рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по курсу Архитектурное материаловедение Конспект лекций по курсу Архитектурное материаловедение

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по курсу Архитектурное материаловедение Конспект лекций по курсу Архитектурное материаловедение - раздел Образование, Федеральное Агентство По Образованию ...

Федеральное агентство по образованию

ФГОУ ВПО «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ Архитектуры и искусств

КАФЕДРА ИНЖЕНЕРНО-строительных ДИСЦИПЛИН

А.Я. Пылаев, Т.Л. Пылаева

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу « Архитектурное материаловедение»

для группы специальностей направления «Архитектура» и «Менеджмент организации»

 

Ростов-на-Дону


 

 

УДК 691

 

Рецензенты:

 

А.Я. Пылаев, Т.Л. Пылаева.

Конспект лекций по курсу «Архитектурное материаловедение» - Ростов-на-Дону , 2009. – 196с.

 

Пособие содержит описание основных свойств архитектурных материалов и классификацию по областям использования, опыта производства и использования материалов в различных условиях эксплуатации.

Для студентов, магистрантов, аспирантов, обучающихся по направлению «Архитектура» и «Менеджмент организации». Пособие может быть полезно архитекторам, специалистам в области строительных материалов, инженерно-техническим работникам строительных и проектных организаций.


 

О Г Л А В Л Е Н И Е

Предисловие
Лекция 1. Свойства материалов и изделий
1.1. Состав и структура материалов
1.2. Физические свойства
1.3. Химические и биологические свойства
1.4. Механические свойства
1.5. Технологические свойства
1.6. Эстетические свойства
Лекция 2. Древесные материалы и изделия
Лекция 3. Природные каменные материалы
Лекция 4. Керамические материалы и изделия
Лекция 5. Изделия из минеральных расплавов
Лекция 6. Минеральные вяжущие материалы
Лекция 7. Бетоны
Лекция 9. Строительные растворы
Лекция 8. Полимерные материалы и изделия
Лекция 10. Металлические материалы и изделия
Лекция 11. Кровельные, гидроизоляционные и герметизирующие материалы  
Лекция 12. Теплоизоляционные и акустические материалы и изделия  
Лекция 13. Лакокрасочные материалы
Литература

 


 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Материал играет важную роль в формировании пропорционального, масштабного и ритмического строя сооружения, его тектоники и, в конечном счете, композиции в целом. Глубокая и разносторонняя взаимосвязь зодчества с материалом основывается на том факте, что именно он является средством организации пространства жизнедеятельности, а следовательно, участвует в создании архитектуры.

Современному архитектору недостаточно знать, из каких материалов можно осуществить его проект. В настоящее время, когда материальная база весьма представительна, здания и сооружения можно строить из многих взаимозаменяемых материалов. При этом условия жизни, в том числе работы, человека могут быть одинаковыми с эксплуатационно-технической точки зрения. Но, в зависимости от вида материала, восприятие среды, эстетики зданий и сооружений будет заметно иным.

В архитектурно-строительной практике много примеров применения материалов, искажающих первоначальный творческий замысел архитектора и не обеспечивающих планируемый срок эксплуатации здания, сооружения. Одна из причин — недостаточно глубокие знания архитектора в области строительных материалов и, прежде всего, физической сущности их свойств, основ производства, номенклатуры, примеров использования.

Цель изучения архитектурного материаловедения – получение необходимых знаний: о многогранной взаимосвязи архитектуры и материалов; о классификации и номенклатуре; физико-химической, эстетической и экологической сущности свойств; основах производства и опыта применения материалов в архитектурно-строительной практике.

Основные задачи теоретической и практической час­ти курса «Архитектурное материало­ведение» связаны с необходимостью в процессе архитектурного проектирова­ния предусматривать рациональное применение строительных материалов и изделий на основе глубокого знания архитектором строения, эксплуатаци­онно-технических, экономических и эстетических характеристик, современ­ных способов направ­ленного регулирования свойств и совер­шенствования оценки их качества.

Конспект лекций подготовлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта Российской федерации высшего профессионального образования по направлению «Архитектура» и «Менеджмент организации».


 

ЛЕКЦИЯ 1. Свойства материалов и изделий

 

Все свойствастроительных материалов можно условно разделить на физические, химические, механические, технологические, эстетические.

1.1. Состав и структура материалов

 

Знание строения строительного материала необходимо для понимания его свойств и в конечном итоге для решения практического вопроса, где и как применить материал, чтобы получить наибольший технико-экономический эффект.

Свойства любого материала можно регулировать в широких пределах путем изменения его состава и структуры.

Строительный материал характеризуетсяхимическим, минералогическим и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других эксплуатационно-технических характеристиках. Химический состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов принято выражать количеством содержащихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны между собой и образуют минералы, которые определяют многие свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или каменном материале. Например, в портландцементе содержание трёхкальциевого силиката (3СаО*SiO2) составляет 45-60%, причём при большем его количестве ускоряется твердение, повышается прочность цементного камня.

Фазовый составматериала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твёрдые вещества, образующие стенки пор, то есть «каркас» материала, и поры, заполненные воздухом и водой.

Строение материалаизучают на трёхуровнях: на макроуровне – строение, видимое невооружённым глазом или при небольшом увелечении; на микроуровне – строение, видимое в оптический микроскоп; внутренне строение веществ – строение на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т.п.

Макроструктура твёрдых строительных материалов может быть следующих типов: конгломератная, плотная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая.

Конгломератная структура – это обширная группа, объединяющая некоторые природные каменные материалы (конгломерат, брекчия и др.), бетоны различного вида, ряд керамических и других материалов.

Плотная структура – характеризуется отсутствием разделов фаз в материале (стекло, полистирол и др.).

Ячеистая структура - характеризуется наличием макропор в форме пузырька, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам.

Волокнистая структура – сложена волокнистыми материалами (древесина, минеральная и стеклянная вата, асбест, стекловолокнистые пластики и др. Особенностью материалов с ориентированными волокнами в одном направлении является анизотропия его свойств, то есть резкое различие, например, прочности, теплопроводности вдоль и поперёк ориентированных волокон.

Слоистая структура – сложена слоистым наполнителем (бумагой, тканью) и связующим. Такая структура отчётливо выражена у рулонных кровельных материалов, текстолита, бумажнослоистого пластика и др.

Рыхлозернистая (порошкообразная) структура - состоит из отдельных частиц (зёрен) точечно контактирующих друг с другом (песок, щебень, гравий, сухая глина и др.)

Как правило, материал одновременно содержит несколько типов структур. Однако отнесение материала к тому или иному типу структуры осуществляют по структурным элементам, имеющим наибольшие объёмы (тяжёлый бетон, ячеистый бетон, фибробетон, фибропенобетон).

Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллическая форма представляет собой упорядоченное расположение атомов в узлах кристаллической решётки, она более устойчивая, менее химически активная (металлы, природный и искусственный камень). Аморфная структура характеризуется однородностью ихаотичным расположением в ней атомов и молекул (стекло, шлаки).

Форма, размеры и расположение кристаллов оказывают большое влияние на свойства материалов. Мелкокристаллические – более однородны и стойки против внешних воздействий, крупнокристаллические (металлы) имеют большую прочность. Слоистое расположение кристаллов (сланцы) обеспечивает легкое раскалывание по плоскостям, что используют при получении отделочных плиточных материалов. Структуру искусственно полученных материалов можно целенаправленно регулировать в широком диапазоне в зависимости от задаваемых свойств и назначения изделий. Например, для повышения термомеханических показателей стекла можно целенаправленно изменить аморфную структуру на кристаллическую за счет ввода в сырье специальных добавок и дополнительной термообработки изделий, при этом материал приобретает высокую термостойкость, прочность на удар и износ, химическую стойкость, но теряет прозрачность.

Комплекс полученных свойств определяет назначение каждого изделия: для остекления окон используют аморфное стекло, для облицовки пола в цехах с агрессивными средами – кристаллическое.

Состав и структураопределяют свойства материалов, которые не остаются постоянными во времени, а изменяются в результате механических, физико-химических, иногда и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется изделие или конструкция. Эти изменения могут протекать как медленно, например, при разрушении горных пород, так и относительно быстро – при вымывании из бетона растворимых веществ, действии ультрафиолетовых лучей на полимерные материалы, что приводит к изменению их цвета и повышению хрупкости. Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию отдельного изделия и всего сооружения в целом.


 

1.2. Физические свойства

 

Физические свойстваподразделяют на подвиды:

· общие физические характеризующиеструктуру и массу материала;

· гидрофизические – характеризующие отношение материалов к действию воды, пара и газов;

· теплофизические – характеризующие отношение материалов к действию тепла и огня;

· акустические – характеризующие отношение материалов к действию звуковых колебаний.

1.2.1. Общие физические свойства

К общефизическим свойствамотносятся: истинная плотность, средняя плотность и пористостьматериала.

Истинная плотность – масса единицы объема вещества в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор, пустот и трещин.

, [кг/м3] (1.1)

где – истинная плотность, кг/м3; т – масса, кг; – объем, занимаемый веществом без пор, трещин и каверн, м3.

Истинную плотность определяют при помощи стеклянной колбы точного объема – пикнометра с точностью до 0,01 г/см3 на тонко измельченной (до 0,2 мм) и предварительно высушенной до постоянной массы пробе.

Истинная плотность большинства строительных материалов больше единицы (за единицу условно принимают плотность воды при t = 4 °С). Для каменных материалов плотность колеблется в пределах 2200 – 3300 кг/м3; органических материалов (дерево, битумы, пластмассы) – 900 –1600, черных металлов (чугун, сталь) – 7250 – 7850 кг/м3.

Средняя плотность– масса единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии, то есть с пустотами и порами

, [кг/м3] (1.2)

где – средняя плотность, кг/м3; т – масса материала (изделия) в естественном состоянии, кг; v – объем материала (изделия) в естественном состоянии, м3.

Значения плотности данного материала в сухом ρср и влажном состоянии ρсрw связаны соотношением:

ρсрw = ρср(1+Wм/100), (1.3)

где: Wм – влажность материала по массе, %.

Если образец имеет правильную геометрическую форму, его объем определяют путем вычислений по измеренным геометрическим размерам; если же образец неправильной формы, – по объему вытесненной жидкости (закон Архимеда).

Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м3 (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м3 у тяжелого бетона и 7850 кг/м3 у стали.

Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем больше средняя плотность, тем прочнее материал.

Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность лёгкого бетона – 500…1800 кг/м3, а его истинная плотность – 2600 кг/м3. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.

Плотность материала иногда выражают в виде безразмерной величины называемой относительной плотностьюd, равной отношению плотности материала к плотности воды , то есть

, отн. (1.4)

Насыпная плотность– масса единицы объема сыпучих материалов в свободном насыпном состоянии, то есть без его уплотнения. Формула расчета и размерность показателя те же, что в (1.2). За единицу объёма таких материалов принимают не только зерна самого материала, но и пустоты между ними. Количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпного материала, выраженное в процентах по отношению ко всему занимаемому объему, называют межзерновой пустотностью.Этот показатель важен для сыпучих материалов с рыхлозернистой структурой: для песка, щебня, гравия, керамзита и других материалов применяемых при изготовлении бетона, а также для зернистых теплоизоляционных материалов.

Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м3 (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м3 у тяжелого бетона и 7850 кг/м3 у стали.

Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем больше средняя плотность, тем прочнее материал. Для пористых строительных материалов истинная плотность больше средней. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.

Пористость П– объёмная доля воздушных пустот в материале.

, (1.5)

где: - объём пустот (пор) в материале.

Строение пористого материала характеризуется количеством и геометрическими размерами пор в виде капилляров (в форме трубочек) и ячеек (сферической формы).

По величине истинной и средней плотности рассчитывают общую пористостьП материала в %

, (1.6)

Поры в материале могут иметь различную форму и размеры. Они могут быть открытыми, сообщающимися с окружающей средой, и замкнутыми, заполненными воздухом. При погружении материала (изделия) в воду открытые поры полностью или частично заполняются водой. В замкнутые поры вода проникнуть не может. Открытую или капиллярную пористостьопределяют по водонасыщению материала под вакуумом или кипячением его в воде

, (1.7)

где: – масса образца в сухом состоянии, г; – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; – объем образца, см3; - плотность воды, кг/м3.

Общая пористость различных по назначению материалов колеблется в широком интервале. Так, для тяжелого, прочного конструкционного бетона – 5…10 % , кирпича, который как стеновой материал должен обеспечить прочность, легкость стеновой конструкции и пониженную теплопроводность – 25…35 % , для эффективного теплоизоляционного материала пенопласта – 95 %. Большое влияние на свойства материалов оказывают не только величина пористости, но и размер пор, их характер. При увеличении объема замкнутых пор и уменьшении их величины повышается морозостойкость материала и снижается теплопроводность. Наличие открытых крупных пор делает материал проницаемым для воды, неморозостойким, но в то же время он приобретает акустические свойства.

 

1.2.2. Гидрофизические свойства

Гидрофизические свойствапроявляют материалы и изделия при контакте с водой и паром. Наиболее важные из них – гигроскопичность, водопоглощение, водостойкость, водопроницаемость, морозостойкость, воздухостойкость.

Увлажнение и насыщение водой оказывает большое влияние на многие важные эксплуатационные характеристики строительных материалов и изделий. В результате насыщения водой существенно изменяются их весовые характеристики, тепло- и электропроводность, линейные размеры и объём, физико-механические свойства.

В зависимости от вещественной природы материала способность материалов притягивать к своей поверхности молекулы воды различна. Материалы способные притягивать к своей поверхности воду называются гидрофильными (бетон, древесина, стекло, кирпич и другие); а отталкивающие воду – гидрофобными(битум, полимерные материалы).

Гигроскопичность– свойство материалов поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей наружной поверхности и внутренней поверхности пор. Мерой гигроскопичности материалов является величина влажности материала по массе (ГОСТ), определённая на образцах материала при заданных температурно-влажностных условиях воздуха по формуле

. (1.8)

Поглощение влаги из воздуха обусловлено способностью поверхности материалов, всегда имеющей неуровновешенный электростатический заряд, насыщаться дипольными молекулами воды, а также поглощение воды за счёт капиллярной конденсации. Этот физико-химический процесс называется сорбцией, Сорбционная способность является обратимым процессом и зависит от температурно-влажностных условий воздуха. С повышением (уменьшением) относительной влажности воздуха при постоянной температуре возрастает (снижается) сорбционная влажность материала. Поэтому оценку гигроскопичности материалов дают для определённой эксплуатационной влажности атмосферного воздуха.

При равной общей пористости и одинаковом вещественном составе материала, чем мельче поры, тем больше общая площадь внутренней поверхности пор, следовательно, гигроскопичность выше. Для зернистых материалов имеет место аналогичная закономерность. Этот процесс является обратимым и зависит от температуры и влажности воздуха. При снижении влажности часть гигроскопичной влаги испаряется. В зависимости от вещественной природы материала гигроскопичность различна. Так, например, равновесная влажность по массе стеновых материалов составляет 5-7%, комнатно-сухой древесины составляет 8-12%, а воздушно-сухой древесины после продолжительной сушки на открытом воздухе составляет 15-18%.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале количеством поглощённой влаги и интенсивностью всасывания.

Высоту поднятия воды в капилляре определяют по формуле

, (1.9)

где: - поверхностное натяжение; - краевой угол смачивание; r - радиус капилляра; плотность жидкости; g - ускорение свободного падения.

Поры в материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения явления. Высоту всасывания воды определяют, применяя метод «меченых атомов», либо по изменению электропроводности материала. Уменьшение интенсивности всасывания отражается на повышении морозостойкости материала, то есть структура материала такого материала лучше.

Капиллярное всасывание воды происходит пористым материалом, когда часть или вся конструкция из этого материала находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от её низменной части. Под фундаменты и конструкционные слои дорожных покрытий укладывают слой из крупной фракции щебня для исключения капиллярного поднятия воды и насыщения конструкционных слоев водой.

Водопоглощение– способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Мерой водопоглощения по массе является отношение массы воды, поглощенной образцом материала высушенного до постоянной массы, после его насыщения при полном погружении в воду, к массе образца в сухом состоянии (ГОСТ).

, (1.10)

Использование водопоглощения по массе для сравнения различных видов материалов не правомерно, так как этот параметр не отражает абсолютной величины поглощённой влаги материалом. Он может использоваться только для контроля одного вида материала. Водопоглощение по массе у таких высокопористых материалов как, например древесина, минераловатные и стекловатные плиты, может быть более 100%.

Другим показателем является водопоглощение по объему. Мерой водопоглощения материала по объему является отношение объёма воды, поглощенной образцом материала высушенного до постоянной массы, после его насыщения при полном погружении в воду, к объёму образца.

, (1.11)

Этот показатель зависит от объема, природы пор (замкнутые, открытые) и степени гидрофильности материала. Так, водопоглощение гранита составляет 0,02…0,7 %, тяжелого бетона 2…4 %, кирпича 8…15 %, древесины 40…70%.

Водопоглощение по объёму характеризует кажущуюся пористость (условно открытую) пористость материала. Так как в материале имеется некоторое количество замкнутых (условно закрытых) пор объёмное водопоглощение всегда меньше 100%, то есть этот параметр не отражает истинную пористость материала.

Водопоглощение по объёму используют для расчёта коэффициента насыщения пор водой, который характеризует объёмную долю условно открытых пор в материале.

, отн. (1.12)

Коэффициент насыщения изменяется от 0 (все поры замкнутые) до 1 (все поры открытые). Уменьшение при той же пористости свидетельствует сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости материала.

В результате насыщения материала водой и нарушения связей между частицами материала из-за проникновения молекул воды между кристаллами и в трещины материала прочность его снижается. Это состояние материала характеризует коэффициент размягчения , который равен отношению предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой , к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии .

, отн. (1.13)

Этот коэффициент характеризует водостойкость материалов. Для глины и гипса он близок к нулю, металла и стекла равен единице. Материалы с Кразм> 0,8 считают водостойкими, с Кразм< 0,8 – не водостойкими и применять их в несущих конструкциях, испытывающих постоянное действие воды, не разрешено (фундаменты зданий, дамбы, плотины).

Влагоотдача– способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности влажности образца и окружающей среды. Чем она выше, тем интенсивнее идет высушивание изделия. Крупнопористый гидрофобный материал отдает воду быстрее, чем мелкопористый гидрофильный. В естественных условиях влагоотдачу строительных материалов характеризуют интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и температуре равной 20 °С.

Водопроницаемость– свойство материала пропускать воду под давлением через свою толщу. Водопроницаемость оценивают по коэффициенту фильтрации .

, м/с (1.14)

Коэффициент фильтрации равен объёму воды 3), проходящей через стенку площадью S =1 м2 и толщиной в a =1 м за время t =1 час при разности гидростатического давления на границе стенки (p1- p2) = 1 м водяного столба.

Особенно важно это свойство при строительстве гидротехнических сооружений (дамбы, плотины, молы, мосты), резервуаров, возведении стен подвалов при наличии грунтовых вод. Коэффициент фильтрации непосредственно связан обратной зависимостью с водонепроницаемостью материала. Чем ниже , тем выше марка по водонепроницаемости.

Водонепроницаемостьбетона и других материалов характеризуется маркой W2, W4...W12, обозначающей одностороннее гидростатическое давление в кг/см2 (атмосферах), при котором образец не пропускает воду в условиях стандартных испытаний. Испытания проводят на специальной установке.

Морозостойкость – способность материала сохранять свою прочность при многократном попеременном замораживании в водонасыщенном состоянии и оттаивании в воде. (ГОСТ) Для материалов, эксплуатируемых в условиях знакопеременных температур наружного воздуха, морозостойкость является одним из важнейших свойств, обеспечивающих их долговечность (дорожные покрытия, бордюрные камни, стеновые материалы). Разрушение материалов при их замораживании в водонасыщенном состоянии связано с образованием в порах льда, объем которого примерно на 9 % больше объема замерзшей воды. Поэтому если все поры в материале будут заполнены водой, то разрушение должно было бы произойти после первого цикла замораживания. Способность материала противостоять морозному разрушению обусловлена, в первую очередь, присутствием в его структуре определенного объема замкнутых пор, в которые и отжимается часть воды под действием давления растущих кристаллов льда. Таким образом, главными факторами, определяющими морозостойкость материала, являются показатели структуры, от которых зависят степень их насыщения водой и интенсивность образования льда в порах.

В строительстве морозостойкость материала количественно оценивают маркой, обозначаемой F. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более чем на 15 % и образец не имеет видимых повреждений в виде трещин и выкрашиваний материала, а потеря массы образца составляет не более 5 %. В зависимости от назначения материала величина критериев оценки материала по морозостойкости может быть другой.

Установлены следующие марки по морозостойкости: тяжелый бетон F50 – F500, легкий бетон F25 – F500, кирпич, стеновые керамические камни F15 – F100. Марка по морозостойкости материала назначается на стадии проектирования в зависимости от вида конструкции и места расположения материала в ней, климатической зоны эксплуатации. Для наружных стен марка по морозостойкости не превышает F50.

Вследствие длительности базовых испытаний, стандартом разрешено применение следующих ускоренных методов оценки морозостойкости:

• проведение водонасыщения образцов в 5%-ных растворах хлорида или сульфата натрия (разрушение бетона ускоряется за счет дополнительного образования при замораживании кри­сталлов соли);

• снижение температуры в морозильной камере до -50°С, при которой замерзает вода в микропорах, увеличивая общий объем льда;

• расчет морозостойкости по эмпирической формуле, выве­денной на основании зависимости между деформациями бетона, возникающими в первый цикл испытаний, и его морозостойко­стью;

• расчет косвенного критерия морозостойкости по показате­лям структуры бетона.

Контроль морозостойкости экспресс-методами особенно важен для таких изделий и конструкций, как наружные стены, покры­тия дорог и аэродромов, тротуарные плиты, бордюрные элементы, стойки систем наружного освещения и линий электропередачи, для которых морозостойкость является основным фактором дол­говечности.

 

Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объём и размеры. Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоёв воды, окружающих частицы (волокна) 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, «расклинивают» их, при этом утолщаются водные оболочки вокруг частиц и уменьшаются капиллярные силы, стягивающие частицы.

Состояние чередования высыхания и увлажнения пористого материала, постоянно присутствующее при эксплуатации материалов, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие воздействия вызывают трещины, ускоряющие разрушение материала или «коробление». В подобных условиях находится, например, бетон в дорожных покрытиях, доски в облицовке фасадов зданий.

Таблица 1.1

Усадка некоторых видов материалов

Вид материала Усадка, мм/м
Древесина (поперёк волокон) Ячеистый бетон Строительный раствор Кирпич керамический Тяжёлый бетон Гранит 30-100 1-6 0.5-1 0,03-0.1 0.3-0.7 0.02-0.06

Наибольшее проявление влажностных деформаций происходит преимущественно при изменении влажности материала в интервале от 0 до предела его гигроскопической влажности. Это связано с удалением воды, находящейся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах, так как испарение воды из крупных пор и межзерновых пустот не ведёт к сближению частиц материала и практически не вызывает объёмных изменений.

Воздухостойкость (влагостойкость)– способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Природные и искусственные хрупкие каменные материалы (бетон, керамика) и древесные материалы (доска, фанера), сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются вследствие возникновения растягивающих напряжений. В подобных условиях работают дорожные покрытия, надводные части гидротехнических сооружений.

Газо- и паропроницаемость способность материала пропускать через свою толщу газы (воздух) или водяной пар.

При возникновении у противоположных поверхностей ограждения разности атмосферного давления происходит миграция воздуха через поры и трещины материала. Это явление эффективно до определённой степени, так как способствует дополнительному воздухообмену (вентиляции) и снижению влажности в помещении. При большой газопроницаемости материала одновременно увеличивается конвективный таплоперенос через стены, то есть ухудшаются теплозащитные качества стены.

При возникновении разности парциальных давлений водяного пара на противоположных сторонах ограждающей конструкции пар перемещается из области высокого давления в область низкого давления, то есть пар стремится к уравновешиванию парциальных давлений. В зимнее время года внутри тёплых помещений в воздухе содержится значительно больше водяного пара, чем снаружи, и он стремится пройти через стену. Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Повышение влажности материала способствует ухудшению теплозащитных свойств наружной ограждающей конструкции, быстрому разрушению материала особенно при действии мороза.

Для сохранения свойств ограждающих конструкций целесообразно создание условий, при которых она не будет «дышать». Особенно это относится к стенам помещений с повышенной эксплуатационной влажностью. С этой целью устраивают пароизоляционное покрытие на стене со стороны повышенного содержания водяного пара, используя следующие материалы: полиэтиленовую плёнку, рубероид, металлическую фольгу, глазурованную керамическую плитку, слой полимерной или масляной краски, а с противоположной стороны создают условия для газо- и паропроницания.

 

1.2.3. Теплофизические свойства.

К основным теплофизическим свойствам,оценивающим отношение материала к тепловым воздействиям, относятся теплопроводность, теплоемкость, термостойкость, жаростойкость, огнеупорность, огнестойкость.

Теплопроводность – способность материала пропускать тепловой поток через свою толщу при возникновении разных температур поверхности изделия. Тепло передаётся через материал посредством молекулярного, конвективного и лучистого переноса тепла. Степень теплопроводности материалов характеризует коэффициент , который равен количеству тепла, проходящего через стену из материала толщиной 1 м, площадью 1 м2, в течение 1 ч, при разности температур противоположных поверхностей стены 1 градус К (°С). Коэффициент теплопроводности измеряют в Вт/(м·К) (ГОСТ)

, (1.15)

где Q – количество тепла, Дж; δ – толщина материала, м; А – площадь сечения, перпендикулярного направлению теплового потока, м2; (t1–t2) – разность температур, К; Т – время прохождения тепла, ч.

Теплопроводность материала зависит от вещественного состава, строения и характера пористости, температуры и влажности материала. Особенности структуры оказывают значительное влияние на теплопроводность. Например, если материал имеет волокнистое строение, то тепло вдоль волокон передается быстрее, чем поперек. Так, теплопроводность древесины вдоль волокон равна 0.30, а поперек – 0.15 Вт/(м·К). Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые; материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Это объясняется тем, что в крупных и сообщающихся порах возникает движение воздуха (увеличивается конвективный теплообмен), облегчающее перенос тепла. Наличие воды в порах материала повышает его теплопроводность, так как вода имеет коэффициент 0.58 Вт/(м·К), а воздух – 0.023 Вт/( м·К). При замерзании влажных материалов коэффициент теплопроводности еще более повышается, потому что коэффициент теплопроводности льда равен 2.3 Вт/( м·К), т.е. в 100 раз больше, чем у воздуха. С увеличением температуры тела увеличивается лучистый теплообмен в пористых материалах. Поэтому при расчёте конструкций коэффициент теплопроводности строительных материалов принимают для температурно-влажностных условий её эксплуатации.

Теплоемкость – свойство материала поглощать (аккумулировать) при нагревании тепло и выделять его при остывании. При охлаждении материалы выделяют тепло, причем тем больше, чем выше их теплоемкость. Коэффициент теплоемкости по массе См равен количеству тепла (Дж), необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 К

, (1.16)

где: Q – количество тепла, кДж; т – масса материала, кг; (t1 – t2) – разность температур, К.

Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетон, кирпич, природные каменные материалы) изменяется в пределах 0.75 –0.92 кДж/(кг·К), древесины –2.39…2.7 кДж/(кг·К). Вода имеет наибольшую теплоемкость – 4.19 кДж/(кг·К), а сталь всего – 0.48 кДж/(кг·К), то есть в 8.7 раз больше. Поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает, а стальные конструкции требуют для нагрева меньшей энергии.

 

 

Таблица 1.2

Средние значения показателей плотности, пористости и теплопроводности для ряда строительных материалов

Наименование материала Истинная плотность, г/см3 Средняя плотность, г/см3 Пористость, % Теплопро-водность, Вт/(м°С)
Бетон: · тяжёлый · легкий · ячеистый   2.60 2.60 2.60   2.40 1.00 0.5     1.16 0.35 0.20
Кирпич: · обыкновенный · пустотелый   2.65 2.65   1.65 1.30     0.80 0.55
Природный камень: · гранит · известняк   2.70 2.70   2.67 1.40   1.4   2.80 0.50
Стекло: · оконное · пеностекло   2.65 2.65   2.65 0.30   0.0   0.58 0.11
Полимерные материалы: · стеклопластик · пенополистирол     2.00 1.20     2.00 0.025   0.0       0.5 0.03
Древесные материалы: · сосна · ДВП     1.53 1.50   0.50 0.20     0.17 0.06

 

Этот показатель имеет большое значение при проверке теплоотдачи стен и перекрытий, расчете подогрева материалов для зимних работ. Если строительный материал состоит из нескольких составных частей (например, бетон или строительный раствор), то коэффициент теплоемкости такого материала рассчитывают как сумму произведений теплоёмкостей составляющих его компонентов на их весовую долю в материале.

Термостойкость – способность материала выдерживать без разрушений определенное количество резких колебаний температуры. Единицей измерения этого свойства является количество теплосмен, определяемое для многих теплоизоляционных и огнеупорных материалов.

Жаростойкость – способность материала выдерживать температуру эксплуатации до 1000°С без нарушения сплошности и потери прочности.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высоких температур без деформаций и разрушения. По степени огнеупорности материалы подразделяют на огнеупорные, работающие без снижения свойств при температуре свыше 1580°С, тугоплавкие – 1580…1350 °С и легкоплавкие – ниже 1350 °С. К этим материалам специального назначения относятся шамотные (обожженная глина), динасовые (состоящие в основном из оксида кремния) и высокоглиноземистые (содержащие преимущественно оксид алюминия), которые применяют в виде мелкоштучных кирпичей для внутренней футеровки промышленных тепловых агрегатов (доменные, сталеплавильные, стекловаренные печи, автоклавы и т.д.).

Огнестойкость конструкций – свойство конструкции сопротивляться действию огня и воды при пожаре в течение определенного времени. Ко всем конструкциям, используемым в строительстве, и особенно к тем, из которых выполняют несущие элементы здания: стены, колонны, перекрытия, – предъявляют требования по огнестойкости, которые зависят от категории здания и сооружения по пожаробезопасности, определяемой СНиПом. Для оценки огнестойкости введен показатель возгораемости, основанный на трех признаках предельного состояния конструкций: потере несущей способности (снижение прочности и увеличение деформаций), теплоизолирующих свойств и сплошности.

Предел огнестойкости конструкций и материалов характеризуется временем (ч) с начала теплового воздействия и до появления одного из признаков предельного состояния.

Огнестойкость (возгораемость) строительных материалов подразделяется на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

К несгораемымотносят бетон, кирпич, сталь, природные каменные материалы.

Трудносгораемые – материалы, которые под действием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются (фибролит, состоящий из древесных стружек и цементного камня, асфальтобетон, некоторые полимерные материалы).

Сгораемые – материалы, которые при контакте с огнем загораются и горят открытым пламенем даже в случае ликвидации источника огня (древесина, битум, полимерные материалы).

Линейное температурное расширение материаловхарактеризуется коэффициентом,который для бетона и стали практически одинаковый и равен 10*10-6 °С-1, для гранита – 8…10*10-6°С-1, для дерева – 20*10-6°С-1. Благодаря одинаковости линейного температурного расширения у бетона и стали железобетонные конструкции могут работать без разрушения при колебаниях температуры. При сезонном изменении температуры окружающей среды и материала на 50°С относительная температурная деформация в конструкциях зданий достигает 0.5*10-3… 1*10-3, то есть 0.5…1 мм/м. Поэтому, во избежание растрескивания сооружений большой протяжённости их разрезают температурными деформационными швами.

 

1.2.4. Акустические свойства

При действии звука на материал проявляются его акустические свойства.По назначению акустические материалы делят на четыре группы: звукопоглощающие, звукоизолирующие, виброизолирующие и вибропоглощающие.

Звукопоглощающиематериалы предназначены для поглощения шумового звука. Основной акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству падающей на поверхность материала в единицу времени. Звукопоглощающими материалами называют те, у которых коэффициент звукопоглощения больше 0,2. Эти материалы обладают открытой пористостью или имеют шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук.

Звукоизолирующиематериалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Оценку эффективности звукоизоляционных материалов проводят по двум основным показателям: динамическому модулю упругости и относительной сжимаемости (%) под нагрузкой.

Виброизолирующие и вибропоглощающие материалы предназначены для устранения передачи вибрации от машин и механизмов на строительные конструкции зданий.


 

Химические и биологические свойства

 

1.3.1. Химическая стойкость

Химические свойства характеризуют способность материала к химическим взаимодействиям с другими веществами. Возможность химических и физико-химических процессов определяется наличием у строительных материалов таких свойств, как химическая активность, растворимость, способность к кристаллизации и адгезии.

Химическая активностьможет быть положительной, если процесс взаимодействия приводит к упрочнению структуры (образование цементного, гипсового камня), и отрицательной, если протекающие реакции вызывают разрушение материала (коррозионное действие кислот, щелочей, солей).

Химическая стойкость (кислотостойкость, щёлочестойкость и маслобензостойкость) – это свойство материалов противостоять разрушающему действию жидких и газообразных агрессивных сред. Химическую стойкость оценивают специальным коэффициентом, который рассчитывают по отношению прочности (массы) материала после коррозионных испытаний (в случае кислот и щелочей образцы в течение двух часов кипятят соответственно в концентрированном растворе кислоты или щелочи) к прочности (массе) до испытаний. При коэффициенте 0,90 – 0,95 материал признается химически стойким по отношению к исследуемой среде.

К кислотостойким материалам относятся углеродистые стали и чугуны, содержащие более 2.5% углерода, титан, гранит, каменное литьё из диабаза и базальта, силикатное стеклор, керамические материалы, кислотостойкий бетон и другие. К щёлочестойким материалам относятся специальные хромоникилевые стали, никиоевые латуни, известняки, бетоны на основе портландцемента и др. Степень их химической стойкости не универсальна и требует конкретной оценки в зависимости от предполагаемой области применения.

Важным свойством является маслобензостойкость строительных материалов. При контакте с такими жидкими углеводородами как бензин и масло минерального происхождения многие полимеры могут растворяться и ли набухать. Так, например, резиновые материалы в бензине увеличиваются в объёме в несколько раз. Маслобензостойкость необходимо учитывать при выборе материалов для покрытия полов в гараже, станциях технического обслуживания, некоторых промышленных зданиях.

При выборе материалов необходимо учитывать также свойства материалов противостоять действию газов, растворов солей, способных накапливаться в порах материала, кристаллизоваться, вызывая рост деформаций и разрушение изделия. Возможно одновременное действие на материал нескольких химически агрессивных агентов.

Коррозионная стойкость – свойство материала сопротивляться разрушению в результате действия агрессивной среды.

Коррозионная стойкость зависит от состава и структуры материала, наличия механических напряжений, состояния поверхности, условиями воздействия агрессивной среды. Материалы стойкие в одних средах, могут быть нестойкими в других. Например, известняки стойки по отношению к щелочам, но разрушаются под действием минеральных кислот. Большинство природных каменных материалов (кроме гранита, базальта, кварцита), цементы (кроме кислотостойкого) нестойки по отношению действию кислот. Для защиты бетона и других неметаллических материалов применяют защитные покрытия, увеличивают плотность структуры, используют специальные цементы, подбирают стойкие заполнители.

Количественно коррозионная стойкость материалов оценивается по уменьшению толщины материала (мм/год) или потере массы материала с единицы площади в течение часа, по потери механической прочности и другим показателям.

Коррозию железа и сплавов на его основе называют ржавлением. Коррозия металлов происходит вследствие химического и электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Коррозионную стойкость металлов повышают легированием (введением специальных добавок), рафинированием (очисткой от вредных примесей), нанесением защитных покрытий, химико-термической обработкой и другими способами.

К химическим свойствам материалов относят их адгезионную способностьспособность сцепления (прилипания) и связь между находящимся в контакте поверхностями разнородных по составу веществ, которая проявляется в сопротивлению отрыву или разделению контактирующих материалов. Количественно адгезия оценивается усилием отрыва, отнесённое к единицы площади контакта.

Адгезия имеет большое значение при сварке и пайке материалов, склеивании, нанесении защитно-декоративных лакокрасочных покрытий. Иногда физико-химическая адгезия дополняется механической адгезией, при которой происходит механическое зацепление затвердевшего клея или покрытия за неровности (шероховатости) твёрдой поверхности, например, величина сцепления кирпичной кладки имеет решающее значение для сейсмических условий эксплуатации конструкций.

 

1.3.2. Биологическая стойкость

Наряду с химической коррозией выделяют биологическую коррозию, которая протекает под влиянием процессов жизнедеятельности бактерий и других живых организмов.

Способность материалов противостоять разрушающему воздействию биологической коррозии характеризует их биологическая стойкость (биостойкость). Металлы, их сплавы, каменные и другие неорганические материалы, большинство пластмасс практически биостойки. Влажная древесина и некоторые другие органические материалы слабо сопротивляются биологически активной среде.

Биологическая коррозия неорганических строительных материалов (например, бетонов) может быть сведена к химической и физико-химической коррозиям, в которых продукты жизнедеятельности низших организмов являются агрессивными веществами. Разрушение органических материалов (древесины, войлока, текстильных материалов, некоторых видов пластмасс) происходит в результате

Рис. 1.1. Поражение древесины домовыми дереворазрушающими грибками

а – настоящими, б – белыми, в - пленчатыми

 

деятельности низших растений и организмов, для которых вещество служит жизненной и питательной средой. Таковы, например, действия вызываемые грибками и бактериями (гнили), насекомыми (червоточина) и др. Одни виды грибков, которые питаются плазмой клеток и изменяют только окрас древесины и практически не изменяют её прочность, называют деревоокрашивающие грибками. Другие грибки, называемые дереворазрушающими, питаясь клетчаткой древесины и разрушая её клеточную структуру, снижают механические свойства древесины. Эти грибки наиболее опасны для несущих конструкций. Для борьбы с грибковыми поражениями органических материалов используют антисептирующие средства (антисептики), которые обладают противомикробным действием, вызывающие гибель микробов (бактерицидное действие), либо задерживающие их рост (бактериостатическое действие).

Рис. 1.2. Червоточина

а – поверхностная, б – неглубокая, в – глубокая, г – сквозная

 

Биологические свойства материалов могут быть использованы архитекторами не только с целью предотвращения нежелательных последствий, а для декоративных целей. Известен опыт использования таких пористых материалов как поропласта, керамзита, пенополиуретана, поры которых заполняют биологическим раствором, для выращивания декоративных растений на фасадах зданий и в интерьере. Из подобных материалов могут быть изготовлены декоративные перегородки, ограждения балконов, лоджий и т.п.

Повреждения древесины может быть вызвано так же насекомыми и их личинками. Такое повреждение древесины, называемое червоточиной или поражением древоточцами, ухудшает её механические свойства. Поверхностное повреждение древесины короедом практически не изменяет прочность древесины, в то время как глубокая червоточина, встречающаяся на всех породах древесины, может существенно снизить её прочность. Образовавшиеся отверстия в древесине способствуют поражению заболонной части ствола дерева гнилью и грибками.

 

 

1.4. Механические свойства

 

1.4.1. Нагрузки и деформации.

Строительные материалы и конструкции подвергаются различным внешним силовым воздействиям – нагрузкам, которые вызывают внутренние напряжения и деформации. Нагрузки делятся на статические, действующие постоянно, и динамические, которые прикладываются внезапно и вызывают силы инерции.

На сопротивление статическим нагрузкам рассчитываются все здания и сооружения. Это нагрузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкций и т.д. Ряд сооружений предназначены для восприятия не только статических, но и эксплуатационных динамических нагрузок: мосты, тоннели, дорожные и аэродромные покрытия, кузнечные и прессовые цеха, фортификационные сооружения и специальные объекты, а также динамические нагрузки от аварий на предприятии (взрыва и удара) и действия природных катастроф - землетрясений, ураганов, наводнений, селевых потоков, оползней и др.

 

Рис. 1.3. Схемы диаграмм «напряжение-деформация»

а – стекла, б – стали, в – бетона, г – эластомера

 

Механические свойства характеризуют поведение материалов при действии нагрузок различного вида (растягивающей, сжимающей, изгибающей и т.д.). В результате механических воздействий материал деформируется (рис. 1.3). Если внешние усилия невелики, деформация является упругой, т.е. после снятия нагрузки материал возвращается к прежним размерам. Если нагрузка достигнет значительной величины, кроме упругих деформаций появляются пластические, приводящие к необратимому изменению формы. Наконец, при достижении некоторой предельной величины происходит разрушение материала. В зависимости от того, как материалы ведут себя под нагрузкой, их подразделяют на пластичные, упругопластичные и хрупкие. Пластичные – это материалы, которые изменяют форму под нагрузкой без появления трещин и сохраняют изменившуюся форму после снятия нагрузки. Пластичные материалы, как правило, однородные, состоящие из крупных, способных смещаться относительно друг друга молекул (органические вещества), или состоящие из кристаллов с легко деформируемой кристаллической решеткой (металлы). Хрупкие материалы, разрушаются без заметных остаточных деформаций (бетон, природный камень, кирпич) хорошо сопротивляются сжатию и в 5 –50 раз хуже – растяжению, изгибу, удару (соответственно стекло – гранит).

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину Δl в направлении действия силы сжатия – укорочение, или растяжения - удлинения. Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации к первоначальному линейному размеру тела:

, (1.17)

Напряжение материала – внутренняя сила, приходящаяся на единицу поверхности, вызванная в деформируемом теле под воздействием внешних сил. При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле

, (1.18)

где: - действующая внешняя сила, - площадь первоначального поперечного сечения элемента, перпендикулярного направлению действия силы.

Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию материала и одноосное напряжение материала линейным соотношением, выражающим закон Гука

, (1.19)

Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности, под которым понимают напряжение, вызывающее разрушение материала.

 

1.4.2. Прочность и твёрдость материалов

Предел прочности на сжатиеили растяжение определяют по формуле

, (МПа, кгс/см2) (1.20)

где Р – разрушающая нагрузка, Н (кгс); F – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм2 (см2).

Определение предела прочности на сжатие строительных материалов проводят согласно ГОСТам путем испытания образцов на механических или гидравлических прессах. Схемы стандартных методов определения прочности при сжатии, растяжении и растяжении при изгибе представлены в Таблицах. Прочность зависит от структуры материала, вещественного состава, влажности, направления и скорости приложения нагрузки.

Связь между пределом прочности на сжатие и величиной средней плотности используют для оценки эффективности материала в конструкциях, вычисляя коэффициент конструктивного качества или удельную прочность по формуле

, (МПа) (1.21)

где: R - показатель прочности материала. МПа; d – относительная прочность, отн.

Следовательно , это прочность, отнесённая к единице средней плотности материала. Лучшие показатели имеют конструктивные материалы, имеющие меньшую среднюю плотность. Так, например, для стеклопластика = 450/2 = 225 МПа, древесины - 100/0.5 = 200 МПа, высокопрочной стали - 1000/7.85 = 127 МПа, стали обыкновенной - 390/7.85 = 51 МПа.

 

 

Таблица 1.3

Схемы стандартных методов определения прочности при сжатии

 

Таблица 1.4

Схемы стандартных методов определения прочности

при растяжении и при изгибе

Для каменных материалов значения составляют: для лёгкого конструкционного бетона – 40/1.8 = 22.2 МПа, тяжёлого бетона – 40/2.4 = 16.6 МПа, лёгкого конструкционно-теплоизоляционного бетона – 10/0.8 = 12.5 МПа, кирпича – 10/1.8 = 5.56 МПа.

В расчете строительных материалов на прочность допускаемые напряжения должны составлять лишь часть их предела прочности. Создаваемый запас обусловлен неоднородностью строения большинства строительных материалов, недостаточной надежностью полученных результатов при определении предела прочности, отсутствием учета многократного переменного действия нагрузки, старения материалов и т.д. Запас прочности и величину допускаемого напряжения определяют и устанавливают в соответствии с нормативными требованиями в зависимости от вида и назначение материала, долговечности строящегося сооружения.

Единичные результаты испытаний образцов недостаточно характеризуют прочность бетона в конструкции. Конструкционные материалы и изделия характеризуют маркой по прочности. Марка М – числовая характеристика какого-либо свойства бетона, принимаемая по его среднему значению, то есть без учёта степени его однородности. Вследствие неоднородности свойств получаемого бетона, часть бетона в конструкции может иметь значения прочности бетона выше расчётной, другая часть ниже. В таком случае конструкция может не выдержать расчётных нагрузок и обрушиться. Поэтому необходимо обеспечить повышение надёжности бетонных и железобетонных конструкций.

Исключить неоднородность качества сырья, случайные изменения параметров производственного процесса не возможно. Но чем выше общая культура строительства, в том числе, чем выше уровень управления качеством продукции на производстве, тем лучше качество приготовления и укладки бетона в конструкцию, тем меньше будут возможные колебания показателей прочности бетона. Статистической характеристикой однородности свойств бетона является коэффициент вариации ν, который равен отношению среднего квадратического отклонения отдельных результатов испытаний прочности к его средней прочности. Чем меньше его значение, тем более однороден по свойствам бетон. В идеальном случае ν = 0, на практике для контроля прочности тяжёлого бетона принимают следующие оценки настроенности производства: при ν < 6% однородность считается хорошей, при ν = 13% - удовлетворительной, а при значении ν > 16% недопустимой.

Таким образом, для нормирования прочности материала в конструкциях необходимо использовать характеристику, которая гарантирует получение бетона с заданной прочностью с учётом возможных её колебаний. Такой характеристикой является класс бетона.

Класс бетона В – это числовая характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 95%). Например, класс бетона В20 следует понимать так: при определении предела прочности при сжатии бетона на любом, произвольно взятом участке конструкции будет получен результат 20 МПа и более, и лишь в 5% случаев можно ожидать значения менее 20 МПа. Между классом бетона и его маркой с учётом настроенности производства существует следующая взаимосвязь

 

. (1.22)

 

Твердость– способность материала сопротивляться проникновению в его поверхность другого более твердого тела. Для определения твердости существуют несколько методов. Твердость каменных материалов, стекла оценивают с помощью минералов шкалы твердости Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твердости (1 – тальк или мел, 10 – алмаз). Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим минералом.

 

Таблица 1.5

Шкала Мооса для определения твёрдости природных каменных материалов

Наименование минералов Твёрдость по Моосу, баллы Твёрдость по ПМТ-3, МПа Упрощённая характеристика
Тальк Чертится ногтём
Гипс Чертится ногтём большого пальца
Известняк Чертится ножом
Флюорит (плавиковый шпат) С трудом чертится ножом
Апатит Не царапается ножом и не чертит стекло
Полевой шпат Слегка царапает стекло
Кварц Легко чертит стекло
Топаз Тоже
Корунд Тоже
Алмаз Тоже

 

 

Твердость металлов и пластмасс рассчитывают по диаметру отпечатка вдавливаемого стального шарика определенной массы и размера (метод Бринелля), по глубине погружения алмазного конуса под действием заданной нагрузки (метод Роквелла) или площади отпечатка алмазной пирамиды (метод Виккерса). Твердость материалов определяет возможность их использования в конструкциях, подвергающихся истиранию и износу (полы, дорожные покрытия).

 

Таблица 1.6

Методы определения твёрдости по Бринеллю, Виккерсу и Кнупу

 

 

1.4.3. Износостойкость материалов

Истираемостьхарактеризуется величиной потери первоначальной массы материала (г), отнесенной к единице площади (см2) истирания. Истираемость определяют на специальных кругах или посредством воздействия на поверхность материала воздушной или водной струи, несущей в себе зерна абразивных материалов (песок определенной крупности). Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней. Некоторые материалы испытывают также на износ.

Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых для покрытия полов в цехах промышленных предприятий. Предел прочности материала при ударе характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема. Испытание материалов проводят на специальном приборе - копре.

Износ – разрушение материала при совместном действии истирающей и ударной нагрузок. Для определения износостойкости образцы материала испытывают в специальном вращающемся барабане с металлическими шарами. Прочность оценивают по потере массы образцов, выраженной в процентах. Износу подвергаются покрытия дорог, аэродромов и полов промышленных предприятий. Совокупность свойств материалов должна обеспечивать их долговременную нормативную эксплуатацию в зданиях и сооружениях – долговечность.

 

1.5. Технологические свойства

 

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться тому или иному виду обработки. Так, например, к технологическим свойствам древесины относятся: хорошая гвоздимость, легкость обработки различными инструментами. Технологические свойства некоторых полимерных материалов включают способность обтачиваться, сверлиться, легко склеиваться, свариваться. Бетонные, растворные, глиняные, асфальтобетонные и другие смеси обладают пластичностью, вязкостью, которые обеспечивают заполнение определенного объема.

Пластично-вязкие материалы по своим физическим свойствам занимают промежуточное положение между жидкими и твердыми и при определенных условиях могут как бы совмещать свойства твердого тела и жидкости. Известно, что глиняное или иное тесто можно разрезать ножом, чего нельзя сделать с жидкостью, но тесто под действием внешних сил может принимать форму сосуда, т.е. ведет себя как жидкость.

Пластичность– способность материала деформироваться без разрыва сплошности под влиянием внешнего механического воздействия и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы прекращается.

Пластичность – это важное свойство, влияющее на технологию производства бетонов, строительных растворов, керамических и других строительных материалов, а также на свойства готовых изделий. При высокой пластичности ускоряются и удешевляются операции смешивания и формования, повышается однородность готовых изделий, что благоприятно сказывается на их физических и механических свойствах, химической стойкости.

Вязкостьюили внутренним трениемназывают сопротивление жидкости передвижению одного ее слоя относительно другого. Когда какой-либо слой жидкости приводится в движение, то соседние с ним слои тоже вовлекаются в движение и оказывают ему сопротивление. Величина этого сопротивления зависит от вещественного состава и температуры. Для количественной характеристики вязкости служит коэффициент динамической вязкости, который измеряют в Па*с. Вязкостные свойства имеют большое значение при использовании органических вяжущих материалов, синтетических и природных полимеров, клеев, масел, красочных составов. Вязкость этих материалов снижается при нагревании и резко повышается с понижением температуры. Например, от вязкости красок готовых к употреблению зависит качество окрасочного слоя и его экономичность. При окрашивании поверхности кистью важно иметь вязкость краски, которая позволяет нанести без затруднений слой краски требуемой толщины. В случае высокой вязкости краски слой получается неоднородным, толстым и труднонаносимым. В противном случае, слой легко наносится, но получается тонким и просвечивающимся, не обеспечивает декоративное качество и защиту конструкции.

 

1.6. Эстетические свойства

Эстетические, или архитектурно-ху­дожественные, свойства строительных материалов и изделий определяется та­кими его параметрами, как форма, цвет, фактура и рисунок (текстура). Эстетические свойства определяются тремя основными вида­ми характеристик: психологическими, физиологическими и физическими. По­следние могут быть количественно вы­ражены по результатам простых изме­рений геометрических размеров или с помощью специальных приборов (фотометров, спектрофотометров, блескомеров и т.п.). Объективная соста­вляющая физиологических параметров цвета также поддается количественной оценке с помощью методов колориметрии, учитывающих спектральные ха­рактеристики зрительного анализатора среднего (нетренированного) наблюда­теля.

1.6.1. Форма изделий

Формастроительных материалов и изделий играет существенную роль не только в их функциональной, но и в эстетической оценке. Издавна зодчие и строители заботились о том, чтобы форма применяемых материалов (ка­менного блока, кирпича, облицовочной плитки) была эстетически осмыслен­ной, строгой, пропорциональной. Эстетичность формы материала и изделия определяется ее геометрией (для объемных изделий - кубическая, параллелепипедная, цилиндрическая, лекальная и т.д.; для плоских - квадрат­ная, прямоугольная, многогранная, лекальная и т. д.) и пропорциями (со­отношениями) основных размеров.

Форма- важная эстетическая харак­теристика и для таких строительных материалов и изделий, как стеклоблоки, профильное стекло (стеклопрофилит), штучный деревянный паркет, плинтусы, наличники, поручни и дру­гие профильно-погонажные материалы из дерева, пластмасс и алюминиевых сплавов, рельефные облицовочные ма­териалы для фасадов и интерьеров из листового штампованного металла или вакуумформованных пластмасс и т.д.

 

1.6.2. Цвет материалов и изделий

Цвет - одно из свойств объектов материального мира, воспринимаемое как осознанное зрительное ощущение. Под цветом материалов (изделий) понимают определенное зрительное ощу­щение, вызываемое в результате воз­действия на глаз потоков электромаг­нитного излучения в диапазоне види­мой части спектра (длина волн X составляет 380-760 нм). Цвет мате­риала (как цветовое ощущение) зависит от спектрального состава светового потока, отраженного поверхностью материала или прошедшего через него (последний характеризует цвет только светопроницаемых материалов - сте­кла, некоторых минералов и пласт­масс).

В общем случае цвет материала обусловлен следующими факторами: его окраской, свойствами поверхности, оптическими свойствами источников света (известно, например, что цвет одних и тех же обоев по разному воспри­нимается днем и при искусственном освещении вечером) и среды, через ко­торую свет распространяется, индиви­дуальными особенностями зрительно­го анализатора и психофизического процесса переработки зрительных впе­чатлений в мозговых центрах наблю­дателя. При качественном описании цвета используют три его взаимосвя­занных субъективных атрибута: цвето­вой тон, насыщенность и светлоту.

Видимый спектр можно разделить на участ­ки различной цветности; границы этих участков обозначают длины волн излучений в наноме­трах (нм): 380-430 - фиолетовый цвет, 430-470 - синий, 470-510 - голубой, 510-560 - зеленый, 560-590 - желтый, 590-620 - оранжевый, 620-760 - красный. На граничных участках во­спринимаются смешанные цвета (например, около 590 нм - желто-оранжевый, около 620 нм - красно-оранжевый и т.д.).

В спектре отсутствуют бело-серо-черные цвета, называемые ахроматическими (что в переводе с древнегреческого означает бесц­ветные). Эти отсутствующие в спектре цвета различаются только по светлоте, которую наше сознание обычно связывает с количеством белого или чёрного пигмента.

Хроматические (определенные по цветно­сти) цвета материалов отличаются друг от дру­га как по светлоте, так и по цветовому тону («оттенку») - качественной характеристике, в от­ношении которой цвет материала можно при­равнять к одному из названных выше спектральных или пурпурных (переходных между крайними спектральными - красным и фиолетовым) цветов. Количественно различные цве­товые тона объективно характеризуют длинами волн λ, одинаковых по оттенку спектральных цветов. Светлота хроматических поверхностей материалов определяется из сравнения их с ах­роматическими - коэффициентами отражения ρ тех ахроматических цветов, которые не кажут­ся ни темнее, ни светлее их, т.е. равны с ними по светлоте. Приблизительное представление о светлоте ахроматических и цветных поверхно­стей материалов можно получить по данным, приведенным в таблице.

Отделочные материалы часто бывают с полихромным (многоцветным) рисунком. Светло­ту таких материалов можно приближенно опре­делить по соотношению основных цветов в пределах раппорта (повторяющейся части) рисунка.

Степень отличия хроматического цвета от ахроматического той же светлоты называют насыщенностью цвета. Насыщенность характери­зует уровень, силу выраженности цветового то­на; в человеческом сознании она связана с количеством (концентрацией) пигмента, кра­ски. Число

различных ступеней насыщенности для различных цветов материалов колеблется от 4 до 25. Однако метод измерения насыщен­ности довольно сложен, и поэтому в цветоведении принято измерять не насыщенность, непос­редственно воспринимаемую глазом, а так называемую колориметрическую насыщенность, или чистоту цвета Р - соотношение (в процен­тах) интенсивностей монохроматического и бе­лого цвета в смеси, т.е. долю чистого спек­трального в смеси равноярких спектрального и белого. Чистота спектральных цветов принимается за 100%, чистота идеально белого равнялась бы нулю.

Количественно определив светлоту (коэффициент отражения), цветовой тон (длину волны излучения, воспроиз­водящего в смеси с белым измеряемый цвет) и чистоту цвета, мы объективно характеризуем цвет конкретного мате­риала. Любое изменение цвета обяза­тельно влечет за собой изменение, по крайней мере, одной из трех опреде­ляющих его величин. Умение «читать» цвет, т.е. представлять себе опреде­ленный цвет по его численным харак­теристикам, требует практического на­выка. Для примера приведем в таблице основные показатели λ, Р, ρ, характеризующие цвет некоторых красок .

 

 

Таблица 1.7

Коэффициенты отражения (светлота) поверхностей материалов

 

Цвет ахроматический   Коэффициент отражения Цвет хроматический Коэффициент отражения
Чёрный Тёмно-серый Серый Светло-серый Бело-серый («белая ночь») Белый 0,04-0,05 0,06-0,15 0,16-0,50 0,51-0,72   0,73-0,82 0,83-0,89 Тёмно-синий Зелёный и коричневый Красно-оранжевый Бежевый Голубой Жёлтый (яичный) 0,1 0,15-0,20 0,20-0,25 0,35-0,40 0,45-0,50 0,50-0,60

 

Придание численных значений опи­санным выше субъективным атрибу­там цвета материала осуществляется либо компараторным методом (сравнением с эталонными цветами, приведенным в цветовых атласах, таблицах, колерных альбомах и т.д.), либо счётными методами. Для практического применения этих методов используют приборы – колориметры, компараторы, цветные фотометры и др.

 

 

Таблица 1.8

Цветовые характеристики некоторых красок

  Наименование краски   Цветовой тон λ, мм   Насыщенность Р, %   Светлота ρ, отн.
Краплак (средний) Кадмий красный Киноварь красная Мумия Охра жжёная (светлая) Охра (светлая) Кобальт зелёный (тёмный) Зелень изумрудная Кобальт синий Ультрамарин синий Кость жжёная Пурпурный   -   - 0,06 0,16 0,15 0,19 0,21 0,53   0,09 0,06 0,12 0,05 0,04

 

Международной осветительной комиссией (МОК) были приняты две системы измерения цветов: RGB (R — red, G — green, В — blue) и XYZ. Для первой системы за основные были приняты реальные цвета (красный, зеленый и синий), характеризующиеся определенной длиной волны. Эта система сложна в практическом применении. В системе XYZ любой цвет (F) определяется координатами цвета X, У и Z, являющимися модулями векторной суммы трех первичных реально не воспроизводимых цветов, характеризующихся единичными векторами х, у и z:

Выражая количества трех первичных цветов, координаты X, Y и Z однозначио характеризуют цвет, т. е. человек не ощущает различий в двух цветах с одинаковыми координатами цвета. Однако спектральный состав таких двух цветов может быть различным. Если два образца имеют одинаковые координаты цвета, но различаются по спектральному составу, они называются метамерными. При другом источнике света эти же образцы будут различаться по цвету. Поэтому установлены три основных стандартных источника света — А, В, С — с соответствующими температурами излучения 2848, 4800 и 6500 °К. Чаще всего используют источник С, соответствующий рассеянному дневному свету.

Координаты цвета могут быть определены непосредственно при помощи приборов, называемых компараторами цвета, или рассчитаны на основании спектров отражения (спектрофотометрических кривых). По координатам цветов рассчитывают координаты цветности х, у, z, представляющие собой отношения каждой координаты цвета к их сумме:

, , . (1.23)

Поскольку х+у+z = 1, при расчетах z обычно опускается.

Характеристики цвета определяются графически на так называемом цветовом графике МОК (Рис.1,4), представляющем собой замкнутую кривую, на которой располагаются все спектральные и не спектральные пурпурные цвета. Внутри этой области находятся все реальные цвета. С помощью цветового графика определяют доминирующую длину волны λ и насыщенность (чистоту).

 

 

Рис. 1.4. Области различных цветов на цветовом графике МОК.

 

Цветовые характеристики особенно важны для оценки качества отделочных материалов, применяемых в наружной и во внутренней отделке зданий и сооружений. Поскольку цвет является одним из важнейших факто­ров производственного и бытового комфорта, при выборе отделочных ма­териалов необходимо учитывать не только их собственные цветовые ха­рактеристики, но и определенное пси­хологическое воздействие конкретных сочетаний цвета различных материа­лов (или покрасок) - цветовых гармо­ний.

Проектируя здание и его отделку, выбирая необходимые отделочные материалы, архитек­тор должен принимать во внимание (кроме объективных факторов, обусловливающих цве­товые ощущения - источники света, среда и т.п.) взаимосвязь цвета и фактуры поверхности, цве­та и формы, роль светотени и рефлексов в во­сприятии цвета. Так, с помощью цвета можно зрительно «разрушить» стену, исказить объем, изменить пропорции объекта, а цветные рефлексы могут изменять оттенки поверхностей например, при покрытии пола красным ковром белые стены будут восприниматься бледно-розовыми. В интерьере отделка удаленной торцо­вой стены материалом насыщенного теплого цвета способствует уменьшению воспринимае­мой длины помещения, а применение холодного ненасыщенного, наоборот, зрительно удлиняет его.

Широко используется способ направленного изменения цвета искусственных, а при необходимости и природных строительных материалов с помощью пигментов - цветных тонкоизмельченных неорганических и органических веществ, вводимых в состав ма­териала при его производстве или используемых для приготовления красок и пропи­точных составов.

Значительные изменения цвета материалов происходят и в естественных условиях эксплуатации. Способность мате­риала в течение длительного времени сохранять в эксплуатационных условиях без изменения свой цвет характеризуется его цветоустойчивостью. Это свойство искусственных материа­лов в значительной степени определяется стой­костью примененных пигментов. Изменение цвета окрашенных полимерных материалов наблюдается также по мере их старения.

 

1.6.3. Фактура материала и изделия

Фактура - видимое строение поверхности материала и изделия. Фак­тура характеризуется степенью неровности (рельефа) или гладкости поверх­ности и воспринимается благодаря зрительному восприятию светотеневых неравномерностей. По характеру поверхности материала различают две группы фактур: рельефные(различаю­щиеся по высоте и характеру рельефа) и гладкие (от зеркально-блестящих до шероховато-ровных).

Поскольку некоторая доля падаю­щего на поверхность любого тела (материала) света отражается от нее по закону «угол падения равен углу отра­жения», то строение поверхности мож­но определить по характеру отражения света (рис.1.5). Материалы с совершен­но гладкой (зеркальной) поверхностью отражают свет в одном определенном направлении, с которого эта поверх­ность воспринимается как блестящая. Материалы с шероховатой поверх­ностью отражают свет рассеянно, в разных направлениях, поскольку раз­личные, ничтожно мелкие участки их поверхности расположены под разным углом к потоку падающего света. Та­кая поверхность с различных направле­ний воспринимается как матовая - равномерно яркая, но не блестящая, не имеющая бликов. Иногда выделяют еще одну разновидность гладкой по­верхности - глянцевую, занимающую промежуточное положение между бле­стящей и матовой.

Цвет затененной части поверхности мате­риала отличен от цвета ее освещенной части; в каких-то точках поверхности наблюдаются блики, яркость которых зависит от яркости све­та и характера рельефа поверхности. Поэтому при рассеянном освещении поверхности со всех сторон и при интенсивном лобовом освещении неровности не дают теней, и фактура различается значительно хуже, а иногда и совсем не различается. Плохо различается фактура материала на большом расстоянии.

Много еще нераскрытых возможностей в декора­тивной обработке поверхности керами­ческих, стеклянных, гипсовых, асбестоцементных, полимерных строительных материалов и изделий. Большое значе­ние для пластики фасадов зданий имеет фактурная обработка лицевой поверхности стеновых и облицовочных материалов. Фактура материалов для подвесных акустических потолков играет существенную роль в создании акустического и светового комфорта в интерьерах.

 

Рис. 1.5. Схемы отражения света от различных поверхностей материалов

а – направленное от зеркальной (блестящей) поверхности (стекло), б - направленно-рассеянное от матовой поверхности (металл), в - диффузное от рельефной поверхности (штукатурка), г – смешанное от глянцевой поверхности (эмалевое покрытие)

 

1.6.4. Рисунок на изделии и текстура материала

Рисунок на поверхности материала и изделия может быть естественным или искусственным. Видимый на поверхности материала или изделия рисунок, отражающий его характерное внутреннее строение, называют текстурой. Искусственный рисунок наносится на поверхность материала и изделия покраской, печатью или любым дру­гим способом. Рисунок на материале и изделии мо­жет быть цветным и черно-белым.

Угловая величина объекта наблюдения, его линейные размеры и дистанция наблюдения связаны определенной зависимостью. Поэтому, чтобы обеспечить четкую заметность рельефной фактуры материала с дистанции l реального об­зора архитектурного объекта или его фрагмен­та, необходимо рассчитать приблизительную ве­личину d наименьшего элемента рельефа, поль­зуясь следующей формулой:

d ≥ 3l*10-4. (1.24)

Эта величина корректируется в зависимости от цвета и освещенности рельефной поверхности, характеристики и расположения источника све­та, положения поверхности по отношению к на­блюдателю и других факторов.

Различают два вида рельефных фактур: организованную (с повторяю­щимся равномерным, часто геометри­ческим рисунком рельефа) и неоргани­зованную (с неравномерным, хаотиче­ским рисунком). Пример первой - регу­лярная рифленая фактура природного камня, второй - фактура бетона с обнажённым заполнителем или каменная фактура скалы.

У природных и большинства искус­ственных материалов текстура образуется видимыми на их поверхностях различными по форме, размеру, харак­теру пространственного расположения, цвету отдельными составными элемен­тами: у древесины - годичными слоя­ми, сердцевинными лучами, сосудами, волокнами; у естественного камня — зернами, прожилками, порами; у бето­на - цементным камнем, мелким и крупным заполнителем и т.д.

Тексту­ра и цвет служат важными диагности­ческими признаками для распознава­ния пород минералов и древесины. Опытные архитекторы, строители и специалисты-материаловеды легко по внешним признакам различают десятки пород древесины и естественных каменных материалов. Текстура древесины, отражающая ее анатомическое строение, во многом определяет ее художественно-декора­тивную ценность. Лиственные породы обладают, как правило, более вырази­тельной и богатой текстурой, чем хвойные. Характер текстуры древесины резко изменяется в зависимости от на­правления разреза ствола (рис. 1.6): по­перечного (торцового) или продольно­го (радиального и тангентального).

Древесные породы с четко выраженными, заметными на продольном разрезе широкими сосудами имеют так называемую штриховую текстуру, причем, если эти штрихи собраны в широкие полосы (как, например, у дуба и ясе­ня), то текстура называется полосоштриховой, а если штрихи расположены беспорядочно (на­пример, у грецкого ореха и эвкалипта), то - рассеянно-штриховой. Породы древесины с четко различимыми сердцевинными лучами (дуб, бук, платан и др.), которые видны на радиальных разрезах как блестящие зеркальца - прерывистые полоски или пятна, характеризуются зеркальчатой текстурой. На тангенциальных раз­резах этих пород видна чешуйчатая текстура древесины. Породы древесины со слабо различимым анатомическим строением (например, береза, самшит, груша) называют слаботекстурными. По декоративности зеркальчатая текстура выше чешуйчатой, поэтому для облицовки панелей и мебели строганый радиальный шпон (тонкий срез) предпочтительнее тангенциального.

 

  Рис. 1.6. Разрезы ствола дерева а – торцовый, б – радиальный, в – тангенциальный, 1 – седцевина, 2 – ядро, 3 – заболонь, 4 – кора.

Текстура каменных и древесных материалов усиливается при полировке и прозрачной отдел­ке поверхности мастиками и лаками. Вырази­тельность естественного рисунка камня, стеклокристаллических и некоторых полимерных и других материалов увеличивается напра­вленным освещением поверхности, игрой свето­проницаемых, глухих и блестящих включений. Современная технология производства искус­ственных, прежде всего полимерных, отде­лочных материалов позволяет получать почти неограниченное разнообразие рисунков, вклю­чая специально созданные декоративные тек­стуры.

Искусственные рисунки различаются по многочис­ленным признакам: характеру, масш­табу, раппорту (повторяющаяся часть рисунка, узора), количеству и характе­ристике цветов и их сочетаниям и т.д. Рисунок может наноситься и не на по­верхность материала, а располагаться под прозрачным верхним слоем (на­пример, на внутренней стороне про­зрачной полимерной пленки в много­слойных отделочных материалах и линолеумах). Рисунок материала мо­жет создаваться на его поверхности не цветом, а сочетанием разного рельефа (травлением на стекле, сочетанием пе­тельного и разрезного ворса ковровых материалов), перфораций (на акустиче­ских плитах) и другими способами.

Оценка эстетических свойств строи­тельных материалов и изделий про­изводится как методами измерения их физических параметров, так и ви­зуальным сопоставлением с утвер­жденными эталонами. При визуальном методе оценка цвета, фактуры и рисун­ка производится в тех же условиях ос­вещения, при которых предполагается эксплуатация материала.

 

 

Лекция 2. Древесные материалы и изделия

 

2.1. Общие сведения

Древесина представляет собой волокнистый, пористый, гидро­фильный материал растительного происхождения, состоящий в основном из целлюлозы. Для всех пород дерева (хвойные, ли­ственные) в связи с идентичностью основного вещественного со­става истинную плотность принимают равной 1540 кг/м3. Средняя плотность и прочность зависят от пористости древесины, которая в зависимости от породы может быть 30...80 %. Средняя плотность колеблется от 450 кг/м3 - кедр, пихта, до 900 кг/м3 и более - граб, железное дерево, самшит, кизил. Предел прочности на растяжение вдоль волокон — от 50 до 150 МПа и более.

Макроструктуру древесины изучают в поперечном (тор­цевом) и двух продольных сечениях: радиальном и тангенциаль­ном.

Свойства древесины в значительной степени определяются температурно-влажностными условиями и расположением во­локон (анизотропность). С повышением влажности снижается прочность, повышаются плотность, электро- и теплопроводность, изменяются размеры изделий. Снижение влажности вызывает интенсивную влагоотдачу, которая приводит к появлению уса­дочных деформаций. Вследствие волокнистого строения усадка в разных направлениях неодинакова: в поперечном — 3...6 %, продольном — до 1 %, тангенциальном (по хорде) — 6...12 %, что приводит к короблению изделий и появлению трещин на тор­цах в круглом лесе и пиломатериалах. Чтобы этого избежать, торцы бревен, брусьев обмазывают специальными защитными составами. Столярные изделия (рамы, двери и т.д.), эксплуа­тируемые внутри помещения, для исключения коробления вы­полняют из комнатно-сухой древесины влажностью 8...12 %, на открытом воздухе — воздушно-сухой (15...20 %). Сушку дре­весины проводят в естественных условиях под навесом от 3 до 12 месяцев или в специальных сушильных камерах - 3...6 суток. Для сушки особо ценных пород применяют электрический ток высокой частоты. Оценку качества древесины проводят на ос­новании показателей свойств, пересчитанных на стандартную влажность (12 %).

Отрицательными свойствами древесины, осложняющими ее использование в строительстве, являются низкие био- и огне­стойкость, которые зависят от вещественного состава материала. Так как при повышении влажности древесина из-за жизнедея­тельности микроорганизмов гниет, то к наиболее эффективным мерам защиты относятся: наличие вентиляции, снижение влаж­ности воздуха, пропитка и окраска изделий специальными со­ставами — масляными и водорастворимыми антисептиками. Повышение пожаробезопасности достигается путем пропитки огнезащитными составами — антипиренами, окраски вспучи­вающимися красками, обмазки специальными штукатурками на основе глин с добавлением жидкого стекла и асбеста, защитой огнестойкими гипсокартонными и асбестоцементными листовыми материалами. Одним из перспективных способов улуч­шения свойств древесины малоценных пород является пропитка изделий из нее полимеризующимися мономерами.

Благодаря комплексу таких положительных свойств, как лег­кость, высокая прочность на изгиб и сжатие, технологичность, низкие тепло- и электропроводность, декоративность, древесину используют для изготовления конструкционных, отделочных ма­териалов и материалов специального назначения.

2.2. Применение

К конструкционным материалам относят круглые лесома­териалы, пиломатериалы (доски, брусья), листовые, полученные послойным склеиванием древесного шпона (фанера, слоистый пластик), а также цементосодержащие изделия: прессованные (древесно-цементные) или отформованные (фибролитовые, арболитовые) плиты, содержащие цемент и древесные отходы разной степени измельчения. Эти материалы используют для возведения стен, каркасных перегородок, кровель в виде жестких оболочек, перекрывающих большие площади, клееных арок, балок и ферм.

Конструкционно-отделочные материалы представлены прессованными твер­дыми древесноволокнистыми ДВП и древесностружечными ДСП плитами с отделкой лицевой поверхности декоратив­ными красочными и пленочными материалами, пластиком или шпоном ценных пород древесины (орех, ясень, бук, граб). Эти изделия используют для выполнения полов, подвесных потолков, а также высококачественной отделки стен при влажности в поме­щении не более 60 %. Высокая степень декоративности, долго­вечность отличают полы, выполненные из паркета (паркетных щитов и досок) лиственных пород древесины, обладающих не­повторимой текстурой (рисунком). Наряду с обычным паркетом все большее распространение получает ламинированный паркет, имеющий верхнее полимерное защитное покрытие.

К материалам специального назначения относятся теплоизо­ляционные и акустические фибролитовые и арболитовые пли­ты, а также мягкие ДВП плотностью менее 600 кг/м3. Их используют для утепления кровель, стен и полов, а также выполнения акустических потолков в зданиях общественного и культурного назначения. Для усиления эффекта звукопогло­щения плиты перфорируют или наносят поверх них специаль­ные рельефные штукатурки.

Определенное место в номенклатуре выпускаемых изделий занимают столярные, к которым относятся подоконные доски, оконные и дверные блоки, ворота, а также такие погонажные отделочные изделия, как плинтусы, вагонка, перила, рейки.

 

 

ЛЕКЦИЯ 3. Природные каменные материалы

 

3.1. Общие сведения

Свойства материалов из природного камня зависят от условий образования горной породы. Так, для группы первичных магма­тических пород, сформировавшихся в результате охлаждения магмы (природный расплав), наиболее важными факторами яв­ляются скорость снижения температуры и давления. При кри­сталлизации магмы в глубине земной коры получаются крупно­кристаллические, плотные, высокопрочные глубинные породы (гранит, сиенит). В результате быстрого охлаждения, но без выхода на земную поверхность, образуются стеклокристаллические плотные излившиеся породы, обладающие, как правило, высокой кислотостойкостью (диабаз, базальт). Высокопористые породы образуются в результате выхода лавы на поверхность и резкого охлаждения (вулканическая пемза), рыхло-сыпучие — за счет выброса расплава под давлением на большую высоту (вул­канический пепел). Из накопленного и спрессованного пепла получается вулканический туф, представляющий собой относи­тельно пористую декоративную породу.

Вторичные осадочные породы образовались в результате фи­зической и химической коррозии магматических пород под действием ветра, воды, смены температуры — обломочные, за счет выпадения из пересыщенных растворов кристаллов солей и их накопления в течение тысяч лет — химические осадки или путем разложе­ния, накопления и уплотнения остатков органического проис­хождения (водорослей, ракообразных) — органогенные. Первые представляют собой рыхлые, сыпучие материалы: песок, щебень, гравий, глина. В естественных условиях в результате соедине­ния этих зерен природным клеем (глинистым, кремнеземистым) образуются плотные, прочные сцементированные породы: брек­чия (цементация щебеня), конгломерат (цементация гравия), песчаник (цементация песка). Минералы, образованные химическим путем (доломит, известняк, гипс), представляют собой плотные, прочные породы, которые нашли широкое применение в качестве сырья для получения минераль­ных вяжущих веществ (цемент, гипс, известь). Органогенные породы (мел, диатомит, известняк-ракушечник) — относительно мягкие, пористые, склонны к выветриванию и разрушению водой.

К третьей группе горных пород относятся метаморфические (видоизмененные). Свойства этих материалов обусловлены тем­пературой и, в большей степени, величиной и направлением давления в глубине земной коры, способствующими формиро­ванию плотной монолитной (многостороннее давление) или слои­стой (давление со сдвигом в одном направлении ) структуры. К монолитным относятся мрамор, образованный из известняка, и кальцит — из песчаника, к слои­стым — сланцы и гнейсы.

При эксплуатации на воздухе изделия из природного камня подвергаются физической и химиче­ской коррозии, а в промышленных городах в большей степени химиче­ской коррозии. Для защиты от разрушения применяют шлифовку и полировку поверхности, ее пропитку гидрофобными составами, нанесение пленочных полимерных покрытий, обработку соста­вами, химически закупоривающие поровую структуру поверхностного слоя изделия (флюатирование).

 

3.2. Технология

Добычу природного камня осуществляют в карьерах откры­тым или подземным способом в зависимости от глубины залега­ния породы. Затем материал поступает на механическую обработ­ку, вид которой обусловлен формой, размером и назначением получаемых материалов. Стеновые камни, блоки и облицовоч­ные плитки получают методом распиловки. Коррозионностойкое каменное литье в виде плит — литьем расплава кислотостой­кой горной породы в формы. Волокна различной длины и сече­ния — подачей расплава на центрифугу (короткие — штапель­ные) или протягиванием через фильеры (длинномерные). Высо­копористые легкие заполнители (вермикулит, перлит) — путем резкого нагрева дробленых природных стекол, вызывающего значительное увеличение объема материала за счет выделения кристаллизационной воды и газообразных продуктов. Круп­ный, мелкий заполнители и порошкообразный наполнитель для производства бетонов, строительных растворов, мастик, красоч­ных составов — дроблением и помолом камня с сортировкой по размерам (фракциям).

 

3.3. Применение

Горные породы используют для производства конструкцион­ных, отделочных материалов и материалов специального назначе­ния: кислотостойких, теплоизоляционных, акустических. Большой объем добываемого сырья идет на получение искусственных мате­риалов (керамических, стеклянных, металлических, минераль­ных вяжущих) и заполнителей для бетонов и растворов. При­родный камень плотностью 900...2200 кг/м3 применяют в виде стеновых блоков для кладки наружных стен и перегородок (до­ломит, известняк-ракушечник, туф). Такие плотные породы, как гранит, сиенит и другие, используют в виде бутового камня при возведении гидротехнических сооружений, фундаментов, стен неотапливаемых зданий. В дорожном строительстве их применя­ют в качестве бортовых камней, брусчатки и булыжного камня, которые должны обладать высокой износостойкостью и морозо­стойкостью. Горные породы высокой декоративности (гранит, мрамор, лабрадорит) в виде плит и плиток используют для от­делки станций метро, переходов, фасадов стен и полов зданий общественного и культурного назначения. Из полученных при обработке сырья отходов и минерального или полимерного свя­зующего выпускают искусственные отделочные плиты. Минераль­ные волокна производят не только из расплава, но и механиче­ским дроблением с последующей распушкой (хризотил-асбест). С использованием асбеста изготавливают асбестоцементные из­делия в виде листов, плиток, труб.

К теплоизоляционным и акустическим материалам относят такие рыхлые сыпучие, как керамзит, перлит, а также крупно­размерные жесткие и мягкие плиты на основе минеральных воло­кон и связующих. Кислотостойкие изделия для антикоррозион­ной защиты полов, стен, технологического оборудования полу­чают распиловкой или литьем из базальта, андезита, диабаза.

 

 

ЛЕКЦИЯ 4. Керамические материалы и изделия

 

4.1. Общие сведения

В понятие керамические материалы и изделия входит широкий круг материалов с различными свойствами изготовленных из глины способом обжига. Их классифицируют по ряду признаков.

По назначениюкерамические изделия подразделяют на следующие виды: стеновые, отделочные, кровельные, для полов, для перекрытий, дорожные, санитарно-технические, кислотоупорные, теплоизоляционные, огнеупорные и заполнители для бетонов.

По структуреразличают керамические изделия с пористым и спекшимся (плотным) черепком. Пористыми считают изделия с водопоглощением по массе более 5%. К ним относятся изделия как грубой керамики - керамические стеновые кирпич и камень, изделия для кровли и перекрытий, дренажные трубы, так и тонкой керамики - облицо­вочные плитки, фаянсовые. К плотным относят изде­лия с водопоглощением по массе менее 5%. К ним принадлежат также изделия из грубой керамики - клинкерный кирпич, крупноразмерные облицовочные плиты, и тонкой керамики - фаянс, полуфарфор, фарфор.

По температуре плавлениякерамические материалы и изделия подразделяются: на легкоплавкие - с температурой плавления ниже 1350°С; тугоплавкие - с температурой плавления 1350°С-1580°С; огнеупорные - 1580 -2000°С; высшей огнеупорности - более 2000°С.

 

4.2. Технология

Искусственные обжиговые керамические материалы, полу­чают в результате высокотемпературной обработки глинистых пород. В зависимости от влажности исходного сырья и заданных свойств готового изделия применяют несколько способов подго­товки формовочной массы, отличающихся содержанием воды: полу­сухой (до 12 %), пластичный (до 25 %) и шликерный (до 60 % — литьевой). Первым методом получают изделия плотной структуры (половая плитка) и очень точных размеров (лицевой кирпич), вто­рым — трубы, черепицу, кирпич и камни рядовые. Третий метод основан на способности глин образовывать вследствие своей гидрофильности высокоподвижные однородные нерасслаивающиеся смеси, обладающие хорошей влагоотдачей при повышении темпе­ратуры. Путем заливки смеси в высокопористые гипсовые или пластмассовые формы получают санитарно-технические изделия сложной конфигурации (мойки, раковины, ванны), в специальные поддоны — коврово-мозаичную облицовочную плитку размером 21x21 мм толщиной до 3 мм. Изделия после формовки сушат и подают на обжиг до спекания при температуре 1000...1300°С. При обжиге из сырья удаляется кристаллизационная вода (огневая усадка) и образуются новые соединения, обеспечивающие проч­ность и водостойкость изделий.

Процесс сушки и обжига сопро­вождается усадочными деформациями (воздушная и огненная усадки). Уменьшение усадочных деформаций достигается за счет до­полнительного введения в сырьевую смесь отощающих добавок: шамота, песка, шлака и т.д. Для снижения энергоемкости процесса, повышения плотности и прочности изделий в формовочную массу вводят добавки-плавни — стеклоотходы или моло­тые природные стекла (перлит, полевой шпат). Пластичность глиняной массы изменяют расходом воды или введением специальных органических пластифицирующих добавок. Облегчение изделий, повышение их акустических и теплоизо­ляционных свойств достигается использованием пено-, газооб­разующих веществ или выгорающих добавок (древесные отходы, торф, гранулированная макулатура).

Регулируя состав сырья, способ формовки, режим термооб­работки получают керамические материалы разного назначения и области применения: конструкционные, отделочные материалы и материалы специального назначения.

 

4.3. Применение

К конструкционным изделиям, эксплуатируемым в условиях действия нагрузок, от­носятся стеновые материалы (кирпич и камни керамические), кровельные (черепица), трубы водопроводные, канализационные и дренажные. Кроме того, кирпич применяют для кладки столб­чатых фундаментов в малоэтажных зданиях, а также для завод­ского изготовления крупноразмерных блоков и панелей, которые в зависимости от назначения (для внутренних или наружных стен) могут быть одно-, двух- и трехслойными. В многослойных для повышения теплозащитных свойств используют плитный утеплитель.

Отечественные и зарубежные заводы выпускают рядовой пол­нотелый кирпич 65x125x250 мм и большое количество его мо­дификаций, отличающихся не только размерами, но и наличи­ем пустот, их величиной, формой и расположением. Наиболее эффективен поризованный рядовой кирпич М125 плотностью 950 кг/м3 и крупноформатный пустотелый керамический камень 350x250x219 мм той же марки плотностью 790 кг/м3. Ячеи­стая структура этих материалов, полученная за счет введения комплексных порообразующих добавок, позволяет значительно уменьшить толщину стены, сохранив ее несущую способность и высокие теплозащитные свойства. Теплотехнические показатели ограждающих конструкций, выполненных из мелкоштучных материалов, зависят от свойств применяемых изделий и кла­дочного раствора, поэтому поризованные кирпичи (камни) ук­ладывают на специальный строительный клей с толщиной шва 1 мм (шлифованные очень точных размеров) или на теплоизоля­ционный раствор (обычные).

Для повышения декоративности отделочных материалов (лицевого кирпича и плиток различных размеров и формы) применяют специальные декоративные составы: ангобы, представляющие собой смесь каолиновых белых глин с пигмен­тами, и глазури, состоящие из смеси легкоплавких соединений и пигментов, образующие при обжиге стеклообразные цветные покрытия. В зависимости от конкретного назначения к материа­лам этого класса предъявляют различные требования по свойст­вам. Так, плитки для покрытия пола должны быть прочными на удар и истирание, водостойкими и водонепроницаемыми, фа­садная керамика — воздухо- и морозостойкой.

К материалам специального назначения относятся санитарно-технические, кислотостойкие, огнеупорные и теплоизоляцион­ные. Основным сырьем для получения санитарно-технических изделий служат беложгущиеся глины в смеси со стеклообразующими плавнями и отощающими добавками. Изменяя соотноше­ние компонентов и технологию формования и обжига, получают фаянсовые, полуфарфоровые и фар­форовые изделия, которые соответственно перечислены в порядке возрастания их плотности и прочности. Наибольший объем в строительстве приходится на относительно пористые фаянсовые изделия, водонепроницае­мость которых обеспечивают глазурованием поверхности.

Кислотостойкие материалы в виде плиток и кирпичей класса А, Б, В, полученные из кислотостойких глин, используют для защиты полов, стен, технологического оборудования на хими­ческих предприятиях.

Основное назначение огнеупорных материалов — футеровка высокотемпературного технологического оборудования. Макси­мальная температура эксплуатации таких изделий определяется составом сырья: при повышенном содержании кремнезема (Si02) получают динасовые огнеупоры (до 1650 °С), огнеупорных глин — шамотные (до 1400 °), глинозема (А1203) — высокоглиноземи­стые (свыше 1750 °С).

Теплоизоляционные материалы и изделия на основе глини­стого сырья производят в виде высокопористых пенодиатомитовых кирпичей, применяемых в основном для теплоизоляции тех­нологического оборудования, и рыхлых сыпучих материалов: керамзитового гравия и аглопоритового щебня. Последние полу­чают методом вспучивания при температуре свыше 1000°С отфор­мованных гранул или дроблением спекшегося сырья с отходами угля и используют в качестве теплоизоляционных засыпок для утепления полов, потолков, стен, а также заполнителей легких бетонов различного назначения.

ЛЕКЦИЯ 5. изделия из минеральных расплавов

 

5.1. Общие сведения

Стекло и другие плавленые материалы и изделия получают из минеральных силикатных расплавов, сырьем для которых служат распространенные горные породы и некоторые побочные про­дукты промышленности. Минеральные расплавы в зависимости от исходного сырья разделяются на следующие группы: стеклян­ные, каменные, шлаковые, ситаллы и шлакоситаллы. Материалы из расплавов обладают высокими показателями долговечности, химической стойкости к воздействию агрессивных сред, отлич­ными декоративными свойствами, а некоторые из них и прозрач­ностью.

Из минеральных расплавов, получают изделия самого различ­ного назначения: листовые светопрозрачные, конструкционные, отделочные, облицовочные, трубы специальные, тепло- и звукоизоляционные.

 

5.2. Технология

Охлажденные силикатные и шлаковые расплавы обладают аморфной абсолютно плотной структурой, высокой прочностью на сжатие, кислотостоикостью, хрупкостью и низкой термо­стойкостью.

Силикатные расплавы получают плавлением специально подобранной шихты, основным компонентом которой является кремнезем (Si02). Из них методом вытягивания, литья, проката, прессования, центрифугирования изготавливают соответственно листовые стекла и длинномерные нити, облицовочные плитки, профилированное стекло, стеклоблоки, стекловату.

Из шлаковых расплавов путем резкого охлаждения произво­дят шлаковую пемзу (термозит), шлаковату, облицовочные плитки. Кроме того, шлаковые отходы используют как активные гидрав­лические компоненты при получении смешанных минеральных вяжущих и отощающие добавки при изготовлении керамических изделий.

С целью повышения ударной прочности, износостойкости, термостойкости и кислотостоикости в шихту или шлак вводят кристаллические соединения металлов, а полученные изделия подвергают дополнительной термообработке. В этих условиях происходит частичная кристаллизация стекол с образованием стеклокристаллической структуры (ситаллы, шлакоситаллы). Таким способом изготавливают балконные экраны, антикорро­зионные плиты для пола в химических цехах, облицовочные ма­териалы и трубы.

Наибольший объем производства изделий из минеральных рас­плавов приходится на листовые стекла толщиной 2...10 мм, которые используют для остекления окон, дверей, витрин, изго­товления стеклопрофилита и стеклопакетов. Один из путей регу­лирования свойств стекол — применение добавок. Таким обра­зом получают теплозащитное стекло, поглощающее до 75 % инфракрасных лучей, и увиолевое, пропускающее до 70 % ультра­фиолетового излучения. Для обеспечения безопасной эксплуа­тации светопрозрачных кровель, перегородок в стекло во время проката стекломассы вводят проволочную металлическую ар­матуру в виде сеток и получают армированное стекло. С целью создания эффекта светорассеивания, исключения прозрачности и повышения декоративности используют пигменты и рельеф­ный рисунок поверхности — декоративное стекло. Ударную прочность повышают несколькими способами: склеиванием оп­ределенного количества слоев стекол прозрачной полимерной пленкой (многослойное стекло), увеличением толщины изделия до 10 мм (витринное стекло) и закалкой, включающей повтор­ный нагрев и резкое охлаждение отформованных изделий.

При выполнении подвесных потолков листовые стекла с рель­ефной поверхностью или декоративным светопропускающим покрытием обеспечивают равномерное освещение помещения. Стекла с зеркальным покрытием применяют в ресторанах, кафе, магазинах.

 

5.3. Применение

Такие строительные конструкционные изделия, как длин­номерный стеклопрофилит, имеющий треугольное, овальное, коробчатое или швеллерное сечение, пустотелые мелкоштучные стеклоблоки, крупноразмерные, многослойные, герметичные стеклопакеты используют для частичного заполнения стено­вых проемов и выполнения внутренних перегородок. Их основное назначение — повышение освещенности помещения, облегчение стеновых конструкций и улучшение их теплозащитных свойств.

К крупноразмерным светопропускающим конструкциям отно­сятся стекложелезобетонные с заформованными в определенном порядке стеклоблоками на толщину изделия.

Облицовочные изделия из минеральных расплавов используют для отделки фасадов (за исключением поверхности из ячеистых блоков и кирпича), внутренней облицовки стен, потолков, полов. Размер изделий колеблется от 500x500x12 мм (крупноразмерные плиты цветного глушеного полированного стекла — марблита) или 1500x1100x7 мм (обычное строительное стекло с декоратив­ным цветным покрытием — стемалит) до 21x21x4,5 мм (коврово-мозаичная плитка).

Путем сплавления одноцветных или многоцветных тонко измельченных отходов получают стекломрамор и стеклокристаллит. Для увеличения ударной прочности материалов и утилиза­ции больших объемов стеклоотходов их спекают в виде гранул с песком и глиной (стеклокерамит) или только с песком (стеклокремнезит). Эти облицовочные изделия выпускают с полиро­ванной лицевой поверхностью и шероховатой тыльной (для повышения прочности сцепления со строительным раствором).

К материалам специального назначения относятся теплоизо­ляционные и акустические на основе ячеистого стекла, стеклян­ных и шлаковых волокон.

Ячеистое стекло изготавливают, как правило, из смеси тон­комолотых отходов и порообразующих добавок: выгорающих (каменного угля) или газообразующих (известняка). В резуль­тате спекания подготовленной массы получают изделия в виде гранул, а также блоков, которые затем разрезают на плиты заданных размеров. Полученный материал хорошо подвергается шлифованию и сверлению, обладает водостойкостью, низкой плотностью (140...350 кг/м3), высокой замкнутой пористостью (86...95 %), широким интервалом рабочих температур (-180... +400 °С), огнестойкостью. Гранулированное ячеистое стекло применяют в качестве засыпок при утеплении потолка, стен, пола, а также как легкий заполнитель в бетонах. Плитный уте­плитель используют для теплоизоляции стен, покрытий, техно­логического оборудования. Акустические плиты выпускают с до­полнительной перфорацией. Дробленая шлаковая пемза также относится к рыхлым зернистым пористым материалам, примененяется аналогично гранулированному ячеистому стеклу.

Стеклянные волокна диаметром 5...12 мкм выпускают не­прерывными и короткими (штапельными), шлаковые — только штапельными. Длинные нити получают протягиванием стекло­массы через фильеры (насадка с мелкими отверстиями) с последующим наматыванием на бобины. Их используют для производства стеклосетки и стек­лоткани, которые затем применяют как основу при изготовле­нии кровельных, гидроизоляционных, напольных (линолеумы), отделочных (стеклообои) рулонных основных материалов.

Штапельные нити получают дутьевым и центробежным мето­дами, основанными на разбивке стеклорасплава (шлакорасплава) на мельчайшие капли струей воздуха (пара) под давлением или центрифугой с последующим осаждением их под действием соб­ственной массы и вытягиванием в волокна. Из штапельного шлако- и стекловолокна путем дополнительного введения связующего (смолы, цемента, гипса) методом вытягивания, подпрессовки и проката получают шнуры, жгуты, рулонные маты и плиты разной степени жесткости. Эти изделия применяют для звукоизоляции в конструкции пола, а также для теплоизоля­ции при изготовлении многослойных стеновых панелей, блоков и тепловой реабилитации фасадов. Полужесткие, жесткие и твер­дые плиты с пластиковым, пленочным и тканевым покрытием или с рельефным декоративным поверхностным слоем и перфо­рацией используют как отделочные и звукопоглощающие мате­риалы.

 

ЛЕКЦИЯ 6. Минеральные вяжущие материалы

 

6.1. Общие сведения

 

По условию твердения и эксплуатации готовых изделий минеральные вяжущие подразделяют на воздушные (гипс, известь, магнезиальные вяжущие, жидкое стекло), эксплуатируемые только в воздушно-сухих условиях, гидравлические (гидравлическая известь, смешанные гипсовые и известковые вяжущие, разновидности портландцемента, специальные виды цемента), обеспечивающие искусственному камню водостойкость, а также вяжущие автоклавного твердения (извесково-песчаное вяжущее), которые приобретают прочность и водостойкость при твердении при повышенных температурах и давлении паровой среды (гидротермальные условия -9…16 атм и 175…250°С).

Технология получения минеральных вяжущих включает до­бычу природного сырья, его очистку, помол, термообработку и помол готового продукта.

К общим свойствам минеральных вяжущих можно отнести:

• порошкообразное агрегатное состояние (за исключением жидкого стекла);

• высокую химическую активность по отношению к воде, ре­акция взаимодействия с которой сопровождается выделением тепла;

• способность образовывать с водой однородную клеящую массу, переходящую в искусственный камень.

 

6.2. Воздушные вяжущие

К воздушным минеральным вяжущим относятся вещества, продукты гидратации которых обладают низкой водостойкостью, особенно по отношению к действию проточной воды. Это простые по составу материалы, как правило, интенсивно взаимодействую­щие с водой.

Воздушную известь получают из таких кальциевых карбонатных пород, как известняк (СаС03) и доломит (СаС03 • MgC03), содержащих не более 6 % глинистых примесей. Их обжигают при температуре 900…1100 °С они разлагаются с выделением углекислого газа. Продукт обжига — оксид кальция (СаО) и явля­ется воздушной известью, которую за высокое тепловыделение при гидратации (гашении) называют известъюкипелкой.

На воздухе при затворении водой образуются кристаллы гидрооксида кальция Са(ОН)2, а за счет их реакции с углекислым газом воздуха — кальцита СаС03, которые обеспечивают проч­ность известковому камню (1...7 МПа).

Качество извести оценивают по следующим показателям:

• тонкость помола — остаток на ситах должен быть не более 1,5 % (02) и 15 % (008);

• содержание химически активных по отношению к воде ком­понентов СаО и MgO — активной примеси (50-90 %);

• температура и время гашения извести;

• содержание примесей.

В зависимости от содержания примеси MgO и, следовательно, химической активности известь подразделяют на кальциевую (содержащую MgO до 5 %), магнезиальную (5...20 %) и доломитовую (20...40 %); по времени гашения — быстро гасящуюся (до 8 мин), средне гасящуюся (до 25 мин) и медленно гасящуюся (более 25 мин); по максимальной температуре гашения — низкоэкзотермиче­скую (до 75 °С) и высокоэкзотермическую (более 75 °С).

Примесями в извести являются зерна недообожженного сырья (СаС03) — «недожог» и оплавленные с поверхности зерна СаО — «пережог». Первые снижают активность и качество извести, а вторые вызывают появление «дутиков» - вздутий и трещин на оштукатурен­ной поверхности, так как замедленный процесс гашения, сопро­вождаемый ростом температуры, увеличением объема и, следо­вательно, возникновением деформаций, происходит в уже затвер­девшем составе.

В строительстве известь используют для получения красочных составов, штукатурных и кладочных сложных растворов. С целью повышения водостойкости изделий и расширения области их использования на основе извести получают смешанные гид­равлические известковые вяжущие: известково-пуццолановые, известково-шлаковые и известково-кремнеземистые. В извест­ково-пуццолановые и известково-шлаковые, кроме пуццолановых (опока, диатомит и шлаковых добавок), для регулирования сроков схватывания вводят до 5 % гипса. На их основе произво­дят низкомарочные бетоны для подводного и подземного бетони­рования. Это связано с их низкой морозостойкостью, а в случае пуццолановой добавки — и воздухостойкостью. Известково-шлаковое вяжущее более эффективно при изготовлении заводских изделий по пропарочной технологии, так как в этом случае в процессе гидратации участвует и шлаковая составляющая.

Наиболее широкое применение нашли известково-кремнеземистые вяжущие, на основе которых по автоклавной технологии (давление до 1,6 МПа, температура до 203 °С) получают сили­катные изделия: стеновые мелкоштучные материалы (кирпичи, камни, аналогичные по размерам и форме керамическим), плот­ные бетоны для несущих конструкций (плит перекрытий, колонн и т.д.) и высокопористые ячеистые блоки (за счет введения пено- и газообразующих добавок), которые, в зависимости от средней плотности, могут применяться для возведения ограждающих кон­струкций или получения изделий теплоизоляционного и акусти­ческого назначения.

При использовании силикатных изделий учитывают их по­ниженную водо-, термо- и коррозионную стойкость.

Гипсовые вяжущие. Технология получения и использование гипсовых вяжущих ос­нованы на способности сырья — природного гипса (CaS04 • 2Н20) — легко отдавать кристаллизационную воду уже при 123 °С и пе­реходить в химически активное по отношению к воде состояние (CaS04 • 0,5Н2О). Из химически активного гипса за счет реакции гидратации и присоединения кристаллизационной воды получают искусственный гипсовый камень (CaS04 ■ 2Н20).

Строительный гипс представляет собой мелкокристалличе­ский материал, требующий для получения гипсового теста оп­ределенной пластичности от 50 до 70 % воды. Для высокопрочного крупнокристаллического гипса, полученного в ав­токлавах при температуре 123°С, количество воды сокращается до 30...50 %. В связи с тем, что на реакцию гидратации расходуется до 19 % воды, прочность камня на основе вы­сокопрочного гипса вследствие более высокой плотности состав­ляет 30...40 МПа, а строительного гипса — до 25 МПа. Максимальная прочность гипсового камня определяется водогипсовым отноше­нием (В/Г), которое зависит от размера и формы кристаллов ми­нерального вяжущего.

Качество гипсовых вяжущих оценивают по тонкости помола, срокам схватывания и прочности. Сроки схватывания являются временным показателем, фиксирующим процесс загустевания гипсового теста определенной пластичности (нормальной густоты)с подобранным расходом воды — начало схватывания — и образо­вания гипсового камня — конец схватывания. При соответствии этих значений требованиям стандарта, по пределу прочности на сжатие (МПа) с учетом прочности на изгиб образцов, твердевших два часа в воздушно-сухих условиях, вяжущему присуждают марку.

В зависимости от требуемых свойств готового продукта сырье подвергают термообработке при температуре 123... 160°С, получая полуводные низкообжиговые вяжущие (CaS04 ■ 0,5Н2О): строи­тельный и высокопрочный гипс — или при 600... 1000 °С — без­водные (CaS04) высокообжиговые вяжущие: ангидритовый цемент и эстрихгипс.

Низкообжиговые вяжущие характеризуются быстрым набором прочности, низкой водостойкостью.

Наиболее широкое применение в строительстве нашел строи­тельный гипс, на основе которого по прокатной технологии из­готавливают гипсоволокнистые (ГВЛ) и гипсокартонные (ГКЛ) листы, используемые в качестве отделочного листового мате­риала для выравнивания стен (сухая штукатурка), выполнения потолков и модульных трансформируемых каркасных перего­родок. Использование листового картона с внутренним слоем из гипсового камня (ГКЛ) или дисперсное (мелковолокнистое) армирование гипсового камня по всему объему волокнами расти­тельного происхождения (ГВЛ) обеспечивают гвоздимость и сни­жают хрупкость изделий. В зависимости от условий эксплуата­ции помещения применяют влагостойкие (ГКЛВ), огнестойкие (ГКЛО) и влагоогнестойкие (ГКЛВО) листовые материалы, полу­чаемые путем введения добавок и использования декоративных пленочных покрытий.

Высокая пористость гипсовых изделий и способность очень точно воспроизводить форму и рельефный рисунок за счет расширения при твердении на 1 % обусловили применение гипса для получения акустических (звукопоглощающих) и архитек­турно-художественных изделий.

К достоинствам гипсового камня, содержащего кристаллиза­ционную воду, относится высокая огнестойкость. Это свойство обусловило его использование при производстве огнезащитных плит и строительных растворов. Кроме того, применение гипсовых изделий в жилищном строительстве обеспечивает создание комфортных условий проживания, связанных с высокой гигроскопичностью и способностью гипсового камня регулировать влажность воздуха в помещении за счёт её поглощения или отдачи.

Для повышения водостойкости гипсовых изделий увеличивают их плотность, полируют лицевую поверхность или обрабаты­вают ее пленкозащитными и гидрофобными смесями, а также изменяют состав вяжущего за счет дополнительного введения тонкомолотых гидравлических добавок искусственного или при­родного происхождения (портландцемента, доменного шлака, зол, природных пуццоланов). Полученные смешанные гипсовые вяжу­щие: гипсоцементно-шлаковые (ГЦШВ) и гипсоцементно-пуццола-новые (ГЦПВ) — приобретают свойства гидравлических вяжущих, а изделия на их основе — повышенную водостойкость (коэффи­циент размягчения не ниже 0,65), пониженные морозо- и воздухостойкость. Это обуславливает их применение, аналогичное высокопрочному гипсу, при изготовлении санитарно-технических кабин, монолитных полов в общественных зданиях и на предпри­ятиях легкой промышленности с обработкой поверхности соста­вами, повышающими водостойкость и износостойкость покрытия.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие обладают пониженной химической активностью, медленным схватыванием, повышенной водостойкостью, прочностью до 20 МПа. Для ускорения процесса твердения в ангидритовый цемент, полученный при температуре 600...700°С, вводят известь.

При температуре 900... 1000°С безводный сульфат кальция частично разлагается на оксид кальция (СаО) и серный газ (S03), следовательно, выпускаемый эстрихгипс представляет собой двухкомпонентный продукт, состоящий из смеси CaS04 и СаО. Основ­ное назначение этих вяжущих — выполнение монолитных или мозаичных (в сочетании с плитами из горных пород) полов; изго­товление путем введения в состав смеси пигментов полированных плит искусственного мрамора, применяемых для отделки пола и стен в зданиях общественного назначения; получение штука­турных, кладочных растворов и легких бетонов.

Магнезиальные воздушные вяжущие: каустический магнезит (MgO) и каустический доломит (MgO + СаС03) — получают путем термообработки магнезита (MgC03) или доломита (MgG03 • СаС03) при температуре 700...800°С. В связи с их невысокой химиче­ской активностью по отношению к воде, при получении изделий для ускорения процесса гидратации используют растворы солей (MgCl2, MgS04).

Контролируемыми показателями качества являются: тонкость помола, сроки схватывания, марка по прочности. Прочность на сжатие каустического магнезита составляет 40...60 МПа, каустического доломита — 10...30 МПа. Снижение активности последнего объ­ясняется присутствием неразложившегося при термообработке инертного по отношению к воде кальцита.

Наиболее широко эти вяжущие применяют в сочетании с дре­весными отходами разной степени измельчения для выполнения теплых огнестойких монолитных полов на предприятиях легкой промышленности, а также для изготовления ксилолитовых круп­норазмерных плит, которые в зависимости от состава и степени уплотнения могут быть использованы в качестве внутренних перегородок или теплоизоляции строительных конструкций.

Жидкое стекло представляет собой водный раствор силиката калия (Si02 • К20) или натрия (Si02 • Na20), полученный в авто­клаве в результате воздействия насыщенного водяного пара на про­дукт сплавления кремнезема (Si02) с карбонатом калия (натрия) или сульфатом натрия (калия) при температуре 1300... 1400 °С.

Вяжущие свойства раствора оценивают плотностью, вязкостью и модулем стекла (2,6...4,0), который равен отношению числа грамм-молекул кремнезема к одному грамм-молю оксида калия или натрия. С увеличением модуля клеящие свойства рас­твора и стойкость изделий к кислотам повышаются.

На основе жидкого стекла получают многокомпонентное воз­душное вяжущее специального назначения — кислотостойкий цемент, в состав которого дополнительно входят тонкомолотый кислотостойкий наполнитель (кварцевый, базальтовый, андезитовый) и добавка — ускоритель твердения (кремнефтористый натрий). Из него изготавливают кислотостойкие бетонные кон­струкции (с пластиковой арматурой). Термостойкость до 1000°С и огнестойкость позволяют применять составы на основе этого вяжущего для производства огнезащитных и жаростойких рас­творов и бетонов.

Жидкое стекло является также основой для силикатных красок, кислотостойких мастик и составов, используемых с целью уплотнения и укрепления (силикатизации) грунтов на строитель­ных площадках.

 

 

6.3. Гидравлические вяжущие

Гидравлические вяжущие представляют собой тонкомолотые порошки, состоящие в основном из силикатов (kCaO•nSi02), алю­минатов (nCaO•mAl203) и ферритов (nCaO•mFe203) кальция, ко­торые, взаимодействуя с водой, образуют прочный водостойкий искусственный камень.

Минералогический состав гидравлических вяжущих пред­ставляют в виде оксидов. Например, силикат кальция записы­вают СаО • Si02 (сокращенно CS), трехкальциевый алюминат — ЗСаО • А12033А), гидросиликат кальция — 2СаО • Si02 • 2Н20 (C2SH2).

Способность гидравлических вяжущих образовывать в резуль­тате реакции с водой прочный камень оценивают по показателю активности, равному прочности (кгс/см2) образцов состава Ц : П = 1 : 3, твердевших 28 суток в нормальных условиях (тем­пература 18...20°С, влажность 95...98 %).

К гидравлическим вяжущим относятся: гидравлическая известь, которая занимает промежуточное положение между воз­душными и гидравлическими вяжущими, романцемент, разновидности портландцемента и специальные виды цементов.

Гидравлической известью называют тонкомолотый про­дукт обжига мергелистых известняков, содержащих до 20 % глинистых примесей, при температуре 900...1000 °С.

Качество гидравлической извести определяют по тонкости помола, срокам схватывания (начало — 0,5...2 ч, конец — 8... 16 ч), равномерности изменения объема и активности. Ак­тивность косвенно оценивают по гидравлическому (основному) модулю (ГМ), равному отношению процентного содержания по массе оксида кальция к сумме оксидов, входящих в состав мине­ралов:

В зависимости от полученного значения различают силъногидравлическую (ГМ = 1,7.„4,5) и слабогидравлическую (ГМ = 4,'5...9) известь. При ГМ > 9 известь приобретает свойства воздушного вяжущего.

Прочность изделий на гидравлической извести различной активности колеблется от 1,7 до 5 МПа.

Основное применение этого вяжущего — штукатурные и кла­дочные растворы, низкомарочные легкие и тяжелые бетоны, эксплуатируемые как в сухих, так и во влажных условиях.

С целью усиления гидравлических свойств вяжущего (ГМ = = 1,1... 1,7) и исключения из его состава свободного оксида каль­ция используют мергели, содержащие не менее 25 % глинистых примесей. При помоле спекшегося при 1000... 1100°С продукта для обеспечения заданных сроков схватывания (начало — не ранее 20 мин, конец — не позднее 24 ч) вводят двуводный гипс в количестве 3...5 %. Полученный романцемент применяют для изготовления строительных растворов, бетонных стеновых камней и мелких блоков прочностью до 15 МПа, используемых при возведении наземных и подземных конструкций.

Портландцемент и его разновидности. Портландцементом называют тонкомолотый материал, по­лученный совместным измельчением клинкера (продукта спека­ния при температуре 1400... 1500°С известково-глинистой смеси в соотношении по массе 3 : 1 или мергелистых пород) и гипса (3...5 %). В зависимости от влажности исходного сырья приме­няют мокрый или сухой способ производства. При мокром способе помол и перемешивание сырья до получения однородного пластичного шлама влажностью до 45 % производят непосредственно в мельницах, затем шлам поступает в шламбассейн, где его состав корректируют путем введения добавок, и во вращающиеся горизонтальные печи на обжиг. Действие высокой температуры вызывает испарение воды, разложение сырья и образование новых, хими­чески активных по отношению к воде, минералов. После обжига клинкер подают в специальные холодильники для быстрого охла­ждения продукта с целью сохранения химически активной стеклофазы. В завершение клинкер мелют совместно с гипсом или гипсосодержащими отходами и минеральными добавками. К дос­тоинствам мокрого способа можно отнести простоту корректи­ровки состава, что позволяет получать разнообразные по свойствам цементы.

При сухом способе тонкомолотое сырье подогревают отходящими газами и подают на обжиг в вертикальные шахтные печи. Исключение процесса испарения воды делает эту технологию ме­нее энергозатратной.

Минералогический состав цемента включает четыре основных минерала:

• алит (ЗСаО•Si02, C3S) —45...60%,

• белит (2СаО • Si02, C2S) — 10...30 %,

• целит (ЗСаО • А1203, С3А) —5...12 %,

• четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО•А1203•Fe203, C4AF) - 10...20 %.

Свойства цемента определяют процентным содержанием этих минералов, которые по своей химической активности, тепловыде­лению и скорости твердения располагаются в порядке убывания следующим образом: С3А —> C3S —> C4AF —> C2S.

При смешивании портландцемента с водой составляющие его минералы гидратируют с образованием новых кристаллических соединений, обуславливающих твердение цементного теста и проч­ность искусственного камня. Состав новообразований зависит от минералогического состава цемента, влажности и температуры окружающей среды. Продукт гидратации алита — гидрооксид кальция, растворяясь в воде, образует насыщенный щелочной раствор, который обеспечивает стабильность не только образо­ванных кристаллических гидратных соединений, но и коррозионную стойкость армату­ры при эксплуатации железобетонных конструкций.

В результате частичного перехода воды при гидратации в хими­чески связанное состояние (до 20 % от массы цемента) происходит усадка цемент­ного камня, вызывающая появление на его поверхности микро­трещин. Испарение воды из материала, приводит к образованию открытых капиллярных пор, понижаю­щих не только прочность, но и морозостойкость, водонепроницае­мость искусственного материала. Для повышения его эксплуа­тационных свойств необходимо обеспечить влажностные условия твердения (влажность не менее 95...98 %) и снизить расход воды с одновременным вводом пластифицирующих добавок для обес­печения необходимой пластичности смеси.

К недостаткам цементного камня, кроме усадки, относится ползучесть, которая проявляется в увеличении деформаций под влиянием длительно действующих, постоянных по величине нагрузок. Снижение ползучести растворов и бетонов достигается за счет введения жесткого недеформируемого заполнителя и снижения расхода цемента.

В зависимости от природы воздействия в процессе эксплуата­ции цементный камень может подвергаться физической или химической коррозии. В первом случае разрушение происходит под действием высокой температуры (свыше 300°С) или цикли­ческих температурно-влажностных изменений, во втором — под влиянием агрессивных сред. В зависимости от состава и меха­низма действия для цементного камня опасны:

• фильтрация воды с вымыванием наиболее растворимого гид­рооксида кальция, что приводит к снижению щелочности среды и, как следствие, разрушению кристаллических новообразований, уменьшению прочности (коррозия выщелачивания);

• действие кислот, сопровождаемое образованием гелеобразных, непрочных или растворимых соединений, вызывающих рез­кое падение прочности (кислотная коррозия);

• действие сульфатосодержащих вод приводит к разрушению структуры материала, которая происходит за счет накопления в порах по всему объему крупнокристаллических продуктов ре­акции между цементным камнем и агрессивной средой (суль­фатная коррозия);

• контакт с солесодержащими растворами (NaCl, Na2C03 и др.) вы­зывает, при наличии испарения влаги с поверхности изделия и капилляр­ного подсоса, кристаллизацию соли в поровом пространстве материала, что приводит к росту внутренних напряжений и деформаций, растрескиванию искусственного камня и потере им прочности (солевая коррозия).

С целью придания портландцементу заданных свойств изменяют состав клинкера, регулируют степень измельчения и вводят в мельницу при помоле органические и минеральные добавки. Цементные заводы выпускают вяжущие в широком ассортименте. Наибольший объем составляют портландцементы с минеральны­ми гидравлическими добавками (шлаковыми и пуццолановыми). При содержании добавок до 20 % получают рядовой портланд­цемент (ПЦ), при увеличении содержания доменного шлака с 21 до 60 % — шлакопортландцемент (ШПЦ), пуццолановых добавок (диатомит, золы, вулканический пепел) с 21 до 40 % — пуццолановый портландцемент (ППЦ). В связи с уменьшением содержания химически активного составляющего (клинкера) эти цементы обладают замедленным твердением, низким тепловыде­лением и меньшей морозостойкостью, а в случае пуццоланового — и меньшей воздухостойкостью. К положительным свойствам этих вяжущих можно отнести повышенные водо- и солестойкость, а также термостойкость (до 700 °С) шлакопортландцемента. Рациональное применение этих цементов — подводное и подземное бетонирова­ние, жаростойкие бетоны (ШПЦ); получение сборных конструк­ций при оптимальном режиме твердения — термовлажностная обработка (ТВО). При введении в качестве добавок кремнезема, известняка, доломита (до 30 %) получают безусадочный напол­ненный цемент низких марок, который применяют для штука­турных растворов.

Следующие по объему выпуска и значимости — портландце-менты с органическими поверхностно-активными добавками. Механизм действия добавок заключается в их способности адсорбироваться на поверхности цементных зерен. В результате при использовании гидрофобных добавок получают гидрофобный портландцемент (ГФ), гидрофильных — пластифицированный портландцемент (ПЛ). Преимущества ГФ портландцемента: длительное хранение без снижения технических показателей и повышенная водостойкость, поэтому его используют при воз­ведении гидротехнических сооружений, дорожных покрытий. ПЛ портландцемент применяют для повышения пластичности смеси без увеличения расхода воды или для увеличения прочно­сти, морозостойкости, водонепроницаемости при снижении рас­хода воды и сохранении заданной пластичности.

Для усиления пластифицирующего эффекта в мельницу при помоле клинкера вводят добавки суперпластификаторы и полу­чают вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), позволяющее сократить водопотребность цемента до 18-20%.

Декоративные растворы и бетоны получают с использованием белого и цветного портландцементов. Необходимая степень бе­лизны обеспечивается жесткими требованиями по содержанию красящих примесей (соединений марганца и железа) в сырье. Цветные портландцементы получают за счет добавления пигмен­тов к белому портландцементу.

При возведении конструкций, эксплуатация которых связа­на с действием сульфатосодержащих грунтовых вод и других сред (фундаменты, дамбы, плотины и т.д.), во избежание сульфатной коррозии применяют специальный сулъфатостойкий портландцемент (СПЦ). Его получают путем тщательной корректировки минералогическо­го состава, в котором содержание С3А ограничено до 5 % , C3S — до 50 %, сумма С3А + C4AF — до 22 %.

Получение монолитных конструкций, особенно при низких положительных температурах, а также высокая энергоемкость технологии производства сборного железобетона с использова­нием термовлажностной обработки требуют применения высокоэффективного быстротвердеющего портландцемента (БПЦ). Это, как правило, цементы высоких марок (500...700), получае­мые за счет увеличения содержания наиболее активных по от­ношению к воде минералов C3S и С3А и тонкости помола (с 3000 до 5000 см2/г), что позволяет обеспечивать до 70 % марочной прочности в трехсуточном возрасте естественного твердения.

Тампонажный портландцемент применяют для цементирования холодных (22 ± 2 °С) и горячих (75 + 3 °С) нефтяных и газо­вых скважин. Для придания специфических свойств (замедлен­ного схватывания, солестойкости, повышенной плотности це­ментного камня) в их состав вводят от 10 до 70 % минеральных добавок (шлак, кварцевый песок, известняк).

6.4. Специальные вяжущие

Специальные виды цементов отличаются от портландцемента используемым сырьем, технологией изготовления и, как след­ствие, наличием специфических свойств. К этому классу относят глиноземистый, безусадочный, напрягающий, расширяющийся и шлакощелочной цементы.

Глиноземистый цемент получают обжигом до плавления смеси бокситов или высокоалюминатных шлаков и известняка при температуре 1500...1600 °С. Вследствие преобладания в его составе высокоактивных алюминатов кальция, цемент в первые сутки твердения набирает до 90 % марочной прочности, а спустя трое суток — марку 400, 500, 600. Применение этого гидравли­ческого вяжущего приводит к высокому тепловыделению при твердении, морозо-, коррозионно- и термостойкости (до 1400 °С). Поэтому глиноземистый цемент используют при выполнении аварийных бетонных работ, получении долговечных конструк­ций, работающих в сложных условиях действия мороза и агрес­сивных сред, и жаростойких бетонов с температурой эксплуата­ции до 1200 °С. Этот цемент нельзя использовать при бетонирова­нии в жарком климате, термообработке и возведении массивных монолитных конструкций из-за опасности растрескивания бетона.

В зависимости от соотношения компонентов составы на глино­земистом цементе с добавками гипса и гидроалюминатов кальция используют для получения безусадочного, напрягающего и расши­ряющегося цементов. Первый используют для омоноличивания стыков в крупнопанельном домостроении, второй — при полу­чении труб и изготовлении емкостей для хранения жидкостей, третий — при производстве преднапряженных железобетонных конструкций, что связано со способностью многокомпонентного вяжущего при гидратации расширяться в свободном состоянии на 3...4 %. Если этот процесс происходит в замкнутом объеме, ограниченном формой, бетону передается определенное напря­жение, что приводит его в сжатое (преднапряженное) состояние, позволяющее повысить его прочность на изгиб и растяжение.

Шлакощелочной цемент получают путем помола доменного шлака и щелочесодержащего компонента или затворением тонкомолотого шлака концентрированным щелочным раствором. При измельчении шлака возможно введение добавок стеклобоя (до 40 %) или глинистых материалов в естественном или обож­женном состоянии (до 25 %). Вследствие высокой щелочности составы на этом гидравлическом вяжущем могут твердеть при отрицательных температурах, в автоклавах и пропарочных ка­мерах нормального давления. Активность (марка) цемента со­ставляет 400...1000 кгс/см2. Бетоны на этом цементе обладают повышенной водо-, морозо- и коррозионной стойкостью, а также способностью увеличивать прочность при эксплуатации во влаж­ной среде, поэтому наиболее рационально применение их в дорож­ном и гидротехническом строительстве.

Согласно стандарту качество цементов оценивают по основным и рекомендуемым показателям.

К основным относятся:

• химический, вещественный и минералогический состав;

• предел прочности на сжатие и изгиб через 28 суток естест­венного твердения;

• нормальная густота цементного теста (НГ) — водоцементное отношение (%), при котором достигается нормируемая пластичность, необходимая для определения сроков схватывания и равномерности изменения объема;

• равномерность изменения объема в процессе гидратации;

• активность цемента при пропаривании (для портландцементов с минеральными добавками);

• удельная эффективная активность естественных радионук­лидов.

К рекомендуемым относятся показатели общего характера (сроки схватывания, тонкость помола) и специального назначе­ния (коррозионная стойкость, содержание свободного СаО, тер­мостойкость, гидрофобность и т.д.).

На основании полученных результатов, которые должны со­ответствовать требованиям стандарта, цементу присваивают марку (М300, М400, М500, М600) - численно равную среднеарифметической ве­личине предела прочности на сжатие (кгс/см2) с учетом прочно­сти на изгиб, а также класс цемента по прочности на сжатие при гарантированной обеспеченности 95%, который должен быть соответственно равным 22,5; 32,5; 42,5; 52,5 (МПа).

 

 

ЛЕКЦИЯ 7. Бетоны

 

7.1. Общие сведения

Бетон на неорганических вяжущих веществах представляют собой композиционныйматериал, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок. Состав бетонной смеси должен обеспечить бетону к определенному сроку заданные свойства (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и др.).

Бетон является главным строительным материалом, который применяют во всех областях строительства. Технико-экономическими преимуществами бетона и железобетона являются: низкий уровень затрат на изготовление конструкций в связи с применением местного сырья, возможность применения в сборных и монолитных конструк­циях различного вида и назначения, механизация и автоматизация приготовления бетона и производства конструкций. Бетонная смесь при надлежащей обработке позволяет изготавливать конструкции оптимальной формы с точки зрения строительной механики и архи­тектуры. Бетон долговечен и огнестоек, его плотность, прочность и другие характеристики можно изменять в широких пределах и полу­чать материал с заданными свойствами. Недостатком бетона, как любого каменного материала, является низкая прочность на растяже­ние, котораяв 10-15раз ниже прочности на сжатие. Этот недостаток устраняется в железобетоне, когда растягивающие напряжения вос­принимает арматура. Близость коэффициентов температурного рас­ширения и прочное сцепление обеспечивают совместную работу бе­тона и стальной арматуры в железобетоне, как единого целого. Это основное свойство железобетона как композиционного материала. В силу этих преимуществ бетоны различных видов и железобетонные конструкциииз них являются основой современного строительства.

По виду вяжущегобетоны разделяют на: цементные (наиболее распространенные), силикатные (известково-кремнеземистые), гип­совые, смешанные (цементно-известковые, известково-шлаковые и т.п.), специальные - применяемые при наличии особых требований (жаростойкости, химической стойкости и др.).

По виду заполнителяразличают бетоны на: плотных, пористых, специальных заполнителях, удовлетворяющих специальным требова­ниям (защиты от излучений, жаростойкости, химической стойкости и т.п.).

В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента состав­ляет 8-15%, а заполнителей - 80-85% (по массе). Поэтому в виде за­полнителей применяют местные каменные материалы: песок, гравий, щебень, а также побочные продукты промышленности (например, дробленные и гранулированные металлургические шлаки), характе­ризующиеся сравнительно невысоким уровнем издержек производст­ва.

В зависимости от средней плотностибетоны классифицируют особо тяжелые, тяжелые, облегчен­ные, легкие, особо легкие.

Особо тяжелые - плотностью более 2500 кг/м, изготовляемые на особо тяжелых за­полнителях (из магнетита, барита, чугунного скрапа и др.), применяют для специальных защитных конструкций и утяжелителей.

Тяжелые - плотностью 2200…2500 кг/м3, применяют во всех несущих конструкциях.

Облегчен­ные - плотностью 1800…2200 кг/м3 применяют преимущественно в несущих конструкциях.

Легкие - плотностью 500…1800 кг/м3, к ним относятся:

а) легкие бетоны на пористых природных и искусственных заполнителях;

б) ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон) из смеси вяжущего, воды, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразователя;

в) крупнопористые (беспесчаные) бетоны на плот­ном или пористом крупном заполнителе, без мелкого заполнителя.

Особо легкие (ячеистые и на пористых заполнителях) - плотностью 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) плотностью 1200-1800 кг/м3.

Следовательно, плотность бетонов изменяется в широких преде­лах: от 400 до 4500 кг/м3 и более. Поэтому и пористость бетонов может быть очень большой у ячеистых теплоизоляционных бетонов (70…80%) и незначительной у плотных высокопрочных и гидротехнических бетонов (8…10%).

 

7.2.Технология

По способу изготовления конструкции подразделяют на моно­литные и сборные. При бетонировании монолитных конструк­ций (фундаментов, стен, перекрытий, гидротехнических соору­жений, дорожных покрытий) бетонную смесь приготавливают на строительной площадке или заводе (товарный бетон) и транс­портируют к месту укладки, где бетон твердеет в естественных условиях. Сборные конструкции (балки, плиты, колонны, панели, фермы и т.д.) получают на специализированных заводах (ЖБИ, ЖБК, КСМ), откуда их транспортируют на строительную пло­щадку для монтажа.

Бетонные смеси и их состав подбирают с использованием графиков и таблиц на основании следующих данных: условий эксплуатации будущей конструкции; показателей качества используемых компонентов; проектируемого класса бетона; требуемой подвижности бетон­ной смеси, которую выбирают в зависимости от размеров бетони­руемой конструкции, густоты армирования и способа уплотне­ния. Правильность выбора бетона проверяют в строительных лабораториях.

Для снижения усадочных деформаций при твердении, ползучести и для регулирования свойств искусственного камня в кра­сочные и мастичные составы вводят минеральные и органические компоненты в виде тонкомолотого порошка (наполнителя), в строи­тельные растворы и бетоны различного назначения — зернистые материалы более крупной фракции. При изготовлении бетонов ис­пользуют также природную песчано-гравийную смесь с содержа­нием песка 25...40 %.

На долю заполнителей в растворах и бетонах приходится до 80 % объема. Их введением можно значительно изменить свойства искусственного камня: повысить прочность, исполь­зуя плотные горные породы; снизить плотность и теплопровод­ность за счет применения пористого заполнителя; придать бето­нам и растворам декоративность заполнителями из природного камня.

Классификация заполнителей проводится по следующим по­казателям:

• размеру зерен (мелкий — до 5 мм, крупный — 5...70 мм);

• форме зерен (угловатая — щебень, окатанная — гравий, во­локнистая — древесные отходы, асбест, синтетическая минеральная и стальная фибра);

• структуре (при общей пористости менее 10 % — плотные, более 10 % — пористые);

• насыпной плотности, граница между тяжелым или легким крупным заполнителем равна 1000 кг/м3, для мелкого заполнителя— 1200 кг/м3).

Качество заполнителей оценивают по зерновому или гранулометрическому составу, насыпной плотности, пустотности, со­держанию вредных примесей и влажности. Кроме того, для крупного заполнителя определяют прочность и, в зависимости от условий работы будущей конструкции, такие специальные свой­ства, как морозо-, жаро- и кислотостойкость и т.д.

Гранулометрический состав является одной из важнейших характеристик, влияющих на свойства бетона. Так, для получения высокомарочного плотного бетона используют разнофракционный тяжелый заполнитель с минимальной пустотностью. Однофракционный плотный крупный заполнитель при отсутст­вии песка и ограничении расхода цемента применяют для полу­чения крупнопористого легкого бетона.

Качество щебня снижают пластинчатые (лещадные) и иглова­тые зерна, которые ухудшают удобоукладываемость, транспорти­ровку бетонной смеси и снижают прочность бетона. Для керамзита нормируемой вредной примесью являются зерна с отбитостью более 1/3 объема, обладающие низкой прочностью и высоким водопоглощением.

Для всех видов заполнителей ограничено содержание пылевидных частиц, снижающих прочность сцепления поверхности заполнителя с цементным камнем и повышающих водопотребность смеси, что приводит к уменьшению прочности и морозо­стойкости бетона.

Для регулирования свойств бетонной (растворной) смеси и бе­тона (раствора) вводят химические добавки, количество которых по сухому веществу назначают в процентах от расхода цемента. Добавки могут быть твердыми и в виде водных растворов опре­деленной концентрации, а в зависимости от количества входя­щих веществ — однокомпонентными и комплексными.

В строительстве принята основная классификация добавок по эффекту действия:

регулирующие гидратацию цемента (ускорители и замедли­
тели твердения, противоморозные, обеспечивающие твердение
на морозе);

• улучшающие пластичные свойства цементных смесей (пластификаторы и суперпластификаторы);

• изменяющие поровую структуру искусственного камня (воздухововлекающие, пено- и газообразующие, уплотняющие);

• ингибиторы коррозии стальной арматуры в бетоне;

• биоцидные, повышающие стойкость материалов по отношению к микроорганизмам.

Приготовление бетонной смеси включает подготовку материалов, их дозирование и перемешивание в специальных бетоно­смесителях. Полученная бетонная смесь должна обладать связно­стью, однородностью и удобоукладываемостью.

Контроль удобоукладываемости проводят по двум показателям: подвижности и жесткости. Подвижность определяют для пластичных бетонных смесей, замеряя осадку под собственным весом отформованного усеченного стандартного конуса. В зависимости от величины осадки конуса (ОК) различают низкопластичные смеси (OK 1...9 см), пластичные (OK 10...20 см) и литые (ОК > 20 см). При ОК < 1 см удобоукладываемость характеризуется жесткостью. Жесткость — динамический показатель вязкости бетонной смеси, которая определяется при механическом воздействии вибрации, под действием которой отформованная в виде усеченного стандартного конуса бетонная смесь равномерно заполняет опреде­ленный объем. Если необходимое время воздействия составляет от 5 до 40 с — смесь жесткая, более 40 с — сверхжесткая.

Для получения бетонов высоких марок используют бетонные смеси с низким водосодержанием. Их качественную удобоукладываемость обеспечивают за счет увеличения крупности разнофракционных заполнителей, отсутствия лещадных и игловатых зерен в щебне, введения добавок пластификаторов и суперпластифи­каторов.

Формование изделий и конструкций производят путём подачи бетонной смеси в очищенную и смазанную форму или опалубку, в которую, согласно проекту, устанавливают арматуру. После за­полнения объема производят уплотнение бетонной смеси с целью равномерного распределения и придания заданных формы и раз­меров. Основные методы уплотнения связаны с вибрационным воздействием, под влиянием которого проявляются тиксотропные свойства смеси — способность снижать вязкость (разжижаться) в результате нарушения сцепления между компонентами под влия­нием вибрации и восстанавливать структурную целостность и прочность после снятия механического воздействия.

При бетонировании монолитных конструкций используют пластичные смеси, которые уплотняют глубинными и поверхностными вибраторами. Сборные железобетонные конструкции выполняют из бетона высоких классов, поэтому для уплотнения сверхжестких и жестких бетонных смесей применяют более мас­сированное воздействие с использованием пригруза: вибропрокат и виброштампование. Для низкопластичных и пластичных сме­сей используют два метода: вибрационный и ударный, основанный на циклическом подъеме и падении с за­данной высоты формы со смесью. Литые смеси заполняют форму под действием собственной массы (наливной метод). С целью ускорения твердения и повышения прочности используют допол­нительное вибровакуумирование, позволяющее отвести часть воды из бетона и тем самым повысить плотность и жёсткость уложенной бетонной смеси и прочность бетона. Для изготовления полых изделий (труб, колонн) применяют центробежный способ формовки: подаваемая бетонная смесь под действием центробежной силы равномерно распределяется по внутренней поверхности вращающейся формы и уплотняется.

Для защиты бетонной поверхности и производства прочных тонкостенных конструкций используют набивной метод, предусматривающий подачу бетонной смеси в форму или на защищае­мую поверхность конструкции под давлением (торкрет-бетон).

К бетонным дорожным изделиям (бордюрные камни, тротуар­ные плитки) предъявляют высокие требования по износостой­кости и морозостойкости. Для обеспечения заданных свойств их изготавливают из сверхжестких бетонных смесей или из сухих, укладываемых и уплотняемых прессованием в сухом состоянии с последующим минимальным водонасыщением паром или рас­твором химических добавок. Так получают изделия прочностью до 80 МПа, водопоглощением менее 2 %, морозо­стойкостью более F1000 и низкой истираемостью.

После формовки бетон твердеет и приобретает проектируемую прочность искусственного камня. Режим твердения зависит от способа получения конструкций: монолитные — в естественных условиях, или при термосном выдерживание в тёплой опалубке, или при искусственном прогреве; сборные — с использованием термовлажностной обра­ботки при нормальном и повышенном давлении в автоклавах.

В зависимости от климатических условий монолитные конструкции твердеют при низкой положительной и отрицательной температурах, положительной оптимальной (20 ± 5 °С) и при высокой температуре и низкой влажности. Так как интенсивность процесса твердения (гидратации) зависит от температурно-влажностных условий, то каждый из режимов имеет свои технологи­ческие особенности. При отрицательных температурах используют быстротвердеющие цементы, противоморозные добавки и искусственные способы нагрева бетона в конструкции. Основная задача состоит в обеспечение набора бетоном «критической» прочности (25...50 % марочной), которая позволит воспринимать последующее замораживание при понижении температуры без разрушения.

При изготовлении сборных железобетонных конструкций ускоре­ние набора прочности достигается применением термообработки в атмосфере насыщенного пара. При работе с бетоном на основе разновидностей портландцемента используют термовлажностную обработку (ТВО) при нормальном давлении и температуре до 95 °С; для силикатных бетонов на известково-кремнеземистом вяжущем— автоклавную обработку при температуре от 175°С до 250°С и давлении соответственно от 0.9 до 1,6 МПа.

 

7.3.. Применение

К тяжелым бетонам относят конструкционные бетоны на песке, гравии или щебне из тяжелых горных пород, применяют во всех несущих конструкциях, эксплуатируют при систематическом воздействии температуры от +50°С до -70°С, а также бетоны специального назначения.

В состав мелкозернистых бетонов входят минеральное вяжущее и мелкий заполнитель — песок определенной крупности. Эти бетоны обладают однородностью свойств, повышенной во­донепроницаемостью и морозостойкостью, прочностью на изгиб и растяжение.

Мелкозернистые цементные бетоны используют при получе­нии методом объемного сухого вибропрессования труб, дорожных покрытий, тротуарных плит и бортовых камней, а также таких тонкостенных конструкций, как перегородки и плиты пе­рекрытий. Используя сетчатое армирование, на их основе возво­дят пространственные армоцементные конструкции — оболочки сложной конфигурации для покрытия больших площадей.

Плотные силикатные мелкозернистые бетоны используют при производстве таких несущих конструкций, как колонны, балки, плиты перекрытия.

Легкие бетоны плотностью менее 2000 кг/м3 можно получить за счет использования пористых заполнителей (легкий бетон), поризации цементного камня (поризованный бетон), введения газо- и пенообразующих добавок при отсутствии заполнителя (ячеистый бетон), а также применением только однофракционного крупного заполнителя при ограниченном расходе цемента (крупнопористый бетон).

Вид и назначение легкого бетона определяют двумя показателями: пределом прочности на осевое сжатие в проектном воз­расте и средней плотностью. В зависимости от плотности легкие бетоны подразделяют на конструкционные, из которых изго­тавливают плиты перекрытий; конструкционно-теплоизоляци­онные, используемые в производстве ограждающих стеновых конструкций, плит покрытий, и теплоизоляционные, основное назначение которых — теплозащита зданий и сооружений, тру­бопроводов и технологического оборудования.

Для приготовления легких бетонов с плотной межзерновой структурой, пористость которой не превышает 7 %, используют все виды минеральных вяжущих и пористые заполнители.

Разновидностью легкого бетона является поризованный цементный бетон. Его получают путем насыщения газом (воздухом) цементного камня или цементно-песчаного раствора, заполняю­щего пустоты между крупным пористым заполнителем. Проч­ность поризованных бетонов в зависимости от объема пор (7...25 %) и пористости применяемого заполнителя составляет 5...10 МПа, плотность — 700... 1400 кг/м3.

Ячеистый бетон, содержащий по всему объему до 85 % пор размером 1...1.5 мкм, является разновидностью поризованного бетона, в котором отсутствует крупный заполнитель. Ячеистые бетоны по­лучают в результате твердения вспученной порообразователем смеси минерального вяжущего, тонкомолотого кремнеземистого наполнителя и воды. Название ячеистого бетона зависит от вида применяемого вяжущего (цемент, гипс, известково-кремнеземистое, шлаковое), характера вводимых добавок (пено-, газооб­разующие) и кремнеземистого мелкого наполнителя (молотый кварцевый песок или зола). Например, газосиликат, пенозолобетон, газозолошлакобетон.

По условию твердения ячеистые бетоны могут быть автоклав­ные (силикатные) и неавтоклавные, твердеющие при термовлажностной обработке (цементные) или в естественных условиях (гипсовые).

В состав беспесчаного крупнопористого бетона вводят гравий или щебень определенной крупности, портландцемент и воду. Отсутствие песка и ограниченный расход цемента позволяют получить пористый бетон низкой теплопроводности. Из крупно­пористого бетона на плотном заполнителе возводят монолитные наружные стены зданий, изготовляют крупные стеновые блоки, которые необходимо оштукатуривать с двух сторон, чтобы исклю­чить продуваемость. Крупнопористый бетон на пористом заполни­теле имеет небольшую среднюю плотность, его используют для получения теплоизоляционных изделий.

К разновидностям легкого бетона относится опилкобетон и арболит, ко­торые могут быть использован как для монолитного, так и для блочного возведения зданий жилого, гражданского и сельскохо­зяйственного назначения высотой до пяти этажей.

В производстве мелких стеновых камней, блоков и крупноразмерных панелей широкое применение нашел один из видов легкого бетона — гипсобетон, обладающий огнестойкостью, лег­костью, хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Снижение средней плотности и улучшение акустических свойств достигается применением пористых заполнителей и пенообразующих добавок. Для повышения прочности на изгиб и уменьшения хрупкости в пластичную массу вводят волокнистые компоненты: древесные или синтетические волокна, измельченную макула­туру. Вследствие высокой пористости изделий стальную арматуру защищают от коррозии лакокрасочными составами на основе битума или полимерных смол.

На основе портландцемента и асбестового волокна выпускают специальный класс тонкостенных изделий — асбестоцементные плоские и волнистые листы, экструзионные стеновые панели и перегородки, плиты перекрытий и покрытий, трубы и др.

Асбестоцементными называют искусственные каменные материалы, получен­ные затвердеванием отформованных изделий, состоящих из смеси цемента, асбеста и воды. Специальный бездобавочный (шифер­ный) портландцемент (до 85 %) должен иметь заданный минерало­гический состав и тонкость помола, обеспечивающие замедленное схватывание и быстрый набор прочности. Тонковолокнистый мине­ральный заполнитель — асбест (до 15 %) вследствие дисперсного объемного армирования повышает прочность изделий на удар, изгиб и растяжение. Применение этого заполнителя обеспечивает также огнестойкость, водонепроницаемость, тепло- и электрозащит­ные свойства.

В зависимости от вида производимых материалов и условий их эксплуатации применяют мокрый (влажность до 85 %) и сухой (влажность до 18 %) способы производства. При мокром изделия получают литьем на круглосетчатых машинах с использованием вакуумирования (водо-, нефте- и газопроводные трубы, плоские и профилированные кровельные и облицовочные листы), при сухом — экструзией производят крупноразмерные листы (до 6 м), применяемые для изготовления стеновых, кровельных много­слойных панелей; прессованием получают облицовочные изно­состойкие плитки для пола и стен.

 

7.4. Контроль качества

Бетон изготавливают в соответствии с классом бетона (В) с гарантией произво­дителями прочности на осевое сжатие в нормируемом проектном возрасте. На заводе при производстве сборных конструкций контроль прочности бетона проводят после ТВО и последующего твердения в естественных условиях в течение 28 суток, когда бетон должен набрать гаран­тированную прочность. На строительной площадке прочность бетона определяют перед нагружением конструкции и проектную после 28 суток естественного твердения. При возведении массивных монолитных сооружений на медленно твердеющих цементах (пуццолановом и шлакопортландцементе) контроль прочности проводят через 60, 90 и 180 суток твердения.

Определение прочности бетона при получении и возведении конструкций чаще всего проводят путем испытания на прессе специально отформованных образцов-спутников кубической формы определенного размера, твердевших вместе с бетонируемой конструкцией. Если оценивают несущую способность эксплуатируемых конструкций, то испытания проводят на выбуренных и выпиленных из бетон­ного массива образцах (кубах, цилиндрах) или используют неразрушающие методы контроля. Наиболее распространенными являются механический склерометический метод (по величине отскока) и ультразвуковой.

Под действием на бетон механических нагрузок в зависимости от их величи­ны, направления и времени действия в бетоне возникают дефор­мации, сначала упругие, а в случае превышения напряжения остаточные (пластические), сопровождаемые появле­нием микротрещин, приводящих в дальнейшем к разрушению бетона.

Наиболее опасны для хрупких материалов, каким является бетон, растягивающие напряжения и деформации в изгибаемой зоне конструкций, в которую для обеспечения на­дежной эксплуатации укладывают металлическую или стеклопластиковую проволочную, прутковую или канатную арматуру, а также, для повышения прочности бетона на изгиб по всему объему, примененяют дисперсное армиро­вание путем введения в бетонную смесь коротких (10...50 мм) и прочных тонких (0,1...0,5 мм) металлических, минеральных, полимерных, волокон (фибр). Фибробетон —также имеет повышенные показатели прочности на удар, ис­тирание и морозостойкость.

При изготовлении конструкций, условия работы которых связаны с действием больших растягивающих и изгибающих нагрузок (пролетные строения мостов, корпуса реакторов, телебашни и т.д.), применяют трещиностойкий преднапряженный железобетон, в котором наиболее полно используются несущие возможности бетона и арматуры. Бетон с аналогичными свойствами можно получить также за счет применения самонапрягающего цемента специально подобранного состава. Сжимающие напряжения в бетоне, ограниченном замкнутым объемом формы, возникают в результате образования крупнокристаллических продуктов гидратации цемента, приводящих к значительному расширению цементного камня. Марку по само­напряжению обозначают Sp и числом, выражающим значение самонапряжения в МПа, например Sp2,0. В обычных конструкциях (балки, перекрытия и т.д.) преднапряжение по­зволяет снизить материалоемкость и массу изделий, повысить их трещиностойкость и долговечность.

Возникающие в бетоне деформации являются следствием не только действия нагрузок, но и изменения температурно-влажностных условий эксплуатации. Наиболее чувствительным к ним является цементный камень, содержащий минералы как в кри­сталлическом, так и в менее устойчивом аморфном стеклообразном состоянии. Так называемые собственные деформации включают усадку при гидратации цемента (химическая контракция) и усадку в результате снижения влажности окружающей среды. Уменьшить собственные деформации можно за счет снижения объема цементного камня в бетоне, увеличения расхода крупно­го недеформируемого заполнителя и обеспечения влажного ре­жима твердения.

Температурные деформации в бетоне возникают из-за разных коэффициентов температурного расширения его составляющих. Колебания температуры в диапазоне 0...50°С не вызывают в сухом бетоне значительных деформаций, однако при наличии влаги в порах приводят к микроразрушениям. Рост деформаций при отрицательной температуре преимущественно связан с льдообразованием, сопро­вождаемым увеличением объема льда. При нагревании бетона во время ТВО, в связи с переходом воды в пар и увеличением его объема, происходит вспучивание недостаточно прочного «сырого» бетона. Для предотвращения деформаций в первом случае применяют технологические приемы по повышению морозостойкости бетона (увеличение плотности, создание микропористой замкнутой структуры). Во втором, ка­сающемся в большей степени технологии получения сборного железобетона, используют мягкие режимы с медленным нарас­танием и снижением температуры. Для уменьшения влияния температурных деформаций в массивных бетонных конструкциях и в конструкциях с большим модулем поверхности (дорожные покрытия) устраивают температурные швы, которые заполняют герметизирующими упругими проклад­ками или мастиками, воспринимающими и гасящими возникаю­щие деформации.

Повысить морозостойкость бетона можно или за счет повыше­ния его плотности и снижения объема открытых, капиллярных пор, или путем увеличения количества замкнутых воздухонаполненных резервных пор (до 4...6 %), которые уменьшают давление от замерзающей воды.

Для таких изделий, как напорные железобетонные трубы, емко­сти для хранения жидких продуктов, гидротехнические соору­жения (дамбы, мосты), условия эксплуатации которых связаны с односторонним действием жидкостей под давлением, водопро­ницаемость является важнейшим свойством бетона. Основное влияние на нее оказывают показатели структуры: общий объем пор, содержание замкнутых и капиллярных пор, их форма и раз­мер. Водоотделение и недоуплотнение бетонной смеси, появление микротрещин вследствие усадки бетона из-за действия нагрузки, попеременного увлажнения с последующим замораживанием или высыханием могут существенно снизить непроницаемость бетона.

Повысить водонепроницаемость бетона можно за счет:

• использования многофракционного заполнителя, обеспечивающего его плотную упаковку с минимальным объемом пустот, которые для обеспечения монолитности заполняются цементным камнем;

• сокращения расхода воды в сочетании с применением доба­вок — пластификаторов, суперпластификаторов — и интенсив­ным способом уплотнения бетонной смеси;

• использования расширяющегося цемента и уплотняющих добавок;

• пропитки и защиты бетонной поверхности полимерными со­ставами.

 

 

7.5. Коррозионная стойкость.

От состава и характера структуры бетона зависит его корро­зионная стойкость, так как чем больше пористость материала, тем глубже проникают жидкие и газообразные агрессивные сре­ды, вызывая серьезные разрушения и приводя к потере несущей способности конструкции.

Агрессивные среды могут быть в жидком, газообразном и твер­дом агрегатном состоянии. Степень агрессивности по отношению к бетонным и железобетонным конструкциям для жидких сред определяется наличием и концентрацией агрессивных по отношению к бетону и арматуре веществ, температурой, величиной напора и скоростью движения жидкости по отношению к бетон­ной поверхности. Газовые и твердые среды агрессивны только при наличии на поверхности конструкции слоя влаги вследст­вие гигроскопичности (гидрофильности) бетона и повышенной влажности воздуха. Поэтому степень их агрессивности оценива­ют по составу, растворимости в воде, концентрации в газовоз­душной среде, гигроскопичности твердого продукта, влажности и температуре окружающего воздуха.

Агрессивность воздействия на бетон оценивают специальными нормами по антикоррозионной защите строительных конструк­ций. В зависимости от глубины разрушения бетона в течение 50 лет эксплуатации различают слабо-, средне- и сильноагрессивные среды.

Наибольшей химической активностью в бетоне обладает цементный камень, поэтому стойкость всего конгломерата (бетона, железобетона) зависит от его состава, структуры и может рас­сматриваться с позиции трех основных видов коррозии цемент­ного камня: выщелачивания, кислотного и солевого.

Первый вид — выщелачивание — происходит в результате фильтрации воды через бетон. Этот вид коррозии наиболее опасен для тонкостенных железобетонных конструкций, контакти­рующих с водой, и конструкций, работающих под напором воды, таких как плотины, дамбы, молы (гидротехнические). Снижение щелочности бетона вследствие вымывания гидрооксида кальция вызывает коррозию стальной арматуры, накопление на ее по­верхности продуктов реакции, приводящих к отслоению бетона и разрушению всей конструкции. Интенсивность этого вида коррозии прямо пропорциональна проницаемости бетона, давле­нию потока воды и содержанию свободного гидрооксида кальция в цементном камне. Следовательно, повысить стойкость бетона можно или за счет перевода гидрооксида кальция в более устойчи­вые и менее растворимые соединения, или путем целенаправлен­ного повышения плотности бетона. Первое достигается приме­нением пуццоланового и шлакового портландцементов, в которых гидрооксид кальция связывается опокой, трепелом, золой или шлаком в малорастворимые соединения. Второе — путем рацио­нального подбора зернового состава заполнителей, уменьшением водоцементного отношения в сочетании с введением пластифи­цирующих и гидрофобных добавок, пропиткой и защитой поверх­ности бетона полимерными составами.

Ко второму виду коррозии относится снижение прочности бетона под действием кислотосодержащих сред. Разрушение и вымывание цементного камня, сопровождаемое обсыпанием несвязанного заполнителя, происходит в поверхностных слоях, постепенно распространяясь в глубь бетона. В большей степени этот вид разрушения бетонных конструкций (полов, стен, плит перекрытий) наблюдается на предприятиях химической и пищевой промышленности. При проектировании бетонных конструкций, эксплуатация которых связана с действием растворов кислот и солей с кислой реакцией, предусматривают использо­вание специального кислотостойкого цемента на основе жидкого стекла или полимерного связующего в качестве вяжущего, запол­нителей из кислотостойких горных пород (андезита, диабаза, ба­зальта, кварцита) и кислотостойкой стеклопластиковой арматуры. При действии концентрированных горячих кислот применяют защиту бетонной поверхности с помощью полимерных кислото­стойких красочных составов, рулонных материалов, а также плит и плиток из ситаллов, шлакоситаллов, каменного литья и кисло­тостойкой керамики.

Коррозия третьего вида (солевая) — происходит в результате заполнения пор и пустот кристаллами солей, вызывающих пере­напряжение материала, рост остаточных деформаций и разру­шение бетонной конструкции. При действии сульфатных сред основным способом защиты является применение цементов, при гидратации которых получается наименьшее количество свобод­ного гидрооксида кальция, участвующего в образовании крупных сульфатосодержащих кристаллов, вызывающих растягивающие напряжения в бетоне. К таким вяжущим относятся пуццолановый и шлакопортландцементы, используемые при слабой и сред­ней степени агрессивности среды. Увеличение концентрации сульфатов требует применения более стойких и надежных ми­неральных вяжущих: глиноземистого цемента, сульфатостойкого портландцемента и шлакопортландцемента. При действии солей типа хлорида и карбоната натрия, не взаимодействующих с цементным камнем, разрушение происходит только при капил­лярном подсосе агрессивного раствора и наличии испаряющей поверхности, поэтому повысить стойкость бетона можно за счет снижения его проницаемости, т.е. повышения плотности.

Биокоррозия бетонных и железобетонных конструкций, харак­терная для предприятий пищевой промышленности, животновод­ческих помещений, прачечных, происходит под воздействием как кислот, выделяемых в процессе жизнедеятельности микроорга­низмов, так и самих бактерий, дрожжей, водорослей, способных разлагать входящие в состав цементного камня силикаты каль­ция. Биоповреждения бетона начинаются с поверхности и идут вглубь (так же, как и при погружении бетона в жидкую агрес­сивную среду). Для повышения стойкости конструкций увели­чивают плотность бетона, применяют лакокрасочные и плитные материалы. Наиболее надежная защита от биокоррозии — вве­дение в бетон биоцидных добавок.

Радиационная стойкость бетона зависит от свойств отдельных его составляющих, которые по-разному воспринимают действие ионизирующего излучения. При высоких дозах наблюдается расширение кристаллической решетки заполнителя, постепен­ный переход минерала в аморфное состояние, сопровождаемый ростом деформаций, снижением плотности (на 3...15 %) и проч­ности горной породы (до 30 %). Облучение цементного камня вызывает его разогрев до 350 °С и усадку до 2,2 %, увеличиваю­щуюся при повышении дозы радиации. Для получения радиационностойких бетонов используют сверхплотные заполнители, способные поглощать радиационное излучение (баритовые и же­лезосодержащие руды), и шлакопортландцемент в качестве вяжу­щего.

Стойкость бетона к действию высоких температур определяется составом используемых основных компонентов: вяжущего и заполнителей.

В железобетонных конструкциях, условия эксплуатации кото­рых связаны с прохождением электрического тока большой мощ­ности и напряжения (электростанции и подстанции, линии элек­тропередачи), возможно проявление электрокоррозии. Анализ причин потери несущей способности железобетонных конструк­ций позволил выделить два основных разрушающих фактора. Пер­вый — накопление большого количества энергии в малом объеме бетона в силу его неоднородности по составу и структуре, что при­водит к появлению дугового разряда, вызывающего пережог арма­туры, оплавление и растрескивание бетона. Второй — электрокор­розия стали при прохождении электрического тока по арматуре в условиях повышенной влажности, приводящая к образованию и накоплению продуктов коррозии (ржавчины) на стальной по­верхности. Обеспечить стойкость конструкции в этих условиях эксплуатации возможно за счет снижения электропроводности бетона, т.е. повышения его диэлектрических свойств. С этой целью в состав бетона вводят органические гидрофобные или уплотняю­щие добавки, снижающие гигроскопичность и водопоглощение; применяют защитные мастичные и лакокрасочные покрытия на основе высокомолекулярных смол; используют объемную про­питку конструкций полимерными составами.

 

 

ЛЕКЦИЯ 8. Строительные растворы

 

8.1. Общие сведения

Строительный раствор - это искусственный каменный материал, полученный в результате затвердевания растворной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя и добавок, улуч­шающих свойства смеси и растворов. Крупный заполнитель отсутст­вует, так как раствор применяют в виде тонких слоев (шов каменной кладки, штукатурка и т.п.).

Для изготовления строительных растворов чаще используют неор­ганические вяжущие вещества (цементы, воздушную известь и строительный гипс).

Строительные растворы разделяют в зависимости от вида вяжущего вещества, величины плотности и назначения.

По виду вяжущего различают растворы цементные, известковые, гипсовые и смешанные (цементно-известковые, цементно-глиняные, известково-гипсовые и др.).

По плотности различают: тяжелые растворы плотностью более 1500 кг/м3, изготовляемые обычно на кварцевом песке; легкие рас­творы плотностью менее 1500 кг/м3 , изготовляемые на пористом мелком заполнителе и с породообразующими добавками.

По назначению различают строительные раствор: кладочные - для каменной кладки стен, фундаментов, столбов, сводов и др.; штука­турные для оштукатуривания внутренних стен, потолков, фасадов зданий; монтажные - для заполнения швов между крупными эле­ментами (панелями, блоками и т.п.) при монтаже зданий и сооруже­ний из готовых сборных конструкций и деталей; специальные раство­ры (декоративные, гидроизоляционные, тампонажные и др.).

 

8.2. Технология

Строительные растворные смеси, в состав которые входят такие основные компоненты, как ми­неральное вяжущее, мелкий заполнитель (менее 5 мм) и вода, подбирают в зависимости от назначения по специальным фор­мулам с использованием графиков и таблиц. В результате твер­дения такая однородная смесь (раствор) приобретает прочность искусственного камня. Для регулирования свойств составов в них дополнительно вводят минеральные (золы, шлаки, опоку, туфы, глину) и химические (ускорители и замедлители тверде­ния, пластификаторы) добавки.

В связи с технологическими особенностями использования (длительной доставкой с завода-изготовителя в объеме, обеспечивающем днев­ную норму выработки; необходимости распределения тонким равномерным слоем по пористой поверхности; твердение в естественных условиях) строительные растворные смеси должны обладать замедленным схватыванием, высокой подвижностью, связностью, нерасслаиваемостью при транспортировании и хранении.

Качество растворной смеси оценивают по подвижности, водоудерживающей способности, плотности и расслаиваемости. При соответствии показателей стандарту по прочности на сжатие устанавливают марку, которая в зависимости от применяемого вяжущего может быть от М4 до М300 (кгс/см2).

Строительные растворы поступают на объекты в готовом виде с завода или, что более предпочтительно, в виде сухих смесей, затворяемых водой на строительной площадке. В настоящее время интенсивно развивается последний вариант, позволяю­щий путем корректировки состава практически на одном техно­логическом оборудовании получить до 50 смесей различного на­значения: для кладки кирпича и бетонных блоков, облицовочных работ, внутреннего и наружного оштукатуривания зданий, выпол­нения наливных самовыравнивающихся полов, гидроизоляци­онных работ.

 

8.3. Применение

По назначению строительные растворы подразделяют на кладочные, отделочные, специальные. Кладочные применяют для скрепления мелкоштучных изделий при возведении фундамен­тов, стен, столбов, сводов из кирпича, природного и искусствен­ного камня, а также при изготовлении и монтаже крупноблочных и крупнопанельных элементов. При выполнении кладочных работ в зимнее время для обеспечения набора прочности в растворы вводят противоморозные добавки, в летний период — пластифи­цирующие, повышающие подвижность растворных смесей и за­медляющие их загустевание.

Отделочные растворы могут быть обычными штукатурными и декоративными. Первые классифицируют по виду вяжущего (цементные, цементно-известковые, известковые, известково-гипсовые, гипсовые, известково-глиняные, глиняные), по назначе­нию (для наружных и внутренних штукатурок) и по расположе­нию слоев (подготовительные и отделочные).

Для штукатурных растворов очень важным показателем является подвижность, которая должна обеспечивать равномерное распределение раствора тонким слоем как по горизонтальной, так и по вертикальной поверхности. С целью повышения водоудерживающей способности и исключения расслаиваемости высокоподвижных смесей вводят пластифицирующие добавки, которые могут быть органическими или минеральными (извест­ковое или глиняное тесто). Выбор вяжущего зависит от условий эксплуатации штукатурного состава. Для надежного сцепления раствора с бетонной или кирпичной поверхностью используют закрепляющие полимерцементные растворы с предварительной огрунтовкой поверхности эмульсией ПВА или специальными грунтовочными составами.

Декоративные растворы должны обладать светостойкостью и иметь хорошее сцепление с поверхностью. Для отделки фаса­дов применяют растворы на белом и цветном портландцементах, внутренних поверхностей — на извести, гипсе, гипсополимерцементном и цементнополимерном вяжущих, в которые вводят минеральные пигменты. В качестве заполнителя используют мытые кварцевые пески или каменную крошку, полученную дроблением горных пород. Для повышения декоративности на поверхность, обработанную полимерцементным или водоэмуль­сионным составом, пневмометодом наносят крошку (размер до 5 мм) из керамики, стекла, угля, сланцев, мрамора.

К специальным видам растворов относят гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические, кислотостойкие, рентгенозащитные. Гидроизоляционные свойства обеспечивают за счет введения уплотняющих (хлорид железа) или гидрофобизирующих (битумная эмульсия) добавок; теплоизоляционные — исполь­зованием пористых заполнителей; акустических — дополни­тельным созданием шероховатой поверхности; огнезащитных — применением гипса или жидкого стекла в сочетании с огнеупор­ной глиной и термостойким асбестовым волокном; кислотостой­ких — использованием кислотостойких заполнителя и цемента на основе жидкого стекла; рентгенозащитных — введением за­полнителей из особо плотных баритовых руд.

 

 

ЛЕКЦИЯ 9. Полимерные материалы и изделия

 

9.1. Общие сведения

Пластическими массаминазывают материалы, содержащие в качестве важнейшей составной части высокомолекулярные соеди­нения - полимерыи обладающие пластичностью на определенном этапе производства, которая полностью или частично теряется после отверждения полимера.

Молекулы высокомолекулярных соединений состоят из нескольких тысяч или даже сотен тысяч атомов. Чаще всего макро­молекулы таких соединений построены путем многократного пов­торения определенных структурных единиц. Степенью полимери­зации называют число структурных единиц, содержащихся в одной макромолекуле.

Молекулярная масса низкомолекулярных соединений обычно не превышает 500. Вещества, имеющие промежуточные значения моле­кулярной массы, называют олигомерами.К ним относятся природные и искусственные смолы используемые для производства пластмасс.

Высокомолекулярные соединения встречаются в природе. К ним принадлежит натуральный каучук, целлюлоза, шелк, шерсть, янтарь и др.

 

9.2. Состав и свойства

Пластмассы получают обычно из связующего вещества и наполнителя, вводя в состав исходной массы те или иные специальные добавки - пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и красители.

Связующим веществом в пластмассах служат различные полиме­ры - синтетические смолы и каучуки, производные целлюлозы. Вы­бор связующего вещества в значительной мере определяет техниче­ские свойства изделий из пластмасс: их теплостойкость, способность сопротивляться воздействию растворов кислот, щелочей и других агрессивных веществ, а также характеристики прочности и деформативности. Связующее вещество - это обычно самый дорогой компо­нент пластмассы. Полимерные связующие служат основой композиционных материалов.

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 предприятиях в поли­меры.

Сырьем для полимеров служит также каменноугольный деготь, получаемый при коксовании угля, содержащий фенол и другие ком­поненты.

В производстве синтетических материалов применяют также азот и кислород, получаемые из воздуха, воду и ряд других широко рас­пространенных веществ.

Наполнители представляют собой разнообразные неорганические и органические порошки и волокна. В виде наполнителей слоистых пластмасс широко применяют также бумагу, ткани, древесный шпон и другие листовые материалы. Наполнители значительно уменьшают потребность в дорогом полимере и тем самым намного удешевляют изделия из пластмасс. Кроме того, наполнители улучшают ряд свойств изделий - повышают теплостойкость, а волокна ткани и листовой 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 виде пластификаторов могут использоваться некоторые низкомо­лекулярные высококипящие жидкости. Молекулы жидкости, проникая между звеньями цепей полимера, увеличивают расстояние и ослабляют связи между ними. Это и приводит к уменьшению вяз­кости полимера.

При изготовлении пластмасс в их состав вводят и другие добавки. Вещества, являющиеся инициаторами реакции полимеризации, уско­ряют процесс отверждения пластмасс и их поэтому называют отвердителями. Стабилизаторы способствуют сохранению структуры и свойства пластмасс во времени, предотвращая их раннее старение при воздействии солнечного света, кислорода воздуха, нагрева и дру­гих неблагоприятных влияний.

В качестве красителей пластмасс применяют как органические (нигрозин, хризоидин и др.), так и минеральные пигменты - охру, му­мие, сурик, ультрамарин, белила и др.

Для производства пористых пластических масс в полимеры вводят специальные вещества - порообразователи (порофоры), обес­печивающие создание в материале пор.

Положительным свойством пластмасс является то, что возможно получить некоторые материалы с высокими показателями, например:

- малая плотность в пределах от 20 до 2200 кг/м3;

- высокие прочностные характеристики - у текстолита предел прочности при разрыве достигает 150 МПа, у древопластиков равен 350 МПа. Пределы прочности при сжатии этих материалов также достаточно высоки, например, у древопластиков порядка 200 МПа, у СВАМа (стекловолокнистый анизотропный материал) - 420 МПа. Пластмассы с наполнителями (как порошкообразными, так и волок­нистыми) имеют предел прочности при сжатии в пределах от 120 до 160 МПа;

- низкая теплопроводность. Самые легкие пористые пластмассы имеют показатель теплопроводности всего лишь 0,03 Вт/(м-°С), т.е. близкий к теплопроводности воздуха;

- высокая химическая стойкость;

- высокая устойчивость к коррозионным воздействиям;

- способность окрашиваться в различные цвета;

- малая истираемость некоторых пластмасс. В связи с этим в пер­вую очередь эти пластмассы целесообразно внедрять как материалы для покрытия полов;

- прозрачность пластмасс. Обычные стекла пропускают менее 25% ультрафиолетовых лучей, тогда как органические наоборот - более 70%; они легко окрашиваются в различные цвета. Следует отметить их значительно меньшую плотность. Так, стекло из полистирола имеет плотность 1060 кг/м, тогда как обычное оконное стекло - 2500 кг/м3;

- технологическая легкость обработки (пиление, сверление, фрезе­рование, строгание, обточка и др.), позволяющая придавать изделиям из пластмасс разнообразные формы. Пластмассовые изделия подда­ются склеиванию как между собой, так и с другими материалами (на­пример, с металлом, деревом и др.). Поэтому из пластмасс можно из­готовлять различные комбинированные клееные строительные изде­лия и конструкции;

- относительная легкость сварки материалов из пластмасс (на­пример, труб в струе горячего воздуха) позволяет механизировать работы по монтажу пластмассовых трубопроводов;

способность некоторых пластмасс образовывать тонкие пленки в сочетании с их высокой адгезией к ряду материалов, вследствие чего такие пластмассы незаменимы как сырье для производства строи­тельных лаков и красок;

наличие в стране обширной сырьевой базы для производства по­лимеров (природные газы, газы нефтепереработки).

Вместе с тем пластмассы имеют ряд недостатков:

низкая теплостойкость (от +70 до +200°С);

малая поверхностная твердость;

высокий коэффициент термического расширения. Он колеблется в пределах 25-120-10"6, т.е. в 2,5-19 раз более высокий, чем у стали. Это необходимо учитывать при проектировании строительных кон­струкций, особенно крупноразмерных (например, трубопроводов);

повышенная ползучесть, особенно заметная при повышении тем­пературного режима;

горючесть с выделением вредных газов;

токсичность при эксплуатации.

К недостаточно изученным свойствам пластмасс следует отнести сроки их службы. Вопросы долговечности материалов, изменяемости их свойств во времени в значительной мере определяют возможность их применения в строительстве.

 

9.3. Применение

 

Материалы для несущих и ограждающих конструкций

Полимербетоны- композиционные материалы, изготовляемые преимущественно на основе термореактивных полимеров: поли­эфирных, эпоксидных, феноло-формальдегидных, фурановых и др. Заполнители выбираются в зависимости от вида агрессивной среды. Для кислых сред изготовляют полимербетоны на кислотостойких за­полнителях - кварцевом песке и щебне из кварцита, базальта или гра­нита. Используют также бой кислотоупорного кирпича, кокс, антрацит, графит.

Наиболее высокие физико-механические свойства полимербетоны имеют на эпоксидных смолах. Для уменьшения расхода и стоимости эпоксидных смол их модифицируют каменноугольной смолой (до 35-50%). Широкое распространение получили полимербетоны на фурановых полимерах, которые модифицируют эпоксидны­ми смолами для улучшения свойств композиций.

Расход связующего составляет 100-200 кг на 1 м3 полимербетона при соотношении к наполнителю 1:5-1:12 по массе. Технология при­готовления и уплотнения полимербетонов такая же как и цементных. Термообработка при 40-80°С значительно ускоряет процесс тверде­ния. Полимербетоны (полимеррастворы) хорошо склеиваются с це­ментным бетоном, поэтому его применяют для ремонта железобетон­ных конструкций.

Для уменьшения хрупкости полимербетона применяют волок­нистые наполнители - асбест, стекловолокна и др. Полимербетоны отличаются от обычного цементного бетона не только химической стойкостью (особенно по отношению к кислотам), но и высокими показателями прочности, в особенности при растяжении (7-20 МПа) и изгибе (16-40 МПа). Прочность при сжатии достигает 60-120 МПа. Морозостойкость полимербетонов может иметь 200…300 циклов за­мораживания и оттаивания; теплостойкость – 70…200°С. Но их стои­мость в несколько раз выше цементных блоков.

Применяют полимербетоны для химически стойких конструкций, износостойких покрытий, там, где высокая стоимость полимербето­нов будет оправдана. Отрицательным свойством полимербетонов яв­ляется их большая ползучесть, а также старение, усиливающееся при действии попеременного нагревания и охлаждения. Кроме того, не­обходимо соблюдение специальных правил охраны труда при работе с полимерами и кислыми отвердителями, могущими вызвать ожоги. В частности, необходима хорошая вентиляция, обеспечение рабочих защитными очками, резиновыми рукавицами, спецодеждой.

Стеклопластики - это композиционные листовые материалы, из­готовляемые из стеклянных волокон или тканей, связанных по­лимером. Связующим веществом в стеклопластиках обычно служат фенолоформальдегидные, полиэфирные 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 плотность 1,8-2 г/см3), что в сочетании с химической стойкостью делает их эф­фективным материалом для строительных конструкций, емкостей и труб.

Стеклопластики с рубленым стеклянным волокном изготовляют в виде волокнистых или плоских листов на полиэфирном связующем, обладающим светопрозрачностью. Эти изделия применяют для уст­ройства кровель, ограждений балконов, лоджий и перегородок.

Стеклопластики, изготовляемые на основе стеклянной ткани - (стеклотекстолиты), получают горячим прессованием полотнищ ткани, пропитанной термореактивным полимером, при высоком дав­лении и температуре. Стеклотекстолит идет для наружных слоев трехслойных стеновых панелей (внутренний слой панели из тепло­изоляционного материала). Этот же материал применяют для ус­тройства оболочек и других строительных конструкций.

Стеклотекстолиты получают также прессованием пастообразной массы из полиэфирного полимера, стекловолокна, асбеста и порош­кообразного наполнителя. Из этого материала формуют оконные и дверные блоки, фурнитуру, санитарно-технические изделия.

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), пигмент, а иногда и модифицирующие добавки. Толщина плиток - 1,25-1,5 мм, поэтому масса 1 м3 плиток составляет лишь 1,5-1,7 кг. К поверхности стен плитки приклеивают полимерными или каучуковыми мастика­ми. Плитки имеют красивые расцветки, гигиеничны, водо- и химиче­ски стойки. Плитки применяют для облицовки стен санузлов и торго­вых помещений. Однако полистирольные плитки горючи, поэтому их нельзя использовать возле открытого огня (например, около газовых плит).

Отделочные полистирольные плитки("полиформ") изготовля­ют из ударопрочного полистирола с добавлением вспенивающего компонента 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 интерь­ера.

Бумажнослоистые пластикиизготовляют из нескольких слоев специальной бумаги, пропитанных фенолоформальдегидным или карбомидным полимером. Пластик выпускают в виде листов длиной 1000-3000 мм, шириной 600-1600 мм, толщиной 1-5 мм. Бумажнослоистые пластики разнообразны по цвету и рисунку, хорошо обрабатываются - их можно пилить, сверлить, фрезеровать. Пластик тол­щиной до 1,6 мм крепят битумнокаучуковыми и другими мастиками, эпоксидными и резорциноформальдегидными клеями. Более толстые листы пластика крепят механическим способом.

Материалы для полов

Линолеумвыпускают безосновный и на теплозвукоизоляционной основе (тканевой, войлочной, вспененной). Независимо от основы линолеум может состоять из двух или большего количества слоев. Верхний лицевой полимерный слой содержит меньше наполнителей, более стоек к истиранию, эластичен и декоративно оформлен. По­следний слой более жесткий, содержит меньше полимера и больше наполнителей, чем лицевой слой. Наполнителями служат тонкие ми­неральные порошки (мел, тальк и др.).

Линолеум на тканевой основеполучают путем нанесения пасты, содержащей полимер, пластификатор, наполнитель, краситель и дру­гие добавки, на джутовую или иную ткань. Затем ткань со слоем на­несенной пасты проходит через термокамеру, в которой происходит полимеризация и превращение пасты в упругий и эластичный мате­риал. Войлочную основу линолеума пропитывают антисептиками для придания биостойкости.

Релин (резиновый линолеум) состоит из двух слоев - нижнего (подкладочного), изготовленного из бывшей в употреблении дробленой резины с битумом, и верхнего (лицевого) - из смеси синте­тического каучука (резины) с наполнителем и пигментом.

Двухслойный линолеумвыпускают и другого типа: лицевым слоем служит обычный линолеум, а подкладочным - ячеистая (вспе­ненная) пластмасса, придающая покрытию пола высокие тепло- и звукоизоляционные свойства.

Около половины общего выпуска рулонных полимерных мате­риалов для пола приходится на долю поливинилхлоридного лино­леума. Чистые полы из этого линолеума гигиеничны, биостойки и огнестойки. Низкая себестоимость и незначительные эксплуата­ционные расходы являются их преимуществом перед паркетным и дощатыми полами. Выпускается также глифталевый (алкидный) и коллоксилиновый (нитроцеллюлозный) линолеумы коричневого и красного цветов. Из-за повышенной возгораемости и выделение дыма 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 синтетические волокна, из которых изготовляют тканые и нетканые покрытия. Например, ворсолин состоит из двух слоев: основой его служат поливинилхлоридная пленка, а покрытие выполнено из вор­совой пряжи.

Для устройства чистых полов могут применяться водостойкие сверхтвердые древесностружечные плиткис плотностью не менее 950 кг/м3, имеющие высокую прочность при изгибе (не ниже 50 МПа). Однако при сборке пола даже из крупноразмерных листов все же получаются швы.

Из полимерных материалов можно устраивать чистые монолитные полы, вовсе не имеющие швов. Для этой цели применяют мастики, состоящие из связующего полимерного вещест­ва, наполнителей, специальных добавок и красителей.

Бесшовные полы устраивают, применяя состав на основе водоразбавляемой поливинилацетатной эмульсии. Водную дисперсию по­лимера, воду, наполнитель (молотый песок, зола и т.п.), пигмент за­гружают в растворомешалку. Полученную после 4-5 мин переме­шивания однородную мастику наносят на подготовленное основание пистолетом-распылителем в 2-3 слоя, причем каждый последующий слой наносят после высыхания последующего.

Полиэфирные составы для бесшовных полов приготовляют, ис­пользуя перекисные инициаторы и наполнители в виде стеклянного волокна, белой сажи и др. Благодаря химической стойкости, сопро­тивлению ударам и истиранию полимерные полы применяют, в пер­вую очередь, в зданиях с химически агрессивными средами. Однако полиэфирные полы недостаточно водостойки.

Полимербетонные наливные полытолщиной 20-50 мм не только химически стойки, но и способны выдержать тяжелые нагруз­ки, возникающие при работе внутрицехового транспорта. Полимер­ным связующим в бетоне являются фенолоформальдегидные, фурановые, эпоксидные или полиэфирные смолы с модификаторами, пла­стификаторами, отвердителями, стабилизаторами и другими добав­ками. В состав бетонной смеси помимо связующего входят порошкообразный наполнитель и заполнители (песок, щебень или гравий). Полимербетонную смесь укладывают на хорошо подготовленное ос­нование и уплотняют виброрейками или катками, потом поверхность пола заглаживают.

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.

Трубы, санитарно-технические и погонажные изделия

Термопластичныетрубы получают из поливинилхлорида, по­лиэтилена и полипропилена экструзивным 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 коррозионной стойко­стью. Благодаря низкому коэффициенту трения внутренней поверхности пропускная способность труб увеличивается на 30-40% (по сравнению с железобетонными или стальными). Трубы легко резать, сверлить, сваривать.

Их используют при сооружении канализационных и водопро­водных сетей, вентиляционных сетей, вентиляционных систем. Про­зрачные трубы из органического стекла не имеют запаха, ги­гиеничны, наибольшее применение находят в парфюмерном про­изводстве и медицинской промышленности.

Стеклопластиковые трубы изготовляют из полиэфирных по­лимеров, стекложгута, стеклоткани центробежным методом, намот­кой на сердечник пропитанной стеклоткани и стеклолент. Стеклопластиковые трубы значительно прочнее других полимерных труб, они выдерживают рабочие температуры до 150°С. Применяют их в основном при строительстве химических предприятий и в нефтяной промышленности.

Для получения санитарно-технических изделийприменяют полиметилметакрилат, ударопрочный полистирол, полипропилен, поли­амиды, стеклопластики. Из пластмасс изготовляют ванны, мойки, сифоны, смывные бачки, детали вентиляторов, отдельные детали в кранах-смесителях и т.д. Все эти изделия отличаются малой массой (пластмассовая ванна примерно в 10 раз легче эмалированной), кор­розионной стойкостью. Изделия из пластмасс обходятся дешевле фаянсовых и чугунных.

Цветные длинномерные элементы для отделки зданий, называ­емые погонажными изделиями,- плинтуса, 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 дере­вянных.

 

 

Полимерные клеи и мастики

Клеи из синтетических материалов обладают высокой клеящей способностью (адгезией) и водостойкостью. Разработаны универ­сальные составы, которые в отличие от природных клеев хорошо склеивают древесину, пластмассу, металлы, керамику, стекло, при­родные и искусственные камни. Полимерные клеи дают возможность просто и быстро осуществлять сборку строительных элементов. При этом прочность клеевых стыков может быть выше прочности самого материала.

Широко применяют полимерные клеи для ремонта железобетонных конструкций, главным образом клеями на эпоксидных смолах.

Применение клеев способствовало развитию производства инду­стриальных деревянных клееных конструкций. Клеи изготовляют из различных полимерных смол, каучуков и производных целлюлозы. Для регулирования свойств в клеи вводят растворители, наполнители, пластификаторы, отвердители. Применяют клеи горячего и холодно­го отверждения.

Мастикаминазывают высоковязкие полимерные композиции, способные склеивать различные материалы, покрывать поверхность конструкций довольно толстым слоем для предохранения их от кор­розии, заполнять щели, раковины, отверстия и другие углубления для получения гладкой поверхности или обеспечения герметичности. По свойствам и технологии мастики отличаются от клеев только повы­шенной вязкостью или значительным содержанием наполнителя.

 

Материалы модифицированные полимерами

Одним из эффективных направлений улучшения свойств традици­онных материалов - бетона, дерева, естественного камня, битума и пр. считается обработка их полимерами. Модификацию строитель­ных материалов полимерами осуществляют следующими приемами: введением полимеров в бетонную или растворную смесь при пере­мешивании; пропиткой полимерами готовых изделий; нанесением полимерных покрытий на поверхности; введением полимерных воло­кон и заполнителей.

Материалы, модифицированные полимерами, характеризуются повышением прочности при всех видах механического загружения, но особенно при растяжении; улучшением деформативных характе­ристик, выражающихся в уменьшении жесткости, несколько большей предельной деформативности; повышенным сопротивлением дина­мическим воздействиям благодаря проявлению свойств высокой эла­стичности полимеров; повышением химической стойкости, водо­стойкости и водонепроницаемости; уменьшением истираемости; по­вышением адгезии, т.е. способности сцепляться с другим материалом и служить в качестве клеящего состава.

 

 

ЛЕКЦИЯ 10. Металлические материалы и изделия

 

10.1. Общие сведения

Металлы представляют собой неорганические крупнокри­сталлические вещества, обладающие специфическим металли­ческим блеском, пластичностью, высокой прочностью, электро- и теплопроводностью, ковкостью и свариваемостью. Пластичность проявляется при действии механической нагрузки и широко используется для получения изделий определенной формы и раз­меров. Металлические материалы строительного назначения про­изводят методом проката (листы, профили, балки), экструзией (стержни, проволоку), прессованием (закладные детали).

Контроль основных показателей металлов и сплавов проводят по пределу прочности на сжатие, изгиб, растяжение, кручение, удар, твердость в зависимости от предполагаемых условий экс­плуатации в статическом, динамическом или повторно-перемен­ном режимах при нормальной, повышенной и отрицательной температурах. При изучении свойств металлов (сплавов) боль­шое внимание уделяют также исследованию процессов их разру­шения под воздействием агрессивных сред, микроорганизмов, высоких температур и огня.

Интенсивность коррозионного разрушения зависит от хими­ческого состава и микроструктуры металла (сплава), концентра­ции и температуры агрессивной среды. В зависимости от причин, вызывающих разрушение, коррозию подразделяют на химиче­скую (под действием газов, высокой температуры и органических жидкостей), электрохимическую (при наличии водных раство­ров), биологическую (под действием продуктов жизнедеятель­ности микроорганизмов). Разрушение может происходить как равномерно по всей поверхности, так и неравномерно, что наи­более опасно.

Изделия предохраняют от коррозии за счет повышения одно­родности структуры и состава, введения легирующих добавок, исключения дефектов поверхности и применения специальных методов защиты: нанесение коррозионностойких металлических покрытий металлизацией, плакированием, гальваническим или горячим способами; термохимическая обработка изделий; по­крытие поверхностей изделий лакокрасочными составами.

По отношению к открытому пламени металлы являются не­сгораемыми материалами, однако резкое повышение температуры и их высокая теплопроводность вызывают их расширение и внутренние напряжения, приводящие к размягчению, дефор­мациям, растрескиванию, что приводит к потере несущей способности. Защитные меры основаны на создании поверхностного те­плозащитного слоя из бетона, кирпича, цементно-песчаных или глиняных огнезащитных штукатурок, вспучивающихся огнезащитных красоч­ных составов, гипсосодержащих листов и плит.

Для защиты металлоизделий и конструкций от биоповрежде­ний используют мастичные и красочные составы на основе по­лимерных смол с введением биоцидных добавок.

 

10.2. Технология и применение

В строительной практике основной объем составляют железо­углеродистые сплавы (черные металлы), которые в зависимости от содержания углерода С подразделяют на чугун (2,14...6,67 % С) и сталь (до 2 % С). Большое содержание углерода обеспечи­вает высокую прочность на сжатие и хрупкость металла, чем меньше его количество, тем пластичнее сплав, а также повышается его коррозионная стойкость. Поэтому чугун используют в конструкциях, работающих на сжимающие нагрузки (тюбин­ги в метро, башмаки под колонны) и для изготовления канализационных труб, а сталь — на изгибающие и растягивающие (балки, арматура, профильные листы и т.д.).

Чугун получают в доменных печах из железосодержащих руд (красного, бурого и магнитного железняка). В состав чугуна, кроме железа и углерода, входят примеси кремния, марганца, фосфора и специальные легирующие добавки (никель, магний, алюми­ний, кремний), которые придают сплаву высокие механические свойства, обеспечивают износо-, жаро- и коррозионную стойкость. В зависимости от химического состава и микроструктуры выпус­кают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугун.

Белый чугун (передельный) составляет большую часть вы­пускаемой металлургической продукции и идет на переработку в сталь. Серый (литейный) чугун применяют для изготовления фасонного литья строительного профиля (радиаторы, сантехни­ка и архитектурно-художественные изделия). Высокопрочный и ковкий чугун используются в машиностроении.

С целью значительного повышения пластичности железоуг­леродистых сплавов чугун в сочетании с рудой, металлоломом (скрапом) переплавляют в сталь. В процессе плавки, которая может проходить в конвертерах, мартеновских или электропе­чах, из чугуна путем окисления и перевода в шлак удаляют из­быток углерода, марганца, кремния, фосфора. Полученную сталь классифицируют по способу производства: мартеновская, конвертерная, электросталь; химическому составу: углеродистая, легированная; назначению: конструкционная (строительная, машиностроительная), инструментальная, специального назна­чения.

Углеродистую сталь обыкновенного качества выпускают для строительных целей, качественную конструкционную используют в машиностроении и для ответственных строительных конструк­ций, высококачественную инструментальную — для изготовления режущих инструментов, штампов. В зависимости от гарантируе­мых механических и технологических характеристик углероди­стую сталь обыкновенного качества делят на две группы (А и Б) и одну подгруппу (В). Для изготовления изделий строительного назначения в основном применяют сталь группы А, которую выпускают следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3,..., Ст 6. По мере уве­личения цифры повышается прочность и снижается пластич­ность сплава. Качественные конструкционные углеродистые стали подразделяют в зависимости от содержания углерода на малоуглеродистые (до 0,25%), которые хорошо свариваются, пластичны и надежно работают в сварных и клепаных строи­тельных конструкциях, среднеуглеродистые (до 0,55 %) — хуже свариваются, более прочные и хрупкие, их применяют для изго­товления деталей, работающих при больших нагрузках, высокоуглеродистые (до 0,80 %) — для изготовления пружин, рессор, зубчатых колес.

С целью повышения коррозионной стойкости, снижения хладоломкости, замедления старения в сталь при получении вводят легирующие добавки (хром, марганец, никель, кобальт, молиб­ден, кремний и т.д.). Легированные стали классифицируют по химическому составу и назначению. В зависимости от суммар­ного содержания добавок выпускают низколегированные стали (до 2,5 %), среднелегированные (2,5...10 %) и высоколегирован­ные (более 10 %).

Для производства элементов несущих стальных конструкций и профилей используют низколегированные конструкционные стали, для режущего и измерительного инструмента — инстру­ментальные, для работы в условиях действия высоких темпера­тур, агрессивной среды и т.д. — легированные стали с особыми свойствами.

Преимущества легированных сталей проявляются в большей мере после дополнительной термообработки, общий режим которой включает нагрев изделий до температуры перекристаллиза­ции сплава в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) с сохранением вещественного состава (аллотропия). В зависимо­сти от назначения термообработки (изменение свойств, снятие напряжений) целенаправленно подбирают максимальную темпе­ратуру нагрева, скорость ее подъема и охлаждения. На практике применяют следующие виды термической обработки металли­ческих изделий: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, термо­механическую и химико-термическую.

Отжиг используют для повышения однородности стали, сня­тия внутренних напряжений. Нормализация позволяет умень­шить напряжения, имеющие место при получении изделий, и повысить пластичность. Применяя закалку в сочетании с от­пуском, увеличивают прочность, твердость и сохраняют задан­ную вязкость. Метод термомеханической обработки (ТМО) предусматривает нагрев поверхностного слоя изделия на задан­ную глубину, обкатку его роликами для ориентированного распо­ложения кристаллов и повышения прочности поверхностного слоя, закалку и отпуск. Этот вид обработки позволяет сочетать высокую прочность с пластичностью.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, прочности, жаро-, износо- и коррозионной стойкости. Используемый способ обработки предусматривает насыщение поверхностного слоя изделия в нагретом состоянии углеродом (цементация), азотом (азотирование) или одновременно азотом и углеродом (цианирование).

Вторую группу используемых в строительстве металлических материалов образуют цветные сплавы.

Наиболее широкое применение получили сплавы алюминия с магнием, медью, кремнием благодаря их низкой плотности (2700 кг/м3), высокой электро- и теплопроводности, коррозион­ной стойкости, пластичности, хорошей свариваемости, надеж­ности работы при отрицательных температурах, отсутствию магнитных свойств и искрообразования при ударе. Эти материалы используют для получения прессованных холодных и утепленных профилей, тонколистовых изделий для производства сварных и клепаных конструкций (фермы, колонны, сборные каркасы зданий, кровельные и стеновые многослойные панели), подвес­ных потолков, окон, дверей.

Из сплавов меди в строительстве применяют латунь (листы, прутья, проволока, трубы) и бронзу (архитектурно-художест­венные изделия и пигмент в красочных составах).

Цинк в строительстве используется для защиты стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, несущих кон­струкций) от коррозии, свинец, стойкий к коррозии и радиацион­ному излучению, — для изготовления специальных труб и за­щитных экранов.

 

ЛЕКЦИЯ 11. Кровельные, гидроизоляционные и герметизирующие материалы

11.1. Кровельные материалы

Крыша представляет собой сложную, многослойную наружную ограж­дающую конструкцию, основное назначение которой — защита здания от механических повреждений, увлажнения, перепада температур и обеспечение таким образом определенного внутренне­го микроклимата в здании. В зависимости от архитектурно-конструкци­онного решения крыши подразделяют на плоские и скатные, которые в свою очередь могут быть многоярусными с переменным уклоном, шатровыми, купольными и т.д. Плоские конст­рукции крыш чаще встречаются в многоэтажных гражданских и промышленных зданиях, скатные — в индивидуальном строи­тельстве, так как с их помощью можно значительно повысить архитектурную выразительность и неповторимость дома.

Основную несущую функцию в крыше выполняет конструк­ция, которая опирается на стены или опоры и передает механи­ческие нагрузки от действия ветра, снега и самой крыши на фундамент. Она может быть в виде фермы, стропил, сборной же­лезобетонной плиты покрытия, многослойной асбестоцементной плиты, стального профилированного настила, комплексных панелей покрытия заводского изготовления с тепло- и гидроизоляционными слоями, монопанели, а также из монолитного бетона.

По несущей конструкции, выполненной из паропроницаемого мате­риала, устраивают плёночную или окрасочную пароизоляцию, препятствующую увлажнению проникающими из помещения водяными парами последующего теплоизоляцион­ного слоя. Для этой цели могут быть использованы мастики (битумные, битумно-полимерные, полимерные), лакокрасочные и рулонные мате­риалы. Толщина покрытия зависит от влажности воздуха в по­мещении.

В качестве теплоизоляционных материалов, защищающих здание от охлаждения и перегрева, используют легкие бетоны на пористых заполнителях (монолитная), плиты из ячеистого бетона и пенопласта (сборная) или такие рыхлые, зернистые материалы, как керамзит, перлит (засыпочная теплоизоляция). В случае использования сыпучих материалов или полужестких плит для придания жесткости поверх них устраивают стяжку — выравнивающее покрытие. Стяжки выполняют монолитными и сборными. К первым относятся цементнопесчаные, полимерцементные, гипсовые, гипсополимерные, стеклогипсовые, стеклогипсо-полимерные (в летних условиях) и асфальтобетонные (в зимних); ко вторым — асбестоцементные прессованные листы. Заключительный верхний слой кровли защищает крышу от пе­риодического, кратковременного действия атмосферных осадков. Для его устройства применяют рулонные, мастичные, листовые и штучные материалы.

В зависимости от вида исходного сырья кровельные материалы могут быть металлическими, керамическими, цементосодержащими, полимерными, битумно-полимерными и битумными.

Для плоских крыш с малым уклоном применяют рулонные и мастичные материалы, для скатных с большим уклоном — листовые и штучные изделия. В последнем случае материалы крепят механическим путем на специально выполненную из досок или брусьев обрешетку, защищенную, для обеспечения пароизоляции и исключения продуваемости, рулонным пароизоляционным материалом. При выборе кровельных материалов используют критерии, учитывающие конфигурацию, планируемую долговеч­ность, требуемое эстетическое восприятие, экономическую целе­сообразность.

Кровельное покрытие в течение всего срока эксплуатации под­вергается воздействию многочисленных неблагоприятных факто­ров внешней среды: влажностным и температурным изменени­ям, действию ультрафиолетовых лучей. Под влиянием нагрузки, температуры деформируется как сам кровельный материал, так и жесткое основание крыши. Их способность к совместной работе без нарушения сплошности покрытия определяет долговечность кровли, которую оценивают в годах службы при потере 50 % ве­личины основных показателей качества. Качество кровельных материалов проверяют по основным общим показателям: водостойкости, водонепроницаемости, температуростойкости, морозо­стойкости, устойчивости к действию ультрафиолетовых лучей — и свойствам, зависящим от состава материала: горючести, токсич­ности и т.д.

К крупноразмерным листовым материалам относятся:

металлочерепица — штампованный гофрированный лист из алюминия или оцинкованной стали с защитным декоратив­ным покрытием;

асбестоцементные профилированные листы с защитным декоративным покрытием;

битумосодержащий профилированный листовой материал «Ондулин».

Основные эксплуатационные недостатки долговечных метал­лических материалов: высокая шумность во время дождя, необхо­димость обеспечения электробезопасности конструкции, высокая плотность и теплопроводность, требующие применения пароизоляции, а также воздушного зазора между теплоизоляционным слоем и кровельным покрытием.

Асбестоцементные листы (паропроницаемый, «дышащий» материал) обладают пониженной теплопроводностью и звуко­изоляцией, но относительно хрупки и массивны.

Светопропускающие листовые материалы — стеклопластик профилированный, органическое профилированное стекло (ак­риловое, поликарбонатное) плотной и ячеистой структуры, си­ликатное армированное декоративное стекло — применяют при строительстве рынков, зимних садов, выставочных павильонов.

Штучные кровельные материалы из-за трудоемкости выпол­нения покрытия чаще используют при индивидуальном строи­тельстве или возведении зданий культурного назначения, в кото­рых крыша играет роль архитектурного элемента. Наиболее часто используется черепица, которую в зависимости от применяемого материала подразделяют на керамическую, цементно-песчаную, полимерно-песчаную и битумную (кровельная плитка). В зави­симости от формы и назначения черепицу выпускают плоскую, коньковую и специальную.

Все рассмотренные листовые и штучные изделия выполняют несущую и изолирующую функции. Рулонные и мастичные материалы выполняют только изолирующую функцию. Их ис­пользуют для выполнения плоской, «мягкой» кровли. Недос­татки этих материалов — обязательное присутствие жесткого основания и многослойность покрытия.

Материалы «мягкой» кровли классифицируют по деформативным свойствам на прочные (армированные) и эластичные. В зависимости от технологии выполнения кровельных работ и вида материалов их подразделяют на пять классов:

• рулонные армированные — наплавляемые;

• рулонные армированные — наклеиваемые;

• рулонные безосновные — наклеиваемые;

• мастичные холодные однокомпонентные;

• мастичные холодные двухкомпонентные.

Первые два класса относятся к прочным, относительно жест­ким покрытиям, остальные — к эластичным.

Важнейшими параметрами оценки свойств рулонных кровель­ных материалов являются гибкость при минимальной положитель­ной или отрицательной температуре (мм/ °С), теплостойкость (°С), разрывная сила при растяжении (МПа); водопоглощение (%) и водонепроницаемость при действии определенного давления в МПа. Кроме вышеперечисленных, учитываются и такие свойства, как стойкость к агрессивным средам, биокоррозии, ультрафиолетовому излучению, пожарная и экологическая безо­пасность.

Радикальное улучшение качества «мягких» кровельных ма­териалов и повышение их долговечности достигается за счет:

• использования нетканых синтетических основ;

• модификации битумов температуростойкими эластичными полимерами;

• разработки полимерных материалов для устройства одно­слойных кровель;

• использования новых видов защитных и декоративных бронирующих посыпок и покрытий.

Для кровель общественных, промышленных и других зданий с малым уклоном, прочным и плотным бетонным основанием применяют мембранные покрытия (эластомерные пленочные) на основе каучуков. В строительстве нашли применение три типа мембран: неармированные из бутилового каучука, исполь­зуемые в качестве гидроизоляции; неармированные из этиленпропиленового каучука, применяемые как кровельные и гидроизоля­ционные; из этиленпропиленового каучука на основе полиэфир­ного волокна — кровельные.

Для выполнения бесшовных водонепроницаемых покрытий крыш используют также кровельные мастики. Их классифици­руют по назначению (приклеивающие, кровельные, гидроизоля­ционные, антикоррозионные), виду применяемого связующего (битумные, битумно-полимерные, полимерные), виду компо­нента, обеспечивающего пластичность смеси (содержащие воду, растворители, масла), характеру отверждения (отверждаемые, неотверждаемые) и технологии применения (горячие, холод­ные). Приняты следующие условные обозначения: МБЭ — битумно-эмульсионные, МБПГ — битумно-полимерные горячие, МБПХ — битумно-полимерные холодные, МБПО — битумно-по­лимерные отверждаемые, МПХ — полимерные холодные.

Мастичные кровли по отношению к рулонным имеют свои преимущества и недостатки. К преимуществам можно отнести легкость выполнения механическим или ручным способом любых форм и уклонов, отсутствие швов, а также возможность ремонта без удаления старой кровли; к недостаткам — сложность полу­чения одинакового по толщине покрытия, необходимость в ряде случаев дополнительного армирования, паронепроницаемость покры­тия, а также требование защиты поверхности сыпучими неорга­ническими материалами, что утяжеляет и удорожает покрытие. В связи с тем что ряд мастик для обеспечения заданной пластич­ности содержат токсичные растворители, встает вопрос экологии. В этом отношении более благополучны битумные водные эмуль­сии с волокнистым наполнителем, но их применяют в основном для мелкого ремонта кровли.

В зависимости от способа поставки кровельные мастики под­разделяют на одно- и двухкомпонентные. Первые поступают в го­товом виде, их полимеризация с образованием прочного гидроизо­ляционного ковра происходит сразу после нанесения на основа­ние. Срок хранения таких составов не превышает трех месяцев. Вторые представляют собой два различных материала, смешива­ние которых проводят на строительной площадке непосредствен­но перед укладкой. Путем изменения соотношения их компо­нентов свойства смеси можно регулировать в довольно широком интервале. Срок хранения составляющих — более года.

 

11..2. Гидроизоляционные материалы

Специфика работы гидроизоляционных материалов в срав­нении с кровельными — непосредственный постоянный контакт с водяными парами или водой, в ряде случаев действующей под давлением. Общая задача гидроизоляции — не допускать про­никновения агрессивной грунтовой воды, содержащей кислоты, сульфаты, сероводород, хлор, к изолируемому материалу (антикоррозионная гидроизоляция) или миграцию воды через ограж­дающую конструкцию (антифильтрационная гидроизоляция). Для этого нужно или создать водонепроницаемый слой между водой и поверхностью материала, или придать самому материалу свойство водонепроницаемости. Гидроизоляцию выполняют прежде всего для подземных конструкций и сооружений, испытывающих в процессе эксплуатации действие прямого гидравлического на­пора или фильтрующих грунтовых вод (фундаменты, стены под­валов, полы).

При новом строительстве с наружной стороны подземной кон­струкции используют «первичную» гидроизоляцию — окрасоч­ную и оклеечную. При реконструкции и ремонте выполняют дополнительную «вторичную» гидроизоляцию: монолитную (шту­катурную), облицовочную, пропиточную, инъекционную и засып­ную (гидрофобную).

Окрасочная гидроизоляция, рекомендуемая для защиты от ка­пиллярной, фильтрующей воды, представляет собой монолитное водонепроницаемое покрытие толщиной 3...6 мм, получаемое пу­тем нанесения на защищаемую поверхность вязкопластичных битумных, битумно-полимерных и полимерных мастичных соста­вов на органических растворителях, или в виде водной эмульсии в сочетании с эмульгаторами, обеспечивающими ее однородность и стабильность.

Оклеенные, штукатурные и облицовочные покрытия приме­няют при прямом действии на поверхность воды напором до 10 м. Для выполнения оклеечной гидроизоляции используют как спе­циальные рулонные водостойкие и водонепроницаемые материа­лы, так и материалы широкого спектра применения. К специаль­ным можно отнести «Изол» — безосновный рулонный биостойкий материал на основе резинобитумного вяжущего с введением на­полнителя, антисептических и пластифицирующих добавок — и «Бутерол», полученный смешиванием синтетических каучуков, термоэластопластов, пластификаторов, вулканизирующих добавок и наполнителей. Защиту конструкций выполняют путем наклеивания этих безосновных рулонных материалов толщиной до 2 мм на специальную мастику в два слоя.

Применяемые основные рулонные материалы, как правило, отличаются от кровельных видом защитного слоя, так как для гидроизоляционных материалов фактически отсутствуют воздействия высоких и низких температур, ультрафиолетового излучения. Защитный слой может быть мелкозернистым, пыле­видным или выполненным из полимерной пленки. Как и кро­вельные, гидроизоляционные материалы выпускают на основе стеклохолста и ткани, полимерного холста и ткани. В качестве связующего компонента для гидроизоляции сооружений, не подверженных гидростатическому давлению (полы, вертикаль­ные стены подвалов), используют битумные, битумно-эластомер­ные и пластомерные составы. Для конструкций, работающих в условиях гидростатического давления воды, применение би­тума исключается.

Многослойные покрытия получают с применением специаль­ных клеев и холодных клеящих мастик. Для обеспечения на­дежности и долговечности эксплуатации рулонного покрытия его защищают ограждением в виде кирпичной стены, бетонных плит или асбестоцементных листов.

Монолитную (штукатурную) гидроизоляцию во избежание трещинообразования применяют только для жестких недеформируемых поверхностей строительных конструкций, посколь­ку толщина относительно хрупкого покрытия в зависимости от величины гидростатического напора составляет от 6 до 50 мм. Используемые защитные составы на основе битума, полимерных связующих или минерального вяжущего (цемента) для повыше­ния трещиностойкости содержат мелкий заполнитель и мине­ральные или органические наполнители в виде порошков или волокон, а для повышения пластичности и плотности цементных композиций — пластифицирующие и уплотняющие добавки.

Назначение асфальтовых мастик и растворов — антифильт­рационная и антикоррозионная защита подземных частей соору­жений. Условия, ограничивающие их применение, — наличие нефтепродуктов и горячей воды (t > 50 °С). Усилить монолитную гидроизоляцию можно или за счет дополнительного армирова­ния стеклосеткой (стеклохолстом) — или применением полимер-растворов и полимербетонов.

Металлические листовые материалы толщиной до 4 мм используют в качестве несъемной опалубки при бетонировании монолитных конструкций. В случае расположения гидроизоля­ции со стороны действия грунтовых вод металлические листы защищают от коррозии красочными составами.

Полимерные листовые материалы плоские и профилирован­ные (полиэтиленовые, полипропиленовые, винипластовые) тол­щиной до 2 мм или устанавливают в опалубку при получении монолитных конструкций, или приклеивают к поверхности полимерсиликатным составом для гидрозащиты сборных конст­рукций.

Все большее признание среди строителей при наружной гид­роизоляции фундаментов приобретает мембранная гидроизоля­ция, представляющая собой многослойное покрытие, состоящее из толстой полиэтиленовой пленки с приклеенной к ней объемной сеткой, заполненной гранулами бентонитовой глины или водонабухающего полимера. При увлажнении эти материалы, увели­чиваясь в несколько раз в объеме, создают водонепроницаемый слой.

В случае необходимости гидроизоляции фундамента эксплуа­тируемого здания с внутренней стороны в стенах и полу подваль­ного помещения пробуривают сквозные отверстия, через которые под давлением нагнетают специальные гидроизоляционные рас­творы, состоящие из портландцемента, глины, жидкого стекла и уплотняющих добавок.

Для гидроизоляции стен от капиллярного поднятия влаги в стенах бурят наклонные скважины малого диаметра с после­дующим нагнетанием через них пропитывающих растворов: кремнеорганических, гидрофобизирующих жидкостей или мо­номеров со специальными добавками, которые, полимеризуясь в порах материала, повышают водонепроницаемость и несущую способность конструкции.

В последние годы расширяется применение гидроизоляцион­ных сухих строительных смесей на основе портландцемента. Для обеспечения их надежной работы необходимо выполнение сле­дующих условий:

• для ликвидации сквозных дефектов и повышения надеж­ности покрытия необходима многослойная гидроизоляция;

• гидроизоляционные материалы должны работать только по прямому назначению и при эксплуатации не испытывать дейст­вия истирающих и других нагрузок;

• защитное покрытие и основание должны иметь близкие коэф­фициенты температурного расширения для обеспечения прочного сцепления и исключения появления деформационных трещин.

 

11..3. Герметизирующие материалы

Гидроизоляционными свойствами должны обладать и герме­тизирующие материалы, применяемые для уплотнения швов различного назначения, заполнения стыков в крупнопанельном домостроении. Основное назначение этих материалов — обеспе­чение монолитности, восприятие и локализация возникающих в процессе эксплуатации деформаций. Герметизирующие мате­риалы должны быть эластичными, с хорошей адгезией к контак­тирующим материалам конструкции, водо- и газонепроницаемы­ми, атмосферо- и коррозионностойкими, не выделять токсичных продуктов при эксплуатации. По форме они могут быть рулон­ными, шнуровыми и мастичными. Наибольшее предпочтение в последние годы отдается вязкотекучим мастичным смесям, которые по составу подразделяются на акриловые, силиконовые и полиуретановые; по степени отверждения — на нетвердеющие, сохраняющие пластичность в процессе эксплуатации, и отверждающиеся, образующие резиноподобный высокоэластичный материал.

Акриловые композиции используют для наружной и внут­ренней заделки швов и трещин в бетонных плитах и потолках. Они характеризуются высокой долговечностью, эластичностью и виброустойчивостью. Эти материалы относят к экологически чистым, так как в их состав не входят растворители. Они обла­дают высокой прочностью сцепления с поверхностью бетона, кирпича, гипсокартонных плит, штукатурки, алюминия, дре­весины и поливинилхлорида. Отверждение состава начинается через 15 мин (полное — через 24 ч).

Силиконовые композиции применяют для гидроизоляции и герметизации швов при изготовлении оконных стеклопакетов, сопряжении металлических конструкций, возведении бассей­нов, санитарно-технических помещений. Силиконовый каучук, основной компонент этих смесей, обладает хорошей адгезией к стеклу, дереву, металлам, керамике, термо- и атмосферостоек. Отверждение состава начинается через 30 мин (полное — через сутки). Акриловые и силиконовые герметики огнестойки.

Полиуретановые композиции отверждаются при реакции с влагой воздуха. Они представляют собой воздухонаполненную и уплотняющуюся массу на полиуретановой основе, долго сохра­няют эластичность, выдерживают сильную вибрацию, землетрясение, обладают стойкостью против коррозии. Эти материалы применяют для склеивания и герметизации металла, древесины, камня, пластмассы, керамики, кирпича, бетона.

К рулонным материалам последнего поколения относят уплотнительные ленточные герметики, состоящие из эластопластичного материала, дублированного металлической лентой («Лип-лен»), нетканым синтетическим материалом («Герлен-Д») или безосновные, защищенные антиадгезионной бумагой («Герлен-Т»). Ленты могут быть самоклеящимися или для их фиксации необхо­димо использовать специальные мастики и клеи. Основное на­значение — герметизация стыков наружных стеновых панелей, жестяных и шиферных кровель.

 

ЛЕКЦИЯ 12. Теплоизоляционные и акустические материалы и изделия

2.10.1. Теплоизоляционные материалы

Теплоизоляционными называют материалы и изделия, пре­пятствующие перемещению тепловых потоков через строитель­ные ограждающие конструкции (стены, крыша, полы), техноло­гическое оборудование, трубопроводы, тепловых и холодильных установок. Для них характерна высокая пористость, низкие средняя плотность и теплопроводность. Чем выше содер­жание воздуха в теплоизоляционном материале, тем он эффектив­нее. Применение этих материалов позволяет сократить расход топлива на отопление здания, снизить массу ограждающих кон­струкций, обеспечить комфортные условия проживания и работы.

Основными показателями качества теплоизоляционных ма­териалов являются:

• интервал температур применения ΔT, °С;

• средняя плотность ρ, кг/м3;

• отклонение от средней плотности Δρ, кг/м3;

• теплопроводность λ, Вт/(м • К);

• группа горючести;

• предельно допустимая концентрация вредных веществ и пыли, выделяемых изделиями при их хранении и эксплуатации — ПДК, мг/м3;

• удельная эффективная активность естественных радионук­лидов, Бк/кг.

Теплоизоляционные материалы по виду исходного сырья клас­сифицируют на органические и неорганические. В зависимости от структуры, формы и внешнего вида неорганические материа­лы подразделяют на штучные волокнистые и ячеистые изделия, рулонные, рыхлые волокнистые и сыпучие зернистые материа­лы; органические — на волокнистые изделия, ячеистые и рыхлые сыпучие материалы.

В России выпуск теплоизоляционных материалов распределяется следующим образом: минераловатные шлаковые — 65 % , стекловатные — 9,3 %, пенопласты — 6,6 %, ячеистые бето­ны — 6,6 % , базальтовые, перлитовые и вермикулитовые изде­лия — 12,5 %. Большой объем производства шлаковых минераловатных изделий, имеющих такие недостатки, как относительно высокий коэффициент теплопроводности, токсичность, способ­ность впитывать воду, сжимаемость (слеживаемость), увеличи­вающуюся со временем, связан с их низкой стоимостью. За рубе­жом преобладают материалы на основе базальтового и стеклян­ного волокон, трудногорючие пенопласты, влагостойкие пеностирольные плиты, ячеистый бетон плотностью до 400 кг/м3.

Наряду со штучными, рулонными, рыхлыми сыпучими материалами в строительстве применяют монолитную теплоизоля­цию. Для ее изготовления используют специальные напыляемые пенополиуретановые и полистиролбетонные смеси, гипсовые штукатурки, в которые в качестве мелкого заполнителя (напол­нителя) входят неорганические или органические волокнистые материалы (минераловатные, асбест, отходы растительного сы­рья, синтетические волокна).

Эффекта теплозащиты можно достигнуть не только за счет создания высокопористой волокнистой или замкнутой ячеистой структуры, но и путем отражения инфракрасного излучения (до 90 %). Именно на этом основано применение лакокрасочного долговечного термоизоляционного покрытия «Термо-Шилд», представляющего собой водную дисперсию акриловых и латексных смол, в которой содержится до 2 млрд/л керамических вакуумированных шариков диаметром 8 мкм. При толщине слоя до 1 мм покрытие обладает паропроницаемостью, водонепрони­цаемостью, декоративностью, что позволяет применять его как для теплозащиты крыш, фасадов, так и внутри помещения.

 

11.2. Акустические материалы

Акустические материалы являются родственными по отно­шению к теплоизоляционным. И тем и другим материалам не­обходима высокая пористость. Однако в связи с тем что природа воздействия теплового и звукового потока различна, характер оптимальной структуры у них различается. Так, наиболее эффективными теплоизоляционными материалами являются те, которые обладают замкнутой мелкопористой структурой, исклю­чающей конвекцию воздуха. Акустические, в частности звуко­поглощающие, материалы должны иметь открытую пористую структуру, способную поглощать звуковую энергию. Для усиления этого эффекта поверхность изделий дополнительно перфориру­ют или же придают ей рельефный характер.

В зависимости от источника звуковых волн материалы подразделяют на звукопоглощающие, препятствующие отражению и наложению шумового звука, и звукоизоляционные, исключаю­щие прохождение и распространение ударного звука по строи­тельным конструкциям.

Таким образом, основными показателями, характеризующи­ми эффективность материалов, являются: для звукопоглощаю­щих — открытая пористость, для звукоизоляционных — низкий дина­мический модуль упругости.

Звукопоглощающие материалы должны обладать большой пористостью и декоративностью, малой гигроскопичностью, огне- и биостойкостью.

Предельно допустимый уровень шума (ПДУ) для производ­ственных помещений составляет 80...85 дБ, для администра­тивных — до 51 дБ. За единицу звукопоглощения условно при­нимают звукопоглощение 1 м2 открытого окна. Для эффективных материалов коэффициент звукопоглощения, т.е. отношение по­глощенной энергии звука к энергии падающего звука, не должен быть меньше 0,4 при частоте 1000 Гц. С этой целью используют материалы пористой, волокнистой, ячеистой и смешанной струк­туры. К ним относятся гипсовые плиты с рельефным рисунком, гипсокартонные и асбестоцементные многослойные перфориро­ванные плиты, минераловатные на крахмальном связующем («Акминит», «Акмигран») с шероховатой декоративной по­верхностью и перфорированные.

Акустические мягкие, полужесткие, жесткие плиты (стекло-ватные, минераловатные или с использованием супертонкого ба­зальтового волокна на полимерном связующем) выпускают с обли­цовкой листовыми перфорированными материалами: гипсовыми, асбестоцементными, слоистым пластиком, алюминием, сталью. Площадь перфорации составляет 15...20 % . Для повышения ги­гиеничности и улучшения сцепления звукопоглощающего слоя с лицевым экраном между ними прокладывают слой из редкой ткани. Акустические панели на основе минеральной или стек­лянной ваты покрывают специальной полиэтиленовой пленкой или стеклотканью.

Древесноволокнистые акустические двухслойные плиты вы­полняют из мягкой и жесткой ДВП с перфорированной лицевой поверхностью. Для повышения огнестойкости их покрывают огнезащитными красками.

К звукопоглощающим изделиям полной заводской готовно­сти также относятся:

• плиты звукопоглощающие ячеистобетонные плотностью до 350 кг/м3 с пористой структурой и неглубокой перфорацией цветного лицевого слоя;

• блоки керамзитобетонные мелкозернистые звукопоглощаю­щие;

• плиты перлитовые звукопоглощающие на жидком стекле или синтетическом связующем плотностью 250...350 кг/м3;

• плиты поливинилхлоридные полужесткие со средне- и мелкопористой структурой плотностью 100...120 кг/м3.

Наибольший эффект достигается при полном покрытии по­толка звукопоглощающими материалами. Если такой возможно­сти нет, то их располагают ближе к стенам, где энергетическая плотность звука наибольшая.

Кроме штучных материалов, для обеспечения звукопоглоще­ния используют монолитные покрытия стен и потолков, выпол­няемые из акустических растворов, и бетон на пористых заполни­телях и декоративных цементах. Как правило, эти материалы представляют собой сухие смеси, затворяемые водой непосред­ственно на строительной площадке.

Звукоизоляционные материалы предотвращают распростра­нение и проникновение ударного звука. Они представляют со­бой пористые прокладочные материалы с небольшим модулем упругости, обуславливающим малую скорость распространения звука. Так, скорость распространения звуковых волн в стали — 5050 м/с, железобетоне — 4100, древесине — 1500, пробке — 50, поризованной резине — 30 м/с. Для устранения передачи ударного звука применяют конструкцию «плавающего» пола. С этой целью упругие прокладки укладывают между несущей плитой перекрытия и верхним покрытием пола, а также по пе­риметру помещения для отделения пола от стен.

В качестве звукоизоляционных используют как традицион­ные материалы (мягкие древесноволокнистые плиты, асбесто­вый картон, минераловатные и стекловатные полосы толщиной 12...24 мм), так и современные (рулонные из прессованной проб­ки, листовые и рулонные пенополиэтиленовые, пенополистирольные, пенополиуретановые прокладки на бумажной основе, полиэстерные и пенополиуретановые маты, рулонные материалы и прокладки из синтепона, поризованной синтетической рези­ны, а также вспученный вермикулит в полиэтиленовых мешках).

 

12..3. Виброизолирующие и вибропоглощающие материалы

Виброизолирующие и вибропоглощающие материалы и изде­лия предназначены для восприятия и устранения передачи виб­рации от машин и механизмов на строительные конструкции. Для виброизоляции применяют такие упругие элементы, как про­кладки, маты, втулки. По структуре их подразделяют на порис­то-волокнистые — на основе минерального, стеклянного, асбесто­вого волокна, и пористо-губчатые — из поропластов, природных и искусственных каучуков. Вибропоглощающие материалы (свинец, магний, стеклопластики) позволяют уменьшить резо­нансные колебания конструкций за счет их нанесения в виде покрытия на вибри­рующие поверхности оборудования.

 

 

ЛЕКЦИЯ 13. Лакокрасочные материалы

 

13.1. Общие сведения

Лакокрасочные материалы, представляющие собой вязкотекучие композиции, применяемые для защиты поверхности изде­лий и конструкций, а также придания им декоративности. В за­висимости от назначения составы подразделяют на шпатлевки, грунтовки, используемые для подготовки поверхности, и непо­средственно красочные: лаки, эмали, краски сухие, густотертые и готовые к употреблению.

Лакокрасочное покрытие всегда многослойно. Первый слой по отношению к поверхности — шпатлевочный. Он предназначен для заделки трещин, выравнивания стен, потолков, полов, столярных изделий. От строительного раствора этот состав отличает меньший размер минеральных частиц (дисперсность) напол­нителя (до 200 мкм). Это вязкопластичная масса, состоящая из вяжущего, тонкомолотого наполнителя и добавок: пластифици­рующих, гидрофобизирующих и др. В качестве вяжущего можно использовать гипс для работы в помещении, портландцемент и органоминеральные с полимерными добавками, применяемые в широком диапазоне влажностных условий. В зависимости от степени дисперсности наполнителя шпатлевки подразделяют на грубодисперсные с размером частиц до 200 мкм, среднедисперсные — до 80 мкм, тонкодисперсные — до 20 мкм.

На строительную площадку составы поступают в виде сухих смесей, требующих введения воды для придания пластичности. В готовом для употребления виде сухие шпатлевки на цементном, клеевом и гипсовом вяжущих применяют для выравнива­ния стен и потолков. Технологические свойства шпатлевки оце­нивают по составу, тонкости помола наполнителя, вязкости смеси, жизнестойкости (сохранению пластичности), расходу на 1 м2, скорости отвердения. Эксплуатационные свойства контро­лируют по силе сцепления шпатлевочного состава с поверхно­стью, усадочным деформациям при твердении, водопоглоще­нию и стойкости по отношению к воде, агрессивным растворам, атмосферным воздействиям и температуре.

Грунтовки используют для укрепления основания за счет их высокой проникающей способности, снижения расхода красочного состава, повышения адгезии между основанием и верхним красочным покрытием, изоляции поверхности материала от аг­рессивных внешних воздействий.

В качестве основного пленкообразующего (связующего) компонента, определяющего основные эксплуатационные свойства покрытия, в красочных составах используют натуральные и искусственные масла (масляные — МА); неорганические вяжущие: жидкое стекло (силикатные), цемент (цементные), известь (известко­вые); полимерные смолы: эпоксидные (ЭП), акриловые (АК), пентафталиевые (ПФ), перхлорвиниловые (ХВ), кремнийорганические (КО) и др.

Качество лакокрасочных материалов оценивают по вязкости, укрывистости (минимальному расходу в граммах на единицу площади для получения непрозрачного покрытия), времени высыхания и прочности сцепления покрытия с защищаемой поверхностью (адгезии).

По условиям эксплуатации и назначению красочные составы подразделяют на 9 групп:

1) атмосферостойкие;

2) ограниченно атмосферостойкие;

3) консервационные;

4) водостойкие;

5) специальные (светящиеся дорожные, противообрастаю-щие, термореагирующие и др.);

6) маслобензостойкие;

7) химическистойкие;

8) термостойкие;

9) электроизоляционные.

В зависимости от степени экологической опасности на таре краски ставят специальный символ — букву и рисунок: ядови­тая — Т, пожароопасная — Щ, легковоспламеняющаяся — F, взрывоопасная — Е, едкая — С, вызывающая раздражение — XI, вредная для здоровья — Хп. Наименее опасны для здоровья че­ловека и окружающей среды составы со знаком голубого чело­вечка — «голубой ангел».

Наибольшее распространение в строительстве нашли следующие краски, которые можно объединить по назначению в три группы:

• для внутренних работ;

• специального назначения — гидрофобизирующие, преоб­разователи ржавчины, фунгицидные (защищающие древесину от гниения);

• фасадные.

Согласно ГОСТ 9825 каждому материалу многослойного по­крытия соответствует определенное условное обозначение (маркировка), ко­торое состоит из 5 групп цифр и букв. Например: эмаль ЭП-225, зеленая: 1) наименование материала (эмаль); 2) название плен­кообразующего вещества (ЭП — эпоксидное); 3) условия экс­плуатации покрытия — обозначаются цифрой от 1 до 9 (2 — ограниченно атмосферостойкое), для грунтовок — 0, шпатле­вок — 00; 4) последние одна или две цифры (25) обозначают присвоенный порядковый номер; 5) цвет материала (зеленая).

 

13.2. Применение

Для внутренних работ широко используют краски на водной основе как наиболее безопасные. Нельзя использовать для внут­ренних работ фасадные краски, так как они могут содержать токсичные растворители или пигменты на основе опасных для здоровья человека солей свинца, хрома, цинка.

По декоративному эффекту покрытия для стен, занимающие промежуточное положение между красочными и штукатурными составами, подразделяют на следующие группы:

• однотонные с различной структурой поверхности (структурные штукатурки);

• многоцветные гладкие (мультиколор);

• многофункциональные, сочетающие в себе многоцветность и фактуру (жидкие обои);

• цветные из каменной крошки;

• декоративные штукатурки.

Однотонную фактурную или структурную поверхность можно получить за счет свойств самого материала или технологии его нанесения. В первом случае используют белую или цветную пла­стичную смесь со светлым мелким заполнителем фракции 1...5 мм, которую наносят на стену вручную или методом распы­ления. За счет присутствия в составе относительно крупного за­полнителя, которым могут быть мрамор, гранит и другие декора­тивные горные породы, получается фактурная поверхность. Во втором случае однородную по составу пластичную массу нано­сят на поверхность ровным слоем и затем специальными при­способлениями придают ему фактурную поверхность. Для усиления эффекта ее обрабатывают прозрачным лаком.

Мулътиколор представляет собой цветное или белое покрытие, по которому разбросаны разноцветные или однотонные ка­пельки (одинаковые или разного размера).

Жидкие обои — это двух- или трехкомпонентный материал. Первым слоем наносится клеевой грунт, затем на влажную поверхность — синтетические волокна или хлопья и после отвер­ждения — закрепляющий слой бесцветного лака. На строитель­ную площадку материалы поступают расфасованными в сухом виде. В их состав входят водорастворимый клей и различные ма­териалы, придающие декоративность.

Для получения покрытия, имитирующего природный камень, применяют водорастворимый полимерный клей и каменную крошку из горных пород. Смесь из этих материалов, затворенную водой, наносят на стену вручную или методом распыления.

 

Литература

 

1. Айрапетов Д.П. Архитектурное материаловедение: Учебник для вузов. — М.: Стройиздат, 1983.

2. Байер В.Е. Архитектурное материаловедение: Учебник для вузов. - М.: «Архитектура-С», 2006.

3. Байер В.Е. Материаловедение для архитекторов, реставраторов, дизайне­ров. - М.: Астрель, ACT, 2004.

4. Байер В.Е. Лабораторные работы по курсу архитектурного материаловеде­ния. — М.: Высшая школа, 1987.

5. Киреева Ю.И. Строительные материалы: учебное пособие - Мн.: Новое знание, 2005.

6. Киреева Ю.И., Лазаренко О.В. Строительное материаловедение для заочного обучения: Учебное пособие - Минск: Новое знание, 2008.

7. Микульский В.Г., Горчаков Г.И., Козлов В.В., Куприянов В.Н., Орентлихер Л.П., Рахимов Р.З, Сахаров ГЛ., Хрулев В.Н. Строительные материалы: Учебник. Под общей ред. В.Г. Микульского. — М.: АСВ, 2000.

8. Попов Л.Н, Каддо О.В. Лабораторные работы по дисциплине «Строительные материалы и изделия»: Учеб. пособие. - М.: ИНФА-М, 2003.

9. Попов Л.Н, Каддо О.В. Строительные материалы и изделия: Учебник.- М.: Высш. шк., 2001.

10. Современные строительные материалы и товары. – М.: Изд-во Эксмо, 2003.

11. Нормативно-техническая литература – ГОСТы, СНиПы.

 

– Конец работы –

Используемые теги: Конспект, лекций, курсу, архитектурное, Материаловедение, Конспект, лекций, курсу, архитектурное, Материаловедение0.101

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по курсу Архитектурное материаловедение Конспект лекций по курсу Архитектурное материаловедение

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

МАСТЕРСКАЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ПСИХОЛОГА КУРС ЛЕКЦИЙ Введение в общую психодиагностику. Курс лекций
ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИЗАЦИИ СОЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ... МАСТЕРСКАЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ПСИХОЛОГА...

КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине Железобетонные конструкции Курс лекций. Для специальностей «Архитектура» и «Промышленное и гражданское строительство»
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ... ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ...

История мировых религий: конспект лекций История мировых религий. Конспект лекций ЛЕКЦИЯ № 1. Религия как феномен культуры Классификация религий
История мировых религий конспект лекций... С Ф Панкин...

Психиатрия. Конспект лекций. ЛЕКЦИЯ № 1. Общая психопатология Психиатрия: конспект лекций
Психиатрия конспект лекций... Текст предоставлен литагентом http litres ru...

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ По курсу статистика – для заочной формы обучения ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ ПО КУРСУ СТАТИСТИКА 1
По курсу статистика для заочной формы обучения... ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ ПО КУРСУ СТАТИСТИКА Повторить общую теорию статистики часть ряды динамики и индексы...

Конспект лекций по дисциплине Экономика недвижимости: конспект лекций
Государственное бюджетное образовательное учреждение... высшего профессионального образования... Уральский государственный экономический университет...

Краткий курс механики в качестве программы и методических указаний по изучению курса Физика Краткий курс механики: Программа и методические указания по изучению курса Физика / С
Федеральное агентство железнодорожного транспорта... Омский государственный университет путей сообщения...

Курс офтальмологии КУРС ЛЕКЦИЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ 1. Введение. Офтальмология и ее место среди других медицинских дисциплин. История офтальмологии. Анатомо-физиологические особенности органа зрения. 2. Зрительные функции и методы их исследования
Курс офтальмологии... КОРОЕВ О А...

Психодиагностика. Конспект лекций ЛЕКЦИЯ № 1. Истоки психодиагностики Психодиагностика: конспект лекций
Психодиагностика конспект лекций... А С Лучинин...

Краткий конспект лекций по курсу
ЛЕКЦИЯ КОНСТИТУЦИОННОЕ ПРАВО ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН КАК НАУКА ОТРАСЛЬ ПРАВА И УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА Наука...

0.031
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам