушечник 68Растворы кладочные 258—261— отделочные 261
рубероид 346Сиенит 52
Сиккатив 399
Ситалл 279
Сланец 70
Слюда 49
Совелих 321
Сотопласты 325
Старение 345
Стекло 272— армированное 275— вулканическое 55— закаленное 275— оконное 274— отражающее 274— увиолевое 275— теплопоглощающее 275
Стеклопластик 374Текстура 51
Толь 347
Трепел 68Трубы асбестоцементные 267— железобетонные 234— керамические 102
«-* пластмассовые {582— стеклянные 277
Туф вулканический 58
•— известковый 66Удобоукладываемость 165
Усадка 86, 87, 192Ускорители твердения 144
Усушка 290Фанера 377
Фарфор 103
Фаяис 103Феноло-формальдегидиые полимеры
364Фибробетон 241
Фибролит 324Целлюлоза 283
Цемент напрягающий 156— глиноземистый 153—155— кислотоупорный 159-— портландский 113, 151— белый 153— быстротвердеющий 153— гидрофобный 150— пластифицированный 150— пуццолановый 151■— сульфатостойкий 147—148— цветной 153
расширяющийся 156Черепица 102Шамот 83Шлак доменный 152
Шлакоситалл 279
Шлакопортландцемент 151Щебень 214—217Эмульсии битумные 352
Эпоксидные смолы 365
Эттрингит 126, 127Ячеистые пластмассы 325
ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Предисловие 3Введение 5РАЗДЕЛ IОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВГлава 1. Общие сведения 8§ 1. Работа строительных материалов в конструкции, их клас¬
сификация 8§ 2. Классификация и стандартизация свойств 8§ 3. Связь строения и свойств 11§ 4. Связь состава и свойств 13Глава 2. Параметры состояния и структурные характеристики строи-<тельных материалов 14§ 1. Параметры состояния 14§ 2. Структурные характеристики 16Глава 3. Физические свойства строительных материалов 19§ 1. Гидрофизические свойства 19§ 2. Теплотехнические свойства 26Глава 4. Механические свойства Строительных материалов 28§ 1. Деформативные свойства 28§ 2. Прочность 31§ 3. Влияние строения на прочность материала 36§ 4. Механическое разрушение 38§ 5. Твердость, истираемость и износ 41§ 6. Модели механических свойств строительных материалов 42§ 7. Релаксация напряжений 43Глава 5. Долговечность и надежность 44§ Долговечность 44§ 2. Надежность 45РАЗДЕЛ II
ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫГлава 6. Общие сведения 46Глава 7. Магматические горные породы 47§ 1. Общая характеристика 47§ 2. Главные породообразующие минералы 48§ 3. Интрузивные абиссальные горные породы 50§ 4. Интрузивные гипабиссальные горные породы 54§ 5. Эффузивные горные породы 55Глава 8. Осадочные горные породы 58§ 1. Общая характеристика 58§ 2. Главные породообразующие минералы 60§ 3. Осадочные обломочные породы 62§ 4. Осадочные хемогенные породы 65§ 5. Осадочные органогенные породы 67Глава 9. Метаморфические горные породы 69§ 1. Общая характеристика 69§ 2. Главные породообразующие минералы 69§ 3. Основные разновидности метаморфических горных пород 70Глава 10. Обработка и классификация природных каменных материалов 72§ 1. Обработка природных каменных материалов 72§ 2. Классификация природных каменных материалов по техни¬
ческим свойствам 74Глава 11. Виды и применение природных каменных материалов„ § 1. Грубообработанные каменные материалы
§ 2. Штучные камни и блоки для стен . . .§ 3. Камни и плиты для облицовки ....§ 4. Камни для гидротехнических сооружений
§ 5. Дорожные каменные материалы ....§ 6. Каменные кислотоупорные и литые изделия . . .§ 7. Предохранение каменных материалов от разрушенияРАЗДЕЛ III
КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ7575767778
78
78
80818282838486Глава 12. Общие сведения ....... ..........Глава 13. Сырьевые материалы § 1. Глинистые материалы § 2. Отощающие материалы оо§ 3. Выгорающие и пластифицирующие добавки 84§ 4. Глазури и ангобы' Глава 14. Свойства глин как сырья для керамических изделий ....§ 1. Пластичность • и связующая способность глии ’ § 2. Способность глины отвердевать при высыхании ' § 3. Усадка глины . § 4. Переход при обжиге в камневидное состояние 87§ 5. Спекаемость глины 87§ 6. Огнеупорность глины 88§ 7. Цвет глины 88Глава 15. Общая схема производства керамических изделий .... 88‘ § 1. Обработка глиняной массы 88" § 2. Формование керамических изделий яог § 3. Сушка сырца § 4. Обжиг изделий Глава 16. Свойства керамических изделий § 1. Пористость и водопоглощение § 2. Теплопроводность ’ § 3. Прочность ' § 4. Морозостойкость ' § 5. Паропроницаемость Глава 17. Стеновые керамические изделия § 1. Глиняный строительный кирпич 95' § 2. Эффективные стеновые керамические изделия 95' § 3. Сборные изделия из кирпича и керамических камней ... 97
Г л а в а 18. Керамические изделия, для наружной и внутренней облицовкизданий 98‘ § 1. Керамические изделия для облицовки фасадов 98§ 2. Плитки для внутренней облицовки стен 100§ 3. Плитки для полов 101Глава 19. Керамические изделия специального назначения ..... 102§ 1. Кровельные керамические изделия 102' § 2. Дренажные и канализационные трубы ' 102§ 3. Санитарно-технические изделия 103' § 4. Кислотоупорные керамические изделия 103§ 5. Дорожный кирпич 104§ 6. Огнеупорные изделия 104РАЗДЕЛ IV
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВАГлава 20. Общие сведения 106Глава 21. Вяжущие вещества системы CaO—SI02—Al203—Fe203 . . . 107Глава 22. Воздушная известь 109§ 1. Получение и гашение 109§ 2, Твердение гашеной извести 110919293
93
93
939394
94
§ 3. Молотая негашеная известь ПО§ 4. Виды и применение воздушной извести 111§ 5. Известково-шлаковые и известково-пуццолановые вяжущие 112§ 6. Безотходное производство воздушной извести 112Глава 23. Портландцемент 113§ 1. Общая характеристика портландцемента ....... 113§ 2. Клинкер 113§ 3. Принципы производства . . . . 116§ 4. Теория твердения 125§ 5. Структура цементного камня 130§ 6. Свойства цементного камня 136§ 7. Технические характеристики портландцемента и его приме¬
нение 142Глава 24. Специальные виды цемента 147§ 1. Быстротвердеющий портландцемент 147§ 2. Сульфатостойкий портландцемент 147§ 3. Портландцементы с органическими добавками ..... 148§ 4. Портландцементы с минеральными добавками 150§ 5. Белый и цветные портландцементы 153§ 6. Тампонажный портландцемент 153§ 7. Глиноземистый цемент 153§ 8. Расширяющиеся и безусадочные цементы 155Глава 25. Гипсовые и другие вяжущие вещества 156§ 1. Виды гипсовых вяжущих веществ 156§ 2. Твердение и применение гипсовых вяжущих веществ . . . 158'§ 3. Гипсоцементнопуццолановые вяжущие 159§ 4. Магнезиальные вяжущие вещества 159§ 5. Жидкое стекло и кислотоупорный кварцевый цемент ... 159Глава 26. Развитие производства вяжущих веществ 160РАЗДЕЛ V
БЕТОНЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИХГлава 27. Общие сведения 162Глава 28. Свойства бетонной смеси 163§ 1. Реологические свойства бетонной смеси 163§ 2. Технические свойства бетонной смеси 165§ 3. Факторы, определяющие удобоукладываемость бетоннойсмеси 168Глава 29. Строение бетона 170§ 1. Формирование структуры бетона 170§ 2. Понятие о макро- и микроструктуре бетона ...... 171Глава 30. Основной закон прочности бетона 177§ 1. Физический смысл закона прочности бетона 177§ 2. Формулы и графики, выражающие зависимость прочностибетона от основных факторов 178Глава 31. Свойства бетона 180§ 1. Плотность и объемная масса бетона 180§ 2. Проектные марки бетона 181§ 3. Определение прочности бетона без разрушения 186§ 4. Деформативные свойства бетона 188§ 5. Усадка и набухание бетона 192§ 6. Морозостойкость бетона 193§ 7. Водопроницаемость бетона 194§ 8. Теплофизические свойства бетона 195§ 9. Радиационная стойкость бетона 196Глава 32. Общие основы технологии бетона 196§ 1. Определение состава бетона 196§ 2. Приготовление бетонной смеси 199| 3. Уплотнение бетонной смеси 202§ 4. Твердение бетона 207§ 5. Контроль качества бетона 210408легкихГлава 33. Тяжелый бетон § 1. Материалы для изготовления тяжелого бетона .§ 2. Применение тяжелого бетона Глава 34. Легкие бетоны § 1. Легкий бетон на пористых заполнителях . . .§ 2. Крупнопористый бетон § 3. Гипсобетон § 4. Ячеистый бетон § 5. Технико-экономическая эффективность применениябетонов Глава 35. Специальные бетоны § 1. Гидротехнические бетоны § 2. Дорожный бетон и бетонные покрытия полов промышленныхзданий § 3. Бетон для защиты от радиоактивных излучений§ 4. Жаростойкий бетон § 5. Кислотоупорный бетон § 6. Бетонополимер § 7. Бетон, упрочненный волокнами Глава 36. Применение бетонов в сборных и монолитных конструкциях§ 1. Общие сведения о железобетоне § 2. Применение бетонов в сборных железобетонных конструкциях § 3. Применение бетонов в монолитных железобетонных конструкциях § 4. Применение бетона в зимних условиях Р А 3 Д Е Л VI
СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫчГлава 37. Общие сведения Глава 38. Растворные смеси § 1. Материалы для изготовления растворных смесей§ 2. Свойства растворных смесей Глава 39. Растворы § 1, Кладочные, монтажные и штукатурные растворы
§ 2. Специальные растворы РАЗДЕЛ VII
ИСКУССТВЕННЫЕ КАМЕННЫЕ НЕОБОЖЖЕННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯГлава 40. Асбестоцементные изделия § 1. Материалы для изготовления асбестоцемента . .
§ 2. Понятие об изготовлении асбестоцементных изделий§ 3. Механические свойства асбестоцемента § 4. Виды асбестоцементных изделий .......Глава 41. Автоклавные материалы § 1. Понятие об автоклавной технологии § 2. Силикатные бетоны § 3. Силикатный кирпич РАЗДЕЛ VIII
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТЕКЛАГлава 42. Изделия из стекла § 1. Химический состав стекла и его свойства§ 2. Понятие о получении стекла § 3. Виды листового стекла § 4. Изделия из стекла .........Глава 43. Изделия из ситаллов 211211217219219224224225230231
231234235
237
239
239
241
241
241243249251256257257258
258
258
261262262263264265
268
268270271272272273274277278409
§ 1. Понятие о получении ситаллов . . 278§ 2. Свойства ситаллов и изделия из них 279РАЗДЕЛ IX
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫГлава 44. Общие сведения 281Глава 45. Строение древесины 282§ 1. Макроструктура древесины 282§ 2. Микроструктура древесину 284Глава 46. Основные породы древесины 286§ 1. Хвойные породы 286§ 2. Лиственные породы 287Глава 47. Свойства древесины 288§ 1. Физические свойства древесины 288§ 2. Механические свойства древесины 292Глава 48. Пороки древесины . . . 297§ I. Сучки и трещины 297§ 2. Пороки формы ствола 298§ 3, Пороки строения древесины 299§ 4. Химические окраски и грибные поражения 300§ 5. Повреждения насекомыми и прочие пороки 301Глава 49. Долговечность древесины и способы ее повышенйя .... 302§ 1. Физическая и химическая стойкость древесины 302§ 2. Причины гниения древесины и способы защиты 303§ 3. Защита древесины от возгорания 308Глава 50. Сушка древесины 309§ 1. Естественная сушка 309§ 2. Искусственная сушка 309Глава 51. Лесные материалы и изделия из древесины 310§ 1. Лесные материалы 310§ 2. Полуфабрикаты и изделия из древесины 312§ 3. Индустриальные строительные детали из древесины . . . 312§ 4. Клееные деревянные конструкции 313РАЗДЕЛ X, ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯГлава 52. Общие сведения 314Глава 53. Строение и свойства теплоизоляционных материалов . . . 315§ I. Строение и теплофизические свойства 315§ 2. Физико-механические свойства теплоизоляционных материа¬
лов 317§ 3. Свойства, характеризующие долговечность теплоизоляцион¬
ных материалов 318Глава 54. Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия . . 319§ 1. Виды неорганических теплоизоляционных изделий .... 319§ 2. Неорганические рыхлые материалы 323Глава 55. Органические теплоизоляционные изделия 324§ 1. Изделия на основе древесного волокна 324§ 2. Теплоизоляционные пластмассы 325Глава 56. Применение теплоизоляционных изделий в конструкциях . . 326
§ 1. Теплоизоляция промышленного оборудования и трубопро¬
водов 326§ 2. Теплоизоляция ограждающих конструкций зданий .... 328РАЗДЕЛ XI
АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫГлава 57. Общие сведения 330Глава 58. Звукопоглощающие материалы 331§ 1. Свойства звукопоглощающих' материалов 331410* § 2. Виды звукопоглощающих материалов , § 3. Применение звукопоглощающих материалов Глава 59. Звукоизоляционные материалы г § 1. Свойства звукоизоляционных материалов г § 2. Виды звукоизоляционных материалов < § 3. Применение звукоизоляционных материалов РАЗДЕЛ. XIIОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛЫ ИЗ НИХГ л а в а. 60. Общие сведения Глава 61. Битумные вяжущие вещества , § 1. Состав и строение битумов . § 2. Свойства битумов Глава 62. Дегтевые вяжущие вещества „ § I. Состав дегтей и пека § 2. Свойства дегтей Глава 63. Материалы на основе битумов и дегтей § 1. Кровельные и гидроизоляционные материалы § 2. Мастики § 3. Эмульсии и пасты § 4. Лакокрасочные покрытия § 5. Асфальтовые бетоны и растворы РАЗДЕЛ XIII
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАССГлава 64. Общие сведения Г л а ва 65. Связующие вещества и наполнители § 1. Полимеры I § 2. Каучуки и резины § 3. Наполнители Глава 66. Полимерные материалы для несущих и ограждающих кон¬
струкций § 1. Полимербетоны и полимерцементные бетоны § 2. Пластмассы, упрочненные волокнами § 3. Фанера § 4. Декоративно-облицовочные изделия § 5. Материалы для полов Глава 67. Трубы, санитарно-технические и погонажные изделия, синте¬
тические клеи § 1. Трубы § 2. Санитарно-технические и погонажные изделия § 3. Синтетические клеи Глава 68. Гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие мате¬
риалы § 1. Гидроизоляционные материалы § 2. Кровельные материалы § 3. Герметизирующие материалы РАЗДЕЛ XIV
ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫГлава 69. Общие сведения Г ла в а 70. Основные компоненты красочного состава § 1. Связующие (пленкообразующие) вещества § 2. Пигменты § 3. Растворители и разбавители Глава 71. Полимерные красочные составы § 1. Полимерные краски § 2. Полимерные эмульсионные (латексные) краски § 3. Полимерцементные краски 333335337337337338340341341342344344345346346349352352353355356356367369370370372377378379382382382383383383384385387388388389392392392393394411
Глава 72. Лаки и эмалевые краски 395§ 1. Лаки 395§ 2. Строительные эмалевые краски 396§ 3. Лакокрасочные защитные покрытии 396§ 4. Обмазки и замазки 397Глава 73. Олифы и масляные краски 398§ 1. Олифы 398§ 2. Масляные краски 399Глава 74. Красочные составы на основе неорганических вяжущих ве¬
ществ и клея из природного сырья 400§ 1. Цементные краски 400§ 2. Известковые краски 400§ 3. Силикатные краски 401§ 4. Клеевые краски 401Предметный указатель Список литературы 402Григорий Иванович Горчаков
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫЗав. редакцией В. Г. Акатова
Редактор Н. Н. Попова
Мл. редактор Г. К. Ионова
Художественный редактор В. П. Бабикова
Технический редактор А. К. Нестерова
Корректор Р, К. КосиноваИБ № 2901Изд. № Стр-364. Сдано в набор 23.07.80. Подп. к печати 17.12.80. Т-20564.
Формат 60Х90/и. Бум. тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать вы¬
сокая. Объем 26 уел. п. л. Уч.-изд. л. 28,21. Тираж 50 000 экз.
Зак. N« 664. Цена 1 р. 10 к.Издательство €Высшая школа»,Москва, К-51, Неглииная ул., д. 29/14Ярославский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государст¬
венном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли, 150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.