МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г.Семей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г.Семей
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД
Учебно-методические
Редакция № 2
УМКД 042-18-14.1.7 / 01-2014
материалы по дисциплине
«Строительные
«_11_»_09_2014 г.
материалы»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Строительные
материалы»
для специальности
5В072900 - «Строительство»
5В073000 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2014
Содержание
1
2
3
4
Глоссарий (Примечание-наличие данного раздела не обязательно)
Лекции
Практические и лабораторные занятия
Самостоятельная работа студента
2
Лекции
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И
ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
1.1. Классификация строительных материалов и методический
подход к их изучению
Строительные конструкции в процессе эксплуатации воспринимают те
или иные нагрузки и подвергаются действию окружающей среды. Поэтому
строительные материалы должны обладать
определенными свойствами:
прочностью, деформативностью, способностью сопротивляться воздействию
среды, а именно, воздуха и содержащихся в нем паров и газов, воды и
растворенных в ней веществ, колебаниям влажности и температуры, действию
мороза, ультрафиолета и т.п.
Исходя из условий работы материалов в сооружении их можно разделить
на две группы:
- Универсальные или конструкционные материалы, применяемые для
несущих конструкций (природные и искусственные каменные материалы,
металлы, конструкционные пластмассы, материалы из древесины и др.);
- Материалы специального назначения, необходимые для защиты
строительных конструкций от вредных воздействий среды, повышения
эксплуатационных свойств зданий и сооружений и для создания комфорта в
помещениях
(теплоизоляционные,
гидроизоляционные,
акустические,
герметики, отделочные, антикоррозийные и др.).
Назначение (условия применения) материала определяется его
свойствами, а свойства зависят от состава и структуры (строения) материала.
Рекомендуемый методический подход к изучению строительных материалов
можно представить в виде “цепочки” понятий: “состав-строение-свойстваприменение”. Для искусственных материалов в начале этой “цепочки” должно
стоять слово “технология”, так как именно от технологии будут зависеть
особенности последующих элементов этой “цепочки”.
1.2. Общие сведения о технологиях промышленности строительных
материалов
Технология (от греческого techne - искусство, мастерство, умение и
...логия) - совокупность методов обработки, изготовления, изменения
состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката,
осуществляемых в процессе производства продукции.
Задача технологии как науки - выявление физических, химических,
механических и других закономерностей с целью
определения и
3
использования на практике наиболее эффективных производственных
процессов. Основными элементами технологического процесса являются
сырье, энергия и аппаратура (оборудование). Они тесно связаны между собой,
взаимно обуславливают друг друга и зависят от состояния экономики и научнотехнического прогресса в отрасли.
При механических технологиях сырью придают новую форму и
необходимые размеры частицам, иную текстуру поверхности (например,
полированную вместо грубооколотой) и другой внешний вид. Состав,
агрегатное состояние, строение не меняются, свойства - практически не
меняются.
В промышленности строительных материалов на
механических
технологиях базируется подготовка сырьевых материалов, а также получение,
обработка и изготовление изделий из природного камня и древесины.
Механические технологии основаны на ударных, истирающих, режущих и т.п.
воздействиях на материал и связаны с такими свойствами материалов как
твердость, истираемость, прочность, износ, ударная вязкость.
При большом разнообразии механических технологий и их различиях
между собой все они содержат сходные операции и процессы. Это обусловлено
сходными кинематическими схемами оборудования и машинного парка.
При химической технологии сырье в результате процессов переработки
полностью или частично изменяет свой химический состав, агрегатное
состояние (например, из твердого переходит в жидкое состояние), а также
приобретает новые формы, размеры, то есть новое качество.
По
характеру
основного
процесса
химические
технологии
промышленности строительных материалов можно разделить на обжиговые и
безобжиговые. По обжиговым технологиям получают неорганические вяжущие
вещества, керамические изделия, стекло, ситаллы, изделия из каменных
расплавов, некоторые теплоизоляционные материалы, искусственные пористые
заполнители.
Основной технологической операцией при производстве всех этих
материалов является нагревание минерального сырья до высоких температур
(обжиг), при которых достигается желаемый результат: дегидратация полная
или частичная, термическая диссоциация, спекание, плавление.
По безобжиговым технологиям получают бетоны на неорганических и
органических вяжущих веществах, железобетон, строительные растворы,
силикатные изделия, некоторые теплоизоляционные материалы, полимерные
материалы и т.д. Технологии основаны на связующей способности
неорганических (портландцемент, гипс, известь и др.) и органических (битумы,
дегти и др.) вяжущих веществ, либо (для пластмасс) на реакциях
полимеризации и поликонденсации.
Основными критериями эффективности (конкурентоспособности)
технологии является качество производимой продукции, ее себестоимость и
4
экологические характеристики технологии. Качество продуктов технологии строительных материалов и изделий определяется совокупностью их свойств.
1.3. Сырьевая база промышленности строительных материалов
Сырье - исходные вещества или смеси из нескольких компонентов
(сырьевые смеси), которые поступают в переработку для получения продукции.
Промышленность строительных материалов получает сырье из 3-х
основных источников:
- Неорганическое природное сырье (подавляющая часть) добывается из
недр земли или ее поверхностных наносных слоев: горные породы;
- Органическое природное сырье - вещества, содержащие углеводороды
или углеводы и их производные: различные угли, древесина, торф,
растительные вещества, нефть, газ;
- Отходы и побочные продукты промышленности, образующиеся в
огромных количествах, а использующиеся пока в России крайне недостаточно.
В то же время установлено, что использование промышленных отходов
позволило бы покрыть до 40% потребности строительства России в сырьевых
ресурсах, на 10-30 % сократить затраты на изготовление строительных
материалов и значительно снизить антропогенные нагрузки на окружающую
среду.
Для производства строительных материалов используются следующие
виды промышленных отходов: шлаки черной и цветной металлургии, золы и
шлаки тепловых электростанций, вскрышные породы, отходы угледобычи и
углеобогащения, отходы химической промышленности, отходы древесины и
лесохимии, отходы самой промышленности строительных материалов и проч.
Следует отметить, что промышленность строительных материалов
является единственной отраслью промышленности, которая способна
переработать эти многотоннажные отходы и создать на их основе эффективные
материалы. Это путь к созданию малоотходных и безотходных производств.
Глава
2.
МАТЕРИАЛОВ
ОСНОВНЫЕ
СВОЙСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ
2.1. Связь состава, строения и свойств строительных материалов
Строение и свойства. Свойства материала в большой мере зависят от
особенностей его строения. Строение материала изучают на трех уровнях:
 макроструктура – строение, видимое невооруженным глазом,
 микроструктура – строение, видимое в оптический микроскоп;
 внутреннее строение веществ, составляющих материал – строение
на молекулярно-ионном уровне.
Макроструктура строительных материалов бывает следующих типов:
5
- конгломератная (например, бетоны различного вида);
- ячеистая (пено- и газобетоны, ячеистые пластмассы);
- мелкопористая (керамические специально поризованные материалы);
- волокнистая (древесина, минеральная вата, стеклопластики);
- слоистая (пластмассы со слоистым наполнителем и другие рулонные,
листовые, плитные материалы);
- рыхлозернистая (порошкообразная – различные засыпки, заполнители для
бетона и проч.).
Конгломераты – материалы, представляющие собой плотно соединенные
(обычно с помощью какого-либо цементирующего вещества) отдельные зерна.
Например, в бетоне зерна песка и крупного заполнителя (щебня или гравия)
прочно соединены в единое целое при помощи вяжущего вещества – цемента.
По
современным
представлениям
большинство
традиционных
строительных материалов можно отнести к так называемым композитам.
Композиты (композиционные материалы) – материалы с организованной
структурой. В композитах различают компонент, образующий непрерывную
фазу, называемую матрицей и играющую роль связующего, и второй
компонент, дискретно распределенный в матрице, - упрочняющий компонент.
В роли матрицы в строительных композитах используют полимерные и
минеральные вяжущие вещества, в роли упрочняющего компонента –
волокнистые (стекловолокно, отрезки металлической проволоки, асбестовое
волокно и т.п.), листовые (бумага, древесный шпон, ткани) материалы,
тонкодисперсные порошкообразные частицы.
Матрица «заставляет» дискретный компонент работать как единое целое,
обеспечивая высокую прочность материала. В композиционных материалах
достигается совокупность свойств, не являющаяся простой суммой свойств
исходных
составляющих,
возникает
новое
качество
материала
(«синергетический эффект»).
Материалы с волокнистой и слоистой макроструктурой имеют различные
свойства в разных направлениях, то есть обладают анизотропией свойств.
Примером анизотропного материала волокнистого строения является
древесина, которая вдоль и поперек волокон имеет различную прочность,
теплопроводность, усадку, набухание.
Микроструктура вещества, составляющего материал, может быть
кристаллическая и аморфная. Нередко одно и то же вещество может
существовать в обеих формах, например, кристаллический кварц и различные
виды аморфного кремнезема в виде вулканического стекла, минерала опала и
проч.
У кристаллических веществ молекулы, атомы или ионы расположены
упорядоченно, образуя так называемую кристаллическую решетку.
Особенностью кристаллических веществ является определенная температура
6
плавления и геометрическая форма кристаллов, характерная только для данного
вещества.
Аморфные
вещества
характеризуются
беспорядочным
расположением частиц. Обладая нерастраченной внутренней энергией
кристаллизации, аморфные вещества химически более активны, чем
кристаллические того же состава. Аморфная форма вещества может перейти в
более устойчивую кристаллическую форму.
Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определяет
прочность, твердость, тугоплавкость и другие важные свойства материала.
Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала,
различаются по характеру связи между частицами, образующими
пространственную
кристаллическую
решетку.
Ковалентная
связь
осуществляется электронной парой, когда в «узлах» кристаллической решетки
находятся атомы. Это простые вещества (алмаз, графит) и некоторые
соединения из двух элементов (кварц, карборунд, карбиды, нитриды).
Материалы с такой связью отличаются высокой механической прочностью,
твердостью, тугоплавкостью.
Материалы с ионной связью (в «узлах» кристаллической решетки находятся
ионы) имеют невысокую прочность и твердость, как правило, неводостойки
(гипс, ангидрит). В относительно сложных кристаллах, например CaCO3, имеет
место и ковалентная и ионная связи. Внутри сложного иона CO32- - ковалентная
связь, а с ионами Са2+ - ионная, поэтому кальцит обладает высокой прочностью,
но малой твердостью.
Кристаллы веществ с молекулярной связью построены из целых молекул,
которые удерживаются друг около друга слабыми ван-дер-ваальсовыми силами
межмолекулярного притяжения (например, лед, некоторые газы). При
нагревании связи между молекулами легко разрушаются.
Металлическая связь возникает в кристаллах металлов и придает им
специфические свойства: высокие электропроводность и теплопроводность,
ковкость, тягучесть, металлический блеск. Ковкость и тягучесть объясняются
отсутствием жесткости в кристаллических решетках металлов, их плоскости
довольно легко сдвигаются одна относительно другой. Электропроводность и
теплопроводность обусловлены высокой подвижностью и большой «свободой»
электронов в пространственной структуре металлов.
Состав и свойства. Строительные материалы характеризуются
химическим, минеральным, вещественным и фазовым составами. Иногда для
характеристики материала используют элементный (элементарный) состав,
показывающий, какие химические элементы и в каком количестве входят в
материал. Например, элементный состав битумов колеблется в пределах: С - 7080%, H – 10-15%, S – 2-9%, O – 1-5%, N – 0-2%.
Химический состав позволяет судить о ряде свойств материала:
механических, биостойкости, огнестойкости и других. Обычно его выражают
7
процентным содержанием оксидов, например, в состав портландцементного
клинкера входит CaO - 63-66%, SiO2 - 21-24%, Al2O3 – 4-8%, Fe2O3 – 2-4%.
Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве
входят в каменный материал или вяжущее вещество. Например, в
портландцементном клинкере содержание главного минерала - трехкальциевого
силиката 3CaOSiO2 составляет 45-60%, причем при большем его количестве
ускоряется твердение, повышается прочность цементного камня.
У строительных материалов, представляющих собой смесь различных
веществ, свойства во многом зависят от процентного содержания этих
компонентов, то есть от вещественного состава материала. Так, для
портландцемента
вещественный
состав
характеризуют
процентным
содержанием клинкера, природного гипса, а также видом и количеством
активных минеральных или органических добавок.
Фазовый состав показывает соотношение между твердой, жидкой и
газообразной
фазами. Твердая фаза – вещества, образующие «каркас»
материала, жидкая и газообразная – соответственно вода и воздух,
заполняющие поры материала. При замерзании воды в порах материала
фазовый состав меняется, образуется лед, который изменяет свойства
материала. Увеличение объема замерзающей в порах воды вызывает
внутренние напряжения, способные разрушить материал при повторных циклах
замораживания-оттаивания.
2.2. Классификация и характеристика основных свойств строительных
материалов
“Свойство” материала - это его способность определенным образом
реагировать на те или иные внешние или внутренние факторы. Действие этих
факторов обусловлено как составом и строением самого материала, так и
эксплуатационными условиями, в которых работает материал в сооружении.
В зависимости от природы факторов, действующих на материал,
основные свойства делят на группы: физические, механические, химические,
технологические, комплексные.
Физические свойства в свою очередь делятся на параметры состояния
и структурные характеристики и свойства, характеризующие отношение
материалов к различным физическим процессам.
Параметры состояния и структурные характеристики – истинная,
средняя, относительная и насыпная плотность, пористость, коэффициент
плотности и др. Они характеризуют особенности физического состояния
материалов.
За малым исключением (стекло, металлы, битум) строительные
материалы пористы. Поры представляют собой полости между элементами
структуры внутри материала. Объем пористого материала в естественном
8
состоянии (Ve) cкладывается из объема твердого каркаса (Vа ) и объема пор
(Vп).
Важнейшие свойства строительных материалов (средняя плотность,
прочность,
долговечность,
теплопроводность,
водонепроницаемость,
водопоглощение и др.) зависят от величины пористости и ее характера.
Характер пористости определяется размером и формой пор, равномерностью
распределения пор по размерам, их строением - открытые или закрытые.
Стремятся получать материалы с закрытой пористостью (они имеют малое
водопоглощение и соответственно высокую морозостойкость), но иногда
специально создается открытая пористость, например, в звукопоглощающих
материалах.
Значения плотности и пористости распространенных строительных
материалов приведены в табл 2.1.
Характеристика наиболее важных свойств строительных материалов
(определения, формулы, размерности, необходимые пояснения) приведены в
табл. 2.2.
Свойства, характеризующие отношение материалов к различным
физическим процессам, определяют поведение материала при действии воды,
огня, высоких температур, замораживания и оттаивания и т.д.
Гидрофизические свойства определяют отношение материала к
действию воды и водяного пара. При увлажнении материала его свойства
существенно изменяются: увеличиваются теплопроводность и средняя
плотность, снижается прочность и т.д. Поэтому при всех расчетах необходимо
учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению влаги
(гигроскопичность и водопоглощение).
Водопоглощение по объему (см. табл. 2.2) используют для оценки
структуры материала, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор
водой, равный отношению водопоглощения по объему к пористости:
Кн=Wo/П.
Этот коэффициент характеризует содержание в материале открытых и
замкнутых пор и может изменяться от 0, если все поры замкнутые, до 1, если
все поры открытые и Wo= П. Коэффициент насыщения пор дает возможность
косвенно оценивать морозостойкость материала. Если Кн менее 0,6 (поры на
60% и менее заполнены водой) – материал считается морозостойким, при Кн в
пределах от 0,6 до 0,8 – материал имеет так называемую сомнительную
морозостойкость, и если Кн больше 0,8 – материал не морозостоек.
Морозостойкость - одно из важнейших свойств материалов для
климатических условий России. Причиной разрушения материала при
попеременном замораживании и оттаивании является попадание воды в поры
материала и переход ее в лед с увеличением объема (  V=9%). При высоком
водонасыщении материала замерзание воды вызывает большие растягивающие
9
напряжения в стенках пор, что при многократном повторении приводит в
конечном итоге к разрушению материала. Морозостойкость пористых
материалов зависит от характера пористости и прочности на растяжение. Она
тем выше, чем больше в материале замкнутых пор.
Таблица 2.1.
Показатели плотности, пористости и теплопроводности (средние
значения) для некоторых строительных материалов
Наименование
материала
Бетон:
тяжелый
легкий
ячеистый
Кирпич:
обыкновенный
пустотелый
Природный
камень:
гранит
вулканический
туф
Стекло:
оконное
пеностекло
Полимерные
материалы:
стеклопластик
мипора
(вспененный
полимер)
Древесные
материалы:
сосна
древесноволокнистая
плита
Истинная
плотность,
г/см3
Средняя
плотность,
г/см3
Пористость, Теплопроводность,
%
Вт/(м.оС)
2,6
2,6
2,6
2,4
1,0
0,5
10
61,5
81
1,16
0,35
0,2
2,65
2,65
1,8
1,3
32
51
0,8
0,55
2,7
2,6
2,67
1,07
1,4
58
2,8
0,4
2,65
2,65
2,65
0,3
0,0
88
0,58
0,11
2,0
1,2
2,0
0,015
0,0
98
0,5
0,03
1,53
1,5
0,5
0,2
67
86
0,17
0,06
10
Помимо свойств, приведенных в табл. 2.2 к гидрофизическим свойствам
относятся гидрофильность и гидрофобность, капиллярное всасывание,
влагоотдача, влажностные деформации.
Теплофизические
свойства
(теплопроводность,
теплоемкость,
огнестойкость, огнеупорность,
тепловое расширение и др.) определяют
отношение материала к действию тепла, высоких температур, открытого огня.
Для материалов ограждающих конструкций, для теплоизоляционных
материалов важнейшим свойством является теплопроводность. Чем она
меньше, тем более высокими теплозащитными свойствами обладает материал.
Помимо свойств, приведенных в таблице 2.2, к теплофизическим свойствам
относятся термическая стойкость, температуропроводность, термическое
сопротивление ограждающей конструкции и др.).
Механические свойства характеризуют способность материалов
сопротивляться внутренним напряжениям без нарушения структуры
(деформативные свойства, прочность, твердость, истираемость, износ и др.).
Главное механическое свойство – прочность. Именно по пределу прочности
при сжатии основные конструкционные материалы делятся на марки.
Химические свойства характеризуют способность материала вступать в
химическое взаимодействие с веществами окружающей среды, или сохранять
свои состав и структуру в условиях инертной среды. К химическим свойствам
относятся растворимость, кристаллизация, твердение, старение, горючесть,
гниение, кислотостойкость, щелочестойкость и т.д.
Технологические свойства характеризуют способность материала к
восприятию тех или иных технологических операций, изменяющих агрегатное
состояние материала (перевод твердого материала в расплав), структуру его
поверхности (например, получение гладкой зеркальной структуры вместо
грубооколотой при полировке каменного материала), придающих нужную
форму, размеры и т.п. Примеры технологических свойств: дробимость,
шлифуемость, полируемость (для каменных материалов), спекаемость (для
минерального сырья), укрывистость (для лакокрасочных материалов),
удобоукладываемость (для бетонной смеси), распиливаемость и т.п.
Комплексные свойства - долговечность и надежность.
Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до
предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт.
Характеризуется совокупностью свойств и измеряется в годах службы в
конкретных эксплуатационных и климатических условиях.
Надежность - общее свойство, характеризующее проявление всех
остальных свойств в процессе эксплуатации изделия. Надежность складывается
из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Свойства
строительных
материалов
оцениваются
числовыми
показателями, которые устанавливаются путем испытания материала по
стандартным
методикам
(ГОСТы
РФ,
ТУ
и
проч.).
11
Таблица 2.2
Характеристика важнейших свойств строительных материалов
1
1
Наименование
свойства или
коэффициента
2
Истинная плотность
2
Средняя плотность
Масса единицы объема в
естественном состоянии
(вместе с порами)
m
m 
Ve
г/см3, кг/м3
3
Относительная
плотность
Отношение плотности
материала к плотности воды

d m
H O
безразмерная
величина
№
п/п
Определение
3
Масса единицы объема в
абсолютно плотном
состоянии
Формула
Размерность
4
5
г/см , кг/м3
6
m – масса образца материала, г;
Va - объем в абсолютно плотном
состоянии (без пор), см3
Vе - объем в естественном состоянии (с
порами), см3

m
Va
3
Пояснения
 H O  1 г/см3 - плотность воды
2
2
4
Пористость
Степень заполнения объема
материала порами
5
Коэффициент
плотности
Степень заполнения объема
материала твердым
веществом
6
Влажность
Содержание влаги в
материале в данный момент
по отношению к массе
сухого материала
Способность капиллярно-пористого материала
7
Гигроскопичность
%

 
   1  m   100%
 

Кпл 
m

Wm=|(m1m2)/m2|.100%
%
или
безразмерная
величина
%
12
П=Vп/Vе=(Vе-Vа)/Vе=1-Vа/Vе,
где Vп – объем пор.
Величина пор: от нескольких ангстрем
(1 А= 10-10 м) до нескольких мм.
П+К пл = 100 % (или 1)
m1 – масса материала в состоянии
естественной влажности, г;
m2 – масса материала, высушенного до
постоянной массы, г
Процесс носит обратимый характер
Высокая гигроскопичность у
№
п/п
Наименование
свойства или
коэффициента
Определение
Формула
Размерность
поглощать водяной пар из
воздуха
8
Водопоглощение
Свойство материала
поглощать и удерживать
воду при непосредственном
контакте с ней
9
Коэффициент
насыщения пор
водой
Отношение водопоглощения
по объему к пористости
10
Водостойкость
Способность материала
сохранять прочность в
водонасыщенном состоянии
11
Водопроницаемость
Способность материала
пропускать воду под
давлением
11а
Водонепрони-
Способность материала не
Wm 
mH  mc
 100%
mc
Wo 
mH  mc
 100%
Ve   H 2 O
%
Wo  Wm  d
Кн 
Wo

безразмерная
величина
Кр 
Rb
Rc
безразмерная
величина
Vb  a
S  P1  P2 
м/с
Кф 
W2, ... W12
кгс/см2,
13
Пояснения
материалов с развитой внутренней
поверхностью: древесина,
теплоизоляционные, стеновые
материалы
Wm- водопоглощение по массе, %;
mн - масса насыщенного водой
материала, г;
mс - масса сухого материала, г;
Wо - водопоглощение по объему, %
Кн = 0...1;
Кн = 0 – поры отсутствуют или все поры
замкнутые;
Кн = 1 - все поры открытые,
сообщающиеся.
Кн косвенно характеризует
морозостойкость материала
Кр - коэффициент размягчения;
Rc и Rв- соответственно пределы
прочности материала в сухом и
водонасыщенном состоянии, МПа;
Кр = 0...1.
При Кр, равном 0,8 и более материал
считается водостойким
Кф - коэффициент фильтрации;
Vb - объем воды, м3;
 - время, с;
S - площадь, м2;
а - толщина слоя материала, м;
(Р1 - Р2) - давление, м водного столба
W2, W4 и т.д. - марки материала по
№
п/п
12
13
Наименование
свойства или
коэффициента
цаемость
Определение
Формула
пропускать воду под
давлением
Паро- и
газопроницаемость
Способность материала
пропускать через свою
толщу водяной пар или
газ (например, воздух)
Морозостойкость
Cвойство материала в
насыщенном водой
состоянии не разрушаться
под действием
многократного
попеременного
замораживания и оттаивания
14
Теплопроводность
Свойство материала
передавать тепло через свою
толщу от одной поверхности
к другой
15
Теплоемкость
16
Огнеупорность
Свойство материала
аккумулировать тепло
при нагревании
Способность материала
Размерность
атм
кг/(м.с.Па)
Кп 
a V  
S    p
F50, F100 и т.д.
циклы
Q a

S    t
Bт/(м.0С)
Q
C
m  t
кДж/(кг. 0С)
0
С
14
Пояснения
водонепроницаемости;
2,...12 - величина одностороннего
гидростатического давления, которое
выдерживает образец бетона
Кг - коэффициент паропроницаемости;
а - толщина слоя, м;
V - объем пара, м3;
 - плотность пара, кг/м3;
 - время, с;
S - площадь, м2;
р– разность давлений, Па
F50, F100 - марки материала по
морозостойкости
1 цикл: 1 замораживание при минус
15...20оС + 1 оттаивание в воде
комнатной температуры.
Материал выдержал испытания, если
потеря прочности
 R  5-25% (для разных материалов),
 m  5%.
Q - количества тепла, Дж;
а - толщина слоя, м;
 - время, с;
S - площадь, м2;
t - разность температур, 0С
m - масса материала, кг
Материалы, выдерживающие
№
п/п
Наименование
свойства или
коэффициента
17
Огнестойкость
18
Тепловое
расширение
19
20
21
Прочность
Упругость
Пластичность
Определение
выдерживать действие
высоких температур (свыше
1580 0С)
Свойство материала
сопротивляться действию
огня в условиях пожара в
течение определенного
времени
Свойство материала
деформироваться при
изменении температуры:
расширяться при нагревании,
сжиматься при охлаждении
Способность материала
сопротивляться разрушению
под действием внутренних
напряжений, вызванных
внешними воздействиями
Свойство материала
самопроизвольно
восстанавливать
первоначальную форму и
размеры после прекращения
действия внешних сил
Формула
Размерность
единицы
времени
ТКЛР, ТКОР
P
,
F
3Pl
R изг=
2bh 2
R cж =


l
,
l

Пояснения
t> 1580 0С – огнеупорные,
1350-15800С – тугоплавкие,
менее 13500С – легкоплавкие.
По степени огнестойкости:
- несгораемые,
- трудносгораемые,
- сгораемые
Т
ТКЛР (ТКОР) – температурный
коэффициент линейного (объемного)
расширения
кН/см2,
кгс/см2,
МПа
Rсж - предел прочности при сжатии;
P - разрушающее усилие, кН;
F - площадь поперечного сечения
стандартного образца, см2;
Rизг -предел прочности при изгибе;
l - расстояние между опорами, см;
b и h - размеры поперечного сечения
образца, см.
о
1/ С
% или
безразмерная
величина
E
 - относительная деформация;
l - первоначальный линейный размер
образца;
l - абсолютная деформация;
 - одноосное напряжение, МПа;
Е - модуль упругости (модуль Юнга), МПа.
Упругая деформация – обратимая.
Пластическая, остаточная деформация –
необратимая.
Свойство материала изменять
форму и размеры под
15
№
п/п
Наименование
свойства или
коэффициента
22
Хрупкость
23
Удельная прочность
(коэффициент
конструктивного
качества)
Определение
действием внешних сил, не
разрушаясь, и сохранять эти
изменения после снятия
нагрузки
Свойство материала под
действием нагрузки
разрушаться без заметной
пластической деформации
(“внезапное” разрушение)
Отношение прочности
материала к его относительной
плотности
Формула
Размерность
Пояснения
Для хрупких материалов
R cж/Rp = 10...15 и более,
Rp - предел прочности при растяжении
Примеры:
Rуд=Ккк=
R
d
МПа
1000
 127 МПа;
7 ,85
450
Стеклопластик: Rуд
 225 МПа.
2
Сталь: Rуд
Является характеристикой прочностной
эффективности материала.
24
Истираемость
25
Твердость
26
Износ
Способность материала
сопротивляться истирающим воздействиям
Способность материала
сопротивляться
проникновению в него
другого более твердого
Способность материала
сопротивляться
одновременному
воздействию истирания и
удара
И=
m1  m2
F
HB =
uзн=
P
F
m1  m2
 100
m1
г/ см2;
кг/ м2
МПа,
кгс/мм2
%
16
m1 - масса образца до истирания, г;
m2 - масса после истирания, г;
F - площадь образца, см2
Р - нагрузка, кН, кгс;
F - площадь отпечатка, мм2
Твердость каменных материалов оценивают
по шкале твердости Мооса в баллах от 1 до
10: самый мягкий – тальк (1), самый
твердый – алмаз (10).
m1 и m2- массы образца соответственно
до и после испытания, г
Вопросы для самоконтроля к разделу 1
1. Как классифицируются строительные материалы по условиям их
работы в сооружении?
2. Какой методический
строительных материалов?
подход
рекомендуется
при
изучении
3. Какие технологии применяются для получения строительных
материалов? Их краткая характеристика.
4. Назовите основные источники
строительных материалов.
сырья
для
промышленности
5. Какие виды промышленных отходов используются для производства
строительных материалов и в чем заключается эффективность их
применения?
6. Как можно выразить состав материала? Как состав материала влияет на
его свойства?
7. Что такое композиты?
8. В чем заключается взаимосвязь строения и свойств материала? Уровни
изучения строения материала.
9. На какие основные группы делятся свойства
материалов? Дайте характеристику основных групп.
строительных
10. Назовите и охарактеризуйте параметры состояния и структурные
характеристики
материалов, приведите их определения, формулы,
размерности.
11.
Назовите
основные
гидрофизические
(теплофизические,
механические) свойства материалов, приведите их определения,
формулы, размерности.
17
РАЗДЕЛ 2. ПРИРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 3. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Природные каменные материалы получают из горных пород без
специальной обработки (гравий, песок, глина) и с использованием механических
технологий
(распиливание,
раскалывание,
дробление,
просеивание,
шлифование, полирование). При этом они полностью или почти полностью
сохраняют свойства исходной горной породы.
Природный камень наряду с древесиной был первым строительным
материалом, используемым человеком. И в наши дни практически все
монументальные постройки выполняются с применением природного камня.
Облицовка зданий и сооружений природным камнем, использование камня в
интерьере помещений обеспечивает архитектурную выразительность, придает
респектабельность и престижность.
Природный камень, применяемый непосредственно как строительный
материал, привлекает своей декоративностью, стойкостью, долговечностью.
Высокая стойкость делает природный камень незаменимым для
гидротехнических сооружений, дорожного и мостового строительства и во
многих других случаях, когда необходимо обеспечить высокую долговечность
сооружения.
Пористые камни (вулканический туф, известняк-ракушечник) очень
эффективны как местный материал для кладки стен вместо кирпича и других
искусственных стеновых материалов. Миллионы кубометров песка, гравия,
щебня расходуются на получение бетонов и строительных растворов. Огромное
количество природного камня используется в качестве сырья для получения
большинства искусственных строительных материалов: минеральных вяжущих
веществ, керамики, стекла и проч.
3.1. Общие сведения о горных породах
Горные породы - главный источник
получения строительных
материалов. Это значительные по объему скопления минералов в земной коре,
образующиеся под влиянием одинаковых условий.
Минералы - вещества, являющиеся продуктами природных реакций,
происходящих в земной коре, однородные по химическому составу и
физическим свойствам.
Горная порода может состоять из одного минерала - мономинеральная
(например,
гипс СаSO4.2H2O), либо из нескольких минералов полиминеральная (например, гранит состоит из кварца, слюды, полевых
шпатов).
Горные породы классифицируются (табл. 3.1) по условиям их
происхождения (по генетическому признаку), так как именно происхождение
определяет химико-минералогический состав, строение и свойства горной
породы.
18
Магматические (изверженные) горные породы образовались в
результате охлаждения и затвердевания магмы (силикатный расплав,
поступающий из недр земли). Они слагают большую часть земной коры. В
зависимости от скорости и условий охлаждения они делятся на глубинные,
излившиеся плотные и излившиеся пористые.
Глубинные горные породы образовались в глубине земной коры в
результате медленного и равномерного охлаждения магмы при относительно
высоком давлении вышележащих слоев земли. Эти
условия
благоприятствовали полной кристаллизации минералов из магматического
расплава и формированию зернисто-кристаллического строения.
Отсюда и высокие физико-механические свойства глубинных пород:
малая пористость и объемное водопоглощение (<1%), высокая прочность (Rсж
= 100 - 300 МПа), высокая плотность (  m = 2600 -3000 кг/м3), высокая
морозостойкость, высокая теплопроводность (   3 Вт/(м.0C)), хорошая
декоративность многих глубинных пород, высокие технологические свойства
(хорошо полируются и шлифуются до зеркального блеска).
Излившиеся плотные породы образовались при излиянии магмы из
глубины и застывании ее в поверхностных слоях земной коры или на
поверхности земли. Магма остывала более быстро и менее равномерно,
поэтому минералы из расплава либо не успели закристаллизоваться, либо
закристаллизовались только те, которые имеют высокую скорость
кристаллизации. Вследствие этого,
структура этих пород стекловатая,
скрытокристаллическая или порфировая (в аморфное стекло или
мелкокристаллическую массу включены вкрапленники кристаллов).
Неоднородность структуры отражается на свойствах горных пород. Так,
излившиеся плотные породы - кварцевые порфиры по минеральному составу
близки к гранитам, но более хрупки и менее стойки к резким колебаниям
температуры. Значения прочности, пористости, волопоглощения близки к
глубинным породам.
Излившиеся пористые породы образовались при вулканических
извержениях, когда на поверхность земли под большим давлением
выбрасывались частицы раздробленной магмы вместе с парами и газами.
Магма, быстро охлаждалась и удерживая газы при снижении давления,
приобретала стеклообразное пористое строение.
Эти породы имеют малую среднюю плотность (750-1400 кг/м3), высокую
пористость (45-70%), небольшую теплопроводность (0,15-0,35 Вт/(м.0C)),
достаточную прочность (5-15 МПа и более), высокую морозостойкость (ввиду
того, что большинство пор замкнутые). Среди прочих свойств следует отметить
высокую долговечность, химическую активность, хорошие технологические
свойства (легко обрабатываются, распиливаются, пробиваются гвоздями,
шлифуются, но не полируются).
19
Осадочные горные породы образовались в результате разрушения
магматических (первичных) горных пород, которые находились на поверхности
земли и подвергались процессам природного выветривания, т.е. сменам
температур, увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию и
другим атмосферным воздействиям. Продукты разрушения часто переносились
водой на большие расстояния и отлагались. Так образовались рыхлые
механические отложения. Часть их в дальнейшем подвергалась
цементированию различными природными цементами и таким образом
возникали сцементированные породы.
Некоторые осадочные породы – органогенные (органического
происхождения) - образовались из крупных скоплений отмерших животных
(зоогенные) и растительных (фитогенные) организмов (скелеты губок,
кораллы, панцири, раковины, водоросли и т.д.).
Химические осадки
образовались из концентрированных водных
растворов солей, некоторые - за счет взаимодействия составных частей
первичной горной породы с веществами, находящимися в окружающей среде.
Строение у осадочных пород более пористое, чем у плотных
магматических. Характерная особенность строения - слоистость. По сравнению
с плотными магматическими породами они имеют большую пористость,
меньшую прочность; некоторые осадочные породы растворяются в воде,
некоторые распадаются в воде на мельчайшие частицы.
20
Таблица 3.1.
Классификация горных пород по генетическому признаку
Основные группы горных пород
Глубинные
Магматические
Излившиеся
Пористые
Рыхлые Сцемент
ированные
Граниты Базальты Вулка- Вулканич
,
.
ничес- е
сиениты порфиры кие
ские
,
,
пеплы, туфы,
габбро, диабазы, пемзы лавы
диориты андезиты
Осадочные
Метаморфические
Механические
Химические Органогенны Видоизмене Видоизмене
отложения
осадки
е
ннотложения ные
ные осадочмагматиные
ческие
Плотные
Рыхлые Сцементи
-рованные
Глины, Песчаник Гипс,
пески, и,
ангидрит,
гравий конгломе- магнезит,
раты,
доломиты,
брекчии известняки,
известковые
туфы
Известняки, Гнейсы
мел,
ракушечник,
диатомиты,
трепелы
21
Мраморы,
кварциты,
глинистые
сланцы
Метаморфические горные породы образовались из магматических или
осадочных в результате глубокого преобразования их под действием высоких
температур, высоких давлений и химически активных веществ (растворов и
газов). При этом менялся минеральный состав, строение, свойства, а иногда и
химический состав исходной породы. Направленное давление вызывало
деформацию кристаллов, образование сланцеватого (слоистого) строения и, как
следствие, анизотропию свойств. Например, гнейс – слоистая порода,
образовавшаяся в результате перекристаллизации гранитов при одноосном
давлении. Минеральный состав у гнейса, как у гранита, но кристаллы
ориентированы в одном направлении. Слоистость гнейса облегчает его добычу
и обработку, но снижает стойкость к выветриванию.
3.2. Технические требования к каменным материалам
Основными показателями качества природных каменных материалов
являются предел прочности при сжатии (марка материала), средняя плотность,
морозостойкость
и
водостойкость,
характеризуемая
коэффициентом
размягчения. В особых случаях определяют также истираемость,
износостойкость, сопротивление удару и другие показатели.
По средней плотности природные каменные материалы делят на
тяжелые (  m >1800 кг/м3) и легкие (  m менее 1800 кг/м3). По прочности на
сжатие (кгс/см2) их делят на марки: 4; 7; 10; 15; 25; 35; 50; 75; 100; 125; 150;
200, далее через 100 до марки 1000.
Марки природных каменных материалов по морозостойкости
(количество циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном
водой состоянии): 10; 15; 25; 50; 100; 200; 300 и 500. Градация по
коэффициенту размягчения; 0,6; 0,75; 0,8; 0.9 и 1,0. Коэффициент размягчения
камня (отношение предела прочности камня в водонасыщенном состоянии к
пределу прочности в сухом состоянии), применяемого для фундаментов,
дорожных покрытий, гидротехнических конструкций, должен быть не ниже 0,8,
а для наружных стен зданий – не ниже 0,6.
3.3. Добыча, обработка и виды изделий из природного камня
Способ добычи природного камня зависит от условий залегания породы,
ее твердости, прочности и трещиноватости. Основные способы добычи:
взрывной, с помощью камнекольных инструментов, с помощью камнерезных
машин и др.
По виду обработки природные каменные материалы делятся на
грубообработанные каменные материалы и штучные изделия и
профилированные детали.
Грубообработанные материалы: песок, гравий – окатанные (округлые)
зерна размером от 5 до 150 мм, получаемые из рыхлых залежей рассевом;
щебень – куски камня неправильной формы, получаемые дроблением горных
пород с последующим рассевом; бутовый камень – крупные куски камня
22
неправильной формы, получаемые взрывным методом (рваный бут), или плиты
неправильной формы (постелистый бут или плитняк), получаемые
выламыванием из слоистых пород.
К изделиям из природного камня относят колотые и пиленые плиты и
камни различного назначения. Стеновые камни выпиливают из мягких горных
пород - пористых известняков, вулканических туфов, опок со средней
плотностью не более 2100 кг/м3. Размеры основных типов камней: 390х190х188
мм, 390х190х288 мм, 490х240х188 мм. Каждый камень заменяет 8-16 кирпичей.
Наружная облицовка зданий выполняется из плит и фасонных деталей из
плотных и атмосферостойких пород, в основном из глубинных магматических
или плотных известняков. Именно использование известняка для облицовки
московских зданий дало Москве эпитет «белокаменная».
Внутренняя облицовка зданий производится плитами из пород средней
твердости: мрамора, пористых известняков (ракушечника, травертина) и
других. Пористые породы, кроме декоративного эффекта, обеспечивают
хорошую акустику помещений, благодаря чему рекомендуются для зрительных
залов.
Поверхность облицовочных плит может иметь различную фактуру.
Ударной обработкой можно получить следующие фактуры: фактуру «скалы» с
крупными буграми и впадинами; рифленую и бороздчатую с правильным
чередованием гребней и впадин глубиной от 0,5 до 2 мм; точечную –
равномерно шероховатую с углублениями не более 2 мм.
Абразивной обработкой получают: пиленую фактуру с глубиной бороздок
не более 1 мм; шлифованную – равномерно шероховатую с глубиной рельефа
до 0,5 мм; лощеную – гладкую бархатисто-матовую с выявленным рисунком и
цветом камня, без блеска; полированную – гладкую с зеркальным блеском,
полностью выявляющую цвет и структуру камня.
Плиты для покрытия пола делают из твердых пород (гранит, сиенит и
др.) с полированной (реже шлифованной) лицевой поверхностью. Пример
использования таких плит – станции и переходы Московского метро. В
помещениях с малой интенсивностью движения и высокими требованиями к
декоративности могут использоваться плиты из мрамора. Толщина плит пола –
не менее 20 мм.
Дорожные каменные материалы, учитывая крайне суровые условия
работы, изготавливают из плотных, прочных, износостойких горных пород. К
дорожным материалам относятся: бортовые камни, брусчатка, булыжный
камень. Бортовые камни, отделяющие проезжую часть от тротуара, делают в
основном из гранита и сиенита. Размеры их: длина 1000-2000 мм, ширина 100200 мм, высота 300-400 мм.
Брусчатка – колотые или тесаные камни из магматических или плотных
осадочных горных пород, имеющие форму, близкую к кубу. Брусчаткой
вымощена Красная площадь в Москве. Это очень долговечное и декоративное
покрытие улиц и площадей.
Булыжный и колотый камень используют для устройства верхних
покрытий дорог 1У и У категорий, оснований под дороги, укрепления откосов
23
земляных сооружений, для берегоукрепительных работ. Такие работы связаны
с большими затратами ручного труда, поэтому булыжный камень сейчас
применяется редко.
Каменные материалы для гидротехнических сооружений – защитные
облицовки мостовых конструкций, шлюзов и плотин, устройство набережных и
т.п. Для этих целей применяют плотные магматические породы (гранит, диабаз,
сиенит и др.), обладающие высокой морозостойкостью (не менее 300 циклов) и
износостойкостью.
Глава 4. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ
Древесина - освобожденная от коры ткань древесных волокон,
содержащаяся в стволе дерева.
В отличие от богатств земных недр лес восстанавливается и при
рациональном пользовании может быть неубывающим источником сырья. По
величине лесных массивов Россия занимает первое место в мире, однако это не
значит, что можно неограниченно применять древесину. Лес определяет
климатические условия в стране, сохраняет здоровье людей.
Потребность в лесоматериалах удовлетворяется путем комплексной
переработки древесины. Наряду с традиционными материалами все шире
применяют материалы из отходов древесины (горбыль, рейки, стружки, опилки
и проч.) На передовых деревообрабатывающих комбинатах коэффициент
использования древесного сырья доходит до 0,98.
Качество древесины зависит от породы. К хвойным породам, широко
используемым в строительстве, относятся сосна, лиственница, ель, пихта и
кедр. Лиственные породы используют значительно реже. Наибольшее
применение из них имеют дуб, ясень, бук, береза, ольха.
4.1. Состав и строение древесины
По составу древесина представляет собой целлюлозу (С6Н10О5)n , где
n>2500. Макромолекулы природного полимера - целлюлозы имеют сложное
строение, эластичны и сильно вытянуты.
Строение
древесины
изучают
на
макрои
микроуровне.
Макроструктурой называют строение ствола дерева, видимое невооруженным
глазом. Макроструктуру изучают на трех основных разрезах ствола:
поперечном (торцевом) – он делается перпендикулярно оси ствола, радиальном,
проходящем вдоль оси ствола через его сердцевину, и тангенциальном,
проходящем по хорде вдоль ствола. На этих разрезах можно различить
следующие части ствола: сердцевину (тонкая полая трубка в самом центре –
клетки первого года жизни дерева), кору, луб, камбий, годичные кольца,
заболонь, ядро, сердцевинные лучи.
Под защитой коры и лубяного слоя у растущего дерева располагается
тонкий кольцевой слой живых клеток - камбий. Здесь происходит деление
клеток древесины. Ежегодно с весны до осени камбий откладывает в сторону
коры клетки луба и внутрь ствола - клетки древесины.
24
Каждое годичное кольцо состоит из слоя ранней древесины,
образовавшейся весной и в начале лета, и поздней, которая образуется к концу
лета. Ранняя древесина состоит из крупных тонкостенных клеток и на срезе
выглядит светлой. Поздняя древесина имеет мелкие толстостенные клетки; она
менее пориста, обладает большей прочностью и имеет темный цвет.
Ядро - это внутренняя часть ствола, примыкающая к сердцевине,
состоящая из отмерших клеток, пропитанных у хвойных пород смолой, а у
лиственных - дубильными веществами. Эта часть ствола становится более
твердой и менее склонной к загниванию. Более молодая древесина ближе к
коре называется заболонью. Она состоит из живых клеток, по которым
перемещаются питательные вещества и влага от корней к кроне. Эта часть
древесины имеет большую влажность, малую прочность, легко загнивает,
склонна к короблению.
Сердцевинные лучи состоят из клеток, вытянутых в поперечном
направлении, и служат для создания запаса влаги и питательных веществ на
зимнее время. Древесина легко раскалывается и растрескивается по
сердцевинным лучам.
Микроструктуру древесины изучают под микроскопом. Основную
массу древесины составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые
вдоль ствола. Исключение составляют клетки сердцевинных лучей.
Поперечный размер клеток древесины 0,01...0,1 мм, длина 0,5-10 мм. Крупные
сосуды (разросшиеся клетки) у лиственных пород могут достигать длины 2...3
м Оболочки клеток имеют сложное строение. У хвойных пород имеются
межклеточные пространства, заполненные смолой - смоляные ходы.
4.2. Свойства древесины
Состав и строение древесины определяют ее свойства. К
положительным свойствам древесины относятся малая средняя плотность
(400-500 кг/м3), малая теплопроводность (например, у сосны теплопроводность
поперек волокон составляет 0,17, вдоль -0,35 Вт/(м.0C), высокая прочность
(Rсж=35-70 МПа; Rизг= 80-120 МПа). Пористость древесины составляет 5075%, удельная прочность (по изгибу) достигает 200-230 МПа. Древесина
химически стойка, обладает замечательной декоративностью, долговечностью
и очень технологична.
К отрицательным свойствам древесины, ограничивающим ее
применение, относятся анизотропия свойств – разные свойства по разным
направлениям (следствие волокнистого строения), высокая гигроскопичность,
склонность к короблению и растрескиванию, загниваемость, возгораемость,
наличие пороков. Эти недостатки частично или полностью устраняются
техническими мероприятиями.
Пороками называют недостатки древесины, появляющиеся во время
роста дерева и хранения пиломатериалов на складе. Степень влияния пороков
на пригодность древесины зависит от их вида, места расположения, размеров, а
25
также от назначения древесной продукции. Один и тот же порок в некоторых
видах продукции делает древесину непригодной, а в других понижает ее
сортность или не имеет существенного значения.
Пороки древесины делят на несколько групп:
- пороки формы ствола (сбежистость – значительное уменьшение
диаметра по длине ствола; закомелистость – резкое увеличение диаметра
нижней комлевой части ствола; кривизна);
- пороки строения древесины (наклон волокон – косослой вызывает
резкое снижение прочности древесины; свилеватость – расположение волокон в
виде волн или завитков; крень – смещение сердцевины; двойная сердцевина);
- сучки – части ветвей, заключенные в древесине (сросшиеся и
выпадающие сучки, разветвленные или лапчатые – наиболее опасные;
здоровые);
- трещины (метик, морозные трещины, трещины усушки идут по
сердцевинным лучам, отлуп – по годовым кольцам);
- грибные поражения и химические окраски – вызываются грибами,
использующими
древесину в
качестве
питательной
среды,
или
микроорганизмами;
- повреждения насекомыми – червоточины;
- покоробленности – нарушение формы пиломатериалов при изменении
влажности
древесины
(поперечная,
продольная
и
винтообразная
покоробленность – крыловатость).
Зависимость свойств древесины от влажности
Влажность выражают в % от массы сухой древесины. В древесине
различают:
- гигроскопическую влагу, связанную в стенках древесных клеток;
- капиллярную влагу, которая в свободном состоянии заполняет
межклеточное пространство и полости клеток;
- химически связанную влагу.
Основную массу влаги составляют гигроскопическая и капиллярная.
Сухая древесина поглощает водяной пар из влажного воздуха, который
поступает в стенки древесных клеток. Полное насыщение стенок клеток
гигроскопической влагой соответствует влажности древесины около 30%. Эта
влажность называется пределом гигроскопичности.
При увлажнении стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что
приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. При
достижении предела гигроскопичности разбухание прекращается, деформации
26
стабилизируются. Содержание свободной влаги на размерах древесины не
отражается.
Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из
стенок клеток. Вследствие неоднородности строения, древесина усыхает и
разбухает в различных направлениях неодинаково, что и вызывает коробление и
растрескивание лесных материалов.
Для предотвращения коробления и растрескивания древесину используют
с той равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации.
Например, для столярных изделий влажность древесины не должна превышать
8-10%, для наружных конструкций 15-18%. Для защиты древесины от
последующего увлажнения в процессе эксплуатации ее покрывают красками,
лаками, специальными составами.
Равновесная влажность древесины зависит от температуры и
относительной влажности окружающего воздуха. Для определения
равновесной влажности древесины пользуются специальной номограммой.
Свойства древесины (средняя плотность, деформации, прочность и др.)
зависят от влажности, поэтому показатели свойств, полученные при испытании
древесины различной влажности, для возможности сопоставления приводят к
стандартной влажности, равной 12%. Например, если известна равновесная
влажность древесины(Wр) в момент испытания и предел прочности при этой
фактической влажности (Rw), то прочность при стандартной влажности
рассчитывается по формуле:
R12 = Rw [1+ (Wр - 12)], где  - коэффициент, показывающий на сколько
изменяется прочность при изменении влажности древесины на 1%. Значение 
при сжатии и изгибе составляет 0,04, при смятии (сжатие поперек волокон) –
0,035.
Прочность древесины зависит от породы дерева, наличия пороков, места
расположения древесины в стволе, направления волокон древесины, влажности
и др. Она определяется на стандартных лабораторных образцах без пороков:
при определении предела прочности при сжатии вдоль волокон размер
образцов 2х2х3 см, при смятии – 2х2х6 см, при изгибе – 2х2х30 см и т.д.
4.3. Защита древесины от гниения и возгорания
Гниение древесины вызывается совместным действием следующих
факторов: повышенная влажность, кислород воздуха, положительная
температура, наличие спор дереворазрушающих грибов. Дереворазрушающие
грибы питаются материалом стенок клеток – целлюлозой, разлагая ее с
помощью ферментов до глюкозы:
(С6Н10О5)n + n Н2О = n С6Н10О5
Глюкоза в теле гриба используется в процессе его жизнедеятельности, и,
в конце концов окисляется и превращается в углекислый газ и воду:
С6Н10О5 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О.
27
Наиболее радикальный и реальный с конструктивной точки зрения путь
защиты древесины от гниения – сухой режим эксплуатации (влажность
древесины должна быть не более 15%). Если это невозможно, необходимо
использовать антисептики - вещества, ядовитые для дереворазрушающих
грибов.
Чаще других применяются водорастворимые антисептики, например,
3%-ный водный раствор NaF; растворы кремнефторида натрия или аммония.
Маслянистые антисептики (например, антраценовое, каменноугольное,
сланцевое масло), применяют для глубокой пропитки деревянных элементов,
находящихся на открытом воздухе, в земле или воде (шпалы, части мостов,
сваи, подводные сооружения и др.). Органорастворимые (Pinotex и проч.) высокотоксичные для дереворазрушающих грибов антисептики, хорошо
проникающие в древесину. Антисептические пасты, состоящие из
водорастворимого антисептика, связующего вещества (битум, глина, жидкое
стекло и др.) и наполнителя (торфяной порошок), применяют для защиты
деревянных элементов зданий, увлажнение которых происходит в процессе
эксплуатации (концы балок, столбов и др.).
Защита от возгорания осуществляется покрытием древесины
огнезащитными составами и пропиткой антипиренами. Механизм действия
огнезащитных красочных составов заключается в том, что при пожаре краска
пузырится и образующийся пористый слой замедляет нагревание древесины.
Антипирены (от греч. pyr – огонь) – растворы солей и некоторых других
веществ (хлористый аммоний, фосфорнокислые натрий и аммоний,
сернокислый аммоний, бура), которыми пропитывают древесину. Механизм их
действия основан на том, что одни из них при нагревании древесины создают
оплавленную пленку, закрывающую доступ кислорода к древесине, другие при высокой температуре выделяют негорючие газы, препятствующие
горению.
4.4. Виды материалов, изделий и конструкций из древесины
Лесоматериалы:
- круглые лесоматериалы (бревна строительные и пиловочные - диаметр
верхнего торца не менее 14 см, подтоварник - диаметр 8-13 см, жерди диаметр 3-8 см. Оцилиндрованные бревна получают из обычных бревен
обработкой их на токарном станке, в результате чего они приобретают
цилиндрическую форму (без «сбега»);
- пиломатериалы (пластины - получают при продольном распиливании
бревен на две половины), четвертины - распиливание по двум взаимно
перпендикулярным диаметрам, доски, брусья, бруски, горбыль). Длина
пиломатериалов от 1 до 6,5 м с градацией через 0,25 м. Брусья имеют
квадратное или прямоугольное сечение, толщину и ширину более 100 мм.
Бруски имеют толщину менее 100 мм;
28
Полуфабрикаты и изделия из древесины:
- строганые и шпунтованные доски имеют на одной кромке шпунт, а на
другой – гребень для плотного соединения элементов.
- фрезерованные изделия (плинтусы, поручни, наличники для обшивки
дверных и оконных коробок, фальцованные доски - вагонка);
- паркет (штучный, щитовой, паркетная доска). Щитовой паркет имеет
основание из досок или брусьев, на которое наклеен паркет из планок.
Паркетные доски состоят из реечного основания с наклеенными паркетными
планками;
- столярные изделия (оконные и дверные блоки, столярные перегородки,
щитовые двери и др.);
Фанера - листовой материал, склеенный из трех и более слоев лущеного
шпона. Шпон - тонкая непрерывная стружка, снимаемая с поверхности бревна
на лущильных станках. Листы шпона в фанере располагают так, чтобы волокна
древесины в смежных слоях находились во взаимно перпендикулярных
направлениях. Так достигается изотропность материала при высоких
прочностных показателях, характерных для цельной древесины без пороков.
Толщина листов фанеры от 3 до 19 мм.
В зависимости от вида использованного клея и его водостойкости
различают фанеру повышенной водостойкости (марка ФСФ на
фенолоформальдегидном клее), средней водостойкости (марки ФК и ФБА
соответственно на карбамидном и альбумин-казеиновом клеях), ограниченной
водостойкости (марка ФБ на казеиновом клее). Декоративная фанера марки
ДФ, облицованная шпоном из ценных пород (дуба, груши и т.п.), применяется
для внутренней отделки стен, перегородок, дверных полотен, встроенной
мебели. Для использования во влажных условиях и нагруженных конструкциях
производится бакелитизированная фанера (марки ФБС и ФБ). Выпускаются
также фанерные плиты (толщиной до 78 мм), применяемые для дверей,
перегородок, встроенной мебели.
Столярные плиты толщиной до 50 мм (реечные щиты, оклеенные с
обеих сторон шпоном) также применяют для изготовления дверей,
перегородок, мебели и т.п.
Кровельные материалы для временных зданий выпускают следующих
видов: стружка (длиной 40-50 см вдоль волокон, толщиной 0,3 см), дрань
(длиной 40-100 см, толщиной 0,3-0,5 см), плитки деревянные и гонт (длиной 5070 см, толщиной 1,5 см).
Сборные деревянные дома могут быть двух типов: с деревянным
каркасом (из бруса, толстых досок и т.п.), заполненным каким-либо
теплоизоляционным материалом (минеральной ватой, фибролитом и др.) и
обшитым с внутренней и наружной сторон, и дома из бревен (обычных и
оцилиндрованных) или деревянного бруса. Более совершенный вариант – дома
29
из клееного бруса. Такой брус делают на заводе склейкой из 3-5 толстых досок
(«ламелей») таким образом, чтобы годовые кольца древесины в соседних
ламелях были направлены в разные стороны. За счет этого клееные брусья не
трескаются и не коробятся. На верхней и нижней гранях бруса фрезеруются
шипы и ответные им пазы для простейшего получения плотного стыка
Клееные деревянные конструкции - крупноразмерные элементы
(шириной 120-200 мм, высотой – до 1500 мм), полученные путем склеивания
полимерными клеями небольших деревянных заготовок. Они отличаются
меньшей массой, большей прочностью, водостойкостью, большей стойкостью к
загниванию, меньшей возгораемостью, чем обычные деревянные конструкции.
Технология клееных деревянных конструкций позволяет получить конструкции
любого размера и формы, удалить из древесины дефектные участки (сучки,
косослой и проч.), максимально полно использовать древесину, в том числе и
«неделовую».
Клееные
деревянные
конструкции
превосходят
по
эффективности железобетонные, и во многих странах мира они рекомендованы
для многоэтажных жилых и общественных зданий.
К несущим клееным конструкциям относят плоские конструкции - балки,
фермы, рамы, арки, панели и пространственные – оболочки, купола и т.п. В
качестве ограждающих конструкций используются панели размерами 3х1,5 м
и 6х1,5 м с обшивкой из фанеры и другие конструкции.
Модифицированная древесина – цельная древесина с направленно
измененными свойствами (прессованная древесина, пластифицированная
аммиаком, модифицированная синтетическими смолами).
Материалы на базе неделовой древесины и отходов деревообработки –
древесностружечные плиты ДСП, цементностружечные плиты ЦСП,
древесноволокнистые плиты ДВП, фибролит и арболит. Древесноволокнистые
плиты выпускаются в виде мягких плит для тепловой изоляции и в виде
тонколистового прочного материала с гладкой поверхностью – твердые ДВП
или оргалит. Оргалит используют для обшивки стен, потолков, при настилке
полов и как основа сборных элементов покрытия пола – ламината. Оргалит не
рекомендуется использовать во влажных помещениях, так как при контакте с
водой он набухает и деформируется.
Для отделки помещений с влажным режимом эксплуатации (ванные
комнаты, туалеты и т.п.) используют сверхтвердые ДВП плотностью 1100-1200
кг/м3, в состав которых вводят термореактивные смолы. Поверхности таких
плит обычно окрашивают или ламинируют декоративными пленками.
Вопросы для самоконтроля к разделу 2
1. Как получают природные каменные материалы?
2. Что такое минерал, горная порода?
3. Как классифицируются горные породы?
30
4.
Охарактеризуйте
группу
метаморфических) горных пород.
магматических
(осадочных,
5. Как происхождение горных пород влияет на их строение и свойства?
6. Каковы технические требования к каменным материалам?
7. Назовите и охарактеризуйте основные виды изделий из природного
камня
по способу обработки.
8. Каков химический состав древесины?
9. Назовите основные элементы макро- и микроструктуры древесины.
10.Перечислите положительные и отрицательные свойства древесины.
11. Что подразумевается под пороками древесины?
12. Какие виды влаги различают в древесине и как свойства древесины
зависят от влажности?
13. Как защищать древесину от гниения и возгорания?
14. Назовите и охарактеризуйте основные виды материалов, изделий и
конструкций из древесины.
РАЗДЕЛ 3. МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКОЙ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
Путем нагревания минерального сырья до его спекания или плавления
помимо описанных в данном разделе материалов – керамики и неорганических
вяжущих веществ - получают также стекло, ситаллы (стеклокристаллические
материалы), изделия из каменных расплавов, металлы и сплавы. Ознакомиться
с этими материалами можно, воспользовавшись рекомендуемой литературой.
Глава 5. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
5.1. Общие сведения
Керамическими называются искусственные каменные материалы и
изделия, получаемые из минерального сырья путем формования и
последующего обжига при высоких температурах.
Название «керамика» происходит от греческого слова «keramos» - глина.
Керамические материалы
являются самыми древними из известных
искусственных каменных материалов: начало применения керамического
кирпича - 3500 лет до н.э.
В настоящее время керамические изделия, в т.ч. специальные, широко
используются не только в строительстве, но и в машиностроении, ядерной
энергетике, электронной, ракетной и других отраслях промышленности.
31
Значительный интерес представляет оксидная техническая керамика, а также
металлокерамика.
Современное строительное производство использует широкий круг
керамических материалов и изделий с различными свойствами. Их
классифицируют по ряду признаков:
- по назначению керамические изделия подразделяются на стеновые,
кровельные, отделочные, для полов, для перекрытий, дорожные, санитарнотехнические, кислотоупорные, теплоизоляционные, огнеупорные, заполнители
для бетонов и др.;
- по структуре разделяют на пористые, имеющие водопоглощение по
массе более 5% (кирпич и камни стеновые, кровельные, облицовочные
материалы, дренажные трубы и др.) и плотные, имеющие волопоглощение по
массе менее 5% (плитки для пола, дорожный кирпич, стенки канализационных
труб и др.).
- по температуре плавления подразделяются на легкоплавкие (с
температурой плавления ниже 13500С), тугоплавкие (13500С-15800С),
огнеупорные (15800С-20000С), высшей огнеупорности (более 20000С).
Керамические материалы занимают одно из первых мест по объемам
производства не только благодаря широкой номенклатуре изделий и высокой
долговечности, но и сравнительной простоте технологии при больших запасах
широко распространенного сырья.
5.2. Сырье для производства керамических материалов
Основным сырьем для производства керамических материалов служат
глины и каолины. Каолины состоят преимущественно из минерала белого
цвета - каолинита Al2O3.2SiO2.2H2O, имеющего частицы менее 0,01 мм; они
малопластичны, характеризуются тугоплавкостью, после обжига сохраняют
белый цвет.
Глины характеризуются разнообразным минеральным составом: помимо
каолинита состоят из родственных ему минералов - монтмориллонита
Al2O3.4SiO2.nH2O и галлуазита Al2O3.2SiO2.4H2O, а также минеральных и
органических примесей.
Глины с преобладающим содержанием монтмориллонита, имеющего
частицы размером менее 0,005 мм, весьма пластичны, сильно набухают,
чувствительны к сушке и обжигу. Такие глинистые породы называют
бентонитами, содержание в них частиц размером менее 0,001 мм достигает 8590%.
Химический состав глин характеризуется соотношением различных
оксидов: Al2O3, SiO2, Fe2O3, СаО, Na2O, MgO и K2O. Примеси (кварц, слюда,
полевые шпаты, кальцит, магнезит и др.), входящие помимо глинистых
32
минералов в состав глин, уменьшают пластичность. Наличие СаСО3 может
явиться причиной появления так называемых “дутиков” и трещин в изделиях.
Гранулометрический
состав
глин
характеризуется
частицами,
различными по крупности: 5,0-0,16 мм - песчаные фракции; 0,16-0,005 мм пылевидные фракции, менее 0,005 мм - глинистое вещество.
Глины как сырье для керамики оценивают комплексом свойств, главным
из которых является пластичность.
Свойства глин как сырья для керамических изделий
Пластичность - свойство глины во влажном состоянии принимать под
влиянием внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов
и трещин и сохранять полученную форму после прекращения действия
усилий. Пластичность обусловлена образованием тонких слоев воды между
пластинчатыми частицами глины, способствующих набуханию глины и
скольжению частиц друг относительно друга без потери связности. Степень
пластичности зависит от гранулометрического, минерального состава глин,
формы частиц, содержания примесей и количества воды. Чем большн в
глине содержание мельчайших частиц (менее 0,005 мм), тем она пластичнее.
Пластичность характеризуется числом пластичности Пл (разность
влажностей, соответствующих пределу текучести глины и пределу
раскатывания глиняного жгута). Для производства хороши умеренно
пластичные глины (Пл = 7-15%). Малопластичные глины (тощие) с Пл<7%
плохо формуются, а средне - (Пл =15-25%) и высокопластичные (Пл>25%)
глины дают большую усадку при сушке, растрескиваются и требуют
отощения.
Связность (связующая способность глины) - способность глиняного теста
связывать зерна непластичных материалов (песка, шамота и др.), а также
образовывать при высыхании достаточно прочное изделие – сырец.
Характеризуется степенью связности – усилием, необходимым для
разъединения частиц глины.
Воздушная усадка - уменьшение размеров и объема сырца при его
сушке за счет испарения свободной воды; она колеблется от 2 до 12% и
может быть уменьшена введением отощителей и поверхностно-активных
веществ, сокращающих формовочную влажность глин.
Огневая усадка - изменение размеров и объема изделий в процессе
обжига, обусловленное расплавлением легкоплавких составляющих глин и
сближением частиц глины между собой; она составляет от 2 до 8 % и тем
выше, чем больше температура обжига. Полная усадка равна сумме
воздушной и огневой.
Огнеупорность - свойство глин (и изделий из них) выдерживать
воздействие высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По
огнеупорности различают огнеупорные (не ниже 15800С), тугоплавкие
(1350-15800С) и легкоплавкие (ниже 13500С) глины.
33
Спекаемость - свойство уплотняться при обжиге и образовывать
камнеподобный черепок. Интервал между температурой начала спекания и
температурой, при которой появляются первые признаки пережога,
называется интервалом спекания. Чем он больше, тем легче управлять
процессом обжига, тем меньше опасность деформаций изделий.
В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает глубокие
физико-механические изменения. Сначала испаряется свободная вода (до
2000С), затем выгорают органические примеси (300-4000С). При температуре
500-6000С удаляется химически связанная вода из глинистых минералов, так
из каолинита образуется безводный метакаолинит Al2O3.2SiO2, который при
700-8000С разлагается на отдельные оксиды (образуется так называемый
твердый раствор). С повышением температуры до 9000С и выше оксиды SiO2
и Al2O3 вновь соединяются, но в других соотношениях, образуя новый
искусственный минерал муллит 3Al2O3.2SiO2. Муллит придает
обожженному керамическому черепку водостойкость, прочность,
термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в
камневидное состояние. Вместе с образованием муллита переходят в
расплав легкоплавкие составляющие глины, которые скрепляют кристаллы
муллита, цементируют и упрочняют материал.
Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при
температуре 950-10500С. Дальнейшее повышение температуры ведет к
появлению пережога («железняк»), характеризующегося повышенной
плотностью изделий, темным фиолетово-бурым цветом, иногда оплавленной
поверхностью и деформированием изделий. Соответственно недожог
характеризуется незавершенностью процессов обжига, пониженной
прочностью, водо- и морозостойкостью; изделия имеют алый оттенок.
Природные глины в чистом виде применяются редко, чаще - в смеси с
добавками различного назначения:
- отощающие добавки - шамот, дегидратированная глина, шлаки, золы,
кварцевый песок; вводятся для понижения пластичности и уменьшения усадки
глины при сушке и обжиге;
- порообразующие добавки вводятся для повышения пористости и
уменьшения теплопроводности керамического черепка. По механизму
порообразования добавки делятся на диссоциирующие с выделением газа молотые мел, доломит и выгорающие - древесные опилки, угольный порошок,
торфяная пыль;
- пластифицирующие добавки - высокопластичные глины, бентониты,
поверхностно-активные вещества; вводятся в тощие глины и повышают
пластичность сырьевой смеси;
- плавни - полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк и др.;
понижают температуру спекания глин.
34
Для улучшения внешнего вида, а также повышения стойкости к внешним
воздействиям изделия покрывают декоративным слоем - глазурью или ангобом.
Глазурь - стекловидное покрытие различного цвета, прозрачное или
непрозрачное (глухое). Сырьевую смесь в виде порошка или суспензии из
кварцевого песка, каолина, полевого шпата, солей щелочных и
щелочноземельных металлов наносят на изделие и закрепляют обжигом.
Ангоб - тонкий слой беложгущейся или цветной глины, наносимый
тонким слоем на поверхность еще необожженного изделия. При обжиге
образуется цветное покрытие с матовой поверхностью.
5.3. Основы технологии керамических изделий
Карьерные работы включают добычу глины (обычно открытым
способом), транспортирование и хранение промежуточного запаса глины.
Добытая глина в замоченном состоянии в течение года хранится в карьере и
подвергается при этом так называемому вылеживанию и вымораживанию. Это
ведет к разрушению природных агрегатов глины, высвобождению мельчайших
частичек и повышению ее пластичности.
Подготовка сырьевой массы состоит в разрушении природной
структуры глины, удалении или измельчении крупных включений (камней и
проч.), смешении глины с необходимыми добавками и увлажнении ее до
нужной формовочной влажности.
В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготавливаемой
продукции применяют различные способы формования изделий. Основные
изделия строительной керамики (кирпич, керамические камни, трубы,
некоторые виды плитки, черепицу) производят способом пластического
формования. Этот метод наиболее прост и получил наибольшее
распространение.
При способе пластического формования глину перемешивают в
глиносмесителе с добавками и водой до получения однородной пластической
массы с влажностью 18-28%. Изделия формуются на ленточных шнековых
прессах с вакуумированием и подогревом или без них. С помощью шнека
(винтового конвейера) глиняная масса перемещается к сужающейся головке
пресса, где она уплотняется и продавливается через формообразующую часть
пресса - мундштук в виде непрерывного бруса или ленты. В мундштуке могут
быть установлены керны (пустотообразующие сердечники), образующие
каналы в выдавливаемой ленте; так получают пустотелый кирпич, трубы и
проч. Глиняная лента разрезается на отдельные изделия (сырец), размеры
которых должны быть несколько больше, чем требуемые стандартом, так как в
процессе сушки и обжига глина претерпевает усадку.
Жесткий способ формования является разновидностью пластического.
Исходные материалы измельчают и смешивают до получения массы с
влажностью 13-18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных или
35
гидравлических прессах, при этом могут быть использованы менее пластичные
глины.
При способе полусухого прессования изделия формуют из шихты с
влажностью 8-12% под давлением 15-40 МПа на механических прессах. Способ
применяют в производстве обыкновенного и пустотелого глиняного кирпича,
фасадных плиток. Главное преимущество данного способа - сокращение затрат
энергии (в результате меньшей формовочной влажности).
При сухом способе пресс-порошок готовится с влажностью 2-6%, при
этом устраняется необходимость сушки. Таким образом изготавливают плитки
для пола, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора.
Шликерный способ (способ литья) применяют в случае изготовления
изделий из массы (шликера) с содержанием воды до 40%. Этот способ
применяют для получения изделий сложной формы методом литья, например
санитарно-технических изделий, облицовочных плиток, декоративной
керамики.
Сушка керамических изделий производится в туннельных или камерных
сушилках медленно в течение 16-36 ч при температуре горячего воздуха или
дымовых газов (для сушки можно использовать дымовые газы из обжиговых
печей) 120-150 0С. Процесс сушки проводят до влажности сырца 5-6% с тем,
чтобы избежать неравномерной усадки, искривлений, растрескиваний при
последующем обжиге, а также для придания изделиям прочности, достаточной
для перевозки и выдерживания нагрузки вышележащих рядов сырца при
укладке в печь.
Обжиг изделий производится в туннельных печах при температуре 9001100 С для кирпича, камня, керамзита и до 1300-18000С для огнеупорной
керамики. Необходимую температуру обжига следует строго выдерживать.
0
5.4. Виды керамических материалов
Стеновые материалы. Кирпич и камни керамические применяются для
кладки наружных и внутренних стен и других элементов зданий и сооружений,
а также для изготовления стеновых панелей и блоков. В соответствии с ГОСТ
530-2007 зависимости от размеров они подразделяются на виды, приведенные в
табл.5.1. По согласованию с потребителем могут выпускаться изделия и других
размеров.
Таблица 5.1
Номинальные размеры стеновых керамических изделий
Вид изделия
Кирпич
нормального
Обозначение
вида
Номинальные размеры
Длина
КО
250
Обозначение
размера
Ширина Толщина
120
65
1 НФ х)
36
формата
одинарный
Кирпич «Евро»
КЕ
250
85
65
0,7 НФ
Кирпич
утолщенный
КУ
250
120
88
1,4 НФ
Кирпич
модульный
одинарный
КМ
288
138
65
1,3 НФ
Кирпич
утолщенный
с
горизонтальными
пустотами
КУГ
250
120
88
1,4 НФ
К
250
120
140
2,1 НФ
288
288
88
3,7 НФ
288
138
140
2,9 НФ
288
138
88
1,8 НФ
250
250
140
4,5 НФ
250
180
140
3,2 НФ
510
250
219
14,3 НФ
398
250
219
11,2 НФ
380
250
219
10,7 НФ
380
255
188
9,3 НФ
380
250
140
6,8 НФ
380
180
140
4,9 НФ
250
250
188
6,0 НФ
250
200
70
1,8 НФ
Камень
Камень
крупноформатный
Камень
с
горизонтальными
пустотами
х)
КК
КГ
Кирпич нормального формата (одинарный)
Кирпич может быть полнотелым и пустотелым, а камни – только
пустотелыми. Модульный и утолщенный кирпич также делают только с
пустотами, так как масса одного кирпича не должна превышать 4 кг.
Поверхность граней изделий может быть гладкой и рифленой. Нестандартный
(необычный) цвет кирпича говорит о нарушении процесса обжига.
37
Основная характеристика качества кирпича – марка по прочности,
определяемая по результатам испытания кирпича на сжатие и изгиб. Для
стеновых изделий (кроме крупноформатного камня и кирпича и камня с
горизонтальными пустотами) установлены марки: М100, М125, М150, М175,
М200, М250, М300. Крупноформатные камни дополнительно к вышеуказанным
имеют марки: М35, М50, М75. Марки кирпича и камней с горизонтальными
пустотами: М25, М35, М50, М75, М100. Марка соответствует пределу
прочности при сжатии в кГс/см2, а прочность на изгиб для каждой марки
должна быть не менее предписанных стандартом значений.
Марки стеновых изделий по морозостойкости: F25, F35, F50, F100.
По показателю средней плотности изделия подразделяются на классы:
0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 2,0. Плотность обыкновенного полнотелого керамического
кирпича - 1600-1900 кг/м3; наличие пустот существенно снижает плотность
кирпича и камней. По теплотехническим характеристикам изделия в
зависимости от класса средней плотности подразделяются на группы в
соответствии с табл. 5.2.
Таблица 5.2
Группы изделий по теплотехническим характеристикам
Класс средней
плотности
изделия
Средняя
плотность,
кг/м3
Группы изделий по
теплотехническим
характеристикам
Теплопроводность
кладки в сухом
состоянии,
Bт/(м.0С)
0,8
До 800
Высокой эффективности
До 0,20
1,0
801-1000
Повышенной
эффективности
Св. 0,20 до 0,24
1,2
1001-1200
Эффективные
Св. 0,24 до 0,36
1,4
1201-1400
Условно-эффективные
Св. 0,36 до 0,46
2,0
Св. 1400
Малоэффективные
(обыкновенные)
Св. 0,46
В различных странах выпускаются отличающиеся между собой стеновые
материалы как по номенклатуре, так и по типоразмерам и маркам. В
зарубежной практике известно производство кирпича пазогребневой
конструкции для безрастворной кладки, крупноразмерных стеновых
керамических элементов, звукоизоляционного кирпича и других стеновых
изделий.
Панели и блоки стеновые из кирпича и керамических камней
изготовляются трех-, двух- и однослойные длиной на один или два
планировочных шага и высотой на 1 и 2 этажа. Толщина панелей для
внутренних стен и перегородок от 80 до 280 мм. Однослойные панели
38
изготавливают из керамических камней, двухслойные – из слоя в ½ кирпича и
слоя утеплителя, трехслойные – из двух кирпичных наружных слоев толщиной
по 65 мм и слоя утеплителя между ними.
Отделочные (облицовочные) керамические материалы применяются
для наружной и внутренней облицовки конструкций зданий и сооружений не
только с целью декоративно-художественной отделки, но повышения их
долговечности.
Материалы для наружной облицовки. Кирпич и камни лицевые
укладываются вместе с кладкой стены и одновременно служат конструктивным
несущим элементом. Регулируя состав сырья и режимы обжига получают
изделия различных цветов: белого, кремового, светло-красного, коричневого.
Также изготавливаются изделия с лицевой поверхностью, офактуренной
различными способами: ангобированием, глазурованием, двухслойным
формованием и проч.
Крупноразмерные облицовочные керамические плиты квадратной или
прямоугольной формы длиной от 490 до 1190 мм. Поверхность плит матовая
или полированная различных цветов, часто со структурой, напоминающей
гранит. По этой причине, а также за высокие физико-механические свойства
такие плиты называют керамогранит.
Плитки керамические фасадные и ковры из них применяются для
облицовки наружных стен кирпичных зданий, наружных поверхностей
железобетонных стеновых панелей, цоколей, подземных переходов и проч.
Фасадные плитки выпускают различных цветов и фактуры поверхности
размерами от 21х21х4мм до 292х192х9 мм. Плитки могут поставляться с
заводов в коврах с наклейкой плиток их лицевой стороной на крафт-бумагу.
При отделке поверхностей плиточный ковер втапливается в раствор, а после
его затвердевания бумага с лицевой поверхности плиток смывается.
Материалы для внутренней облицовки. Плитки для облицовки стен
(кафельная плитка) выпускают различных типоразмеров; чаще других
используются плитки размером 150х150 и 200х300 мм. Кроме плиток
выпускаются фасонные элементы: уголки, фризы и др. для отделки внешних и
внутренних углов. По характеру поверхности плитки бывают плоские
рельефно-орнаментированные и фактурные; по виду глазурного покрытия –
прозрачные и глухие, блестящие и матовые одноцветные и декорированные
многоцветными рисунками.
Плитки для полов (метлахские) благодаря их высокой износостойкости
и минимальному водопоглощению применяют для настилки полов в зданиях, к
чистоте которых предъявляются высокие требования, где возможно
воздействие жиров, химических реагентов, интенсивное движение, а также в
случаях, когда материал пола служит декоративным элементом в
архитектурном оформлении помещения.
39
Облицовка керамикой – один из самых экономически эффективных
видов отделки фасадов и интерьеров зданий. Первоначальная стоимость такой
облицовки выше многих других видов отделки, но с учетом очень высокой
долговечности керамики, керамическая облицовка оказывается выгоднее
большинства других видов отделки.
Кровельные керамические материалы. Черепица – старейший
искусственный кровельный материал, имеет долговечность до 300 лет и
является одним из самых эффективных кровельных материалов. Недостатки ее
– большой вес и трудоемкость устройства. Черепица требует мощной
стропильной системы и обеспечение большого уклона кровли (не менее 300).
Новый вид керамического кровельного материала, имитирующего
кровельные плитки из природного сланца, - ардогрес. Размер плиток 40х40 и
20х40 мм, цвет – темно-серый и коричневый. Материал имеет чрезвычайно
низкое водопоглощение (до 0,5%), высокую прочность, морозостойкость и
долговечность.
Специальные керамические изделия. Санитарно-техническая
керамика – раковины сливные бачки, унитазы и другие аналогичные изделия
производятся из фарфора, полуфарфора, фаянса. Поверхность изделий
покрывается блестящей глазурью.
Трубы керамические канализационные применяются для устройства
безнапорных сетей канализации, транспортирующих промышленные, бытовые,
дождевые, агрессивные и неагрессивные воды. Длина труб – 1000-1500 мм,
внутренний диаметр – 150-600 мм. Трубы керамические дренажные
применяются в мелиоративном строительстве для устройства закрытого
дренажа с защитой стыков фильтрующими материалами. Внешняя поверхность
покрывается глазурью. Вода в трубы поступает через круглые или щелевидные
отверстия в стыках, а также через сами стыки труб.
Кирпич для дымовых труб применяется для кладки дымовых труб и
обмуровки промышленных труб при температуре эксплуатации не выше 700 0С.
Клинкерный (дорожный) кирпич отличается высокой прочностью и
морозостойкостью и применяется для покрытия дорог и мостовых, обмуровки
канализационных коллекторов и облицовки набережных. Марки по прочности
на сжатие такого кирпича – 1000, 700 и 400, морозостойкость соответственно –
100-50 циклов, водопоглощение не более 2-6%. Кислотоупорный кирпич и
плитки применяются для защиты аппаратов и строительных конструкций,
работающих в условиях кислых агрессивных сред.
Огнеупорные материалы получают по керамической технологии из
различных сырьевых компонентов. Они делятся на огнеупорные (температура
размягчения 1580-17700С), высокоогнеупорные (1770-20000С) и высшей
огнеупорности (более 20000С). В зависимости от химико-минерального состава
огнеупоры могут быть кремнеземистые (основной компонент
SiO2),
корундовые (на основе Al2O3), алюмосиликатные (состоят из SiO2 и Al2O3 в
разных соотношениях), магнезиальные на основе MgO (периклазовые),
40
хромитовые, графитовые (углеродистые). Наибольшее применение в
строительстве имеют кремнеземистые и алюмосиликатные огнеупоры. Для
обеспечения высокотемпературной тепловой изоляции выпускают легковесные
огнеупоры со средней плотностью от 400 до 1300 кг/м3 и пористостью
соответственно 85-45%.
Вопросы для самоконтроля к главе 5
1. Какие материалы и изделия называют керамическими?
2. На основе каких признаков принято классифицировать керамические
изделия?
3. Каковы состав и свойства глин, как основного сырья для производства
керамики?
4. Какие добавки и с какой целью вводят в состав керамической массы?
5. Чем обусловлена пластичность глин? Как ее регулируют?
6. Назовите основные этапы производства керамических изделий.
7. Какие способы формования изделий Вы знаете?
8. При какой температуре и почему проводят сушку и обжиг
керамических изделий?
9. Какие процессы происходят при обжиге глин? Что такое «недожог» и
«пережог»?
10. Назовите свойства и виды стеновых керамических изделий.
11. Перечислите и кратко охарактеризуйте основные виды керамических
изделий.
Глава 6. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
6.1. Общие сведения. Классификация
Вяжущие вещества обладают ценным свойством - соединяют широко
распространенные песок, гравий, щебень в единое целое, в искусственный
камень. Вяжущие вещества по составу делят на две большие группы:
- неорганические, которые затворяют водой, реже водными растворами
солей. К ним относятся известь, цементы, гипсовые вяжущие, жидкое стекло и
др.;
- органические, переводимые в рабочее состояние нагреванием,
расплавлением или растворением в органических жидкостях (битумы, дегти,
животный клей, полимеры).
Неорганические вяжущие вещества - порошкообразные материалы,
которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное
в результате физико-химических процессов с течением времени затвердевать,
т.е. переходить в камневидное состояние. Это свойство широко используют для
41
изготовления необожженных искусственных материалов: бетонов, силикатного
кирпича, асбестоцементных изделий, строительных растворов и др.
Неорганические вяжущие вещества в смеси с водой (в виде теста)
применяют крайне редко, как правило - в виде строительных растворов (с
мелкими заполнителями) и в виде бетонов (с мелким и крупным заполнителем).
Введение заполнителя приводит к экономии вяжущего и к улучшению свойств
искусственного камня.
Неорганические вяжущие вещества делятся на следующие группы:
*
Воздушные вяжущие вещества способны схватываться, твердеть и
длительно сохранять прочность только в воздушной среде. Такие материалы
применяют лишь в надземных сооружениях, не подвергающихся действию
воды. К ним относятся известковые вяжущие, состоящие главным образом из
СаО; гипсовые, основой которых является
сернокислый кальций;
магнезиальные, содержащие каустический магнезит MgO; жидкое стекло силикат натрия или калия в виде водного раствора.
*
Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время
сохранять прочность (или даже повышать ее) не только на воздухе, но и в воде.
По химическому составу они в основном состоят из четырех оксидов: СаОSiO2-Al2O3-Fe2O3. К ним относятся портландцемент и его разновидности,
глиноземистый цемент и его разновидности, гидравлическая
известь,
романцемент.
*
Вяжущие вещества автоклавного твердения эффективно твердеют
только в среде нагретого насыщенного пара в автоклавах (t = 175-200 0С,
давление пара 0,9-1,3 МПа), например, известково-кремнеземистые,
известково-зольные, известково-шлаковые, нефелиновый цемент и др.
Самостоятельную группу составляют кислотоупорные вяжущие
вещества: кислотоупорный цемент, кварцевый кремнефтористый цемент и др.
Они после затвердевания на воздухе могут длительное время сохранять
прочность при действии на них кислот.
6.2. Воздушные вяжущие вещества
6.2.1. Гипсовые вяжущие вещества
Сырьем для получения служит природный гипсовый камень СаSO4.2H2O
и природный ангидрит СаSO4 , а также отходы химической промышленности,
содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например,
фосфогипс (отход при производстве фосфорной кислоты).
Технологический процесс производства гипсовых вяжущих состоит в
измельчении гипсового камня и последующей тепловой обработке
(дегидратации). В зависимости от температуры обжига гипсовые вяжущие
подразделяют на низкообжиговые (110-180 0С) и высокообжиговые (600-900
0
С).
42
Используемые технологические схемы отличаются друг от друга числом
и последовательностью основных операций. Широко распространена схема
производства низкообжиговых гипсовых вяжущих (строительный гипс) в
варочных котлах или печах. Применяются также установки совмещенного
помола и обжига. Тепловая обработка в этих условиях производится при
атмосферном давлении, вода из исходной горной породы выделяется и
удаляется в виде пара:
CaSO4.2H2O =   CaSO4  0,5H2 O + 1,5Н2О  -Q
Это эндотермическая реакция, идущая с поглощением тепла. Продукт реакции
-  -модификация
СаSO4.0,5Н2О имеет мелкие кристаллы с нечетко
выраженными гранями.
Для получения высокопрочного гипса, состоящего в основном из  СаSO4.0,5Н2О (имеет крупные и плотные кристаллы в виде игл или призм),
создают такие условия, при которых кристаллизационная вода удаляется в
капельно-жидком состоянии. Известны два способа получения высокопрочного
гипса: автоклавный и способ кипячения в водных растворах некоторых солей
при атмосферном давлении. Получаемый  -полугидрат характеризуется
меньшей водопотребностью (30-45%) по сравнению с  -полугидратом,
пониженной пористостью и повышенной прочностью на сжатие - до 50 МПа.
Высокообжиговые гипсовые вяжущие получают обжигом дробленого
гипсового камня или ангидрита во вращающихся печах с последующим
размолом продукта обжига.
Ангидритовое вяжущее - продукт обжига СаSО4.2Н2О при температуре
600-900 0С с
последующим измельчением с добавками-катализаторами
(известь, обожженный доломит, основные доменные шлаки). Ангидритовое
вяжущее получают также помолом природного ангидрита СаSО4 с добавкамиактивизаторами твердения (способ П.Г.Будникова).
Высокообжиговый гипс состоит из ангидрита СаSО4 и 3-5% СаО,
образующегося при разложении СаSО4 и выполняющего роль катализатора при
твердении СаSО4. Высокообжиговый гипс получают обжигом гипсового камня
при температуре 800-10000С и последующим помолом, в отличие от
строительного гипса он медленно схватывается и твердеет, но его
водостойкость и прочность выше.
Твердение строительного гипса происходит в результате растворения  полугидрата, образования его пересышенного раствора, в котором возникают
зародыши кристаллов двугидрата:
  CaSO4  0,5H2 O + 1,5Н2О= CaSO4.2H2O + Q (экзотермическая реакция).
По теории твердения А.А.Байкова выделяют три периода твердения:
- подготовительный период - образование раствора, насыщенного по
отношению к продуктам гидратации; пластичное состояние теста;
43
- период коллоидации - образование коллоидно-дисперсной массы в виде
геля; загустевание теста (схватывание);
- период кристаллизации – кристаллизация новообразований, рост
кристаллов, их срастание, образование кристаллизационной структуры;
твердение системы и рост ее прочности.
Дальнейшее увеличение прочности происходит за счет высыхания
гипсового камня - удаления пленочной воды.
Основные свойства гипсовых вяжущих определяются по стандартным
методикам.
Тонкость помола определяется в зависимости от остатка на сите 0,2 мм
при просеивании пробы гипса; различают вяжущие грубого, среднего и тонкого
помола.
Водопотребность определяется количеством воды в % от массы
вяжущего, необходимым для получения гипсового теста стандартной
консистенции. Консистенция оценивается по диаметру расплыва лепешки из
гипсового теста на вискозиметре Суттарда.
Чтобы получить удобоукладываемое гипсовое тесто, необходимо взять
50-70% воды от массы гипса, а на химическую реакцию гидратации требуется
лишь 18,6% Н2О. Избыток воды затем испаряется, что обуславливает большую
пористость (40-60% и более), и соответственно, невысокую прочность.
По срокам схватывания
приведенные в таблице 6.1.
различают
группы
гипсовых
вяжущих,
Марку гипса (от Г-2 до Г-25, где цифра обозначает предел прочности при
сжатии, МПа) определяют по результатам испытаний образцов-балочек
размерами 40х40х160 мм через 2 ч после изготовления. Балочки испытывают на
изгиб, а образовавшиеся при этом половинки – на сжатие.
Особенностью процесса твердения гипса является небольшое увеличение
до 1% в объеме, что благоприятно для изготовлении архитектурных деталей
(рельефов) способом литья.
Таблица 6.1
Группы гипсовых вяжущих веществ по срокам схватывания
Вид вяжущего
Индекс сроков
схватывания
Сроки схватывания, мин.
Начало, не ранее
Конец, не позднее
Быстротвердеющее
А
2
15
Нормальнотвердеющее
Б
6
30
Медленнотвердеющее
В
20
не нормируется
44
Водостойкость. Прочность гипсовых вяжущих в воде снижается из-за
растворения СаSО4.2Н2О и разрушения кристаллического сростка.
Водостойкость повышают гидрофобные добавки, молотый доменный
гранулированный шлак, пропитка водоотталкивающими составами и т.д.
К недостаткам гипсовых вяжущих помимо низкой водостойкости можно
отнести и значительную деформацию под нагрузкой (ползучесть).
Применение. Гипсовые вяжущие применяют для изготовления гипсовых
деталей, гипсобетонных изделий - гипсовых плит для перегородок,
гипсобетонных панелей, сухой штукатурки, тонкостенных изделий
(вентиляционные короба и др.), а также для приготовления штукатурных
растворов и гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ), применяемых в
заводском производстве санитарно-технических кабин, стеновых панелей и
проч.
6.2.2. Воздушная известь
Воздушная известь - вяжущее вещество, получаемое в результате
обжига ниже температуры спекания кальциево-магниевых карбонатных горных
пород (известняка, мела, доломитизированного известняка и др.), состоящее
преимущественно из оксида кальция. Известь, как и гипс, - очень древнее
вяжущее вещество, которое было известно за несколько тысяч лет да нашей
эры.
Сырьем для воздушной извести являются указанные выше горные
породы при содержании примеси глины в них не более 6%.
Производство известковых вяжущих включает следующие основные
технологические операции:
- добыча сырья;
- подготовка сырья и топлива к обжигу (дробление, сортировка по
крупности и проч.);
- обжиг при температуре 900-1200 0С;
- превращение продукта обжига в порошок путем гашения или помола;
- упаковка готового продукта.
Обжиг известняка производят в шахтных или вращающихся печах.
Применяют также установки для обжига известняка “в кипящем слое”.
Обжигают известняк до возможно более полного удаления СО2 по реакциям:
СаСО3 = СаО + СО2 -Q
MgCO3 = MgO + СО2 -Q
Процесс декарбонизации эндотермический, то есть сопровождается
поглощением тепла. Выделяющийся при данной реакции углекислый газ СО2 ,
составляет 44% от массы СаСО3, поэтому образующаяся комовая негашеная
45
известь получается в виде пористых кусков, активно взаимодействующих с
водой.
Гашение воздушной извести протекает с выделением такого большого
количества тепла, что смесь закипает, поэтому комовую негашеную известь
называют известью-кипелкой:
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + Q
Продукт гашения – гашеная известь из-за испарения воды
самопроизвольно рассыпается в тонкодисперсный порошок, который называют
известью-пушонкой (от слова «пух»).. Воздушная известь – единственное
вяжущее, которое можно перевести в тонкодисперсное состояние не только
помолом, но и гашением.
Таким образом, из комовой негашеной извести можно получить:
- при измельчении механическим путем (размолом в мельницах) молотую негашеную известь;
- при измельчении химическим путем (гашении водой) - гашеную
известь. В зависимости от количества воды затворения можно получить:
гидратную известь-пушонку (60-80% Н2О;  m = 400-450 кг/м3; частицы
размером 5-20 мкм и менее); известковое тесто (2-3 части Н2О на 1 часть
извести-кипелки;  m  1400 кг/м3); известковое молоко (Н2О более 3 частей;  m
< 1300 кг/м3).
Твердение гашеной извести происходит медленно, на воздухе, ускоряется
сушкой и обусловлено несколькими одновременно протекающими процессами:
- высыханием раствора, сближением кристаллов Са(ОН)2
срастанием;
и их
- карбонизацией за счет поглощения углекислоты из воздуха:
Са(ОН)2 + СО2 + nН2О = СаСО3 + (n+1) Н2О;
- ростом кристаллов, увеличением площади контактов их срастания и
повышением прочности камня.
Основные свойства воздушной извести:
- высокая пластичность известкового теста в т.ч. в смеси с песком,
причем чем выше содержание основных оксидов (СаО + MgО) в извести, тем
пластичнее известковое тесто и тем выше ее сорт;
- активность - процентное содержание активных, т.е. способных к
гашению СаО и MgO;
- количество непогасившихся зерен: недожога – неразложившегося при
обжиге СаСО3, пережога - остеклованного трудногасящегося СаО.
- время гашения; различают: быстрогасящуюся известь - до 8 мин,
среднегасящуюся - до 25 мин, медленногасящуюся - более 25 мин.
46
- прочность известковых растворов невелика: предел прочности при
сжатии составляет 0.4 - 1,0 МПа - на гашеной извести, до 5,0 МПа - на молотой
негашеной извести. Поэтому известь не делится на марки по прочности, а
делится на сорта по показателям химического состава.
Воздушную известь применяют в растворах для каменной кладки без
добавок и с добавками цемента, для штукатурных работ, как составную часть
смешанных вяжущих (известково-шлаковые, известково-пуццолановые и
проч.), для бетонов низких марок при работе конструкций в воздушно-сухих
условиях, для изготовления силикатного кирпича и силикатных бетонов.
6.3. Гидравлические вяжущие вещества
Гидравлические свойства вяжущих обусловлены наличием в их составе
силикатов, алюминатов, ферритов кальция и зависят от гидравлического
модуля m и температуры обжига сырья:
m=
% CàO
%( SiO2  Al2 O3  Fe2 O3 )
,
m более 9 для воздушной извести,
m = 1,7-9 для гидравлической извести,
m = 1,1-1,7 - для романцемента,
m = 1,9-2,4 - для портландцемента.
Усиление гидравлических свойств в ряду «воздушная известь 
гидравлическая известь  романцемент» связано с уменьшением
гидравлического модуля с 9 до 2 при одинаковой температуре обжига 1000 0С.
Увеличение температуры обжига сырья с 1000 0С до 1450 0С, при которой
наблюдается частичное плавление, приводит к получению качественно нового
вяжущего - портландцемента.
6.3.1. Портландцемент
Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в
составе которого преобладают высокоосновные силикаты Са (70-80%). Его
получают совместным помолом клинкера с добавкой природного гипса (3-5%).
Клинкер представляет собой зернистый камнеподобный материал, получаемый
обжигом до спекания (при 1450 0С) тщательно подобранной сырьевой смеси.
Добавка гипса вводится для регулирования сроков схватывания
портландцемента.
Открытие портландцемента (1824-1825 гг.) связывают с именами
Е.Г.Челиева и Д.Аспдина (Великобритания).
Сырьем для производства портландцемента служат:
47
- известняки с высоким содержанием СаСО3 (мел, плотный известняк и
др.);
- глинистые породы состава Al2O3.nSiO2.mH2O (глины, глинистые
сланцы);
- корректирующие добавки (пиритные огарки, трепел, опока, бокситы и
др.).
Соотношение между карбонатными и глинистыми составляющими
сырьевой смеси 3:1 (75% известняка и 25% глины).
Возможна замена глинистого и частично карбонатного компонента
побочными
продуктами
промышленности
доменными
или
электротермофосфорными гранулированными шлаками, а также нефелиновым
шламом, получающимся при производстве глинозема.
Производство портландцемента - сложный технологический и
энергоемкий процесс, состоящий из ряда операций, которые можно разделить
на две основные стадии. Первая - производство клинкера, вторая - измельчение
клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с активными минеральными
добавками.
Производство клинкера складывается из следующих технологических
операций:
- добыча и доставка сырьевых материалов, их подготовка;
- приготовление сырьевой смеси заданного состава путем помола и
смешивания сырьевых компонентов в определенном количественном
соотношении;
- обжиг сырьевой смеси до спекания;
- интенсивное охлаждение клинкера;
- складирование клинкера.
Производство портландцемента включает:
- подготовку минеральных добавок (дробление, сушку);
- дробление гипсового камня;
- помол клинкера с активными минеральными добавками и гипсом;
- складирование, упаковку и отправку цемента потребителю.
Производство клинкера может осуществляться сухим, мокрым и
комбинированным способом.
Сухой способ заключается в приготовлении сырьевой муки в виде
тонкоизмельченного сухого порошка (из сухих или предварительно
высушенных материалов) с остаточной влажностью 1-2%.
48
При мокром способе сырьевые материалы измельчаются и смешиваются
в присутствии воды, поэтому смесь получается в виде водной суспензии шлама с влажностью 35-45%. Это наиболее энергоемкий способ.
Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный
шлам до поступления в печь обезвоживается на фильтрах до влажности 16-18%.
Однако энергоемкость производства в целом остается высокой.
Обжиг сырьевой смеси осуществляется в основном во вращающихся
печах, работающих по принципу противотока. Печь имеет небольшой наклон и
вращается со скоростью 1-2 об/мин. При мокром способе производства длина
печи достигает 185 м. Сырье подается в печь со стороны ее верхнего
(холодного) конца и при вращении печи медленно двигается к нижнему
(горячему) концу, со стороны которого вдувается топливо (природный газ,
мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20-30-метрового факела.
Двигаясь навстречу горячим газам, образующимся при сгорании топлива, сырье
проходит различные температурные зоны. В каждой зоне проходят различные
физико-химические превращения, в результате которых и получается
цементный клинкер. Полученный в печи раскаленный клинкер поступает в
холодильник, где резко охлаждается холодным воздухом. Клинкер
выдерживают на складе 1-2 недели.
Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по
массе):
СаО - 63-66 %, SiO2 - 21-24 %, Al2O3 - 4-8 %, Fe2O3 - 2-4 %.
В процессе обжига, доводимого до спекания смеси, главные оксиды
образуют силикаты, алюминаты и алюмоферрит кальция в виде минералов
кристаллической структуры, а некоторая их часть входит в стекловидную фазу.
Минеральный состав клинкера:
- алит 3СаО. SiO2 (С3S) - 45-60% - самый важный минерал, определяет
быстроту твердения, прочность и другие свойства;
- белит 2СаО. SiO2 (С2S) - 20-30% - медленно твердеет, но достигает
высокой прочности при длительных сроках твердения;
- трехкальциевый алюминат 3СаО. Al2O3 (С3А) - 4-12% - быстро
гидратируется и твердеет, но конечная прочность его небольшая; является
причиной сульфатной коррозии цементного камня;
- четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО. Al2O3 .Fe2O3 (С4АF) - 10-20%
по скорости твердения занимает промежуточное положение между С3S и С2S.
- клинкерное стекло 5-15% - затвердевшая в виде стекла часть расплава,
содержит СаО, Al2O3 , Fe2O3 , MgO, К2О, Na2O.
- свободные оксиды кальция и магния могут присутствовать в виде зерен
(СаО своб) и в виде минерала периклаза (MgО своб); их содержание не должно
превосходить 1% и 5% соответственно; в случае их повышенного содержания
49
может проявляться неравномерное изменение объема цемента при твердении и
появление трещин;
- щелочные оксиды Na2O и К2О – их содержание не должно превышать
0,6%, так как при большем содержании они могут явиться причиной коррозии
цементного бетона.
Твердение портландцемента происходит благодаря сложным физикохимическим процессам взаимодействия клинкерных минералов и гипса с водой.
2(3СаО. SiO2) + 6H2O = 3СаО. 2SiO2. 3H2O + 3Са(ОН)2
гидросиликат Са
гидроксид Са
2(2СаО. SiO2) + 4H2O = 3СаО. 2SiO2. 3H2O + Са(ОН)2
3СаО. Al2O3+ 6H2O = 3СаО. Al2O3. 6H2O
гидроалюминат Са
В присутствии 3-5% гипса образуется практически нерастворимое
соединение - гидросульфоалюминат кальция (эттрингит), который
предотвращает быструю гидратацию С3А за счет образования защитного слоя
на его поверхности и замедляет схватывание.
Кроме того, роль добавки гипса состоит в улучшение свойств цементного
камня (прочности, морозостойкости) за счет уплотнения структуры, связанного
с увеличением объема эттрингита в еще не затвердевшей системе.
3СаО. Al2O3 + 3(СаSO4.2H2O) + 26 H2O = 3СаО. Al2O3 . 3СаSO4.32H2O
гидросульфоалюминат
кальция
(эттрингит)
4СаО. Al2O3 . Fe2O3 + mH2O = 3СаО. Al2O3 . 6H2O + СаО. Fe2O3 . nH2O
гидроалюминат Са
гидроферрит Са
Структура цементного камня может быть представлена как
микроскопическая неоднородная дисперсная система - “микробетон” (по В.Н.
Юнгу).
Цементный камень включает:
- продукты гидратации цемента
*
гель гидросиликатов (до 75% объема) и другие новообразования;
*
кристаллы Са(ОН)2 и эттрингита;
- непрореагировавшие зерна клинкера - клинкерный фонд;
- поры:
*
поры геля (менее 0,1 мкм),
*
капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм) между агрегатами частиц геля,
*
воздушные поры (от 50 мкм до 2 мм).
50
Свойства портландцемента
Тонкость помола цемента определяет быстроту твердения и прочность
цементного камня. Она должна быть такой, чтобы через сито № 008 проходило
не менее 85% массы пробы (Sуд = 2500-3000 см2/г.).
Истинная плотность  = 3,05-3,15 г/см3.
Насыпная плотность в среднем составляет 1300 кг/м3.
Водопотребность портландцемента характеризуется количеством воды
(% от массы цемента), необходимым для получения цементного теста
нормальной густоты и составляет 22-28%.
Сроки схватывания цементов определяют с помощью прибора Вика
(табл. 6.2). Для информации в таблице приведены сроки схватывания и
основного алюминатного цемента – глиноземистого.
Таблица 6.2
Сроки схватывания цементов
Цемент
Сроки схватывания
начало, мин., не ранее
конец, ч., не позднее
Портландцемент
45
10
Глиноземистый цемент
30
12
Равномерность изменения объема. К неравномерному изменению объема
приводят местные деформации, вызываемые расширением СаО своб и MgО своб
при их гидратации.
Марка портландцемента определяется испытанием стандартных образцов
размером 4х4х16 см, изготовленных из цементно-песчаного раствора 1:3 (по
массе) через 28 суток твердения (первые сутки - в формах во влажном воздухе,
затем без форм в воде). Марки портландцемента представлены в табл.6.3.
Тепловыделение зависит от минерального состава клинкера и тонкости
помола. Данные тепловыделения клинкерных минералов приведены в табл.6.4.
Таблица 6.3
Требования к прочности образцов
Марка
портландцемента
400
500
550
600
Предел прочности,
МПа (кгс/см2), не менее
при сжатии
при изгибе
39,2 (400)
5,4 (55)
49,0(500)
5,9(60)
53,9 (550)
6,1(62)
58,8(600)
6,4(65)
51
Таблица 6.4
Тепловыделение клинкерных минералов
Минерал
С3 S
С2 S
С3А.
С4АF
3 сут
406
63
591
176
Выделение теплоты, Дж/г,
минералами при сроке твердения
28 сут
3 мес
486
519
168
197
876
930
377
415
В целях гармонизации российских стандартов с европейскими нормами
ГОСТ 31108-2003 и ГОСТ 30515-97 предусматривают разделение цементов по
классам прочности. Эти стандарты действуют параллельно со старыми
стандартами ГОСТ 10178 и ГОСТ 310, ориентированными на деление цементов
на марки по прочности. Соотношение марок и классов портландцементов
приведено в табл. 6.5. Цементы всех классов делятся по скорости твердения на
подклассы: нормально твердеющие (индекс Н) и быстротвердеющие (индекс Б).
Таблица 6.5.
Соотношение марок и классов портландцемента
Марка портландцемента
(ГОСТ 10178-85, ГОСТ22236-85)
300
400
400Б
500
500Б
550
600
Класс прочности
(ГОСТ 31108- 2003)
22,5Н
32,5Н
32,5Б
42,5Н
42,5Б
52,5Н
52,5Б
Класс и марка выражаются в разных единицах измерения – в МПа и
кгс/см2 соответственно. Различия в численных значениях класса и марки при
выражении их в одинаковых единицах измерения обусловлены только
разными условиями испытания цемента.
Применение. Портландцемент - основной материал современной
строительной индустрии, применяется для строительных растворов, бетонных и
железобетонных изделий и конструкций, для специальных видов цемента, а
также при изготовлении ряда других строительных материалов.
6.3.2. Специальные виды портландцемента получают:
- регулированием химико-минерального состава и структуры цементного
клинкера;
52
- изменением
(введением добавок);
вещественного
(компонентного)
состава
цемента
- регулированием тонкости помола и зернового состава цемента.
Ряд специальных видов портландцемента представлен в табл.6.6.
6.3.3. Глиноземистый цемент
Портландцемент является самым главным силикатным цементом, а
глиноземистый цемент – самый главный алюминатный цемент. Свое
название он получил от технического названия оксида алюминия Al 2O3 «глинозем». Это быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее
преимущественно из моноалюмината кальция CaO.Al2O3.
Производство глиноземистого цемента началось во Франции в 1912 году
под названием «цемент Фондю», и в Европе он до сих пор носит это название.
Сырьем для получения клинкера глиноземистого цемента служат чистые
известняки и бокситы – горная порода, состоящая в основном из Al2O3 . nH2O.
Производство
глиноземистого
цемента
более
энергоемко,
чем
портландцемента, а учитывая еще и дефицитность сырья (бокситы), стоимость
его гораздо выше, чем портландцемента.
В России разработан способ производства глиноземистого цемента путем
плавки в доменной печи бокситовой железной руды с добавкой известняка и
железного лома. При этом доменная печь выдает чугун и шлак,
представляющий собой клинкер глиноземистого цемента.
Однокальциевый алюминат CaO.Al2O3 определяет быстрое твердение и
другие основные свойства глиноземистого цемента. В сравнительно небольших
количествах в клинкере также содержатся другие алюминаты кальция,
алюмосиликат кальция геленит и белит.
Свойства: очень быстрое твердение; марки его в возрасте 3 суток – 400,
500, 600. Портландцемент приобретает такую прочность только через 28 суток
нормального твердения. Однако глиноземистый цемент имеет высокую
прочность только в том случае, если он твердеет при умеренных температурах
не более 250С. Поэтому его нельзя применять при бетонировании массивных
конструкций из-за разогрева бетона, а также подвергать тепловлажностной
обработке.
При столь быстром твердении глиноземистый цемент имеет нормальные
сроки схватывания (начало схватывания не ранее 30 мин., конец – не позднее
12 часов от момента затворения). По сравнению с портландцементом он более
стоек к коррозии выщелачивания (ввиду отсутствия в продуктах гидратации
Ca(OH)2) и к сульфатной коррозии. Однако затвердевший глиноземистый
цемент разрушается в растворах кислот и щелочей. Усадка глиноземистого
цемента при твердении на воздухе ниже, чем у портландцемента, в 3-5 раз,
пористость также ниже.
С учетом специфических свойств и высокой стоимости глиноземистого
цемента его целесообразно использовать при аварийных и срочных работах,
53
при зимнем бетонировании, для получения расширяющихся цементов, а также
для получения жаростойких бетонов и растворов.
6.3.4. Расширяющиеся цементы
Расширяющиеся цементы относятся к числу смешанных, иногда
многокомпонентных цементов. Известно много видов расширяющихся,
водонепроницаемых и напрягающих цементов. Основа расширения чаще всего
– образование гидросульфоалюмината кальция 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O,
соединения связывающего химически большое количество воды и за счет этого
увеличивающего объем всей твердеющей массы. Расширяющиеся цементы
состоят из глиноземистого цемента или портландцемента и компонентов,
обеспечивающих образование гидросульфоалюмината кальция в количестве,
достаточном для получения требуемого эффекта расширения.
Разновидности: водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) –
быстросхватывающееся
и
быстротвердеющее
вяжущее,
получаемое
тщательным смешиванием глиноземистого цемента (70%), гипса (20%) и
молотого специально изготовленного высокоосновного гидроалюмината
кальция.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают совместным
измельчением высокоглиноземистого клинкера (70%) и природного гипса
(30%). Этот цемент обладает свойством расширения при твердении воде; при
твердении на воздухе он является безусадочным.
Расширяющийся портландцемент (РПЦ) получают совместным помолом
портландцементного клинкера (60-65%), высокоглиноземистого доменного
шлака или глиноземистого клинкера, гипса и активной минеральной добавки.
Напрягающий цемент состоит из портландцемента (65-75%),
глиноземистого цемента (13-20%) и гипса. При затворении водой он сначала
твердеет и набирает прочность, затем расширяется как твердое тело и напрягает
железобетон. Самонапряженный железобетон применяется в напорных
трубах, в монолитных и сборных резервуарах для воды, в спортивных и
подземных сооружениях.
Перспективная область применения бетонов и растворов на
расширяющихся и безусадочных цементах – бесшовные тонкослойные стяжки
или лицевые покрытия полов большой площади, получаемых из сухих смесей.
Вопросы для самоконтроля к главе 6
1. Что собой представляют неорганические вяжущие вещества? Какие
они бывают?
2. Что значит – «вяжущие автоклавного твердения»?
3. Какие существуют разновидности гипсовых вяжущих веществ?
4. Как получают строительный гипс? Как он твердеет и какими
свойствами обладает?
5. Как получают воздушную известь?
54
6. В чем заключается процесс гашения извести?
7. Каким образом происходит твердение воздушной извести? Почему
воздушная известь не делится на марки по прочности?
8. Чем обусловлены гидравлические свойства вяжущих веществ?
9. Что собой представляет портландцемент? Какое сырье используется
для его производства?
10. Что такое клинкер? Какими способами осуществляется его
производство?
11. Назовите и охарактеризуйте основные минералы портландцементного
клинкера.
12. Каковы основные свойства портландцемента? Как определяется марка
портландцемента?
13. Какие существуют специальные виды портландцемента?
14. Сравните по составу и свойствам глиноземистый цемент с
портландцементом.
55
Таблица 6.6
Специальные виды портландцемента
Вид цемента
1
Быстротвердеющий
портландцемент (БТЦ)
Особенности состава
2
С3S +С3А  60-65 %,
Sуд.= 3500-4000 см2/г,
Характерные свойства
3
Марки 400 и 500;
Rсж в возрасте 3 сут.  25-28 МПа;
повышенное тепловыделение;
теряет активность при длительном
хранении
Марка 600
Rcж в возрасте 1 сут.= 20-25 МПа
Rcж в возрасте 3 сут.= 40 МПа
Особобыстротвердеющий
высокопрочный
портландцемент (ОБТЦ)
С3S - 65-68%,
С3А  8%,
Sуд  4000-5000 см2/г,
Сульфатостойкий
портландцемент
С3S  50%,
С3А  5%,
(С3А+ С4АF)  22%
Стойкость к сульфатной коррозии;
низкое тепловыделение; марки 400,
500;
повышенная морозостойкость
Пластифицированный
портландцемент
Вводимая при помоле
клинкера добавка ПАВ
(поверхностно активных
веществ, например ЛСТ)
0,15 - 0,25% от массы цемента
Пластифицирует растворные и
бетонные смеси:
1) уменьшается водоцементное
отношение В/Ц, повышается плотность,
морозостойкость,
водонепроницаемость;
2) снижается расход цемента.
56
Примечание
4
Для сборного железобетона;
при зимнем бетонировании;
в монолитных немассивных
железобетонных конструкциях
Для сборного железобетона;
при зимнем бетонировании;
в высокопрочных бетонах М500М600;
для изделий специального
назначения
Для бетонов, подверженных
сульфатной агрессии;
для бетонной повышенной
морозостойкости.
При изготовлении монолитного
бетона;
для гидротехнических
сооружений;
дорожных и аэродромных
покрытий
Вид цемента
Гидрофобный
портландцемент
Особенности состава
Вводимая при помоле
клинкера гидрофобная добавка
ПАВ (мылонафт, асидол)
0,1 - 0,2 % от массы цемента
Белый портландцемент
Сырье: чистый известняк ,
белые глины;
Топливо; беззольное (газовое);
практическое отсутствие C4AF
Вводимые при помоле
клинкера активные
минеральные добавки
(вулканические туфы, пеплы,
пемзы, диатомит, опока, золы
ТЭС и др.)- 20-40%
Пуццолановый
портландцемент
Шлакопортландцемент
(ШПЦ)
Характерные свойства
Пониженная гигроскопичность при
хранении;
пластифицирует бетонные и
растворные смеси;
повышает морозостойкость и
водонепроницаемость бетона
Марки 400 и 500;
Белый цвет (три сорта в зависимости от
степени белизны)
Примечание
При длительном хранении и
дальних перевозках;
для наружной штукатурки зданий;
в дорожном и аэродромном
строительстве
Стоек против коррозии I вида и в
сульфатных водах;
пониженное тепловыделение;
высокая водостойкость;
твердеет медленно; пониженные
морозостойкость и воздухостойкость
Для подземных и подводных
частей сооружений;
внутренних частей массивных
сооружений (плотин, шлюзов и
т.д.), строительства туннелей
Вводимые при помоле
Стоек в мягких и сульфатных водах;
клинкера добавки доменного
низкое тепловыделение, умеренная
(или электротермофосфорного) водопотребность, более высокая
гранулированного шлака 21воздухостойкость и морозостойкость
80%
чем у пуццоланового цемента
57
Для цветных декоративных
портландцементов;
для архитектурно-отделочных и
декоративных работ
В гидротехническом
строительстве, для жаростойких
бетонов, для сборных бетонных и
железобетонных конструкций с
тепловлажностной обработкой
РАЗДЕЛ 4. МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ
ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ
Помимо описанных в данном разделе цементных бетонов, на основе
неорганических вяжущих веществ изготавливают строительные растворы
различного состава и назначения, сухие строительные смеси, железобетон
и изделия из него, искусственные каменные материалы (силикатные,
гипсовые, асбестоцементные и др.).
Глава 7. БЕТОНЫ
7.1. Общие сведения, классификация
Бетоны - это искусственные каменные материалы, получаемые в
результате твердения рационально подобранной смеси вяжущего
вещества, заполнителей, воды и специальных добавок. До затвердевания
этот состав называется бетонной смесью.
Преимуществами бетона, обусловившими его повсеместное
применение, являются достаточная сырьевая база, простота изготовления,
широкий диапазон свойств, декоративно-отделочные свойства и др.
Сравнительно низкая прочность при растягивающих напряжениях,
являющаяся недостатком, устраняется армированием его стальной
арматурой. Бетон в соединении с металлом - железобетон, обладает
высокой прочностью при сжатии, растяжении и изгибе.
Бетоны классифицируют по ряду признаков:
- По назначению: конструкционные и специального назначения
(жаростойкие, химически стойкие, декоративные, теплоизоляционные и
др.).
-. По виду вяжущего: цементные (наиболее распространенные),
силикатные (известково-кремнеземистые), гипсовые, шлакощелочные,
полимербетоны, полимерцементные, асфальтовые бетоны и др.
- По виду заполнителя: на плотных, пористых, специальных
заполнителях.
- По структуре: плотной структуры (пористость растворной части
менее 6%); поризованной (пористость
более 6%); ячеистой;
крупнопористой (беспесчаный бетон).
- По средней плотности:
- особо тяжелые (  m > 2500 кг/м3);
- тяжелые (  m = 2200-2500 кг/м3);
- облегченные (  m = 1800-2200 кг/м3);
58
- легкие (  m = 500-1800 кг/м3);
- особо легкие (  m менее 500 кг/м3).
- По условиям твердения: естественного твердения, с тепловой
обработкой при атмосферном давлении (ТВО), автоклавного твердения.
7.2. Материалы для бетона
Цемент - главный исходный материал для изготовления бетона.
Наиболее широко применяют портландцемент и его разновидности. Выбор
цемента должен производиться исходя из комплекса требований,
предъявляемых к бетону по прочности, химической стойкости,
тепловыделению, морозостойкости, водонепроницаемости и др., а также с
учетом технологии изготовления и особенностей конструкции. Марку
цемента назначают в зависимости от проектной марки бетона по
прочности на сжатие по табл.7.1.
Таблица 7.1
Марки М150 М200 М250 М300 М350 М400 М450 М500 М600
и
бетона
выше
Марка
цемент
а
М300 М300 М400 М400 М400 М500 М550 М600 М600
М400
М500 М500 М600 М600
Заполнители занимают до 85-90% объема, сокращают расход
цемента, образуют жесткий скелет бетона, уменьшая его усадку; несколько
увеличивают прочность и уменьшают деформации конструкций под
нагрузкой.
Различают мелкий заполнитель (песок), имеющий частицы
размером 0,16-5 мм, и крупный заполнитель (гравий или щебень), размер
частиц которого 5-70 мм. При бетонировании массивных конструкций
применяют щебень или гравий с крупностью до 150 мм. Крупность зерен
определяют просеиванием заполнителей через набор стандартных сит.
Пески главным образом состоят из кварца SiO2; возможны примеси
полевых шпатов, слюды, известняка. Реже встречаются пески другого
состава: полевошпатовые, известняковые. По происхождению пески
бывают горные (овражные), речные, морские. Они различаются формой
зерен и характером поверхности. Песок, используемый для приготовления
бетона,
должен отвечать стандартным требованиям по зерновому
(гранулометрическому) составу, наличию примесей и загрязнений.
59
Зерновой состав песка определяют на стандартном наборе
контрольных сит с размерами ячеек: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм.
Зерна менее 0,16 мм (пылеватые и глинистые примеси) попадают в поддон
– их содержание не должно превышать 10%. Чем больше в песке мелких и
мельчайших фракций, тем больше цементного теста требуется на обмазку
зерен песка при приготовлении бетонной смеси, то есть расход цемента
возрастет.
При определении зернового состава навеску сухого песка
просеивают через набор сит и на каждом сите получают определенную
фракцию песка по крупности (частные остатки), а затем вычисляют
полные остатки. Полный остаток на любом сите равен сумме частных
остатков на данном сите и всех частных остатков на ситах большего
размера. Например, полный остаток на сите 0,63 равен А0,63 = а0,63 +
а1,25+а2,5.
Суммируя полные остатки на ситах, вычисляют модуль крупности
песка Мк (сумма полных остатков, деленная на 100). В зависимости от
модуля крупности и полного остатка на сите 0,63, пески
классифицируются следующим образом (табл. 7.2).
Таблица 7.2
Классификация песков по крупности
Группа песков
Повышенной
крупности
Крупный
Средний
Мелкий
Очень мелкий
Полный остаток на сите Модуль крупности
с сеткой 0,63 мм, %
65-75
3,0-3,5
45-65
30-45
10-30
Менее 10
2,5-3,0
2,0-2,5
1,5-2,0
Менее 1,5
Водопотребность
песка, %
5-4
6-5
8-6
10-8
Более 10
Гравий имеет округлые зерна и гладкую поверхность. Щебень
получают дроблением горных пород, в том числе и крупного гравия. Он
имеет угловатые зерна и шероховатую поверхность. Форма зерен и
гладкость поверхности влияют на сцепление цементного камня с
заполнителем, на удобоукладываемость бетонной смеси, а также на расход
цемента.
Зерновой состав крупного заполнителя определяется на
контрольном наборе сит с размерами ячеек: 70, 40, 20, 10 и 5 мм и должен
находиться в пределах, указанных в табл. 7.3. Наибольшая крупность
крупного заполнителя D соответствует размеру отверстия сита, полный
остаток на котором не превышает 10%; наименьшая крупность – размер
отверстия сита, полный остаток на котором больше или равен 95%.
60
Таблица 7.3
Требования к зерновому составу крупного заполнителя
Размер
контрольных
сит
Полный
остаток на
ситах, % по
массе
Наименьшая крупность
d
5(3) мм
10 мм и
более
95-100
90-100
Наибольшая 1,25D
крупность
D
для смеси
фракций
0,5 (d+D)
для одной
фракции
40-80
50-70
0-10
0
По происхождению крупный заполнитель может быть природный,
искусственный, из отходов промышленности (щебень из шлака,
кирпичного боя, старого и бракованного бетона и проч.).
Важнейшими свойствами заполнителей являются плотность,
зерновой и минеральный составы, форма и характер поверхности зерен,
содержание вредных примесей, прочность, морозостойкость. Прочность
крупного заполнителя для тяжелых бетонов должна быть в 1,5-2 раза
больше прочности бетона.
Вода. В технологии бетонных работ воду используют для затворения
бетонных и растворных смесей, для поливки бетона в процессе твердения,
для промывки заполнителей. Применяют водопроводную питьевую воду, а
также природную (вода рек, естественных водоемов) с рН не менее 4,
содержащую не более 5000 мг/л минеральных солей. Вредными считаются
органические вещества, растворимые соли, в особенности содержащие
ионы SO42 (их содержание не должно превышать 2700 мг/л в пересчете на
SO3) и Сl-, а также взвешенные частицы глины, песка, пыли, почвы.
Специальные добавки применяют для регулирования свойств
бетона, бетонной смеси и экономии цемента.
Различают добавки,
регулирующие
свойства
бетонной
смеси
(пластифицирующие,
стабилизирующие, водоудерживающие); регулирующие схватывание
цемента и твердение бетона (ускоряющие твердение, замедляющие
схватывание, противоморозные); добавки, регулирующие плотность и
пористость бетона (воздухововлекающие, газообразующие и др.); добавки,
придающие бетону специальные свойства (гидрофобизирующие,
антикоррозийные и др.).
7.3. Свойства бетонной смеси
Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную
систему, состоящую из
тонкодисперсных частиц цемента,
новообразований, возникающих при взаимодействии цемента с водой,
61
частиц песка, крупного заполнителя, воды, вводимых в ряде случаев
специальных добавок, вовлеченного воздуха.
По своему строению бетонная смесь представляет единое
физическое тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя
связаны
внутренними
силами
взаимодействия.
Основной
структурообразующей составляющей бетонной смеси является цементное
тесто. Свойства бетонной смеси зависят от количества и качества
цементного теста.
Основные свойства бетонной смеси
Тиксотропия - способность разжижаться при механических
воздействиях (приобретать свойства тяжелой жидкости) и вновь
загустевать после прекращения воздействий. Это свойство используется
при виброуплотнении бетонных смесей.
Удобоукладываемость - способность бетонной смеси заполнять
форму при данном способе уплотнения без расслоения, образуя в
результате
плотную,
однородную
массу.
Удобоукладываемость
оценивается:

подвижностью, то есть способностью расплываться под
действием собственного веса.
Определяется осадкой
стандартного конуса в см (чем больше осадка бетонного
конуса, тем подвижнее, пластичнее смесь);

жесткостью, оцениваемой временем вибрирования в
секундах (с), необходимым для выравнивания и уплотнения
бетонной смеси в стандартном приборе для определения
жесткости. Жесткие смеси не дают осадки конуса (ОК=0).
Классификация
приведена в табл.7.4.
бетонных
смесей
по
удобоукладываемости
Связность – способность бетонной смеси сохранять однородную
структуру, т.е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и
уплотнения.
Таблица 7.4
Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости
Марка по
удобоукладываемости
СЖ 3
СЖ 2
СЖ 1
Норма удобоукладываемости по показателю
жесткости (Ж), с
подвижности (ОК), см
Сверхжесткие смеси
более 100
51-100
50 и менее
Жесткие смеси
-
62
Ж4
Ж3
Ж2
Ж1
П1
П2
П3
П4
П5
31-60
21-30
11-20
5-10
Подвижные смеси
4 и менее
-
1-4
5-9
10-15
16-20
21 и более
7.4. Основы технологии бетона
Процесс производства бетона состоит из ряда последовательных
операций.
Подбор состава бетона осуществляется таким образом, чтобы
бетонная смесь и затвердевший бетон имели заданные значения свойств
(по удобоукладываемости, прочности, морозостойкости и проч.), и
стоимость бетона при этом была бы как можно более низкой.
Рассчитывают состав бетона для данных сырьевых материалов, используя
зависимости, связывающие свойства бетона с его составом в виде формул,
таблиц, номограмм.
Полученный состав бетона может быть выражен двумя способами:
- количеством составляющих в кг на 1 м3 бетона, например, цемент –
300, вода – 200, песок – 650, щебень – 1250;
- соотношением компонентов в частях по массе или по объему; при
этом количество цемента принимают за единицу (например, Ц:В:П:К =
1:0,7:2:4 – на 1 часть цемента берется 0,7 частей воды, 2 части песка и 4
части крупного заполнителя).
Подготовка
исходных
материалов
может
включать
дополнительный помол цемента (активизация), подготовка добавок,
оттаивание и подогрев заполнителей в зимнее время и т.п.
Дозирование компонентов осуществляется в основном по массе,
обычно с помощью автоматических дозаторов с точностью до  1% для
цемента, воды и водных растворов добавок и  2 % для заполнителей.
Приготовление бетонной смеси осуществляют в бетоносмесителях
периодического или непрерывного действия различной вместимости (от 75
до 4500 дм3). По принципу действия аппараты бывают гравитационные (со
свободным падением материалов) и с принудительным перемешиванием.
Последние применяют для перемешивания жестких смесей. Оптимальная
63
продолжительность
перемешивания
зависит
от
состава,
удобоукладываемости бетонной смеси и типа применяемого смесителя.
Транспортирование
приготовленной
бетонной
смеси
осуществляется
автосамосвалами,
автобетоновозами,
автобетоносмесителями, на короткие расстояния - ленточными
конвейерами, контейнерами, а также по трубам с помощью бетононасосов
и
пневмонагнетателей.
Предельное
время
транспортирования
устанавливается в зависимости от сроков схватывания цемента,
температуры воздуха, вида транспорта и типа покрытия дорог.
Уплотнение производится с целью плотной укладки бетонной смеси
в форму (опалубку). Недоуплотнение приводит к резкому уменьшению
прочности и долговечности бетона, ухудшает прочие свойства. Для
уплотнения применяют:

вибрирование
(виброплощадки,
навесные вибраторы),
глубинные,
поверхностные,

вибрирование с пригрузом, вибропрессование, виброштампование
(для сверхжестких бетонных смесей),

центрифугирование (для формования труб),

безвибрационные методы (для литых бетонных смесей,
уплотняющихся под действием собственного веса или путем
штыкования) и другие методы.
Твердение бетона оптимально происходит летом во влажной среде,
зимой - во влажной и теплой. В нормальных условиях, т.е. во влажном
воздухе с температурой 20  2 0С, предел прочности бетона при сжатии
нарастает пропорционально логарифму времени твердения:
Rn
lg n
, где

R28 lg 28
n - срок твердения в сутках (n>3); R28 - предел прочности бетона в возрасте
28 сут.
Чтобы защитить свежеуложенный бетон от испарения влаги, а
поверхность бетона - от высыхания, его покрывают песком, опилками,
периодически увлажняя их. Используется также защита полимерными
пленками, битумными и полимерными эмульсиями.
На заводах сборного железобетона для ускорения твердения
используют тепловлажностную обработку: пропаривание при 85-900С,
автоклавную обработку, электропрогрев, воздействие инфракрасного
излучения и проч.).
64
Для
ускорения
набора
прочности
бетоном
используют
быстротвердеющие и особобыстротвердеющие цементы, а также добавки –
ускорители твердения. В зимнее время твердеющий бетон предохраняют
от замерзания различными методами.
7.5. Свойства бетона
Прочность - главное свойство бетона как конструкционного
материала, зависящее от его состава, структуры, характеристик
компонентов, условий приготовления, твердения, эксплуатации и прочих
факторов. Действие этих факторов можно свести к двум основным:
прочности затвердевшего цементного камня и прочности его сцепления с
заполнителем. Прочность цементного камня в свою очередь определяется
активностью (маркой) цемента (Rц) и соотношением количеств цемента и
воды – цементно-водным отношением Ц/В.
Основной закон прочности бетона
Цемент при твердении химически связывает не более 20-25% воды
от своей массы. Фактически же для обеспечения необходимой
подвижности бетонной смеси берут 40-80% воды. Вода необходима также
для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя. Свободная,
химически не связанная вода образует в бетоне поры. Чем больше пор, тем
ниже будет прочность бетона.
Исследованиями была установлена следующая зависимость:
Rц
Rб = ---------к(В/Ц)n
(формула Н.М.Беляева),
где:
Rб - прочность бетона,
Rц - марка (активность) цемента,
В/Ц - водоцементное отношение, к и n - коэффициенты, зависящие
от вида бетона и качества заполнителей (к=3,5 для щебня и 4 для гравия,
n=1,5 для тяжелого бетона).
На практике при подборе состава бетона пользуются линейной
зависимостью:
Rб = А Rц (Ц/В  b) (формула И.Боломея-Б.Г.Скрамтаева),
где А - коэффициент, учитывающий качество заполнителей (0,65; 0,6 и
0,55), b - постоянный коэффициент (для Ц/В =1,4-2,5 b=-0,5, а для Ц/В=2,53,3 b=+0,5). Бетоны с высоким цементно-водным отношением относятся к
высокопрочным бетонам.
При расчете состава бетона используют также:
- уравнение абсолютных объемов:
65
Ц/  ц+ В/  в+ П/  п+ К /  к = 1000 дм3, где Ц, В, П, К - расходы на
1м3 бетона соответственно цемента, воды, песка и
крупного
заполнителя, кг;
 ц,  в,  п,  к - истинная плотность зерен этих
3
материалов, кг/дм и
- уравнение, показывающее, что в плотно уложенном бетоне пустоты
между зернами крупного заполнителя должны быть заполнены цементнопесчаным раствором с учетом некоторой раздвижки зерен:
Ц/  ц+ В/  в+ П/  п= К /  нк. к .кразд , где  нк – насыпная плотность
крупного заполнителя, кг/дм3; к – пустотность крупного заполнителя; кразд
- коэффициент раздвижки зерен заполнителя.
Марка бетона по прочности - числовая характеристика,
определяемая испытанием на одноосное сжатие стандартных образцовкубов с ребром 150 мм, изготовленных из бетонной смеси рабочего состава
и испытанных в возрасте 28 сут. после твердения в нормальных условиях.
(М100, М150 .... М800, кгс/см2 - для тяжелых бетонов).
Класс бетона (В) - числовая характеристика, определяемая
величиной гарантированной прочности с обеспеченностью 0,95. Это
значит, что заданная прочность достигается в 95 случаях из 100.
Стандарт устанавливает следующие классы тяжелого бетона по
прочности на сжатие (МПа): В3,5; В5; В7,5; ... В60. Для перехода от класса
бетона В к средней прочности бетона - марке (при нормативном
коэффициенте вариации 13,5%) следует применять формулу:
Rcp = В/0,778.
Деформативные свойства. Под нагрузкой бетон ведет себя как
упруго-вязко-пластичное тело. При небольших напряжениях бетон
деформируется как упругий материал, а при больших напряжениях
начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация. Ползучесть
- способность бетона к увеличению деформаций под действием
постоянной нагрузки какого-либо вида сжатия, растяжения, изгиба.
Деформации ползучести затухают через несколько лет эксплуатации
конструкции.
Усадка и набухание связаны с физико-химическими процессами,
происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности.
Усадка у бетонов колеблется в основном от 0,2 до 0,4 мм/м в годичном
возрастн; величина набухания значительно меньше.
Сцепление с арматурой для тяжелого бетона на портландцементе
составляет примерно 15-20% предела прочности бетона при сжатии в
возрасте 28 сут.
66
Водонепроницаемость бетона
зависит от проницаемости
цементного камня, заполнителя и контактной зоны. Характеризуется
маркой по водонепроницаемости (МПа): W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1,2.
Морозостойкость определяет долговечность бетона и зависит от
качества использованных материалов и капиллярно-пористой структуры
бетона. Марки по морозостойкости: F50, F75... F500.
Теплопроводность изменяется от 1,3-1,7 Вт/(м.0С) для тяжелых
бетонов до 0,2-0,7 Вт/(м.0С) для легких бетонов.
Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР)
тяжелого бетона (10-12).10-6 0С-1 близок к КЛТР стали, что обеспечивает
совместимость термических деформаций бетона и арматуры.
7.6. Разновидности бетонов
Разновидности бетонов, наиболее
строительстве, приведены в табл.7.5.
часто
применяемые
в
Помимо
приведенных
в
табл.
7.5,
применяют
также
гидротехнические, химически стойкие, особо тяжелые и гидратные
бетоны, а также цементнополимерные, декоративные и др. бетоны.
.Вопросы для самоконтроля к главе 7
1. Что такое бетон?
2. По каким признакам классифицируются бетоны?
3. Какие требования предъявляются к материалам для бетона?
4. Какие виды добавок применяются для регулирования свойств
бетонной смеси и бетона?
5. Что такое удобоукладываемость бетонной смеси и как она
оценивается?
6. Назовите и кратко охарактеризуйте основные технологические
операции при производстве бетона.
7. От каких факторов зависит прочность бетона?
8. Чем отличаются марка бетона и класс прочности бетона?
9. Какие разновидности бетонов Вам известны? Приведите
характеристику и особенности применения.
их
67
Таблица 7.5
Виды бетона
Вид
бетона
1
Легкие бетоны
на пористых
заполнителях
Ячеистые
Состав
2
Вяжущее - обычный и
быстротвердеющий
портландцементы,
шлакопортландцемент;
пористые заполнители
неорганические и органические
(употребляемые гораздо реже).
Неорганические природные
пористые заполнители:
вулканический туф, пемза,
известняк-ракушечник и др.;
искусственные бывают: специально
изготовленные (керамзитовый
гравий, керамзитовый песок,
аглопорит, вспученные перлит и
вермикулит, шлаковая пемза и
проч.), и побочные продукты
промышленности (топливные шлаки
и золы, гранулированный
металлургический шлак и др.).
Газо- и пенобетон: вяжущее –
Характерные свойства
Применение
3
- классы по прочности на сжатие
(МПа): от В2 до В40 (для
теплоизоляционных бетонов
предусматриваются классы В0,35,
В0,75, В1);
-марки по прочности (кгс/см2):
М35-М500;
- марки по морозостойкости: F25F500;
- марки по средней плотности
(кг/м3): D200-D2000;
- марки по водонепроницаемости:
W0,2-W1,2;
- теплопроводность  = 0,07-0,8
Вт/(м.0С);
- деформативные свойства и
трещиностойкость лучше, чем у
тяжелых бетонов.
4
- конструкционный бетон с  m
=1400-1800 кг/м3 - для легких
несущих железобетонных
конструкций (пролетные
строения, мосты, фермы,
гидротехнические
сооружения, элементы
перекрытий, покрытий зданий
и др.);
- конструкционнотеплоизоляционный (  m =6001400 кг/м3) - для
ограждающих конструкций
зданий;
- теплоизоляционный
(  m менее 600 кг/м3) – как
теплоизоляционный материал.
- пористость 60-85%; поры
Наиболее рациональная
68
Вид
бетона
бетоны
(газобетон,
пенобетон,
газосиликат,
пеносиликат)
Крупнопорист
ый бетон
(беспесчаный)
Состав
Характерные свойства
портландцемент; газо- и
замкнутые;
пеносиликат: вяжущее - молотая
-  m ( кг/м3 ) 300-1200;
негашеная известь.
- классы по прочности на сжатие:
Кремнеземистый компонент
В0,35-В12,5;
(молотый кварцевый песок, зола- марки по прочности на сжатие
унос ТЭС, молотый доменный шлак).
М15 – М150;
Газобетон и газосиликат -  = 0,14-0,37 Вт/(м.0С);
газообразователь (обычно.
- марки по морозостойкости F15алюминиевая пудра).
F100;
Пенобетон и пеносиликат –
- водопоглощение по объему 28пенообразователи
40%;
(клееканифольный, гидролизованная
- огнестойкость;
кровь, сульфанол и др.).
- легкость механической
обработки.
Вяжущее – портландцемент,
- пониженный расход цемента: 70шлакопортландцемент (расходуется 150 кг/м3 ;
лишь для склеивания зерен крупного -  m =1700-1900 кг/м3 - на плотном
заполнителя);
заполнителе, 500-700 кг/м3 - на
крупный заполнитель (плотный и
пористом;
пористый)
- класс не более В7,5;
- марки М15 - М75;
-  = 0,55-0,8 Вт/(м.0С)
69
Применение
область применения –
изготовление камней и блоков
для ограждающих
конструкций (стен) жилых и
промышленных зданий:
несущих – для малоэтажных
зданий и ненесущих – для
многоэтажных, имеющих
несущий каркас; для легких
железобетонных конструкций
и теплоизоляции.
Целесообразно применять в
районах, богатых гравием.
Монолитные наружные стены
зданий, крупные стеновые
блоки (оштукатуривают с двух
сторон, чтобы устранить
продувание); как
теплоизоляционный материал
(на пористом заполнителе).
Вид
Состав
бетона
Высокопрочны Вяжущее - цементы высоких марок;
й бетон
особо быстротвердеющие цементы;
высококачественные заполнители;
суперпластификаторы;
низкое В/Ц = 0,27-0,45, интенсивное
уплотнение.
Дорожный
бетон
Жаростойкий
Вяжущее – портландцемент М500 с
содержанием С3S не более 10%,
гидрофобный и
пластифицированный
портландцементы; для бетона
оснований дорожных покрытий –
портландцемент и
шлакопортландцемент М300 М400;
крупный заполнитель (щебень,
гравий, щебень из шлака) высокой
износостойкости;
ограничение В/Ц (0,5-0,55);
щелоче- и светостойкие пигменты,
или цветные цементы, цветные
заполнители (для цветных бетонов).
Вяжущие – портландцемент с
Характерные свойства
Применение
- марки М600-М1000;
- морозостойкость: F50-F500;
- высокое сопротивление
поверхностному износу;
- уменьшение расхода арматурной
стали на 10-12%;
- сокращение объема бетона на 1030%.
- Основная прочностная
характеристика – проектная марка
на растяжение при изгибе;
- морозостойкость: в суровом
климате не ниже F200, в умеренном
–F150, в мягком – F100;
Дорожное, аэродромное,
гидротехническое
строительство;
полы промышленных зданий,
защита от радиоактивного
излучения и проч.
Сохраняют в определенных
Для промышленных агрегатов
70
Для оснований и покрытий
автомобильных дорог и
аэродромов; для
декоративных целей при
устройстве пешеходных
переходов, разделительных
полос на дорожных
покрытиях, для изготовления
элементов городского
благоустройства.
Вид
бетона
бетон
Состав
активной минеральной добавкой
(пемза, зола, шлак, шамот),
шлакопортландцемент,
глиноземистый и
высокоглиноземистый цемент,
жидкое стекло (условия кислотной
коррозии);
фосфатные и алюмофосфатные
связующие;
заполнитель –бескварцевые горные
породы плотные и пористые, бой
керамических и огнеупорных
материалов.
Характерные свойства
Применение
пределах физико-механические
свойства при длительном
воздействии высоких температур –
от 700 до 17000С (в зависимости от
состава бетона).
(облицовка котлов, футеровка
печей, фундаменты доменных
и мартеновских печей и т.п.) и
строительных конструкций,
подверженных нагреванию
(дымовые трубы и проч.).
71
РАЗДЕЛ 5. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И
МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
Глава 8. БИТУМНЫЕ И ДЕГТЕВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
8.1. Общие сведения, классификация
Первыми органическими вяжущими, которые начали применять в
строительстве, были битумы и дегти. На основе битума и дегтя получают
разнообразные материалы: эмульсии, пасты, мастики, растворы, бетоны,
рулонные и штучные изделия. Битумные и дегтевые вяжущие имеют
темно-коричневый или черный цвет, поэтому
их часто называют
“черными вяжущими”.
Общий признак этих вяжущих - способность размягчаться, т.е.
уменьшать свою вязкость при нагревании и затвердевать при охлаждении.
Характерными особенностями материалов на основе битума или дегтя
являются высокая водостойкость, водонепроницаемость, гидрофобность,
химическая стойкость, высокая адгезионная способность по отношению к
каменным материалам, растворимость в органических растворителях.
Классифицируют битумные и дегтевые материалы по следующим
признакам:
- по виду вяжущего: битумные, дегтевые, гудрокамовые (смешанного
вида), дегтебитумные, битумно-полимерные, дегтеполимерные;
- по технологическим особенностям:
рулонные, эмульсии, мастики, растворы, бетоны;
штучные
(листовые),
- по структурным признакам для каждой группы материалов:
например, рулонные материалы делят на основные и безосновные,
покровные и беспокровные;
- по назначению: дорожные, кровельные, гидроизоляционные,
теплоизоляционные, полифункциональные.
Битумы бывают природные и искусственные. Природные (твердые
или вязкие) образовались в результате естественного процесса
окислительной полимеризации нефти; встречаются в местах нефтяных
месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако
чаще они содержатся в пористых горных породах (известняках, доломитах,
песчаниках, глинах, песках), называемых асфальтовыми породами.
Нефтяные (искусственные) битумы получают переработкой нефтяного
сырья. В зависимости от технологии производства их делят на
остаточные, получаемые из гудрона путем глубокого отбора масел;
окисленные, получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах
72
(продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков,
образующихся при крекинге нефти.
8.2. Битумы
Состав и строение
Битумы состоят из смеси высокомолекулярных углеводородов,
главным образом метанового (СnН2n+2) и нафтенового (СnН2n) рядов и их
неметаллических производных (кислородных, сернистых и азотистых).
Элементарный состав битумов: 70-80% - углерод (С), 10-15% водород (Н), 2-9% - сера (S), 1-5% - кислород (О), 0-2% -азот (N). Эти
элементы находятся в битуме в виде углеводородов от С9Н20 до С30Н62 .
Углеводороды битума образуют группы веществ с более или менее
сходными свойствами:
консистенция

масла
жидкая
фракция

смолы
твердая
или
полутвердая

асфальтены
твердые
плотность молекулярная
масса
влияние на свойства
битума
<1
100-500
придают
подвижность,
текучесть,
термопластичность

 1
500-1000
придают
вяжущие
свойства,
пластичность, адгезионные
свойства
>1
1000-5000
придают твердость и
тугоплавкость
асфальтогеновые
кислоты (до 3%)
твердые
или поверхностно-активная
часть
битума,
высоковязкие
способствует повышению прочности сцепления
битума с другими материалами (повышают
адгезионные свойства
парафины
ухудшают свойства,
температурах
(должно
5%)
быть. 
повышают
хрупкость
при
пониженных
Групповые
углеводороды
образуют
сложную
дисперсную
коллоидную систему, состоящую из дисперсионной среды - раствора смол
или их части в маслах и
дисперсной фазы - асфальтенов с
адсорбированной на них частью смол (комплексные частицы этой системы
называются мицеллы).
Такой состав определяет практические способы перевода твердых
битумов в рабочее состояние:
- нагревание до 140-1700С, размягчающее смолы и увеличивающее
их растворимость в маслах;
73
- растворение битума в органическом растворителе (для придания
рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т.п.);
- эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.
Свойства битумов
Помимо перечисленных выше общих свойств, характерных для
«черных вяжущих», можно отметить специфические свойства битумов.
Плотность  = 0,8 -1,3 г/см3 (зависит от группового состава);
теплопроводность  = 0,5-0,6 Вт/(м 0С). Устойчивость при нагревании
характеризуется потерей массы пробы при 1600С в течение 5 ч (не более
1%) и температурой вспышки (230-2400С в зависимости от марки битума)
Поверхностное натяжение при 20-250С составляет 25-35 эрг/см2.
Старение битума - изменение свойств, повышение хрупкости, снижение
гидрофобности под действием солнечного света и кислорода воздуха.
Реологические свойства (вязкость, предельное напряжение сдвига) битума
зависят от группового состава.
Химическая стойкость - битумы стойки к действию агрессивных
веществ (например, кислот), вызывающих коррозию цементных бетонов,
металлов и др. строительных материалов.
Марки битумов определяют по комплексу показателей (табл.8.1).
Твердость (вязкость) битума находят по глубине проникания в
битум иглы в битум (в десятых долях миллиметра) при температуре 250С
на приборе - пенетрометре;
Температура размягчения определяется на стандартном приборе
“Кольцо и шар”, помещаемом в сосуд с водой. Температурой размягчения
считается температура, при которой стальной шарик проваливается сквозь
битум, заплавленный в кольцо.
Растяжимость битума характеризуется абсолютным удлинением (в
см) стандартного образца битума (в виде «восьмерки») при температуре
250С, определяемым на приборе - дуктилометре.
Таблица 8.1
Физико-механические свойства нефтяных битумов
Марка битума
БН-50/50
БН-70/30
БН-90/10
Температура
Растяжимость при
0
размягчения, С,
25 0С, см,
не ниже
не менее
Строительные битумы
50
40
70
3
90
1
Кровельные битумы
Глубина проникания
иглы при 25 0С, 0,1
мм
41-60
21-40
5-20
74
БНК-45/180
БНК-90/40
БНК-90/30
40-50
85-95
85-95
не нормируется
не нормируется
не нормируется
140-220
35-45
25-35
Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых
бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, для
покрытия и восстановления рулонных кровель. Кровельные битумы
используют для изготовления рулонных и штучных кровельных и
гидроизоляционных материалов: рубероид, пергамин (их современные
модификации), мягкая битумная черепица, наплавляемый рубероид,
стеклорубероид, стекловойлок, гидростеклоизол, фольгоизол, гидроизол,
изол, бризол и др. Герметизирующие материалы (герметики) на основе
битумов: мастики (в т.ч. нетвердеющие), эластичные прокладки (пороизол,
гернит) и др.
Битум применяется и в кровельных и гидроизоляционных
материалах нового поколения. Для улучшения свойств битумных
материалов используют:
- модификацию битумного вяжущего полимерами;
- новые прочные, долговечные негниющие основы (стеклоткань,
полиэстер и проч.);
- новые виды бронирующих посыпок и др.
8.3. Дегти
Дегтевые вяжущие вещества включают различные виды дегтя и
пеки. Дегти получают в процессе сухой перегонки, то есть нагревания без
доступа воздуха, твердых видов топлива - каменного или бурого угля,
сланца, древесины, торфа и др. с целью получения кокса, полукокса, газа и
т.п. Получающиеся при этом летучие вещества после конденсации
(сгущения) образуют вязкие, черно-коричневого цвета жидкости,
называемые дегтями. В строительстве применяют, главным образом,
каменноугольные дегти, получаемые в коксохимическом производстве и
обладающие более высокими строительными свойствами, чем другие
дегти.
Виды дегтевых вяжущих веществ:
- сырые дегти - низко- и высокотемпературные, получаемые при
полукоксовании и коксовании каменных углей соответственно при 500-700
и 900-11000С; содержат много летучих веществ, характеризующихся
низкой атмосферостойкостью и непосредственно для производства
строительных материалов не применяются;
75
- отогнанный деготь (каменноугольная смола) получают из сырого
путем отгонки воды, легких и частично средних масел; используют в
производстве строительных материалов;
- пек - твердый остаток перегонки сырой каменноугольной смолы;
аморфная хрупкая масса черного цвета с  = 1,25-1,28 г/см3, состоящая из
высокомолекулярных углеводородов и их производных, а также
свободного углерода (8-30%);
- составленные дегти получают сплавлением пеков с дегтевыми
маслами (антраценовыми и др.) или обезвоженными сырыми дегтями;
широко применяются в строительстве;
- наполненные дегти получают, вводя в составленные дегти
тонкоизмельченные материалы (известняк, доломит и др.), что повышает
вязкость, атмосферо- и теплостойкость.
Состав дегтя сложен, он включает более 200 различных
органических соединений, в основном углеводородов ароматического ряда
и их неметаллических соединений. Деготь имеет характерный «дегтярный»
запах.
Свойства дегтевых вяжущих определяются соотношением между
твердой составляющей, смолами и маслами и в основном те же, что и у
битумов. Средняя плотность - 1,25 г/см3.
Атмосферостойкость дегтевых материалов ниже по сравнению с
битумными, т.к. дегти стареют быстрее. Биостойкость дегтевых
материалов выше по сравнению с битумными, что объясняется
токсичностью содержащегося в дегтях фенола (карболовой кислоты).
Температура размягчения дегтей высоких марок обычно ниже, чем
тугоплавких битумов. Степень прилипания к другим материалам выше,
что связано с большим по сравнению с битумом содержанием в них
веществ с полярными группами. При работе с дегтями и пеком возможно
возникновение аллергических реакций. Дегти и продукты на их основе –
канцерогены, поэтому их использование в местах, где возможен
длительный контакт с человеком, запрещено.
Применение. Дегти, антраценовое масло и пек применяют для
изготовления дегтевых кровельных и гидроизоляционных материалов
(толь кровельный и гидроизоляционный), антикоррозийных составов,
мастик, дегтебетонов, а также дегтебитумных материалов на основе
смешанных вяжущих веществ (на основе битумов, дегтей, полимеров),
эмульсий и паст.
76
Вопросы для самоконтроля к главе 8
1. Какие вещества образуют группу органических вяжущих?
2. Что собой представляют природные и искусственные битумы.
Каков их состав и строение?
3. Перечислите характерные свойства битумов. Как устанавливают
марку битума?
4. Какие способы используются для улучшения свойств современных
битумных кровельных материалов?
5. Как получают дегтевые вяжущие вещества? На какие виды они
подразделяются?
6. Назовите характерные свойства дегтевых вяжущих, в чем их
отличие от битумов?
7. Каковы области применения битумных и дегтевых вяжущих
веществ?
Глава 9. ПОЛИМЕРНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
9.1. Общие сведения
Полимерными
материалами или пластмассами называют
материалы, которые в качестве основного компонента содержат полимер высокомолекулярное
органическое
соединение,
обладающее
на
определенной стадии переработки пластичностью.
Сырьем для полимеров служат продукты коксования и газификации
каменного угля, а также природный газ и так называемый “попутный газ”.
Основные способы получения полимеров:
- Полимеризация - процесс соединения молекул мономера за счет
раскрытия двойных связей в макромолекулы без выделения побочных
продуктов. Полимеризацией получают полиэтилен, полипропилен,
полиизобутилен, полистирол, поливинилхлорид, поливинилацетат,
полиакрилаты,
полиуретаны,
инденкумароновые
полимеры.
Инициирование процесса полимеризации осуществляется активизацией
мономера под воздействием нагревания, световых лучей, ионизирующего
излучения, добавок инициаторов и катализаторов.
- Поликонденсация - процесс образования макромолекул полимеров в
результате взаимодействия между функциональными группами молекул
исходных веществ. Это взаимодействие сопровождается образованием
побочных низкомолекулярных продуктов. Поликонденсацией получают
фенолоальдегидные,
полиэфирные,
фурановые,
эпоксидные
и
кремнийорганические полимеры.
77
Пластмассы можно отнести к композиционным материалам,
состоящим из основного компонента - матрицы (связующего вещества) и
упрочняющего компонента в виде волокон или твердых частиц.
9.2. Состав пластмасс
Полимеры - высокомолекулярные соединения, молекулы состоят из
многократно повторяющихся звеньев – одинаковых групп атомов.
Молекулярная масса их обычно выше 5000. Низкомолекулярные вещества
имеют молекулярную массу менее 500. Вещества, имеющие
промежуточное значение молекулярной массы, называются олигомерами.
По происхождению полимеры бывают природные и искусственные
(синтетические). Для производства строительных материалов применяют
синтетические полимеры. В пластмассах полимеры выполняют роль
связующего вещества.
По поведению при нагревании полимеры делят на термопластичные
и термореактивные. Термопластичные полимеры (термопласты)
способны многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при
охлаждении при сохранении основных свойств. Это свойство обусловлено
линейным строением молекул полимера, их малой связью друг с другом,
снижающейся при нагревании. Термопластичные полимеры получают
реакцией полимеризации; это - полиэтилен, поливинилхлорид,
полистирол, поливинилацетат, полиметилметакрилат и др.).
Термореактивные
полимеры
(реактопласты)
имеют
пространственное строение – длинные линейные цепи связаны друг с
другом в единую сетку более короткими поперечными цепями. Такие
полимеры не могут обратимо изменять свои свойства, они не способны к
повторному формованию. При нагревании происходит разрыв связей
между цепями и внутри цепей; происходит деструкция (разрушение)
полимера. Термореактивные полимеры называют смолами. Это фенолоформальдегидные, карбамидные, эпоксидные, полиэфирные смолы
и др.
Наполнители снижают расход полимера и тем самым удешевляют
пластмассы. Кроме того, они придают пластмассам необходимые свойства:
уменьшают усадку и деформативность, повышают атмосферостойкость и
теплостойкость, снижают горючесть, повышают прочность и твердость и
проч. Наполнители могут быть органическими и неорганическими.
По виду наполнители бывают: порошкообразные (древесная мука,
мел, тальк, сажа и т.п.), волокнистые (стекловолокно, асбест, органические
волокна), листовые материалы (бумага, древесный шпон, ткани).
Некоторые пластмассы на 80-90% (по объему) состоят из наполнителей
(например, древесностружечные плиты, полимербетоны, пенопласты).
78
Пластификаторы
вещества,
облегчающие
скольжение
макромолекул друг относительно друга и в результате повышающие
гибкость, растяжимость, пластичность, технологичность пластмасс;
вводятся в количестве от 5 до 40% (например, глицерин, диоктилфталат и
др.). Стабилизаторы способствуют сохранению свойств пластмасс во
времени, т.е. замедляют старение. Вводят термо- (тонкодисперсные
металлы, оксиды переходных металлов) и светостабилизаторы (оксид
цинка, газовая сажа и др.).
Отвердители - вещества, являющиеся инициаторами реакции
полимеризации, ускоряющие процесс отвердевания пластмасс. Пигменты
или красители служат для получения цветных пластмасс; их вводят
соответственно
в
количестве
2-3%
в
случае
минеральных
порошкообразных
материалов
и
0,02-0,3%
для
органических
порошкообразных веществ.
Порообразователи
(порофоры)
специальные
вещества,
обеспечивающие создание в материале пор. Антипирены повышают
стойкость против возгорания.
9.3. Основы технологии строительных изделий из пластмасс
Процесс получения изделий из пластических масс состоит из
следующих операций: подготовка исходных компонентов, дозирование и
приготовление полимерных композиций, формование и стабилизация.
Подготовка исходных компонентов включает измельчение материалов
(наполнителей), при необходимости сушку, сортировку и другие операции.
Полимерные композиции могут быть в виде пресс-порошков, прессматериалов с волокнистым и листовым наполнителями и т.п. Смешение
компонентов производят в смесителях периодического и непрерывного
действия. Вид смесителя зависит от вида смешиваемых материалов:
сыпучие или пастообразные.
Формование полимерных изделий осуществляют вальцеванием,
экструзией, прессованием, литьем под давлением, термоформованием и др.
Вальцевание (каландрирование) – формование непрерывной ленты из
термопластичной полимерной композиции при пропускании ее через
зазоры между вращающимися валками каландра. Каландрированием
производят рулонные и плиточные материалы, пленки.
Экструзия – непрерывный процесс продавливания вязкотекучей
полимерной композиции через мундштук (формообразующее отверстие)
экструдера. Метод экструзии применяют для изготовления линолеума,
погонажных изделий, труб, пленок.
79
Прессование – формование изделий из термореактивных полимеров
в обогреваемых гидравлических прессах. Таким образом получают детали
санитарно-технического и электротехнического оборудования, фурнитуру.
Литье под давлением - формование путем нагрева пластических масс до
вязкотекучего состояния с последующим выдавливанием в форму. Этим
способом перерабатывают термопласты, из которых изготавливают
полистирольные облицовочные плитки, детали для соединения труб и т.п.
Термоформование – переработка в изделия пластмассовых заготовок,
нагретых до определенной температуры. Так получают тонкостенные
санитарно-технические изделия – ванны, раковины и др. Сваркой
соединяют большинство термопластов. Склеивание применяют для
соединения термопластичных и термореактивных полимеров. Используют
клеи холодного и горячего отверждения.
Способом вспенивания получают пластмассы с пористой структурой:
пористые
звукотеплоизоляционные и упругие герметизирующие
пластмассы. Пористая структура может быть получена при термическом
разложении газообразователей (порофоров), введенных в состав
полимерной композиции или при расширении газов, растворенных в
полимерах, после снятия давления или при повышении температуры.
9.4. Свойства строительных пластмасс
Свойства пластмасс изменяются в широком диапазоне в
зависимости от их состава, строения полимеров, типа наполнителя,
условий изготовления и других факторов.
К положительным свойствам пластмасс относится малая средняя
плотность: от  m от 15-50 кг/м3 у ячеистых пластмасс до 1800-2200
кг/м3. Пористость изменяется в широких пределах: полимерные пленки,
линолеум, стеклопластики практически не имеют пор, а пористость
пенопластов - 95-98%.
Прочность может быть значительной и достигать у стеклопластиков
300-350 МПа при сжатии; причем прочность при растяжении и изгибе
может быть еще более высокой (Rизг у стеклопластиков доходит до 550
МПа). Наряду с малой средней плотностью это обеспечивает пластмассам
очень высокую удельную прочность (коэффициент конструктивного
качества).
Теплопроводность пластмасс низкая - 0,23-0,7 Вт/(м.0С) (до 0,0280,034 для газонаполненных пластмасс). Высокая водонепроницаемость плотные полимерные материалы непроницаемые для воды, что позволяет
их применять для гидроизоляции зданий и сооружений, в устройстве
кровель и трубопроводов.
80
Химическая стойкость большинства пластмасс высокая, однако
многие пластмассы растворяются или набухают в органических
растворителях. Светопроницаемость ряда пластмасс позволяет применять
их для устройства теплиц, оранжерей. Хорошие электроизоляционные
свойства пластмасс позволяют применять их для устройства изоляции
электропроводок, изготовления электроарматуры и т.д.
Пластмассы водостойки, гигиеничны, декоративны, имеют малую
истираемость. Они способны окрашиваться в различные цвета и очень
технологичны. Кроме того, для производства пластмасс у нас в стране
имеется обширная сырьевая база.
К отрицательным свойствам пластмасс относится низкая
теплостойкость – некоторые пластмассы начинают размягчаться уже при
60-800С; предельная температура применения большинства пластмасс 1001500С.
Термореактивные
полимеры
более
теплостойки,
чем
термопластичные; наиболее теплостойки кремнийорганические полимеры,
выдерживающие нагревание до 4000С. Температурный коэффициент
линейного расширения пластмасс
относительно велик – во много раз
больше, чем у металлов, бетона, стекла.
При длительном нагружении пластмассы склонны к необратимой
деформации – ползучести, которая резко возрастает с повышением
температуры. Поверхностная твердость пластмасс достаточно низкая.
Старение - изменение структуры и свойств полимерного компонента
пластмасс, выражающиеся в потускнении цвета, хрупком разрушении
(растрескивании) и деструкции.
Возможность выделения из пластмасс токсичных веществ в период
эксплуатации. К токсичным веществам, которые могут выделяться из
пластмасс,
например в результате незавершенности химических
процессов при получении полимеров, относятся ацетон, бензол, фенол,
фурфурол, хлор, винилацетат и др. Полная безвредность может быть
обеспечена при соблюдении технологических режимов и тщательном
подборе компонентов пластмасс.
Горючесть большинства пластмасс обусловлена горючестью
полимеров. Для понижения горючести вводятся добавки - антипирены.
При горении выделяются высокотоксичные вещества. Несгораемые
пластмассы – фторопласты, материалы из перхлорвинила.
9.5. Применение полимерных материалов и изделий
На основе полимеров выпускают современные, максимально
готовые к применению материалы:
- Материалы для внутренней отделки стен – декоративные
листы, плиты, панели, плитки (бумажно-слоистый декоративный пластик,
81
листовой
винипласт,
листы
из
ударопрочного
полистирола,
полистирольные декоративные плиты «Полиформ», декоративные
поливинилхлоридные
панели
«Полидекор»,
полистирольные
облицовочные плитки, зеркальные панели; декоративные рулонные
пленочные материалы (поливинилхлоридные декоративные отделочные
пленки, в том числе на бумажной основе «Изоплен», «Пеноплен»,
рулонные материалы «Девилон», «Винистен», «Полиплен», «Тексоплен» и
проч.);
Материалы
для
покрытия
пола
–
рулонные
(поливинилхлоридный
линолеум
безосновный,
на
теплозвукоизоляционной основе, на тканевой основе, линолеум со
вспененным слоем, резиновый линолеум - релин, линолеумы со
специальными свойствами, алкидный линолеум и др.), плиточные
(поливинилхлоридные и фенолитовые плитки, резиновые плиты, коврики
из алкидного линолеума и проч.), мастичные (наливные бесшовные
покрытия – монолитные покрытия полов, выполняемые из подвижных
саморастекающихся смесей), синтетические ковровые покрытия;
- Конструкционно-отделочные материалы – древесно-слоистые
пластики (листы или плиты из лущеного шпона, пропитанного
фенолоформальдегидным
полимером),
стеклопластики
(листовой
материал, получаемый пропиткой стеклянного волокна или стеклоткани
термореактивными смолами с последующим их отверждением),
стеклотекстолиты – стеклопластики на основе стеклянной ткани
(горячее прессование полотнищ ткани при высоком давлении и
температуре) и др.;
- Теплоизоляционные материалы - самые эффективные материалы
с пористостью свыше 90% (пенопласты, поропласты);
- Материалы для отделки потолков - клеевые потолки (наклейка
полимерных плит на базовый потолок), натяжные пленочные потолки
(тонкая пленка, натягиваемая на пластиковый каркас), подвесные потолки
(потолочные панели и подвесная несущая система);
- Погонажные изделия – плинтусы, наличники, раскладки, угловые
накладки, нащельники и т.п.;
- Облицовочные листы и рейки (сайдинг) – имитируют
традиционные виды облтцовки зданий – дерево, кирпич, природный
камень;
- Кровельные, гидроизоляционные и герметизирующие материалы
(пленки, профильные прокладки, мастики);
- Трубы и санитарно-технические изделия (термопластичные и
стеклопластиковые трубы, сифоны, сливные бачки);
82
- Клеи, мастики, краски,
- Специальные виды строительных растворов и бетонов
(полимербетоны, полимерцементный бетон, бетонополимеры и др.).
Эффективное сочетание полимеров с древесиной, бетоном,
металлами, минеральными волокнами позволяет получать новые
индустриальные изделия и конструкции.
Вопросы для самоконтроля к главе 9
1. Какие материалы называют пластмассами?
2. Назовите основные компоненты пластмасс. Какова роль каждого
из них?
3. Что является сырьем для получения полимеров?
4. Чем отличаются термопластичные и термореактивные полимеры?
5. Каковы положительные и отрицательные свойства пластмасс?
6. Какими способами производят полимерные материалы?
5. Перечислите
строительстве.
основные
области
применения
пластмасс
в
83
РАЗДЕЛ
6.
СТРОИТЕЛЬНЫЕ
СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
МАТЕРИАЛЫ
Помимо описанных в данном разделе теплоизоляционных
материалов,
к строительным материалам специального назначения
относятся
кровельные,
гидроизоляционные,
герметизирующие,
акустические, отделочные материалы (лакокрасочные и проч.) и др. В той
или иной степени они описаны или упомянуты в других разделах
(например, кровельный материал черепица – в главе «Керамические
материалы», отделочные материалы - в главе «Полимерные строительные
материалы» и т.п.).
Глава 10. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
10.1. Общие сведения, классификация
Теплоизоляционными называют материалы, характеризуемые
низкой теплопроводностью и применяемые для тепловой изоляции
строительных
конструкций,
промышленного
оборудования,
трубопроводов, а также холодильников. Такие материалы имеют
теплопроводность   0,175 Вт/(м.0С) и плотность  m  500 кг/м3.
Назначение теплоизоляционных материалов уменьшение
теплообмена с окружающей средой. Эффективность их использования в
ограждающих строительных конструкциях заключается в экономии
топливно-энергетических
ресурсов,
снижении
материалоемкости
строительства,
уменьшении транспортных затрат, снижении массы
здания, увеличении этажности, возможности укрупнения конструктивных
элементов и т.п. Использование теплоизоляционных материалов для
изоляции горячего промышленного оборудования способствует экономии
тепловой энергии, интенсификации протекания технологических и
химических процессов, улучшению условий труда и проч.
Теплоизоляционные материалы классифицируют:
по
теплопроводности
(малотеплопроводные,

среднетеплопроводные и повышенной теплопроводности);
- по средней плотности (особо легкие ОЛ,  m , кг/м3: 15-100, легкие
Л: 125-300 и тяжелые Т: 400-500);
- по виду сырья (неорганические и органические);
- по форме и внешнему виду (штучные: плиты, блоки, кирпич,
цилиндры, сегменты; рулонные: маты, полосы, матрацы; шнуровые:
шнуры, жгуты; сыпучие: вспученный перлит, вермикулит и др.);
84
- по сжимаемости (мягкие, полужесткие, жесткие, повышенной
жесткости и твердые);
- по структуре (волокнистая, ячеистая, зернистая, рыхлозернистая,
мелкопористая);
- по возгораемости (несгораемые, трудносгораемые, сгораемые);
- по назначению (строительные теплоизоляционные - для обычных
температурных условий и монтажные теплоизоляционные - для изоляции
горячих поверхностей).
Общим признаком теплоизоляционных материалов является
высокая пористость (обычно более 50% и до 90-98%), которая достигается
различными технологическими приемами.
10.2. Способы создания высокопористого строения:
- Способ газообразования, при котором газообразователи (например,
Аl-пудру), вводят в исходную сырьевую смесь; этим способом получают
газобетон, ячеистое стекло, поропласты;
- Способ пенообразования заключается в смешивании пластичного
теста со специально приготовленной пеной. Пенообразователями служат
высокомолекулярные
соединения
ПАВ
(поверхностно-активные
вещества), мыла и др.; необходимая стойкость пены достигается
применением стабилизаторов. Таким способом получают пенобетон,
пеностекло, пенодиатомовые изделия;
- Способ аэрирования заключается во введении ПАВ с высокой
воздухововлекающей
способностью;
так
получают,
например,
поризованный бетон;
- Способ вспучивания: при быстром нагревании водосодержащих
горных пород - перлита, вермикулита, некоторых видов глин происходит
выделение из них водяного пара и увеличение объема. Так получают
вспученный перлит, вспученный вермикулит и др;
- Введение выгорающих добавок (углесодержащих отходов,
древесных опилок и др.) применяют при получении теплоизоляционных
керамических изделий;
- Способ высокого водозатворения состоит в использовании
формовочных масс с высоким содержанием воды, которая в дальнейшем,
испаряясь, способствует образованию воздушных пор. Таким образом
получают изделия из трепела, диатомита, древесноволокнистые, торфяные,
асбестоцементные теплоизоляционные плиты. Этот способ часто сочетают
с введением выгорающих добавок;
85
- Способ неплотной упаковки для сыпучих материалов достигается
подбором гранулометрического состава частиц, обеспечивающим
повышенную межзерновую пустотность;
- Создание волокнистого каркаса - основной способ образования
пористости волокнистых материалов: минеральной ваты, фибролита и т.п.
Пористость обусловлена взаимным переплетением волокон, образующих
жесткий каркас. Изделия из волокон часто формуют с различными
вяжущими веществами;
- Контактное омоноличивание заключается в связывании
волокнистых или зернистых материалов в местах их контакта тонкими
прослойками связующего;
- Объемное омоноличивание в отличие от контактного основано на
полном заполнении межзерновых пустот связующим; при этом способе
применяют высокопористые заполнители с оптимальным зерновым
составом (перлит, вермикулит, распушенный асбест и др.).
10.3. Свойства теплоизоляционных материалов
Теплопроводность (  ) определяет качество теплоизоляционных
материалов и составляет 0,03-0,175 Вт/(м.0С). Теплопроводность
материалов зависит в первую очередь от объема пор (пористости) и
характеристик поровой структуры (характер пор, их распределение по
размерам, по объему). Предпочтительны мелкие, замкнутые, равномерно
распределенные по объему поры. Теплопроводность материала зависит
также от химического состава, строения (кристаллическое или аморфное),
от влажности и температуры применения материала. Чем сложнее
химический состав и структура ближе к аморфной, тем меньше
теплопроводность. Увлажнение и тем более замерзание воды в порах
приводит к увеличению  .  возд.= 0,023;  Н2О = 0,58,  льда = 2,32 Вт/(м.0С).
Теплопроводность
материалов (кроме магнезитовых огнеупоров,
металлов) увеличивается при повышении температуры.
Плотность  m (кг/м3) материала определяет его теплопроводность.
По плотности устанавливают марки: от D15 до D500.
Прочность теплоизоляционных материалов невелика (табл 10.1),
обычно колеблется от 0,2 до 2,5 МПа (Rcж) и определяется прочностными
показателями твердой фазы и параметрами поровой структуры.
Таблица 10.1
Свойства теплоизоляционных материалов
Материал
Фибролит
Теплоизоляционная
Плотность,
кг/м3
400
400
Предел прочности, МПа, при
сжатии
изгибе
0,7
0,8
86
керамика
Ячеистый бетон
Пеностекло
Пенопласты
350
200
25
0,6
1
0,07
0,7
0,1
Прочность теплоизоляционного материала должна обеспечить его
сохранность при перевозке, складировании, монтаже и работе в
эксплуатационных условиях.
Предельная температура применения зависит от состава и
структуры материала и составляет 60-1000С для органических
теплоизоляционных материалов, 4000С для ячеистого бетона и пеностекла,
до 9000С для трепельного кирпича, вспученного перлита и вермикулита,
1100-13000С для керамических волокон.
Водопоглощение зависит от структуры и при закрытой пористости
(пеностекло, пенопласты) оно невелико; при открытой сообщающейся
пористости Wm может составить 400-600%.
Морозостойкость должна учитываться как свойство утеплителя
наружных ограждающих конструкций зданий и холодильников.
Огнеупорность важна для высокотемпературной теплоизоляции и
легковесных огнеупоров.
Химическую и биологическую стойкость теплоизоляции повышают,
применяя различные защитные покрытия. Для повышения биостойкости
применяется также обработка материалов антисептиками.
10.4.
Основные
виды
теплоизоляционных материалов
и
особенности
применения
Основные виды неорганических теплоизоляционных материалов.
Минеральная вата – рыхлый материал, состоящий из тончайших взаимно
переплетающихся стекловидных волокон. Ее вырабатывают из силикатных
расплавов, получаемых из горных пород (базальт, мергель, каолины и др.),
металлургических шлаков (шлаковая вата), отходов стекла (стекловата).
Вид сырья определяет температуростойкость ваты, так у базальтовой ваты:
она составляет до 10000С, а у стекловаты – 550-6500С.
Для получения изделий волокна скрепляют с помощью связующего
вещества, в качестве которого обычно используют синтетические смолы и
битумы. Минераловатные изделия (плиты, цилиндры, полуцилиндры) на
синтетическом связующем можно использовать для изоляции горячих
поверхностей до 4000С, а на битумном - от минус 100 до плюс 600С.
Прошивные маты из минеральной ваты не содержат связующего и
сохраняют форму за счет механического переплетения волокон и
87
дополнительной прошивки слоя волокнистого материала стальной
проволокой, стеклянными нитями и др. Отсутствие органического
связующего позволяет применять их при температуре изолируемых
поверхностей до 7000С.
Пеностекло – материал ячеистой структуры с равномерно
распределенными замкнутыми порами размером 0,1-5 мм. Его получают из
смеси тонкоизмельченного стеклянного порошка (обычно используется
стеклобой) с газообразователем.
По сочетанию свойств пеностекло можно отнести к лучшим
теплоизоляционным материалам: при плотности 150-400 кг/м3 его
теплопроводность составляет 0,06-0,12 Вт/(м.0С), прочность на сжатие – 13 МПа, интервал рабочих температур – от минус 200 до плюс 5000С.
Пеностекло
имеет
очень
низкое
водопоглощение
2-5%
и
паронепроницаемость. Ячеистое стекло легко обрабатывается (пилится,
сверлится), хорошо сцепляется с цементными материалами. Его можно с
успехом применять как в индивидуальном строительстве, так и для
тепловой изоляции конструкций и огнезащиты в высотном домостроении.
Ячеистые
бетоны
–
наиболее
перспективный
вид
теплоизоляционных бетонов. Применяют ячеистые бетоны в основном в
виде камней правильной формы, заменяющих 8-16 кирпичей. Материал
легко обрабатывается, негорючий, долговечный. Изделия из ячеистого
бетона применяют для изоляции строительных конструкций и горячего
промышленного оборудования с температурой до 4000С. Широкому
распространению
ячеистых
бетонов
препятствует
высокое
водопоглощение и гигроскопичность.
Основные виды органических теплоизоляционных материалов.
Ячеистые пластмассы – высокопористые материалы (пористость 90-98%)
с преимущественно замкнутыми порами. Газонаполненные пластмассы
характеризуются
высокой
теплоизолирующей
способностью
(теплопроводность у разных видов пластмасс – 0,028-0,043 Вт/(м.0С)),
низкой плотностью (марки – от 15 до 50), обладают малым расходом
полимерного сырья при достаточной прочности. Недостатки пластмасс
описаны в главе 9.
Наиболее
известный
вид
строительных
пенопластов
–
пенополистирол.
Из
беспрессового
пенополистирола
получают
крупноразмерные плиты, применяемые для тепловой изоляции стен, когда
необходима
паропроницаемость
всей
конструкции.
Прессовый
(экструзионный) пенополистирол вследствие особенностей технологии
имеет плотные «корки» на обеих поверхностях плит и полностью
замкнутую пористость. Он рекомендуется для тепловой изоляции
88
конструкций, где возможен контакт с водой
паропроницаемость (например, стены подвалов).
и
не
нужна
Пенополивинилхлорид применяется для теплоизоляции кровельных
конструкций. Пенополиэтилен – относительно новый вид строительных
пенопластов, изготавливается в виде листового рулонного материала.
Дублированный алюминиевой фольгой используется в качестве
отражающей теплоизоляции, а в виде трубок - применяется для изоляции
трубопроводов и герметизации стыков в панельных зданиях. Заливочные
пенопласты – жидко-вязкие олигомерные смолы, заливаемые в пазухи,
оставленные в изолируемой конструкции, вспучивающиеся и
отверждающиеся прямо в них.
Материалы на основе древесного сырья: изоляционные древесноволокнистые плиты (ДВП), фибролит, арболит. ДВП – листовой материал,
состоящий из древесных или растительных волокон, получаемых из
отходов деревообработки, неделовой древесины, а также костры, камыша,
хлопчатника и др. При изготовлении плит вводят специальные добавки:
водные эмульсии синтетических смол, антипирены, антисептики. Средняя
плотность плит 150-350 кг/м3, теплопроводность 0,046-0,093 Вт/(м.0С),
предел прочности при изгибе – 0,4-2 МПа. Большие размеры плит (длина
до 3 м, ширина до1,6 м) ускоряют проведение строительно-монтажных
работ. Их применяют для тепло- и звукоизоляции стен и перекрытий,
устройства подстилающих слоев в конструкциях полов и т.п.
Фибролит - плитный материал, изготавливаемый из древесной
шерсти (длинная стружка) и неорганического вяжущего (портландцемента
или магнезиального вяжущего). Фибролит применяют для изоляции
перекрытий,
перегородок,
каркасных
стен
с
последующим
оштукатуриванием. Арболит – разновидность легкого бетона на
заполнителях из древесных отходов.
Целлюлозная вата (эковата) – волокнистый материал серого цвета,
изготавливаемый из макулатуры. Это тонкоизмельченная газетная бумага,
обработанная модифицирующими борными добавками, антисептиками и
антипиренами. Эффективным методов устройства теплоизоляции из
эковаты является ее напыление компрессором на вертикальные, наклонные
и горизонтальные потолочные поверхности совместно с клеевым составом.
Получается сплошной (без швов и стыков) теплоизоляционный слой,
плотно прилегающий к изолируемой поверхности.
Вопросы для самоконтроля к главе 10
1. Какие материалы называют теплоизоляционными? В чем их
назначение?
89
2. Какова
материалов?
эффективность
применения
теплоизоляционных
3. По каким признакам классифицируют теплоизоляционные
материалы? Каковы особенности их структуры?
4. Какими
строения?
способами
получают
материалы
высокопористого
5. Каковы основные свойства теплоизоляционных материалов?
6. От каких факторов зависит теплопроводность материала?
7. Что такое марка теплоизоляционного материала?
8. Назовите и кратко охарактеризуйте основные
неорганических и органических теплоизоляционных материалов.
виды
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Строительные материалы и изделия очень многообразны. В условиях
ограниченного объема данного учебного пособия рассмотрены лишь
важнейшие из них. С составом, строением, свойствами, применением,
основами технологии других материалов (стекло, ситаллы, плавленые
каменные изделия, сборные железобетонные изделия и конструкции,
силикатные изделия автоклавного твердения, строительные растворы,
металлические материалы и изделия, акустические материалы,
лакокрасочные материалы и т.п.) студенты - заочники могут ознакомиться,
воспользовавшись рекомендуемой литературой.
90
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Примеры вариантов контрольного задания
Вариант № 1
В лаборатории испытали три образца-цилиндра (D = 7 см, H = 14
см) известняка, который предполагается использовать для облицовки
наружных стен. Были получены следующие результаты:
- масса в естественном состоянии, г - 1211, 1224, 1219;
- масса в сухом состоянии, г - 1204, 1213, 1210;
- масса в насыщенном водой состоянии, г - 1227, 1236, 1232;
- разрушающая сила при сжатии, кн:
- в сухом состоянии - 112, 117, 123;
- в насыщенном водой состоянии - 89, 86, 94.
Для справки: истинная плотность данной горной породы – 2,6 г/см3.
Определить: влажность горной породы, среднюю плотность в
естественном и сухом состоянии, пористость и коэффициент плотности,
водопоглощение по массе и объему, коэффициент насыщения пор водой,
пределы прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии,
удельную прочность, коэффициент размягчения. Оценить
морозостойкость и водостойкость горной породы.
Составить паспорт на материал и дать заключение о его
пригодности для облицовки наружных стен.
Дополнительно: пользуясь учебником и при необходимости
специальной литературой описать классификацию горных пород и место
известняка в ней, дать характеристику отдельных групп горных пород,
основных породообразующих минералов. Какие виды известняка
существуют и каковы рациональные области их применения?
Вариант № 2
В лаборатории испытали три блока (размер 40х30х20 см) из
ячеистого бетона, который предполагается использовать для кладки
наружных стен. Были получены следующие результаты:
- масса в естественном состоянии, кг – 15,4; 14,7; 15;
- масса в сухом состоянии, кг – 14,3; 13,8; 14,1;
- масса в насыщенном водой состоянии, кг – 28,6; 28,2; 29,0;
- разрушающая сила при сжатии, кн (образцы-кубы 10х10х10 см):
91
- в сухом состоянии – 48, 61, 56;
- в насыщенном водой состоянии - 36, 42, 40.
Для справки: истинная плотность бетона - 2,5 г/см3.
Определить: влажность материала, среднюю плотность в
естественном и сухом состоянии, пористость и коэффициент плотности,
теплопроводность, удельную прочность, водопоглощение по массе и
объему, коэффициент насыщения пор водой, пределы прочности при
сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии, коэффициент размягчения.
Оценить морозостойкость и водостойкость данного ячеистого бетона.
Составить паспорт на материал и дать заключение о его
пригодности для кладки наружных стен.
Дополнительно: пользуясь учебником и при необходимости
специальной литературой описать классификацию бетонов по различным
признакам и место ячеистых бетонов в ней. Дать характеристику
разновидностей ячеистого бетона и указать рациональные области их
применения.
Вариант № 3
При испытании трех образцов- кубов (7,07х7,07х7,07 см) песчаника,
который предполагается использовать для облицовки цоколя здания, были
получены следующие результаты:
- масса в естественном состоянии, г – 860, 875, 889;
- масса в сухом состоянии, г – 855, 869, 873;
- масса в насыщенном водой состоянии, г – 870, 881, 895;
- разрушающая сила при сжатии, кн:
- в сухом состоянии – 86,4; 87; 88,6;
- в насыщенном водой состоянии - 84,9; 84,0; 84,9.
Для справки: истинная плотность данной горной породы – 2,63 г/см3.
Определить: влажность горной породы, среднюю плотность в
естественном и сухом состоянии, пористость и коэффициент плотности,
водопоглощение по массе и объему, коэффициент насыщения пор водой,
пределы прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии,
удельную прочность, коэффициент размягчения. Оценить
морозостойкость и водостойкость горной породы.
Составить паспорт на материал и дать заключение о его
пригодности для облицовки цокольной части наружных стен.
92
Дополнительно: пользуясь учебником и при необходимости
специальной литературой описать виды и свойства материалов,
используемых для облицовки наружных стен.
Методические указания к выполнению контрольного задания
Контрольное задание представляет собой задачу, в которой
приведены результаты лабораторных испытаний определенного материала
и задается вопрос о пригодности этого материала для какой-либо области
применения. Например, даны результаты испытаний горной породы –
известняка, и спрашивается, можно ли его применять для облицовки
фасадов зданий.
Необходимо, пользуясь учебником, данным методическим пособием,
материалом лекций, рассчитать требуемые в задаче характеристики
свойств материала и на основании сделанных расчетов дать
аргументированный вывод о пригодности материала для указанной цели.
Расчеты должны быть подробными и сопровождаться необходимыми
пояснениями.
Паспорт на материал может представлять собой сводную таблицу
результатов.
Вводная (или заключительная) часть контрольного задания должна
содержать описание материала, о котором идет речь в задаче. Например,
если речь идет об известняке, следует дать описание этой горной породы,
ее место в общей классификации горных пород, способы добычи,
разновидности известняка, свойства, рациональные области его
применения.
Следует предложить альтернативные варианты – другие материалы,
пригодные для предлагаемой в задаче области применения.
Контрольное задание представляется на листах формата А4, в
сброшюрованном виде. Желательно, чтобы общий объем работы не
превышал 10 с.
Контрольное задание подлежит обсуждению и защите при сдаче
зачета.
93
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1. Строительные материалы: Учебник /под общей ред.
В.Г.Микульского. - М.: Изд-во АСВ, 2000, 2002, 2004.
2. Строительные материалы: Учебник /под общей ред. Г.П.
Сахарова. - М.: Изд-во АСВ, 2007.
3. В.В.Ни Строительные материалы: Учебник. – М.: Издательство
Феникс, 2013.
Дополнительная:
4. Попов К.Н., Каддо М.Б., Кульков О.В. Оценка качества
строительных материалов: Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ,
2004.
5. Смирнов В.А., Ефимов Б.А., Кульков О.В., Баландина И.В.,
Сканави Н.А. Материаловедение, Отделочные работы. – Учебник,
М.: Издательский центр «Академия», 2001, 2002, 2006, 2007,2010.
6. Строительные материалы и изделия: Учебник для учреждений
среднего проф. обр./ К.Н. Попов, М.Б. Каддо. – 3-е изд., – М.:
Высш. шк., 2006.
7. Сулименко Л.М. Технология минеральных вяжущих материалов и
изделий на их основе. Учебник для вузов, 4-е изд-е, М.: Изд-во
«Высш. школа», 2005.
8. Рыбьев И.А., Казеннова Е.П., Кузнецова Л.Г. и др.
Материаловедение в строительстве. Учебное пособие для ВУЗов,
Изд. центр «Академия», 2006.
94