5670

Будівельні матеріали. Загальні технічні властивості будівельних матеріалів

Конспект

Архитектура, проектирование и строительство

Вступ Ця дисципліна вивчає будівельні матеріали і вироби, їх значення для розвитку будівництва та підвищення ефективності капіталовкладень. Приділяється увага питанням класифікації будівельних матеріалів, їх складу і структури, корозії матеріалів, е...

Украинкский

2012-12-17

164.85 KB

23 чел.

Вступ

Ця дисципліна вивчає будівельні матеріали і вироби, їх значення для розвитку будівництва та підвищення ефективності капіталовкладень. Приділяється увага питанням класифікації будівельних матеріалів, їх складу і структури, корозії матеріалів, економії паливно-енергетичних ресурсів, використанню вторинної сировини та охорони довкілля при виробництві будівельних матеріалів. Розглядаються принципові питання технології виробництва найважливіших будівельних матеріалів, способи підвищення їх довговічності.

Мета дисципліни: формування умінь і навичок, які дають змогу робити правильний вибір матеріалу з урахуванням експлуатаційних умов, передбачати економію витрат на матеріали, зниження маси будівель і споруд; опанування теоретичними основами проектування та здійснення ремонтно-будівельних робіт.

Вивчення дисципліни  спирається  на такі дисципліни: «Будівлі та споруди», «Будівельні машини і транспорт», безпосередньо на дисципліну «Будівельні конструкції».

Лекція 1

Загальні технічні властивості будівельних матеріалів

Для виконання функціонального призначення у спорудах матеріали повинні мати необхідні властивості. Під властивостями розуміють здатність матеріалів певним чином реагувати на вплив окремих або сукупних зовнішніх чи внутрішніх факторів (механічних, фізичних, хімічних, біологічних та ін.). Тому, обираючи певний матеріал з урахуванням умов експлуатації та призначення об’єкта, треба правильно визначити його властивості й всебічно оцінити їх.

Для оцінки властивостей будівельних матеріалів їх піддають різним випробуванням у лабораторіях, використовуючи для цього спеціальні прилади, механізми й вимірювальну апаратуру. Порівнюючи одержані показники з відповідними величинами, встановленими нормативними документами (стандартами, технічними умовами, будівельними нормами), роблять висновок про технічну можливість, а враховуючи економічні показники, і економічну доцільність використання даного будівельного матеріалу в конкретних умовах.

Вибір матеріалів відповідної якості й вартості для будівництва кожного об’єкта є одним з основних елементів будівельного проектування.

Усі властивості будівельних матеріалів за сукупністю ознак поділяють на фізичні, механічні, хімічні й технологічні.

1.1. Фізичні властивості

 

 Фізичні властивості характеризують особливості фізичного стану матеріалу, а також його здатність реагувати на зовнішні фактори, що не впливають на хімічний склад матеріалу.

До фізичних властивостей матеріалів належать: істинна та середня густина, пористість, вологість, водопоглинення, водопроникність, морозостійкість та ін.

Істинна густина ρ – це маса одиниці об’єму матеріалу в «абсолютно» щільному стані (без пор, пустот), найчастіше її визначають у г/см3 або кг/м3.

Майже всі будівельні матеріали мають пористу основу, за винятком скла, кварцу, ситалу, сталі та деяких інших. Щоб визначити «абсолютний» об’єм випробовуваного матеріалу, його висушують до сталої маси mс й тонко подрібнюють, щоб кожна частинка не мала пор. Одержаний порошок засипають у спеціальний прилад (об'ємомір), заповнений інертною рідиною по відношенню до речовини, що випробовується (водою, гасом тощо), і за об’ємом витісненої ним рідини встановлюють «абсолютний» об’єм матеріалу Vа . Істинну густину  визначають за формулою

                                      ρ = mс / Vа .

Показник ρ – довідкова величина, яка застосовується для виконання деяких розрахунків, наприклад, визначення показника пористості. Істинна густина одного й того самого матеріалу в звичайних умовах залишається сталою.

Середня густина ρо - це маса одиниці об’єму матеріалу в природному стані (разом з порами, пустотами), найчастіше її визначають у г/см3 або кг/м3.

Для визначення середньої густини масу випробовуваного матеріалу знаходять зважуванням, а об’єм для зразків правильної геометричної форми – звичайним вимірюванням, неправильної форми – в об'ємомірі за об’ємом витісненої інертної рідини. Середню густину сипких матеріалів (цементу, вапна, піску, щебеню, гравію тощо) називають насипною густиною.

Насипна густина ρн – це відношення маси сипкого матеріалу до його об’єму, включаючи простір між пластинками.

Середня густина залежить від хімічного й мінералогічного складів матеріалу, але більшою мірою – від розміру й кількості пор і пустот. З підвищенням вологості показник ρн збільшується. Середня густина має велике практичне значення для виконання різних розрахунків (обсягів транспортування, складування матеріалів, міцності конструкцій). Вона тісно пов’язана з іншими властивостями будівельних матеріалів, що дає змогу визначати доцільні галузі їхнього використання у будівництві.

У ряді випадків використовують поняття відносної густини d, тобто відношення середньої густини матеріалу до густини стандартної речовини (наприклад, води, для якої ρв = 1000 кг/м3. Відносну величину використовують для визначення орієнтовної теплопровідності, коефіцієнта конструктивної якості.

Пористість П – це ступінь заповнення об’єму матеріалу порами. ЇЇ виражають у відсотках або в частках одиниці (коли загальний об’єм матеріалу приймають за одиницю).

Пористість визначають за формулою

                                 П = (ρ  - ρо )/ ρ.

З пористістю пов’язані такі технічні властивості матеріалу, як міцність, водопоглинання, морозостійкість, теплопровідність тощо. Крім кількості пор у матеріалі, на його властивості істотно впливає характер пористості. Пори можуть бути закритими, тобто недоступними для заповнення водою, і відкритими.

Будівельні матеріали навіть із значною пористістю, але з невеликими або переважно закритими порами мають невелике водопоглинання і значну морозостійкість, тоді як матеріали з таким самим числовим показником пористості, але з відкритими порами не можуть застосовуватися у місцях з високою вологістю.

Пустотність характеризується наявністю порожнин (пустот) у будівельних виробах або між зернами в сипких матеріалах і визначається у відсотках від загального об’єму виробу або матеріалу. Пустотність можна обчислити за тими самими формулами, що й пористість.

Водопоглинання – властивість матеріалу вбирати й утримувати в собі воду. Щоб визначити водопоглинання, зразок матеріалу занурюють у воду й витримують до досягнення ним сталої маси. Повне водонасичення матеріалу досягається його кип’ятінням з наступним охолодженням у воді або під вакуумом.

Водопоглинання за масою визначають як відношення кількості поглинутої води до маси сухого матеріалу. Водопоглинання за об’ємом характеризується ступенем наповненості пор матеріалу водою при насиченні, виражається відношенням об’єму поглинутої води до об’єму матеріалу в природному стані.

Насичення матеріалів водою істотно позначається на інших властивостях: підвищується середня густина, теплопровідність, знижується міцність, морозостійкість.

Вологість –вміст вільної води в порах і на поверхні матеріалу. Вологість визначають у відсотках за масою або об’ємом. Вона може бути абсолютною або відносною.

Абсолютну вологість визначають як відношення маси вологи, яка знаходилась у матеріалі, до маси сухого матеріалу, а відносну – як відношення маси вологи до маси матеріалу у вологому стані.

Вологість матеріалу в будівельних конструкціях залежить від вологості навколишнього середовища, атмосферних явищ (дощ, танення снігу). Із зволоженням погіршуються теплозахисні властивості, морозостійкість та інші показники.

Гігроскопічність – це властивість матеріалу поглинати і конденсувати водяну пару з повітря. Вбирання вологи з повітря обумовлюється адсорбцією водяної пари на внутрішній поверхні пор і капілярною конденсацією. Коли цей процес супроводжується хімічною взаємодією з матеріалом, його називають хемосорбцією. Наприклад, портландцемент при тривалому зберіганні, внаслідок хемосорбції поступово грудкується і втрачає свою активність.

Морозостійкість – це здатність матеріалу витримувати у водонасиченому стані навперемінне заморожування і відтавання без суттєвих втрат міцності й маси.

Під дією від’ємних температур вода у крупних порах замерзає, перетворюючись на лід зі збільшенням об’єму приблизно на 9 %, що призводить до виникнення тиску на стінки пор, який становить близько 210 МПа при температурі – 20 оС. При цьому в матеріалі з’являються внутрішні напруження, які можуть спричинити його руйнування.

Щоб визначити морозостійкість, зразки матеріалу насичують водою, а далі піддають навперемінному заморожуванню при температурі – (18+- 2) оС і відтаванню у воді з температурою (18+- 2) оС до певного числа циклів, встановленого нормативними документами, або до початку руйнування зразка.

 Марка за морозостійкістю F – це число циклів навперемінного заморожування та відтавання цілих виробів або зразків з матеріалів у насиченому водою стані при збереженні ними початкових фізичних та фізико-механічних властивостей у нормованих межах. Цикл випробування, умови якого регламентуються відповідними стандартами, складається з одного заморожування та відтавання зразків протягом визначеного часу.

Залежно від призначення до матеріалів висуваються різні вимоги щодо морозостійкості. Так, рядова цегла повинна мати марку не менше F 15.

 Теплопровідність – це здатність матеріалу передавати теплоту від однієї поверхні до іншої за наявності різниці температур на цих поверхнях. Така здатність характеризується коефіцієнтом теплопровідності.

 Коефіцієнт теплопровідності λ –кількість тепла, що проходить крізь зразок матеріалу завтовшки 1 м, площею 1 м2 за 1 секунду при різниці температур на протилежних сторонах зразка в 1 градус.

 Вогнева усадка – здатність матеріалів змінювати свої розміри та об’єм внаслідок спікання чи оплавлення частинок під дією високих температур.

 Вогнестійкість – це здатність матеріалу витримувати дію високих температур або вогню й води (під час пожеж), не руйнуючись. За ступенем вогнестійкості будівельні матеріали поділяють на три групи: негорючі, важкогорючі й горючі.

 Негорючі – це матеріали, які під дією вогню чи високих температур не горять, не тліють і не обвуглюються. Негорючі матеріали поділяють на вогнестійкі, що практично не деформуються (цегла, черепиця, жаростійкий бетон, сієніт), вогнетривкі й термічно стійкі.

 Важкогорючі - це матеріали, які під дією вогню чи високих температур злегка займаються, тліють або обвуглюються, а коли віддаляється джерело вогню, ці процеси припиняються. До таких матеріалів належать здебільшого мінералоорганічні матеріали (асфальтобетон, гідроізол).

 Горючі - це матеріали, які під дією вогню чи високих температур займаються або тліють,  ці явища тривають і тоді, коли усунуто джерело вогню. До цієї групи належать деревина, бітуми, полімерні матеріали.

 Вогнетривкість – це властивість матеріалу протистояти, не розплавляючись, впливу високих температур. Вона характеризується температурою, під впливом якої зразок випробуваного матеріалу у вигляді зрізаної тригранної піраміди (піроскопа) розм’якшується і деформується так, що його вершина дотикається підставки.

 Жаростійкість – це здатність матеріалу за умов тривалої дії температур в заданому інтервалі зберігати або незначно змінювати свої фізичні або механічні властивості.

 Радіоактивність будівельних матеріалів обумовлена природними довго існуючими радіонуклідами, переважно радієм-226, торієм-232 та калієм-40.

 Радіаційна стійкість – властивість матеріалу протистояти дії радіоактивного випромінювання, яке змінює його структуру і властивості. Споруди атомної енергетики, деякі науково-дослідні, лікувально-профілактичні установи необхідно захищати від радіоактивного випромінювання, в першу чергу від потоку нейтронів та γ-променів, небезпечних для живих істот. Для захисту від нейтронного випромінювання застосовують матеріали, що містять велику кількість хімічно зв’язаної води (бетони), а від γ-випромінювання – матеріали з великою середньою густиною (особливо важкі бетони, свинець, барит).

1.2. Механічні властивості

 Механічні властивості вказують на здатність матеріалу чинити опір руйнуванню або деформаціям (зміна форми і розмірів) під дією зовнішніх навантажень.

Такими властивостями є твердість, міцність, пружність, розтяжність, пластичність, крихкість. Будівельні матеріали в спорудах зазнають дії різних зовнішніх сил та інших факторів, які можуть призвести до появи тріщин, зміни початкової форми без зміни структури, зниження міцності та інших явищ, пов’язаних із фізико-механічними властивостями.

 Міцність – це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню від внутрішніх напружень, що виникають під дією різних зовнішніх навантажень. У процесі експлуатації будівель і споруд будівельні матеріали найчастіше зазнають напружень стиску, згину, розтягу, зрізу та удару.

Будівельні матеріалу неоднаково сприймають різні навантаження. Це залежить від хімічного та мінералогічного складів матеріалу, структури й будови. Так, природні кам’яні матеріали, цегла і бетон добре працюють на стиск, але погано на розтяг і згин. На розтяг вони витримують навантаження в 10…15 разів менші, ніж на стиск.

Міцність будівельних матеріалів характеризується межею міцності при стиску, згині тощо. Вона чисельно дорівнює напруженню в матеріалі, яке відповідає навантаженню, що призвело до руйнування зразка і вимірюється в МПа.

Зразки будівельних матеріалів випробовують на спеціальних пресах до руйнування, а межу міцності при стиску, МПа, обчислюють за формулою

Rст = P / F,

де P – руйнівне навантаження (сила), МН; F – площа поперечного перерізу зразка до випробування, м2 .

Крім традиційних руйнівних методів, для визначення міцності будівельних матеріалів можна застосовувати також  неруйнівні методи, наприклад, ультразвуковий.

 Водостійкість – це здатність матеріалу зберігати фізико-механічні властивості у насиченому водою стані, характеризується коефіцієнтом розм’якшення Кр. Цей показник визначається відношенням міцності насиченого водою матеріалу до його міцності в сухому стані.

 Межу міцності при згині  визначають на зразках – балочках квадратного чи прямокутного перерізу, розміри яких встановлені відповідними стандартами, а також на натурних зразках (цегла, черепиця, азбестоцементні листи).

Випробування на згин виконують за схемою балки, встановленої на двох опорах при зосередженому навантаженні, прикладеному симетрично відносно осі балки, до її руйнування. Межа міцності на згині, МПа, якщо навантаження зосереджене й прикладене в центрі,

R = 3P / 2bh2.

Якщо два навантаження прикладені симетрично відносно осі балки, то

R = 3P (l а) / 2bh2,

де P – руйнівне навантаження (сила), l – відстань між опорами, м; b, h – ширина й висота поперечного перерізу зразка, м; а – відстань між точками прикладання двох навантажень, м.

Під час експлуатації в спорудах допускаються напруження, значно нижчі за межу міцності Z.

Для порівняльної оцінки ефективності різних матеріалів використовують коефіцієнт конструктивної якості, МПА, який характеризується відношенням межі міцності при стиску або розтягу до відносної густини.

 Твердість – це здатність матеріалу чинити опір місцевим деформаціям, які виникають тоді, коли в нього проникають інші, твердіші тіла.

Твердість металів, бетону, деревини та деяких інших матеріалів визначають, вдавлюючи у зразки з певним зусиллям кульку або наконечник (конус, піраміду). Ступінь твердості встановлюють за розміром відбитка. Число твердості за Брінеллем (НВ) визначають відношенням прикладеного навантаження Р до площі поверхні відбитка F і обчислюють за формулою, МПа,

HB = P / F.

Ступінь твердості мінералів гірських порід визначають за шкалою порівняльної твердості Мопса, яка складається з десяти мінералів – еталонів: тальк – 1; гіпс – 2; кальцит – 3; плавиковий шпат – 4; апатит – 5; ортоклаз – 6; кварц – 7; топаз – 8; корунд – 9; алмаз – 10.

 Стиранність – це властивість матеріалу чинити опір впливу стиральних зусиль. Стиранність залежить від твердості матеріалу і характеризується зменшенням маси на одиницю площі поверхні зразка, що стирається, і визначається за формулою, кг/м2

И = (m1 m2) / F,

де m1 і m2 – маси зразка відповідно до й після стирання, кг; F – площа стиранок поверхні, м2.

Показник стиранності має вирішальне значення під час вибору матеріалу для підлог, дорожніх покриттів тощо.

 Ударна міцність – це здатність матеріалу протидіяти руйнуванню при короткочасному навантаженні ударного характеру. Природні й штучні кам’яні матеріали, які застосовуються для влаштування доріг, підлог, фундаментів під молоти, зазнають у процесі експлуатації ударних впливів.

Ударна міцність Rуд Дж/м3, характеризується роботою, затраченою на руйнування зразка матеріалу й віднесеною до одиниці об’єму матеріалу, і обчислюється за формулою

Rуд = nqh / V,

де n – кількість ударів;  q – вага гирі, Н;  h – висота її падіння, м; V – об’єм зразка, м3.

 Опір зношуванню визначають переважно для дорожніх матеріалів, а також для матеріалів підлог, які в процесі експлуатації зазнають одночасної дії стирання і ударів. Зношування визначають у спеціальних барабанах із кулями за втратою маси завантаженого в прилад матеріалу (% до початкової маси).

 Деформативні властивості. Під дією зовнішніх сил у будівельних конструкціях виникають деформації різного походження. Деформативні властивості матеріалів визначаються пружністю, пластичністю, крихкістю.

 Пружність – це здатність твердого тіла деформуватися під дією зовнішніх сил і самочинно відновлювати початкову форму та об’єм після припинення дії навантаження. Пружну деформацію, яка повністю зникає із зняттям зовнішніх сил, називають оборотною. Якщо форма тіла відновлюється частково, то мають місце залишкові деформації. Для деяких високоеластичних матеріалів, наприклад, каучуку, пружна деформація може перевищувати 100 % внаслідок розриву зв’язків випрямлених молекул, тобто об’єм матеріалу після зняття навантаження може бути більший за початковий.

 Межа пружності – це  найбільше напруження, при якому залишкові деформації мають найменше (допустиме за нормами) значення, тобто матеріал практично зазнає оборотних пружних деформацій.

Модуль пружності Е, МПа, характеризує жорсткість матеріалу, тобто його здатність деформуватися під дією зовнішніх сил.

 Пластичність – це властивість матеріалу змінювати без руйнування форму й розміри під впливом навантаження або внутрішніх напружень, стійко зберігаючи утворену форму і розміри після припинення цього впливу. Такі пластичні (залишкові) деформації називають необоротними.

 Крихкість – це властивість твердих матеріалів руйнуватися під впливом механічних напружень, які в них виникають, без помітної пластичної деформації. Ця властивість протилежна пластичності.

 Повзучість – це властивість матеріалів повільно й безперервно деформуватися під впливом постійного навантаження. Для деяких матеріалів (бетону, гіпсових, азбестоцементних виробів) ця здатність спостерігається при звичайних температурах, для металів – при підвищених.

 1.3. Хімічні властивості

Хімічні властивості характеризують здатність матеріалу до хімічних перетворень при взаємодії з речовинами, що контактують з ним. До них належать: розчинність, кислотостійкість, лугостійкість, токсичність та інші.

Кислотостійкість – це здатність матеріалу (виробу) чинити опір дії розчинних кислот або їхніх сумішей у межах, встановлених нормативними документами. Наприклад, кислотостійкість каналізаційних керамічних труб становить не менше 92 % (тобто втрати за масою – до 8 %).

Лугостійкість – це здатність матеріалу (виробу) чинити опір дії лугів у межах, встановлених нормативними документами.

Токсичність – це здатність матеріалу в процесі виготовлення й особливо експлуатації за певних умов виділяти шкідливі для здоров’я людини (отруйні) речовини.

Розчинність – це здатність матеріалу розчинюватись у воді, олії, бензині, скипидарі та інших речовинах-розчинниках.

Корозійна стійкість – це здатність матеріалу не руйнуватися під впливом речовин, з якими він стикається у процесі експлуатації.

Корозійному руйнуванню піддаються не тільки метали, але й кам’яні матеріали, бетони, пластмаси, деревина. Корозія обумовлена хімічними та електрохімічними процесами, які відбуваються у твердих тілах при взаємодії із зовнішнім середовищем.

1.4. Технологічні властивості

Група технологічних властивостей характеризує здатність матеріалу до сприйняття певних технологічних операцій, виконуваних з метою зміни його форми, розмірів, характеру поверхні, щільності тощо. До них відносять, наприклад, формувальність, подрібнюваність, розпилюваність, пробійність, полірувальність.  

Формувальність характеризує здатність матеріалу набирати певної форми внаслідок різних механічних впливів (вібрування, пресування, видавлювання, прокатування). Вона залежить від в'язкопластичних властивостей вихідних мас (глиняне тісто, розчинова і бетонна суміш, полімерні маси).

Подрібнюваність – це здатність матеріалу до диспергації внаслідок механічної дії переважно ударних навантажень з утворенням зернистого матеріалу у вигляді щебеню та піску.

Розпилюваність –це здатність матеріалу сприймати пиляння без істотного порушення структури. Прикладами матеріалів, що піддаються розпилюванню, є деревина, м’які гірські породи.

Пробійність виражає здатність матеріалу утримувати цвяхи й шурупи за певних умов висмикування. Висока пробійність притаманна деревині й ніздрюватому бетону.

Полірувальність  - це здатність матеріалу сприймати обробку тонкими абразивними матеріалами. При цьому створюється гладенька блискуча поверхня. Найчастіше поліруванню піддають природні кам’яні матеріали (мармур, граніт, кварцит).

Лекція 2

ПРИРОДНІ КАМ'ЯНІ МАТЕРІАЛИ

 Природними кам’яними матеріалами називають матеріали і вироби, які одержують механічною обробкою (подрібненням, розколюванням, розпилюванням тощо) гірських порід, не змінюючи їхньої природної структури й властивостей.

Гірські породи – це природні мінеральні утворення, які сформувались внаслідок геологічних процесів у земній корі, відрізняються ступенем щільності, складаються з одного або кількох мінералів, характеризуються відносно сталим мінералогічним складом, певними будовою і властивостями і мають великі площі залягання.

Природні мінерали – це новоутворення, що відрізняються постійними хімічним складом, структурою, властивостями і беруть участь у формуванні гірських порід.

У сучасному будівництві визначилися такі основні напрями використання згаданих матеріалів:

  1.  штучне каміння та вироби для зведення стін будівель, улаштування підлог, сходів тощо;
  2.  облицювальні вироби – плити, каміння, профільовані вироби;
  3.  каміння та вироби для дорожнього будівництва – брущатка, шашка для брукування, плити, бордюрний камінь;
  4.  каміння та вироби  різних типів для гідротехнічних та інших споруд;
  5.  нерудні матеріали – бутовий камінь, заповнювачі для бетону (щебінь, гравій, пісок).

Гірські породи широко застосовують як сировину для одержання мінеральних в’яжучих речовин, кераміки та інших матеріалів.

2.1. Характеристика породотвірних мінералів

2.1.1. Група кварцу

До цієї групи належить ряд мінералів, що є модифікаціями діоксиду кремнію: кварц, халцедон, опал.

Кварц (SiO2) – це кристалічна форма діоксиду силіцію. Міцний, твердий і стійкий мінерал земної кори. Міцність на стиск до 2000 МПа, твердість за Моосом – 7, добре чинить опір стиранню та хімічним впливам (при звичайній температурі взаємодіє тільки з плавиковою кислотою), істинна густина – 2,65 г/см3. Спайність (здатність розколюватися при ударі по певних поверхнях) відсутня; злом нерівний; блиск скляний. Форма кристалів – шестигранні призми з шестигранними пірамідами на основах. Кварц буває безбарвним, білим, сірим, димчастим, рожевим, залежно від домішок. Кварц входить до складу гранітів, пісковиків, кварцитів, діоритів.

Опал (SiO2.nH2O) – це гідратований аморфний кремнезем. Істинна густина 1,9…2,5 г/см3, твердість 5…6, крихкий. Колір білий, залежно від домішок – блакитний, бурий, зелений, чорний; блиск скляний. Менш міцний і стійкий, ніж кварц. Має підвищену внутрішню мікропористість і високодисперсну структуру, високу реакційну здатність до гідроксиду кальцію. Цю властивість аморфного кремнезему широко використовують при виготовленні мінеральних змішаних в’яжучих речовин. Зустрічається в гірських породах: діатомітах, опоках, трепелах, мергелях.

2.1.2. Група алюмосилікатів

Корунд – це найтвердіший із мінералів (твердість за шкалою Мооса 9). Істина густина 4 г/см3,колір різний, звичайно блакитнуватий. Сизо-сірий. Зустрічається у вигляді короткостовпчастих кристалів або зернистих агрегатів. Глинозем використовують при виробництві високовогнетривких матеріалів.

Діаспор – це моногідрат глинозему (Al2O3.H2O), входить до складу бокситів, які використовуються при виробництві глиноземистого цементу.

Найчастіше глинозем зустрічається у природі у вигляді сполук з кремнеземом – алюмосилікатів, до яких відносять польові шпати, слюди, глинисті мінерали.

Польові шпати – це алюмосилікати калію, натрію, кальцію або їхні суміші. Це найпоширеніші мінерали, що становлять до 60% земної кори. Істинна густина 2,55…2,70 г/см3, твердість 5…6, міцність при стиску – 120…170 МПа, температура плавлення – 1170…1550 оС. Колір білий, сірий, жовтий, від рожевого до темно-червоного.

2.1.3. Група залізисто-магнезіальних силікатів

Авгіт – це складний залізисто-магнезіальний силікат темно-зеленого, чорно-бурого або чорного кольору зі скляним блиском.

Олівін –це мінерал оливково-зеленого, жовтувато-зеленого, чорного кольору, має скляний блиск.

Рогова обманка – це складний алюмомісткий залізисто-магнезіальний силікат темно-бурого, зеленого, чорного кольору зі скляним блиском і досконалою спайністю.

Ці мінерали відрізняються високою істинною густиною – 3.,2…3,6 г/см3, твердістю -  5…6, значною уданою в’язкістю.

2.1.4. Група карбонатів

Кальцит CaCO3 зустрічається у вигляді кристалів різної форми; безбарвний або молочно-білого кольору з різними відтінками. Має скляний блиск; істинна густина становить 2,7 г/см3, твердість 3. Легко розкладається кислотами.

Магнезит MgCO3 – це кристалічний мінерал, за структурою і формою кристалів схожий на кальцит, але більш важкий і твердий і менш хімічно активний. Має істинну густину 2,9…3,1 г/ см3, твердість 4…4,5; колір білий; блиск -  скляний.

Доломіт CaCO3. MgCO3  за властивостями займає проміжне положення між кальцитом і магнезитом.

2.1.5. Група сульфатів

Гіпс CaSO4.2Н2О – це кристалічний мінерал пластинчастої, волокнистої або зернистої будови з істинною густиною2,3 г/см3, твердістю 2, в чистому вигляді – прозорий, завдяки домішкам має світло-сірий, жовтуватий, рожевий та інші кольори.

Ангідрит CaSO4 – це безводний різновид гіпсу. Він важчий і твердіший за гіпс; істинна густина становить 2,8…3,0 г/см3, твердість 3,0…3,5, колір – світло-сірий, сіро-блакитний, спайність – досконала; блиск – скляний.

2.2. Будова й властивості гірських порід різного походження

2.2.1. Вивержені породи

Вивержені масивні глибинні породи утворилися внаслідок повільного і рівномірного охолодження магми під великим тиском. Магма охолоджувалася і залишалася на великій глибині у земній корі, що сприяло утворенню в породах мінералів зернисто-кристалічної будови без цементуючою речовини (гранітна будова).

Основні властивості цих порід: масивність залягання, високі середня густина і міцність при стиску, незначне водопоглинання, істотна морозостійкість, велика теплопровідність.

До вивержених глибинних порід належать граніт, сієніт, діорит, габро, лабрадорит.

Вивержені масивні вилиті породи утворилися внаслідок охолодження магми у вигляді лави на поверхні землі або близько до неї. Охолоджування відбулося більш швидко і менш рівномірно при відносно швидкому спаданні тиску або навіть при атмосферному тиску. Такі умови не сприяли утворенню крупних кристалів,  замість них утворювалися нові структури: приховано-кристалічна, дрібнокристалічна або навіть аморфна (склоподібна).

Усі вилиті породи мають спільний хімічний склад з аналогічними глибинними, але відрізняються за структурою. До таких порід відносять: кварцові й ортоклазові порфіри, порфірити, ліпарити, андезити, діабази.

Вивержені уламкові (вулканічні) породи можуть бути сипкими і зцементованими. Сипкі порошкоподібні частинки (до 1 мм) називають вулканічним попелом, а крупніші – пемзою.

Вулканічний попіл й піски переважно складаються з вулканічного скла й аморфного кремнезему, насипна густина 500 кг/м3. Вони є активними мінеральними добавками (пуцолановими). Пісок є заповнювачем для легких бетонів і розчинів.

Пемза – це спучене кисле вулканічне скло, середня густина якого становить 300…600 кг/м3.

2.2.2. Осадові породи

Механічні відклади (уламкові породи) утворилися внаслідок руйнування гірських порід різного походження. Сипкі механічні відклади розрізняють за крупністю зерен. Найкрупнішими є валуни (понад 300 мм) та булижники (150…300 мм). Гравій – це обкочені зерна розмірами від 5 до 150 мм. Піски є сипкою сумішшю кварцових та інших зерен розмірами від 0,16 до 5,0 мм. Дрібніші зерна називають пилуватими частинками: це нанесені вітром відклади – лес, а також найтонкіші відклади, нанесені водою – мул. Найбільш дисперсними є глини, розмір зерен яких не перевищує 0,005 мм.

За хімічним составом глини – це водні алюмосилікати з різними домішками. Найпоширеніші мінерали глин – каолініт, монтморилоніт, галуазит.

Зцементовані зерна піску називають пісковиком, а зцементовані обкачані зерна гравію – конгломератом , а  гострокутні - брекчією.

Хімічні осади (хемогенні породи) утворилися внаслідок випадання в осад речовин, що перейшли у водний розчин під час руйнування гірських порід. Вони є наслідком зміни умов середовища, взаємодії розчинів різного складу і випарування. До них відносять вапняки, вапнякові туфи, магнезити, доломіти, гіпси, ангідрити, барити.

Органогенні відклади утворилися внаслідок відкладання морських організмів.

Діатоміт  складається з аморфного опалоподібного кремнезему SiO2.nH2O. Колір білий, сірий, жовтуватий.

Трепел за зовнішнім виглядом, складом і властивостями дуже подібний до діатоміту, але містить аморфний кремнезем переважно у вигляді дрібних кульок опалу

Опока – порода, утворена внаслідок ущільнення й цементування трепелів та діатомітів. Цементуючою речовиною є аморфний кремнезем, іноді карбонат кальцію (вапняна опока). Має середню густину 600…1800 кг/м3; міцність при стиску 5…15 МПа; легко піддається обробці. Застосовують як стіновий матеріал, заповнювач для легкого бетону.

Крейда -  біла, м’яка вапнякова порода, затверділий морський осад. На 90..98% складається з СаСО3, містить домішки глинистих частинок. ЇЇ застосовують для виробництва вапна, цементу й скла, приготування фарб, замазок, шпаклівок тощо.

Вапняк-черепашник – це пориста порода, що складається з черепашок і панцирів молюсків, слабко зцементованих вапняковою речовиною, містить домішки глини, кремнезему. Має середню густину 800…1800 кг/м3; міцність при стиску 0,4…15 МПа; легко піддається розпилюванню.

2.2.3. Метаморфічні породи

Гнейси є найпоширенішим серед видозмінених вивержених порід. За мінеральним складом, середньою густиною і міцністю вони подібні до гранітів, з яких утворилися в умовах метаморфізму, але мають сланцювату будову. Така структура полегшує видобування й обробку породи, але зменшує міцність, морозостійкість і стійкість проти вивітрювання. Застосовують гнейси для укладання фундаментів, бутової кладки, брукування доріг.

Мармури утворилися внаслідок перекристалізації вапняків або доломітів під впливом високих температур і тисків.

2.3. Класифікація і характеристика матеріалів і виробів із природного каменю

Галузі застосування природного каменю дуже різноманітні. Камінь підлягає механічній обробці й використовується у безпосередньому вигляді. Гірські породи є також цінною сировиною для одержання інших будівельних матеріалів.

Природні кам’яні матеріали й вироби класифікують за такими ознаками:

  1.  за середньою густиною: 

    важкі (ρо > 1800 кг/м3) й легкі (ρо ≤ 1800 кг/м3);

  1.  за міцністю при стиску (кгс/см2): марки: М4, М7, М10, М15, М25, М35, М50, М75, М100, М125, М200, М300, М400, М500, М600, М800, М1000 (відповідно у МПа від 0,4 до 100);
  2.  за морозостійкістю: марки: F10, F15, F25, F50, F100, F200, F300, F500;
  3.  за коефіцієнтом розм’якшення: 0,6; 0,75; 0,8; 0,9; 1,0.

Коефіцієнт розм’якшення каменю для зовнішніх стін споруд повинен бути не меншим ніж 0,6, а для фундаментів, дорожніх та гідротехнічних споруд – не менше 0,8.

Залежно від ступеня обробки розрізняють грубооброблені кам’яні матеріали та штучні вироби і профільовані деталі.

До грубооброблених кам’яних матеріалів відносять: бутовий камінь, щебінь, гравій, пісок.

Бутовий камінь – це куски каменю неправильної форми розміром 150…500 мм, масою 20…40 кг. Бутовий камінь може бути рваним (неправильної форми) та постілистим.  З буту зводять греблі та інші гідротехнічні споруди, підпірні стінки, фундаменти, його переробляють на щебінь.

Щебінь - це куски каменю неправильної форми розміром  5…150 мм, які одержують подрібненням великих кусків гірських порід з наступним просіюванням (зустрічається і природний щебінь – «дресва»).

Гравій – це обкочені (округлі) зерна розмірами 5…150 мм, які одержують просіюванням сипких порід; у разі потреби їх промивають, щоб видалити шкідливі домішки (глину, пил).

Пісок – це мінеральні зерна розміром від 0,16 до 5 мм, які одержують просіюванням сипких порід; або подрібненням і просіюванням відходів камнеобробки (штучний пісок).  Щебінь, гравій, пісок використовують як заповнювачі для бетонів і розчинів.

До виробів з природного каменю відносять колоті й пиляні вироби для мурування і облицювання стін, влаштування підлог, дорожніх покриттів, гідротехнічних споруд тощо.

Каміння та блоки для укладання стін. Багато пористих гірських порід легко розпилюються на камені та блоки правильної геометричної форми (прямокутні паралелепіпеди). Основні розміри каменів для зведення стін: 390 × 1000 × 1500мм; 490 × 240 × 188мм; 390 × 190 × 288мм. Маса каменя не повинна перевищувати 16 кг, маса дрібного блока – 40 кг.

Каміння та блоки застосовують для зовнішніх стін, перегородок та інших частин будівель та споруд.

Облицювальні матеріали й вироби. Облицювальне каміння й плити, а також архітектурно-будівельні вироби виготовляють, розпилюючи блоки (напівфабрикати) або вдаючись до безпосереднього випилювання з масиву гірської породи. Можна виготовляти також колоті вироби (з некондиційних блоків).

Для зовнішнього облицювання використовують щільні атмосферостійкі породи (граніти, сієніти, габро тощо) або щільні вапняки, для внутрішнього облицювання – породи середньої твердості: мармури, пористі вапняки (травертин, черепашник), вулканічні туфи тощо. Пористі породи, крім декоративного ефекту, забезпечують добру акустику приміщень, тому їх застосовують для оздоблення театрів, кінотеатрів та інших громадських споруд.

Цокольні  плити, а також деталі карнизів та інших частин будівлі, що виступають, виготовляють з атмосферостійких порід.

Влаштування покриттів підлог виконують полірованими (рідше шліфованими) плитами з твердих щільних порід (граніт, сієніт, лабрадорит тощо). У приміщеннях з малою інтенсивністю руху і високими вимогами щодо декоративності можливе використання мармуру. Товщина плит для підлоги має бути не менше 20 мм. Сходи облицьовують також твердими зносостійкими породами.

Матеріали й вироби для дорожнього будівництва виготовляють із щільних і зносостійких порід (граніту, діориту, габро, базальту), оскільки умови їх експлуатації надзвичайно суворі. До дорожніх матеріалів і виробів відносять: брущатий камінь; колотий і булижний камінь; тротуарні плити і бордюр не каміння.

Брущатий камінь (бруківка) призначається для впорядкування покриттів проїжджої частини доріг. Має форму зрізаної піраміди з паралельними прямокутними верхньою і нижньою основами.

Колотий і булижний камінь використовують для влаштування основ доріг, а також дорожніх покриттів, для укріплення схилів земляних споруд тощо.

Тротуарні плити виготовляють з шаруватих гірських порід. Вони мають форму прямокутної чи квадратної плити зі стороною 200…800 мм і рівною лицьовою поверхнею (товщина 40…150 мм).

Каміння для гідротехнічних споруд. Для річкових та морських гідротехнічних споруд застосовують каміння правильної і неправильної геометричних форм. Каміння неправильної форми – рваний камінь, який одержують підриванням гірських порід, обкочений камінь (валуни, булижники), щебінь і гравій – використовують для влаштування гребель, дамб, берегових укріплень та інших споруд. Каміння правильної форми використовують для облицювання набережних, шлюзів тощо. До всіх матеріалів ставляться підвищені вимоги не лише за міцністю, а й щодо водо- та морозостійкості. Особливо несприятливими є умови експлуатації матеріалів у зоні змінного рівня води, де під час замерзання можуть утворюватися льодові скупчення, які спричиняють значні внутрішні напруження. Захисне облицювання в цій зоні виконують із щільних вивержених порід з водопоглинанням не більше 1%, міцністю при стиску не нижче 80…100 МПа і морозостійкістю не менше 300 циклів (це граніти, сієніти, діабази та ін.).

Хімічно стійкі й жаростійкі матеріали й вироби. Численні гірські породи використовують для футерування різних апаратів та установок, які зазнають дії кислот, лугів, солей і агресивних газів, а також впливу високих і різко змінних температур і тисків. Із щільних кислототривких гірських порід виготовляють тесані плити, цеглу, бруски, фасонні вироби потрібної форми. У подрібненому вигляді ці породи використовують як заповнювачі в кислототривких бетонах. Для захисту від дії кислот використовують граніт, сієніт, базальт, андезит, кварцит, а від дії лугів – карбонатні породи: щільні вапняки, доломіти, магнезити, мармури. Для жаростійких облицювань застосовують вироби з базальту, діабазу, вулканічних туфів.

2.4. Використання відходів видобування і обробки гірських порід

При видобуванні, обробці й переробці гірських порід у кар’єрах та каменеобробних заводах утворюється багато відходів, кількість яких може сягати 80 % від об’єму порід, що розробляються. З економічної та екологічної точок зору доцільно використовувати ці відходи для виготовлення інших будівельних матеріалів та виробів. Найчастіше – це декоративні щебінь і пісок, штучні блоки та декоративні плити.

Декоративні щебінь і пісок – переважно сировинний облицювальний високодекоративний фракціонований (розподілений на зерна певних розмірів) матеріал. Міцність при стиску гірських порід, з  відходів яких виготовляють декоративні щебінь і пісок, має бути не меншою 80, 40 і 30 МПа, відповідно, для вивержених, метаморфічних і осадових порід.

Готовий щебінь повинен мати марку за морозостійкістю не менше F15. Обмежується також наявність у щебені пластинчастих і голчастих зерен (до 35 % за масою). У щебені й піску обмежується кількість пилуватих домішок (від 1 до 5 % за масою).

Декоративні щебінь і пісок застосовують для оздоблення лицьових поверхонь бетонних і залізобетонних елементів будівель, виготовлення штучних блоків і декоративних плит.

Штучні блоки виготовляють з бетонних сумішей на основі декоративних щебеню і піску та портландцементу. Готові вироби призначені для наступної переробки на плити, які використовують для влаштування покриттів підлог і елементів сходів і облицювання стін і колон.

Завдання для самостійної роботи

1. Написати реферат за темою «Перспективи розвитку мінерально-сировинної бази промисловості будівельних матеріалів України»

2. Розглянути проблеми довговічності та захист кам’яних матеріалів від корозії.

Лекція 3

КЕРАМІЧНІ МАТЕРІАЛИ Й ВИРОБИ

Керамічними називають матеріали й вироби, які одержують формуванням і подальшим випалюванням глинистої та інших видів мінеральної сировини з різними добавками або без них.

Як глинисту сировину використовують глини, суглинки, глинисті сланці, аргіліти, леси. Можуть бути застосовані також інші види мінеральної  сировини, в тому числі діатоміти, трепели, кварцити, магнезити, боксити, хромисті залізняки та деякі промислові відходи. Для одержання технічної кераміки використовують чисті оксиди алюмінію, кальцію, магнію, діоксиди цирконію, торію тощо. Таку кераміку застосовують, наприклад, в радіо- та космічній техніці.

Керамічні матеріали – найдавніші з усіх штучних кам’яних матеріалів. Вік керамічної цегли становить понад 5000 років. Залишки будівель і споруд з керамічної цегли знайдені археологами на території Стародавнього Єгипту (ІІІ…І тисячоліття до н.е.). Керамічна цегла відома також в Індії. У Китаї для покрівель використовували керамічну черепицю, а для оздоблення будівель – глазуровану кераміку, фарфор. У стародавній Греції перший храм Гери  в Олімпії (УІ ст. до н.е.) мах дах з черепиці й прикраси з теракоти. З керамічної цегли у Стародавньому Римі будували 3…4- поверхові будинки, а також арки і мости.

На території України знайдені вироби з кераміки, що датуються 3..2 тис. р. до н.е., а також збереглися історичні пам’ятники Київської Русі Х…ХІ ст.. (залишки Десятинної церкви, Золотих воріт, Софійський собор), які були збудовані з використанням керамічної цегли та керамічних плиток для підлоги.

Довговічність і простота виготовлення керамічних матеріалів забезпечили їм одне з перших місць серед інших будівельних матеріалів. Випуск керамічної цегли становить майже половину обсягу виробництва всіх стінових матеріалів. Керамічні облицювальні плитки й досі залишаються основними матеріалами для опорядження санітарних вузлів та багатьох інших приміщень. Не втратили свого значення і керамічні матеріали для зовнішнього облицювання будівель. Висока міцність, універсальність властивостей і широкий асортимент дають змогу використовувати керамічні вироби для теплових агрегатів, як облицювальні матеріали для підлог і стін, для мереж каналізації, як легкі пористі заповнювачі для бетонних і залізобетонних виробів тощо.

Поряд з позитивними якостями керамічні вироби мають і деякі недоліки, а саме: крихкість, їх виробництво є досить енергоємним і потребує використання спеціального сушильного й випалювального обладнання.

3.1. Класифікація керамічних матеріалів

За призначенням керамічні матеріали й вироби поділяють на такі види: стінові (цегла, порожнисті камені); покрівельні (черепиця); елементи перекриттів; вироби для облицювання фасадів (лицьова цегла і камені, плитки фасадні, килимово-мозаїчні плитки); вироби для внутрішнього облицювання (глазуровані плитки і фасонні деталі до них – карнизи, кутники, пояски); заповнювачі для бетонів (керамзит, аглопорит); теплоізоляційні вироби (діатомітові, трепельні, перлітобентонітові вироби, ніздрювата кераміка); вироби для підлог і дорожніх покриттів (плитки для підлог, дорожня цегла; санітарно-технічні вироби (умивальники, унітази, ванни, труби); кислототривкі вироби; вогнетривкі вироби.

За видом поверхні керамічні матеріали й вироби поділяють на:  глазуровані та неглазуровані; однокольорові, багатокольорові і з малюнком; з гладенькою поверхнею та рельєфні.

За структурою черепка керамічні матеріали й вироби поділяють на: пористі й щільні. До пористих відносять матеріали і вироби з водопоглинанням більше 5% за масою. Це – стінові вироби, черепиця, облицювальні плитки для стін, теплоізоляційні вироби, заповнювачі для бетонів, санітарно-технічні вироби. На зломі вони мають землистий вигляд, шорстку поверхню, непрозорі, при ударі видають глухий звук.

До щільних матеріалів відносять ті, що мають водопоглинання за масою менше 5 %. Це - плитки для підлог, дорожня цегла, фарфорові вироби. Вони мають блискучий злом, гладеньку поверхню, при ударі видають чистий дзвінкий звук.

За способом формування керамічні матеріали поділяють на матеріали, одержані пластичним формуванням, напівсухим пресуванням або шлікерним способом.

3.2. Сировина для виробництва керамічних матеріалів

Сировину для виробництва будівельної кераміки поділяють на пластичну й непластичну. До пластичної сировини відносять глинисті породи, які забезпечують одержання зв’язної, зручної до формування маси і міцного водостійкого черепка після випалювання. Непластична сировина -  це добавки, які покращують технологічні властивості формувальної суміші (полегшують сушіння, зменшують усадку, знижують температуру випалювання) і надають готовим виробам потрібних властивостей (пористості, теплопровідності, кольору тощо).

Спіснювальні добавки вводять у керамічну масу, щоб знизити пластичність і зменшити повітряну й вогневу усадки за рахунок меншої водопотреби формувальної маси. Для цього використовують шамот, де-гідратовану глину, кварцовий пісок, гранульований шлак, золу ТЕС. Шамот – це  зернистий порошок із зернами 0,16…2,5 мм, який отримують подрібненням попередньо випаленої до спікання глини. Шамот поліпшує сушильні властивості глин. Дегідратовану глину одержують  випалюванням при температурі 700…750 оС з наступним подрібнюванням.

Плавні знижують температуру випалювання і спікання глини, підвищують щільність виробів. Як плавні використовують польові шпати, залізну руду, доломіт тощо. Вони здатні утворювати з SiO2 та Al2O3 більш легкоплавкі силікатні розплави.

Поротвірні добавки вводять у сировинну масу для одержання легких керамічних виробів. Такими добавками є магнезит, крейда, доломіт, які під час випалювання виділяють СО2 , а також вигоряючі добавки – тирса, відходи вуглезбагачувальних фабрик, золи ТЕС, лігнін, подрібнене буре вугілля.

Пластифікуючі добавки сприяють підвищенню пластичності маси й поліпшенню її здатності до формування при отриманні виробів. До них належать  високопластичні глини, бентоніти, а також поверхнево-активні речовини типу лігносульфонату технічного (ЛСТ).

3.3. Матеріали для декорування (глазур, ангоби, керамічні фарби)

Глазур – це склоподібне покриття завтовшки 0,1…0,2 мм, яке наносять на поверхню керамічного виробу і закріплюють випалюванням. Крім підвищення декоративних властивостей, глазур знижує водопроникливість, підвищує міцність  та атмосферостійкість керамічних виробів. Основні компоненти глазурі: кварц, польовий шпат, каолін, солі лужних та лужноземельних металів. Глазурі наносять методами занурення, поливання або пульверизацією на попередньо випалені вироби у вигляді водної суспензії. При випалюванні тверда речовина глазурі розплавляється у вигляді тонкої плівки.

Ангоб виготовляють з білої або кольорової глини. Ангоб при випалюванні не розплавляється і надає виробу матової поверхні.

Керамічні фарби – це забарвлені мінеральні сполуки металів із керамічними масами і глазурами, утворені у процесі випаювання. Барвниками в них є природні або штучні пігменти (наприклад, графіт – сірий, оксид заліза – коричневий, оксид хрому – зелений).

3.4. Основи технології керамічних матеріалів і виробів

Обробка глинистої сировини може бути природною (використання атмосферних процесів – зволоження і висихання, заморожування і відтавання, вивітрювання), механічною (рихлення, подрібнення з видаленням каміння, дозування з добавками, тонке подрібнення) і комбінованою, з фізико-хімічною обробкою(парозволоженням, вакуумуванням), введенням спеціальних добавок (пластифікуючих, спіснювальних, вигоряючих) і вилежуванням обробленої маси у шихтозапасниках.

Природний спосіб обробки сировини вимагає багато часу, великих площ і не забезпечує повного видалення кам’янистих включень. Механічний спосіб є більш ефективним.

Переробку сировинної маси та формування виробів залежно від властивостей вихідної сировини й виду виробів, що виготовляються, виконують пластичним, напівсухим або лікерним (мокрим) способами.

Пластичне формування застосовують тоді, коли глиниста сировина волога, пухка. Пластична маса зволожується до вологості 20…25 %. Такий спосіб передбачає формування виробів на стрічкових пресах.

Шлікерний (мокрий) спосіб полягає в тому, що вихідні матеріали подрібнюють разом з водою в кульовому млині при вологості 45…60 % до одержання однорідної маси. Методом лиття виготовляють вироби складної конфігурації та тонкостінні.

Проміжною операцією технологічного процесу виробництва керамічних виробів є сушіння. Воно необхідне для надання  сирцю механічної міцності й підготовки його до випалювання. Сушіння виробів може бути природним (на відкритому повітрі) та штучним ( у спеціальних пристроях – сушарках). Режим сушіння у сушарках: температура теплоносія 130…170 оС, тривалість сушіння 30…72 год.

3.5. Характеристика керамічних виробів різного призначення

3.5.1. Стінові вироби

До дрібнорозмірних виробів належать керамічна цегла й камені, до великорозмірних – стінові блоки й панелі. Цегла має такі розміри: одинарна – 250 × 125 × 65 мм, потовщена – 250 × 120 × 88 мм. Камені виготовляють таких розмірів: 250 × 120 × 138 мм (звичайний), 288 × 138 × 138 мм (модульний). Державний стандарт дозволяє за згодою зі споживачами виготовляти цеглу і камені з іншими розмірами. Цегла може бути повнотілою або порожнистою, а камені тільки порожнистими. Кількість, розміщення і форма порожнин дуже різноманітні.

За точністю розмірів і зовнішнім виглядом цегла й керамічні камені мають задовольняти вимоги стандарту. Недопал чи перепал цегли і каменів не допускаються.

За середньою густиною і теплопровідністю у сухому стані цеглу й камені поділяють на три групи:

а) ефективні, які поліпшують теплотехнічні властивості стін і дають змогу зменшити їхню товщину порівняно з товщиною стін виготовлених із звичайної цегли.

До цієї групи належать цегла і камені середньою густиною до 1400 - 1450 кг/м3; теплопровідність цих виробів становить не більше 0,46 Вт/(м ·К).

б) умовно ефективні - цегла і камені середньою густиною до 1600 кг/м3; теплопровідність цих виробів становить від 0,46 до 0,58 Вт/(м ·К) включно;

в) цегла звичайна середньою густиною понад 1600 кг/м3; теплопровідність цих виробів становить більше 0,58 Вт/(м ·К).

Керамічну цеглу, залежно від межі міцності при стиску і згині, а камені - тільки при стиску, поділяють на такі марки: М75, М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300.

За морозостійкістю керамічну цеглу і камені поділяють на марки F15, F25, F35, F50. Це означає, що вони повинні витримувати в насиченому водою стані без помітних ознак руйнування відповідно не менше 15, 25, 35 та 50 циклів навперемінного заморожування і відтавання.

3.5.2. Вироби спеціального призначення

Керамічна черепиця – давній покрівельний матеріал, який завдяки довговічності, вогнестійкості й високим декоративним якостям не втратив свого значення до наших днів. Черепиця поділяється на види: штампована – пазова, марсельська, голландська, S-подібна, гребенева; пластичного формування – стрічкова пазова, плоска та S- подібна; напівсухого пресування – плоска типу «бобровий хвіст».

До недоліків черепиці належать: велика маса, крихкість, значна трудомісткість влаштування покрівлі і необхідність підготовки міцної кроквової системи з великим нахилом для швидкого стікання води.

Дорожня (клінкерна) цегла – це штучні камені розмірами 220 × 110 ×65мм і 220 × 110 × 78 мм, які виготовляють формуванням і наступним випалюванням до повного спікання.

Дренажні труби виготовляють пластичним формуванням (з високо- пластичних цегельних глин) круглого, шести- чи восьмигранного перерізу, внутрішнім діаметром від 25 до 250 мм і завдовжки 333 або 500 мм.

Каналізаційні труби виготовляють з тугоплавких або вогнетривких труб із спіснювальними добавками чи без них, циліндричної форми з розтрубом на одному кінці. Для кращої герметичності стиків кожна труба має нарізки – не менше п’яти витків на зовнішній стороні кінця труби і стільки ж на внутрішній стороні розтруба. Для монтажу трубопроводів виготовляють хрестовини, трійники, відводи, переходи, пробки, коліна.

Кислототривкі вироби виготовляють з пластичних глин без домішок карбонатів, сірчаного колчедану, гіпсу, які зменшують хімічну стійкість. Кислототривкі вироби призначені для футерування башт, резервуарів і печей на хімічних заводах, для опорядження підлог у цехах з агресивними середовищами.

Санітарно-технічна кераміка. До цих виробів належать ванни, раковини, унітази та інше обладнання санітарно-технічних вузлів житлових та виробничих приміщень.

Вогнетривкі вироби застосовують для будівництва промислових печей, топок і агрегатів, що працюють при високих температурах. Найширше застосовують кремнеземисті й алюмосилікатні, а також магнезіальні та хромисті вогнетриви.

Легкі заповнювачі – керамзит і аглопорит – одержують при випалюванні легкоплавких глинистих порід.

Завдання для самостійної роботи

1. Розглянути питання про довговічність кераміки й способи її підвищення

2. Ознайомитися з методиками визначення технічних характеристик керамічних матеріалів

Лекція 4

МАТЕРІАЛИ Й ВИРОБИ З МІНЕРАЛЬНИХ РОЗПЛАВІВ

І МЕТАЛЕВІ МАТЕРІАЛИ

4.1. Матеріали з мінеральних розплавів

Спільною ознакою будівельних матеріалів і виробів із мінеральних розплавів є силікатна основа, тобто в їхньому складі переважає оксид силіцію SiO2 й сполуки на його основі – силікати.

Сировиною для силікатних розплавів є поширені гірські породи (піски, глини, базальти, діабази, граніти, гнейси, сієніти, сланці, серпентини тощо), побічні продукти й відходи промисловості (металургійні шлаки, золи та шлаки ТЕС, склобій). Характерною особливістю силікатних розплавів є здатність при швидкому охолодженні переходити в склоподібний стан – аморфний різновид твердого стану.

Залежно від виходу вихідної сировини розрізняють матеріали й вироби на основі скляних, кам’яних і шлакових розплавів. При введенні до силікатного розплаву спеціальних добавок (кристалізаторів) і виборі відповідного режиму термічної обробки можна одержати склокристалічні матеріали (ситали, шлакоситали).

Перші центри скловаріння виникли в Єгипті й Месопотамії, причому  єгиптяни віддавали перевагу кольоровому склу, а в Месопотамії виготовляли переважно прозоре скло. Археологами виявлені залишки давніх скляних майстерень на східному березі Нілу, що існували приблизно 3400 років тому. Пізніше скло почали виготовляти в Мікенах (Греція), Китаї та Індії.

4.1.1. Сировина, технологія отримання та властивості скла

Скло – універсальний і дивовижний матеріал. Його виробництво базується на складній послідовності технологічних операцій, параметри яких в першу чергу залежать від сировинних матеріалів, що входять до складу шихти.

Сировинні матеріали для виробництва скла умовно поділяють на основні й допоміжні (табл.1).

Основні матеріали містять оксиди, які утворюють структуру скла й визначають його властивості. Так, оксид Na2O прискорює процес варіння, знижуючи температуру плавлення, але зменшує хімічну стійкість скла. Оксид СаО підвищує хімічну стійкість, оксид Al2O3 підвищує міцність, термічну і хімічну стійкість, оксид PbO підвищує показник світлозаломлення.

Допоміжні матеріали вводять для покращення реологічних характеристик скломаси, прискорення її варіння, забарвлення, освітлювання, сприяння кристалізації тощо.

Сировинні матеріали можуть застосовуватися як у вигляді природної сировини, так і у вигляді відходів хімічної, металургійної, гірничодобувної промисловості.

Технологія виготовлення скла й виробів на його основі передбачає такі операції та процеси: підготовку сировинних матеріалів, приготування скляної шихти, скловаріння, формування зі скломаси матеріалів та виробів, механічну, термічну й хімічну обробку виробів для підвищення експлуатаційних властивостей.

Таблиця 1 -  Сировинні матеріали для виробництва скла

Групи матеріалів

Назва

Основні матеріали

кремнеземисті, що містять SiO2,

55…75 мас. %

глиноземисті, що містять Al2O3 ,

2…25 мас. %

лужноземельні , що містять Na2O та К2O до 15 мас. %

Допоміжні матеріали

модифікатори для надання склу спеціальних властивостей

освітлювачі

кварцовий пісок, мелений пісок і кварцити

технічний оксид алюмінію, гідроксид алюмінію, польові шпати, пегматити, каолін, граніт, вулканічний попіл

сода, поташ, сульфати лужних металів

оксиди свинцю, барію, цинку, цирконію, титану, фосфору

селітра, хлорид натрію

Підготовка включає подрібнення та розмелювання крупних кусків, сушіння вологих матеріалів, класифікацію дисперсних матеріалів.

Приготування скляної шихти починається з усереднення, дозування та перемішування компонентів.

Скловаріння здійснюється у печах безперервної (ванні печі) і періодичної (горшкові печі) дії.

Процес варіння скла складається з п’яти етапів: силікатоутворення, склоутворення, освітлення, гомогенізації та охолодження.

На першому етапі утворюються силікати та інші проміжні сполуки, і внаслідок плавлення евтектичних сумішей з’являється рідка фаза. Утворені в шихті силікати разом з рідкою фазою та компонентами, які не прореагували, спікаються в щільну масу. Процес силікатоутворення звичайно  розпочинається при температурі майже 725 оС і завершується майже при 1150 оС.

З подальшим підвищенням температури в розплаві завершуються реакції силікатоутворення, відбувається взаємне розчинення силікатів і надлишкового кремнезему, внаслідок чого утворюється скломаса, насичена газовими бульбашками. Процес склоутворення  завершується при температурі майже 1250 оС.

Освітлення та гомогенізація скломаси відбуваються майже в одному інтервалі температур. З цією метою скломасу нагрівають до температури 1150…1600 оС. З підвищенням температури різко знижується в’язкість розплаву й відповідно полегшується видалення газових бульбашок.

Процес скловаріння завершується охолодженням скломаси на 300 оС, внаслідок чого вона набуває в’язкості, необхідної для формування виробів (витягування, прокатування, пресування, лиття тощо).

Формування виробів здійснюється різними методами: вертикальним та горизонтальним витягуванням, прокатуванням, способом плаваючої стрічки (флоат – спосіб), пресуванням, видуванням тощо.

Спосіб плаваючої стрічки є найбільш досконалим з усіх способів, відомих на цей час. Він дозволяє виготовляти скло з високою якістю поверхні. Особливістю цього способу є те, що процес формування стрічки протікає на поверхні розплавленого олова. Нижня поверхня скла виходить рівною за рахунок контакту з розплавленим металом, а верхня – завдяки дії сил поверхневого натягу скломаси. Після формування поверхня листового скла не потребує подальшого полірування.

Відпалювання – обов’язкова операція при виготовленні виробів. При швидкому охолодженні у виробах виникають великі внутрішні напруження, які можуть призвести до їх саморуйнування.

Гартування – ця операція застосовується для підвищення фізико-механічних характеристик скла і здійснюється доведенням скла до пластичного стану з подальшим різким охолодженням його поверхні.

Крім гартування, для покращення механічних властивостей застосовують травлення з наступним покриттям плівками, електрохімічну обробку поверхні, мікрокристалізацію.

Заключна стадія обробки включає операції шліфування, полірування, декоративної обробки.

Властивості скла. Структура скла зумовлює ряд його властивостей, у тому числі прозорість, міцність, стійкість до атмосферних впливів, водо- та газонепроникність.

Найбільш важливими для скла є не тільки оптичні властивості, але й механічні, оскільки його використання є багатоцільовим.

Оптичні властивості скла характеризуються прозорістю, світлопроникністю, світлопоглинанням, світловідбиванням, світлорозсіюванням тощо. Звичайні віконні стекла пропускають видиму частину світлового спектра й не пропускають інфрачервоних та ультрафіолетових променів. Світлопроникнення вимірюють коефіцієнтом пропускання, який визначається відношенням кількості світлової енергії, що пройшла крізь скло, до повної його енергії. Світло пропускання віконного скла при товщині 5 мм становить 84…87 % і залежить не тільки від виду скла, а й кута падіння світлових променів.

У будівельних конструкціях скло зазнає дії розтягу вальних й ударних навантажень, рідше – дії стиску, тому основними характеристиками, що визначають його якість, є міцність при розтягу та крихкість.

Теоретична міцність скла при стиску становить більше 20000 МПа, а при розтягу – 12000 МПа, фактична – значно нижча (при стиску – 500…2000 МПа, при розтягу – 35…100 Мпа).

Однією з причин великої різниці між теоретичною і реальною міцністю скла є дефектність поверхні реального скла – наявність мікротріщин, що сильно послаблюють опір матеріалу впливу зовнішніх навантажень.

Вважають, що утворення поверхневих дефектів залежить від ступеня однорідності вихідної маси, способу і умов формування виробів, характеру механічної та термічної обробки, температури і вологості навколишнього середовища, тривалості дії навантаження, масштабного фактора.

Крихкість як показник деформативності є головним недоліком скла.

Густина скла становить 2,45…2,55 г/см3, а для спеціальних стекол може досягати 8 г/см3.

Теплопровідність звичайного скла становить 0,4…0,8 Вт/(м·К),  теплоємність – 0,63…1,05 кДж/(кг·К).

Термічна стійкість. При різкому охолодженні скла поверхневі шари охолоджуються швидше внутрішніх,  тому на поверхневих шарах скловиробів виникають напруження розтягу, у внутрішніх - стиску. При швидкому нагріванні виробу, навпаки, на поверхневих шарах скловиробів виникають напруження стиску, у внутрішніх - розтягу. Враховуючи, що руйнування скла починається з поверхні і міцність скла при стиску в багато разів більша міцності при розтягу, різке охолодження скловиробів більш безпечне, ніж швидке нагрівання. Звичайно термостійкість скла залежить від хімічного складу, температурного коефіцієнта лінійного розширення і товщини виробів.

Скло має значну густину і водночас високу звукоізоляційну здатність. За цим показником скло завтовшки 1 см відповідає цегляній стіні завтовшки 12 см.

Хімічна стійкість скла залежить від його хімічного складу. Оксиди елементів І групи найбільш вагомо  знижують водостійкість скла. Найбільший вплив на підвищення хімічної стійкості стосовно води мають оксиди ІУ групи елементів: SiO2, TiO2, ZrO2.

Силікатне скло має високу стійкість до більшості розчинів кислот, за винятком HF і   H3PO4.

4.1.2. Матеріали й вироби із скла

Таблиця 2 - Основні види виробів із будівельного скла і їхнє застосування

Вироби

Вид скла

Застосування

Листове будівельне та декоративне скло

Віконне та вітринне неполіроване

Вітринне поліроване

Візерункове кольорове та безбарвне, «Мороз» і «Заметіль»

Армоване кольорове та безбарвне

Скління вікон, дверей, вітрин, ліхтарів верхнього світла, виготовлення елементів меблів, влаштування внутрішніх перегородок і огорож балконів

Листове скло зі спеціальними властивостями

Увіолеве (пропускає ультрафіолетові промені)

Тепловбирне

Тепловідбивне

Теплозахисне

Загартоване

Скління дитячих і лікувальних установ, спортивних і оздоровчих споруд, музеїв, бібліотек, електронагрівальних скляних споруд

Кольорове та художнє скло

Вітражне, забарвлене в масі або накладне, скляна мозаїка, смальта

Виготовлення художніх вітражів, напівпрозорих екранів, виготовлення художніх панно

Будівельні вироби

Скляні порожнисті блоки, лінзи, плитки, профільне скло, склопакети, труби, ніздрювате скло, скляне волокно

Заповнення світлових прорізів у стінах, перегородках, покриттях, спорудження стін неопалюваних споруд, улаштування внутрішніх перегородок, тепло- і звукоізоляційні вироби, напірні, безнапірні та вакуумні трубопроводи для транспортування агресивних речовин.

Таблиця 3 -  Марки листового скла

Марка

скла

Товщина,

мм

Умовна назва

Рекомендована галузь застосування

М1

2…6

Дзеркальне поліпшене

Виготовлення високоякісних дзеркал, вітрових стекол легкових автомобілів

М2

2…6

Дзеркальне

Виготовлення дзеркал загального призначення, безпечних стекол транспортних засобів

М3

2…6

Технічне поліроване

Виготовлення декоративних дзеркал, безпечних стекол транспортних засобів

М4

2…6

Віконне поліроване

Високоякісне скління світлопрозорих конструкцій

М5

2…6

Віконне неполіроване

Скління світлопрозорих конструкцій, безпечних стекол для сільськогосподарських машин

М6

2…6

Те саме

Скління світлопрозорих конструкцій

М7

6,5…12

Вітринне поліроване

Високоякісне скління вітрин, вітражів

М8

6,5…12

Вітринне неполіроване

Скління вітрин, вітражів, ліхтарів

4.1.3. Склокристалічні матеріали

 Склокристалічними називають штучні полікристалічні матеріали, які одержують кристалізацією скла або кам’яного розплаву відповідного хімічного складу.

Сировиною для склокристалічних матеріалів є ті самі матеріали, що й для скла (з підвищеними вимогами щодо чистоти), а також  спеціальні домішки – каталізатори (модифікатори), які інтенсифікують процес кристалізації скла.

 Шлакоситали – це різновид склокристалічних матеріалів, які виготовляють направленою кристалізацією шлакових стекол. До складу шихти входять гранульований доменний шлак, кварцовий пісок та каталізатори кристалізації (сульфат натрію, кремнефтрорид натрію, оксиди і сульфіди хрому, титану, цинку, феруму тощо).

Виробництво шлакоситалів складається з двох етапів:

1) одержання шлакового скла й формування виробів;

2) термічна обробка виробів.

4.1.4. Матеріали й вироби із кам’яного литва

Литі кам’яні вироби – це штучні силікатні матеріали, одержані на основі розплавлених гірських порід: базальту, діабазу, доломіту, крейди тощо.

Змінюючи умови структуроутворення, одержують матеріали різної структури: щільні, ніздрюваті й волокнисті.

З кам’яного литва випускають вироби у вигляді плоских і вигнутих плиток, деталей жолобів, труб, штуцерів. Литі вироби світлих тонів застосовують у будівництві як облицювальний матеріал, архітектурні деталі, а також в інших галузях промисловості.

Плавлені вироби характеризуються великою середньою густиною (2900…3000 кг/м3). Через малу пористість (до 2%) і закритий характер пор вони мають низьке водопоглинення (до 0,22 %) і підвищену морозостійкість (до 500 циклів). Висока довговічність їх зумовлена підвищеними значеннями кислото- (98,6…99,8 %) й лугостійкості (до 90 %). Стиранність виробів становить 0,04…0,08 г/см2, тобто в 3…5 разів менша, ніж у граніту. Границя міцності при стиску складає 230…300 МПа, при згині 30…50 МПа. Литі кам’яні вироби відрізняються діелектричними властивостями й високою термостійкістю (до 900 оС).

 Волокнисті матеріали виготовляють на основі мінерального волокна. Як сировину використовують вивержені гірські породи (габро, базальт, діабаз, сієніт) або метаморфічні (гнейси, слюдяні сланці). З мінеральних розплавів виготовляють мінеральну вату та вироби на її основі. Високі теплоізоляційні властивості мінеральної вати зумовлюються її малою середньою густиною за рахунок високої пористості (93…95 %). Мінеральна вата не сприяє розвитку грибів, проте внаслідок виділення останніми органічних кислот вона може руйнуватися. Мінеральну вату застосовують як тепло- та звукоізоляційний матеріал, а також як основу для виготовлення різних виробів (шнури, джгути, плити, циліндри, сегменти тощо).

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1. Ознайомитися з вимогами відповідних ГОСТів до якості листового будівельного й декоративного скла і письмово відповісти на запитання:

1.1. Які для скла допускаються недоліки в невеликій кількості ?

1.2. Які стандартні типорозміри скла?

1.3. Для чого рекомендовано використовувати армоване скло та листове скло зі спеціальними властивостями?

2. Навести технологію виготовлення багатошарового ламінованого скла «триплекс».

3. Охарактеризувати будівельні вироби зі скляних розплавів. Навести їх номенклатуру і дати рекомендації щодо використання.

4. Навести технологію виготовлення декоративних облицювальних виробів.

5. Порівняти властивості склокристалічних і аморфних матеріалів.

6. Обґрунтувати можливість використання відходів у виробництві плавлених силікатних виробів.

7. Навести приклади використання відходів.

4.2. МЕТАЛЕВІ МАТЕРІАЛИ

4.2.1. Загальна характеристика металів

Металами називають матеріали, які мають велику електро- і теплопровідність, непрозорі, здатні до значних пластичних деформацій, що дає можливість обробляти їх під тиском: прокатуванням, куванням, штампуванням, волочінням. Вони добре зварюються, працюють при низьких і високих температурах.

Металічний блиск і пластичність –основні властивості, які притаманні всім металам. Усі метали в твердому стані мають кристалічну будову. Розташування атомів (іонів) у кристалічній речовині зображують у вигляді елементарної комірки, яка є найменшим комплексом атомів. Багаторазове повторення її відображає розташування атомів у об’ємі всієї речовини.

Кристалічна будова реальних металів і сплавів не є ідеальною, тобто періодичність розташування атомів (іонів) у кристалічній решітці порушується чисельними мікро дефектами.

Під час поліморфних перетворень змінюється будова кристалічної решітки металу та його властивості – об’єм, пластичність, здатність розчиняти різні домішки тощо.

Метали й сплави поділяють на чорні й кольорові. До чорних металів належать залізо та сплави на його основі (чавун, сталь, феросплави), а до кольорових – мідь, алюміній, цинк, нікель та ін. Як правило, використовують не чисті метали, а їхні сплави, що дає змогу підвищити властивості кінцевого продукту.

4.2.2. Основні властивості металів

Особливості структури металів обумовлюють їхні фізичні властивості, тобто високу густину, твердість, тепло- та електропровідність, тугоплавкість, ковкість.

Істинна густина металів змінюється в широких межах: найлегшим є калій – 0,86 г/см3, найважчим – осмій (22,5 г/см3).

Висока електропровідність металів пояснюється наявністю вільних електронів, що переміщуються в потенціальному полі решітки. Висока теплопровідність металів обумовлюється рухливістю вільних електронів, а висока пластичність – періодичністю їх атомної будови та відсутністю спрямованості металевого зв’язку. Наприклад, при прокатуванні залізного бруска товщиною 80…100 мм отримують дріт товщиною 4 мм та менше.

4.2.3. Фізико-хімічні основи отримання чорних металів і сплавів на їх основі

Чавун – це сплав заліза з вуглецем, вміст якого становить понад 2,14 %. Його виплавляють в доменних печах. Принцип одержання чавуну в доменній печі полягає у відновленні заліза, насиченні його вуглецем та іншими домішками – марганцем, сіркою, фосфором.

Вихідними матеріалами для виробництва чавуну є залізні руди, флюсуючі матеріали й паливо. Залізна руда – це порода, яка містить різну кількість заліза у вигляді його хімічних сполук.

У доменному виробництві застосовують такі руди: магнітний залізняк (Fe3O4), що містить заліза 70 %, червоний залізняк (Fe2O3) – до 60 %, бурий залізняк (2Fe2O3·2О) – до 40 %.

Для зниження температури плавлення пустої породи і відокремлення її від металу в доменну піч подають флюси (крейда, вапняк). Введені в шахту доменної печі флюси утворюють з пустою породою руди сплав, який відокремлюють від металу у вигляді шлаків.

Як паливо у доменному виробництві застосовують кокс.

У процесі плавлення залізної руди кокс, з’єднуючись з киснем повітря, інтенсивно згоряє і утворює вуглекислий газ, який відновлює оксиди феруму до чистого заліза за схемою

Fe2O3  Fe3O4  FeOFe.

Головними реакціями відновлення є:

3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2;

Fe3O4+ СО = 3FeO + СО2;

FeO+ СО = Fe + СО2;

Fe2O3+ 3СО = 2FeO + 3СО2.

При цьому відновлюються також інші сполуки, що містяться в руді.

При температурі 1130 оС чавун (сплав заліза з вуглецем в кількості 2,14…6,67 %) розплавляється.

У процесі доменної плавки можна одержати: переробний (білий) чавун у кількості до 90 %, який використовують для виробництва сталі; ливарний (сірий) чавун – 8…15 %; феромарганець і дзеркальний чавун, які використовують як домішки при виробництві сталі.

Існує декілька способів виробництва сталі, в тому числі мартенівський, конвертерний і електросталеплавильний. Виробляють киплячу, спокійну та напівспокійну сталь.

4.2.4. Класифікація і характеристика чавунів

Білі чавуни – це сплави, в яких вуглець знаходиться у зв’язаному стані – у вигляді цементиту. Ці чавуни мають високу твердість і крихкість,  практично не обробляються ні різанням, ні тиском. Проте значна кількість цементиту обумовлює високу зносостійкість білих чавунів. Цей матеріал переробляють на сталь і сірі чавуни.

Сірі чавуни характеризуються наявністю у структурі вуглецю у вільному стані – у вигляді графіту пластинчатої форми. Чим більше графіту, тим нижчі механічні властивості чавуну. Ось чому кількість карбону не повинна перевищувати 3,8 %, але для забезпечення ливарних якостей його повинно бути не менше 2,4 %.

Сірі чавуни поділяють на сірі, високоміцні, леговані, ковкі.

Незважаючи на низькі механічні властивості, сірі чавуни мають ряд позитивних якостей: низька собівартість, високі ливарні якості, добрі антифрикційні властивості, висока корозійна стійкість, жаростійкість.

Ковкий чавун отримують з білого тривалим відпалюванням при високих температурах.

Маркують ковкі чавуни літерами КЧ, за якими вказують дві групи цифр. Першою позначено межу міцності, другою – відносне видовження у процентах. Наприклад, КЧ 350-10 – ковкий чавун міцністю 350 МПа, відносне видовження складає 10 %.

Високоміцні чавуни отримують модифікуванням, тобто перед розливанням у рідкий чавун додають домішки магнію або церію (до 1%). За ДСТУ 3925-98 високоміцні чавуни маркують літерами ВЧ і двома групами цифр: першою позначено границю міцності при розтягу, другою – відносне видовження. Наприклад, ВЧ 800-2 - високоміцний чавун міцністю 800 МПа, відносне видовження складає 2 %.

4.2.5. Класифікація вуглецевих сталей

Залежно від вмісту шкідливих домішок сірки і фосфору вуглецеві сталі поділяють на:

  1.  сталі звичайної якості (S  0,05%, P  0,04%);
  2.  якісні сталі (S 0,04%, P  0,35…0,04%);
  3.  високоякісні сталі (S 0,02%, P 0,03%).

Вуглецеві сталі, повністю розкислені після виплавлення, називають спокійними (СП), розкислені частково – напівспокійними (НС) і киплячими (КП). Спокійні сталі твердіють без помітного виділення газів. Їм притаманні кращі міцнісні властивості, але вища вартість.

Сталі звичайної якості  дешеві, їх використовують у мостобудуванні у вигляді зварних, клепаних чи болтових конструкцій (швелери, балки, труби, листи, апарати, каркаси парових котлів, конструкції підйомних кранів).

Маркування таких сталей починається з літер Ст. (сталь), а далі – цифри від 0 до 6. Ці цифри позначають умовний номер марки сталі, залежно від хімічного складу і механічних властивостей. Чим більша цифра, тим більше у складі сталі вуглецю і тим вища міцність. Для позначення ступеня розкислення сталі після цифри ставлять індекси: кп – кипляча, сп – спокійна, нс – напівспокійна. Зварні конструкції виготовляють із спокійних чи напівспокій них низьковуглецевих сталей типів Ст1, Ст3, Ст.

Між індексом, який вказує на ступінь розкислення, і номером марки може стояти літера Г, що означає підвищений вміст мангану. Наприклад, ВСт3Гнс2. 

Сталі звичайної якості поділяють на три групи: група А – з нормованим складом; Б – з нормованими властивостями; В – з нормованими механічними властивостями і хімічним складом. Сталь кожної групи додатково поділяють на категорії залежно від нормованих показників.

Основою для будівельних зварних конструкцій є сталь групи В. Для неї встановлені такі марки: ВСт2, ВСт3, ВСт3Гнс, ВСт4, ВСт5.

Якісні сталі поділяють на конструкційні й інструментальні.

Конструкційні сталі маркують цифрами 08, 10, 15, 20…80, 85, які відповідають середньому вмісту вуглецю у сотих частках процента.

Вуглецеві інструментальні сталі маркують за літерою У і цифрою, що вказує на вміст вуглецю у десятих частках процента: У7, У10, У11, У12, У13.

Із збільшенням вмісту вуглецю зростає міцність і твердість сталей, але знижується пластичність і зварюваність. Для покращення властивостей вуглецевих сталей до їхнього складу вводять спеціальні легуючі елементи, наприклад, домішки алюмінію, молібдену, мангану, купруму, кобальту, хрому. Залежно від вмісту цих домішок розрізняють сталі: низьколеговані (до 2,5 %), середньолеговані (2,5…10 %)  й високолеговані (більше 10 %).

Марка легованої сталі означає її приблизний хімічний склад: цифри перед літерами – середній вміст вуглецю, збільшений у 100 разів; цифри після літер – вміст легуючої домішки у процентах. Наприклад, марка 09Г2СД розшифровується так: карбону 0,09%, мангану до 2 %, силіцію до 1 %, купру му до 1%.

4.2.6. Вироби із сталі

Сталеві конструкції виготовляють з прокатних виробів, а також із гнутих і зварних профілів (ДСТУ ЕN 10079-2002).

Найчастіше використовують прокатні вироби: сортову сталь, листову сталь, спеціальні види прокату, труби. З прокатних виробів збирають колони, балки, бункери, башти, трубопроводи, резервуари тощо.

Сортова сталь включає профілі масового попиту (круглу, квадратну, куткову), швелери, двотаври й профілі спеціального призначення (рейки). Найлегші кутикові профілі мають розміри 20×20 мм і товщиною 3 мм, найважчі – відповідно 250×250 та 30 мм.

Двотаври й швелери вибирають за номерами, що відповідають їхній висоті в сантиметрах. Номери двотаврів змінюються від 10 до 60, швелерів – від 5 до 40. Двотаври прокатують завдовжки до 19 м, а швелери – до 18 м.

Листову сталь залежно від товщини листів поділяють на товстолистову (4…160 мм), тонколистову (0,2…4 мм), універсальну широкополицеву (4…60 мм), рулонну й рифлену. Ширина листів -  8500 мм, довжина  - до 12 м. Найширше у будівництві використовують сталеві листи завтовшки до 40 мм.

Металочерепиця – це багатошаровий виріб, що використовується для влаштування покрівель. Виготовляється з гарячеоцинкованої холоднокатаної листової сталі товщиною 0,5 мм, покритої після пасивації і ґрунтування шаром кольорового полімерного покриття. Довжина панелі 500…8000 мм, крок  - 275…450 мм.

4.2.7. Кольорові метали та сплави і матеріали на їхній основі

Кольорові метали, на відміну від чорних, мають вищу пластичність при нормальних температурах, більшу стійкість проти корозії, більш тепло- і електропровідні, мають нижчу температуру плавлення. У будівництві кольорові метали використовують у вигляді сплавів.

Алюміній і його сплави. Щільність алюмінію – 2,7 г/см3, температура плавлення – 660 оС. Алюмінієвими рудами є боксити, нефеліни, апатити й алуніти.

Силуміни – сплави алюмінію з кремнієм (в кількості 4…13 %). Ці сплави мають високі ливарні якості, малу усадку і пористість, тверді й міцні.

Магналії – сплави алюмінію з магнієм, які відрізняються здатністю до зварювання і високою корозійною стійкістю.

Авіалії – сплави алюмінію з магнієм та силіцієм. Дюралюміни – сплави алюмінію з міддю та магнієм. Ці сплави мають високу міцність, але меншу корозійну стійкість порівняно з магналіями.

Сплави алюмінію використовують для виготовлення зварних деталей, трубопроводів, бункерів та інших деталей і виробів.

Вироби й конструкції з алюмінієвих сплавів є антимагнітними, вогне- та сейсмостійкими, при ударі не дають іскор. Вони економічні, мають гарниййзовнішній вигляд, не потребують додаткової обробки лицьової поверхні, легко обробляються різанням.

Останнім часом алюміній набуває широкого використання у будівництві для виготовлення конструкцій, в тому числі панелей зовнішніх стін і покриттів безперервного типу, підвісних стель, збірно-розбірних та листових конструкцій.

Вироби з алюмінієвих сплавів у вигляді листового прокату, гнутих і пресованих профілів широко застосовують для виготовлення огороджувальних конструкцій та вікон і дверей.

Мідь – це метал щільністю 8,94 г/см3, температура плавлення – 1083 оС.

Латунь – сплав міді з цинком. Бронзи – це сплави міді з такими легуючими елементами, як олово, алюміній, берилій, силіцій. Ці сплави застосовують для виготовлення таких виробів, як пружини, мембрани, слюсарний інструмент тощо.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1. Обґрунтувати можливість використання нікелю та сплавів на його основі для виготовлення газопроводів і хімічної апаратури.

2. Навести приклади використання сплавів на основі титану.

3. Розшифрувати марки сталі 09Г2СД; Ст3нс2; 1Х18Н9; 35ХН3МА.

4. Привести номенклатуру прокатних виробів.

Лекція 5

НЕОРГАНІЧНІ В'ЯЖУЧІ РЕЧОВИНИ

5.1. Фізико-хімічні закономірності формування складу й структури мінеральних в’яжучих речовин

До неорганічних в’яжучих речовин належать переважно порошкоподібні матеріали, що утворюють при змішуванні з водою або іншою рідиною (наприклад, розчинами солей, лугів і кислот) пластичне тісто, яке внаслідок певних фізико-хімічних процесів перетворюється у каменеподібне тіло.

Процес твердіння в’яжучих речовин починається з тужавіння пластичного тіста (ущільнення і загуснення) з поступовим перетворенням його у каменеподібне тіло, що здатне з часом набирати міцності за рахунок протікання процесів структуроутворення.

За теорією О.О.Байкова, твердіння в’яжучих речовин здійснюється за змішаним механізмом: спочатку продукти гідратації знаходяться у колоїдному стані, а потім має місце їхня перекристалізація у більш стабільні сполуки.

5.2. Класифікація неорганічних в’яжучих речовин

 Повітряні в’яжучі речовини можуть тверднути й набирати міцності у повітряно-сухих умовах. До них належать гіпсо-ангідритові в’яжучі речовини, повітряне вапно та його різновиди, магнезіальні в’яжучі речовини та розчинне скло.

 Гідравлічні в’яжучі речовини тверднуть і зберігають (або підвищують) міцність після тужавіння в повітряно-сухих умовах і наступного витримування у воді. До них належать гідравлічне вапно, романцемент; портландцемент та його різновиди, пуцолановий цемент, шлакопортландцемент, композиційний цемент; глиноземистий та розширні цементи.

 В’яжучі речовини автоклавного твердіння здатні тверднути й утворювати міцний камінь в автоклавах (в умовах підвищених температур, тиску і вологості). До таких в’яжучих речовин належать вапняно-кремнеземисті, вапняно-шлакові й вапняно-зольні.

5.3. Повітряні в’яжучі речовини

Гіпсові в’яжучі речовини (ДСТУ Б. В. 2.7-82-99) є типовим прикладом повітряних в’яжучих речовин. Вони складаються переважно з напівводяного гіпсу CaSO4· 0,5H2O або ангідриту CaSO4 , отримують їх внаслідок теплової обробки вихідної сировини та її розмелювання. Продукт твердіння таких в’яжучих вважається майже ідеальним будівельним матеріалом, оскільки є екологічно безпечним, негорючим і вогнестійким.

Як вихідну сировину для виготовлення гіпсових в’яжучих речовин використовують природний гіпс, ангідрит, відходи промисловості (борогіпс, фосфогіпс).

Залежно від умов термообробки гіпсової сировини утворюються α- або β-модифікації напівгідрату і розчинного ангідриту.

Твердіння гіпсових в’яжучих речовин відбувається внаслідок розчинення напівводного сульфату кальцію (напівгідрату) й появи насиченого розчину, в якому відбуваються реакції гідратації з утворенням двоводного сульфату кальцію:

CaSO4· 0,5H2O + 1, 5 H2O = CaSO4· 2H2O.

Гіпсові в’яжучі речовини, що складаються переважно з α –модифікації

CaSO4· 0,5H2O і відрізняються підвищеною міцністю (25…60 МПа) і меншою пористістю, виготовляють обробкою гіпсового каменю під тиском (0,13…0,7 МПа) або витримуванням у рідких середовищах (наприклад, з використанням  CaCl2). Залежно від параметрів теплової обробки гіпсові в’яжучі речовини поділяються на дві групи: низько- й високовипалювальні.

Низьковипалювальні гіпсові в’яжучі речовини, що швидко тужавіють та тверднуть, отримують тепловою обробкою природного гіпсу при низьких температурах (110…160 оС), або обробкою парою під тиском 0,13…0,70 МПа. Дегідратація сировини у вказаних умовах обумовлює перетворення двоводного гіпсу на напівгідрат за схемою:

CaSO4· 2H2O = CaSO4· 0,5H2O + 1, 5 H2O.

До низьковипалювальних гіпсових в’яжучих речовин належать: гіпс будівельний, формувальний і високоміцний, різновидом якого є супергіпс.

Будівельний гіпс характеризується невисокою міцністю (2…16 МПа).

Формувальний гіпс відрізняється від будівельного гіпсу тонкістю помелу, більшою міцністю та постійністю властивостей. Застосовують його у керамічній, фарфоро-фаянсовій, машинобудівній промисловостях для виготовлення форм і моделей.

Високоміцний гіпс отримують термічною обробкою гіпсового каменю в автоклавах у середовищі насиченої пари при тиску, вищому за атмосферний, або при кип’ятінні у водних розчинах деяких солей з наступним сушінням та помелом до отримання тонко дисперсного порошку. Міцність матеріалу 25…60 МПа.

Супергіпс використовують для виготовлення облицювальних плит, фігурних виробів, для влаштування безшовних наливних підготовок для підлог.

Характеристика готового продукту: кількість води для отримання тіста нормальної консистенції становить 24…26%, початок тужавіння – 5…8 хв, кінець – 9…12 хв, міцність при стиску в сухому стані – 60…70 МПа.

Низьковипалювальні гіпсові в’яжучі речовини застосовують у будівництві для виготовлення панелей-перегородок, блоків, тепло- і звукоізоляційних плит, декоративних плит, пінобетонних виробів, сухої штукатурки. Гіпс використовують для виробництва форм і моделей у фарфоро-фаянсовій, машинобудівній та інших галузях промисловості.

Високовипалювальні гіпсові в’яжучі речовини, що повільно тужавіють і тверднуть, виготовляють випалюванням гіпсового каменю при температурі вище 600 оС. До них належать ангідритовий цемент, опоряджувальний гіпсовий цемент, високовипалювальний гіпс (естрих-гіпс).

Ангідритовий цемент отримують тонким помелом нерозчинного ангідриту з добавками-каталізаторами. Як активатори твердіння використовують сульфати (Na2SO4, NaH SO4, K2SO4, FeSO4 та інші), а також матеріали, що містять певну кількість вільного вапна (доменний шлак, вапно, доломіт та ін.).Ангідритовий цемент порівняно з будівельним гіпсом характеризується меншою водопотребою (30…35 %), більш повільними строками тужавлення та більш високою водостійкістю (коефіцієнт розм’якшення 0,4…0,5). Цей цемент використовують для влаштування безшовних підлог, підготовок під лінолеум, для приготування розчинів та отримання штучного мармуру, а також для бетонів, призначених для мурування стін малоповерхових будівель при відносній вологості повітря не більше 70 %.

5.3.1. Технічні характеристики гіпсових в’яжучих

Істинна щільність гіпсових в’яжучих коливається у межах 2,6…2,75 г/см3 і обумовлена їхнім фазовим складом.

Насипна щільність гіпсу становить 800…1100 кг/м3. Тонкість помелу оцінюється залишком на ситі №02 і для гіпсу грубого помелу становить не більше 23 %, середнього – 14 % і тонкого – 2 % (позначається відповідно І, ІІ, ІІІ). Збільшення тонкості помелу зумовлює підвищення пластичності гіпсового тіста, міцності гіпсових виливків, але збільшує водопотребу.

Водопотреба визначається кількістю води, потрібною для приготування тіста стандартної консистенції (діаметр розпливу 180±5 мм), і залежить від виду і співвідношення модифікацій сульфату кальцію. Для отримання тіста нормальної щільності з β- CaSO4· 0,5H2O потрібно 50…70 % води, а з модифікації α- CaSO4· 0,5H2O – 30…40 %. Теоретично для реакції гідратації потрібно 18,6 % води. Висока водопотреба гіпсових в’яжучих призводить до того, що вироби з них відрізняються підвищеною пористістю (40…60 %), невисокою міцністю.

Строки тужавлення. Гіпсові в’яжучі за строками тужавлення поділяють на такі види: швидкотверднучі (А) – з початком тужавлення не раніше 2 хв і кінцем не пізніше 15 хв, нормальнотверднучі (Б) – з початком тужавлення не раніше 6 хв і кінцем не пізніше 30 хв і повільнотверднучі (В) - з початком тужавлення не раніше 20 хв .

При зниженні температури до 10 оС строки тужавлення подовжуються. При підвищенні температури до 40…50 оС відмічається скорочення строків тужавлення. При подальшому підвищенні температури строки тужавлення подовжуються, а при Т=90…100 оС гіпс не тужавіє взагалі.

Міцнісні характеристики гіпсових в’яжучих визначають випробуванням зразків-балочок розмірами 40×40×160 мм з гіпсового тіста стандартної консистенції через 2 години після виготовлення. Висушування гіпсових виливків до сталої маси збільшує їхню міцність майже у два рази.

Передбачено 12 марок гіпсових в’яжучих – від Г-2 до Г-25, де цифра означає нормовану межу міцності при стиску в МПа. Межа міцності при згині змінюється відповідно від 1,2 до 8 МПа.

Гіпсові вироби мають високу вогнестійкість. Через малу теплопровідність вони повільно прогріваються і руйнуються лише після 6…8 годин нагрівання.

Водостійкість гіпсових виробів є невисокою. Основними шляхами підвищення водостійкості гіпсових виробів є зменшення розчинності гіпсу при введенні добавок; ущільнення гіпсових виливків; просочування або обмазування виробів речовинами, що запобігають проникненню води.

Істотно підвищується водостійкість гіпсу при додаванні вапна 5…25 %, суміші вапна і гідравлічної добавки (трепелу, опоки, шлаку), суміші портландцементу та гідравлічної добавки.

5.3.2.  Повітряне будівельне вапно

Повітряне будівельне вапно (ДСТУ Б.В.2.7-90-99) – продукт випалювання не до спікання при температурі 1000…1200 оС кальцієво-магнієвих гірських порід (вапняку, крейди, вапняку-черепашнику, доломітизованого вапняку), що містять не більше 6 % глинистих домішок. Високодисперсний кремнезем і глинисті домішки при їхньому обмеженому вмісті 5…7 % і відповідно вибраному режимі випалювання не знижують якість вапна. Домішки гіпсу й піриту не бажані, оскільки сприяють утворенню вапна, яке гаситься повільно.

Основним технологічним процесом при отриманні повітряного вапна є випалювання, при цьому утворюється продукт (грудкове негашене вапно) у вигляді поритих кусків, що активно взаємодіють з водою:

CaCO3 + 178 кДж = СаО + СО2.

Продукт випалювання містить, крім головної складової частини, також деяку кількість оксиду магнію, який утворюється в результаті термічної дисоціації:

MgCO3 = MgО + СО2.

Для випалювання карбонатної сировини використовуються печі різних конструкцій: шахтні, обертові, з «киплячим шаром», циклонно-вихрові, агломераційні гратки.

Недовипалення чи перевипалення вапна в печі знижує його якість.

Залежно від вмісту оксиду магнію повітряне вапно поділяють на кальцієве (вміст MgО ≤ 5 %), магнезіальне (MgО – 5…20 %) та доломітове (MgО – 20…40 %).

Повітряне вапно поділяють на:

а) негашене грудкове (вапно-кипілка) – продукт випалювання карбонатних порід;

б) негашене мелене – продукт помелу грудкового вапна;

в) гідратне (гашене) вапно – тонкий пухкий порошок, який утворюється при змішуванні грудкового вапна з водою.

Мелене негашене вапно транспортують у герметично закритих металевих контейнерах або мішках. Зберігати мелене вапно можна не більш як 15 діб на сухих складах.

Гашене вапно утворюється за реакцією

CaO + H2O = Ca(OH)2 + 63,7 кДж.

Теоретично для гашення вапна потрібно 32,13 % води від маси CaO. Залежно від того, скільки води витрачається для гашення, отримують три різних продукти.

Якщо кількість води становить близько 70 %  від маси вапна, отримують вапно-пушонку або гідратне вапно, яке збільшується в об’ємі в 2…3,5 раза порівняно з грудковим вапном, і має насипну густину 400…450 кг/м3.

Якщо кількість води при гашенні досягає 200…250 % від маси вапна, то утворюється пластичне вапняне тісто, що містить 50 % води. При витраті ще більшої кількості води утворюється вапняне молоко.

При змішуванні з водою твердіння гашеного вапна пов’язане з двома процесами: кристалізацією гідроксиду кальцію Ca(OH)2 при висиханні вапняних розчинів та наступною його карбонізацією:

CaO + H2O = Ca(OH)2,

Ca(OH)2 + СО2 + nH2O = СаСО3 + (n + 1) · H2O.

Утворений карбонат кальцію СаСО3 зростається з кристалами Ca(OH)2 й зміцнює вапняний розчин та підвищує його водостійкість. Щоб прискорити твердіння, до вапна додають цемент і гіпс, піддають вироби штучній карбонізації.

 Технічні характеристики будівельного вапна оцінюються визначенням активності, тонкості помелу, швидкості гашення, водопотреби, строків тужавлення, міцності при стиску.

 Істинна щільність негашеного вапна – 3,1…3,3 г/см3, а гашеного у кристалічному стані Ca(OH)2 – 2,23 г/см3. Насипна щільність грудкового вапна – 1600…2600 кг/м3 , а меленого негашеного вапна – 900…1100 кг/м3 , гідратного (гашеного) вапна – 400…500 кг/м3 , а вапняного тіста – 1300…1400 кг/м3 .

За вимогами стандарту сорт будівельного повітряного вапна визначається залежно від його активності, що оцінюється за вмістом активних оксидів (СаО+MgO), який становить не менше 70…90 %.

Повітряне вапно характеризується пластичністю, пов’язаною з його високою водоутримувальною здатністю, внаслідок чого вапняні розчини мають високу легкоукладальність, рівномірно розподіляються тонким шаром на поверхні цегли або бетону, добре зчіплюються з ними.

Строки тужавлення. Будівельні розчини на основі гашеного вапна тужавіють дуже повільно (протягом 5…7 діб), причому цей процес прискорюється при сушінні.

 Будівельні розчини й бетони на основі меленого негашеного вапна швидко тужавіють і тверднуть (через 15…60 хв після замішування), причому водовапняне відношення звичайно становить 0,9…1,5. Розчини й бетони, здатні до самонагрівання під час гідратації, доцільно використовувати при проведенні робіт у зимовий період (штукатурення, мурування, бетонування тощо).

Міцність будівельних розчинів і бетонів на основі повітряного будівельного вапна залежить від умов його твердіння. Будівельні розчини на основі гашеного вапна повільно тверднуть при звичайних температурах (10…20 оС) і через місяць набувають невеликої міцності (0,5…1,5 МПа). Твердіння розчинів на основі негашеного вапна в повітряних умовах через 28 діб сприяє отриманню каменю міцністю 2…3 МПа. Автоклав не твердіння щільних вапняно-піщаних бетонів дозволяє отримати камінь міцністю 30…40 МПа і вище.

Повітряне вапно використовують для приготування мурувальних розчинів, а також для виготовлення штучних бетонних виробів, силікатної цегли та інших вапняно-піщаних виробів автоклавного твердіння, фарбових сумішей.

5.3.3. Магнезіальні в’яжучі речовини

Магнезіальні в’яжучі речовини – каустичний магнезит і каустичний доломіт – це дисперсні порошки, головною складовою частиною яких є оксид магнію. Особливістю цих в’яжучих є те, що вони замішуються не водою, а водними розчинами солей. Магнезіальні цементи, відомі як цементи Сореля, не потребують вологих умов твердіння, забезпечують високу вогнестійкість, низьку теплопровідність, підвищені зносостійкість іміцність утвореного штучного каменю.

Як сировину для магнезіальних в’яжучих найчастіше використовують магнезит MgCO3 (іноді доломіт MgCO3· СаCO3).

Магнезит випалюють при температурі 750…850 оС до повного розкладання MgCO3 на оксиди:

MgCO3 = MgО + СО2.

При підвищенні температури випалювання спостерігається зростання кристалів та їхня рекристалізація, що обумовлює зменшення активності MgО та швидкості його гідратації.

Розкладання доломітів в інтервалі температур 700…900 оС проходить у два етапи:

MgCO3· СаCO3 = СаCO3 + MgО + СО2.

СаCO3 = СаО + СО2.

Магнезіальні в’яжучі речовини змішують водним розчином хлориду магнію MgCl2·6H2O або інших магнезіальних солей. Це сприяє прискоренню твердіння та підвищенню міцності в’яжучих, оскільки поряд із гідратацією оксиду магнію та утворенням бруситу Mg(ОН)2, відбувається процес синтезу гідро хлориду магнію MgCl2·3 Mg(ОН)2·7Н2О, який кристалізується у вигляді волокон і підвищує міцність матеріалу на згині.

Магнезіальні в’яжучі речовини характеризуються високою міцністю при стиску, що досягає 60…100 МПа, високою адгезією до заповнювачів.

Магнезіальний цемент найчастіше використовують разом з органічними заповнювачами. Такі вироби відрізняються підвищеною ударною в’язкістю, добре обробляються, є жаростійкими, мають звукоізоляційні властивості. Типовими прикладами таких матеріалів є ксилоліт (заповнювач – деревна тирса) і фіброліт (заповнювач – довговолокниста деревна маса).

На основі магнезіальних в’яжучих речовин виготовляють теплоізоляційні піно- і газоматеріали. Ці в’яжучі речовини можна застосовувати при проведенні штукатурних робіт, використовуючи як заповнювач кварцовий пісок.

5.4. Гідравлічні в’яжучі речовини

Гідравлічне вапно – це продукт, отриманий випалюванням мергелястих вапняків, що містять від 6 до 20 % глинистих або високодисперсних піщаних домішок.

Основними операціями при виробництві гідравлічного вапна є добування сировини, її подрібнення, випалювання і помел. Процес випалювання здійснюють у шахтних або обертових печах при температурі від 900 до 1150, а іноді  1200 оС.

Під час випалювання, паралельно з процесами зневоднення глинистих мінералів і розкладання карбонатів кальцію і магнію, утворюються не лише вільні оксиди СаО і MgО, а й їхні сполуки з SiO2 та де гідратованою глиною у вигляді кальцієвих силікатів, алюмінатів і феритів, які надають вапну гідравлічних властивостей.

Гідравлічне вапно перші сім діб має тверднути на повітрі, а далі може тверднути й набувати міцності як на повітрі, так і у воді.

Технічні характеристики гідравлічного вапна.

Істинна щільність становить 2,6…3,0 г/см3, а насипна – 700…800 кг/м3.

Водопотреба та водоутримувальна здатність гідравлічного вапна нижчі, ніж повітряного. Строки тужавлення гідравлічного вапна залежить від вмісту вільного СаО.

За вимогами ДСТУ Б В. 2.7-90-99 вапно вважається слабко гідравлічним, якщо межа міцності при стиску на 28 добу твердіння становить 1,7; при згині – 0,4 МПа; сильногідравлічним, якщо межа міцності при стиску та згині на 28 добу твердіння становить 5, та 1,0 МПа відповідно.

Слабкогідравлічне вапно тужавіє швидше, а твердне повільніше, ніж  сильно гідравлічне. Початок тужавлення складає 0,5…2,0 год, а закінчення – 8…16 год. Штучний камінь на основі гідравлічного вапна не визначається високою міцністю. Після 28 діб комбінованого зберігання міцність при стиску зразків із вапняно-піщаного розчину (складу 1:3 за масою) становить 2…5 МПа.

Гідравлічне вапно застосовують для приготування будівельних розчинів підвищеної водостійкості, мурувальних і штукатурних розчинів, для виробництва вапняно-пуцоланових цементів, легких і важких бетонів низьких класів, для виготовлення стінового каміння, призначеного для експлуатації в умовах різної вологості, для стабілізації ґрунтів при будівництві шляхів із малою інтенсивністю руху. Ця речовина входить до складу сухих будівельних сумішей і широко використовується для виготовлення шпаклівок, замазок і фарб. Гідравлічне вапно можна застосовувати як основу під фресковий живопис, тобто при нанесенні малюнків розбавленими у воді мінеральними фарбами на свіжу штукатурку.

Романцемент найчастіше розглядають як один з етапів у розвитку технології отримання гідравлічних в’яжучих речовин, подібних до портландцементу. Його виготовляють випалюванням не до спікання та наступним помелом вапнякових або магнезіальних мергелів, які містять понад 25 % глинистих домішок. Для регулювання властивостей у романцемент можна вводити до 5 % гіпсу і до 15 % активних мінеральних добавок.

Портландцемент – гідравлічна в’яжуча речовина, яку виготовляють спільним тонким подрібненням клінкеру з гіпсом або іншими добавками.

Перший патент на спосіб виробництва штучного каменю під назвою портландський цемент був отриманий у 1824 р. Джозефом Аспдіном. У практиці світового будівництва портландцемент є головним матеріалом для виробництва бетону, залізобетону й будівельних розчинів.

Портландцементний клінкер отримують випалюванням до спікання (при температурі приблизно 1450 оС) сировинної суміші певного складу, що забезпечує синтез переважно високоосновних силікатів кальцію. Гіпс до складу портландцементу вводять для регулювання строків тужавлення і підвищення міцності.

Сировиною для виготовлення портландцементного клінкеру можуть бути карбонатні породи (приблизно 75 %) в суміші з алюмосилікатними речовинами (25 %). Як карбонатні породи використовують вапняки, крейду, вапняки-черепашники, вапнякові туфи, а як алюмосилікатний компонент – глини, але при відповідному економічному обґрунтуванні можна застосовувати суглинки, леси, аргіліти й глинисті сланці. Як сировину використовують природні суміші вапняків з глинами – мергелі.

До найпоширеніших побічних продуктів, придатних для виробництва портландцементного клінкеру, відносять доменні гранульовані шлаки, які завдяки хімічному складу (SiO2 – 38…40%, CaO – 43…44%, Al2O3 – 5…14 %) іноді використовують замість частини глинистого або карбонатного компонентів.

З метою коригування складу шихти також застосовують електротермофосфорні шлаки, паливні золи, відходи вуглезбагачення та різні шлами, в тому числі нефеліновий (пелітовий), монокальцієвий і червоний.

5.5.  Технологія виробництва цементу

Виробництво цементу здійснюється сухим, мокрим  та комбінованим способами.

Процес приготування сировинної суміші для отримання портландцементного клінкеру включає: подрібнення (крупне й тонке), дозування, змішування сировинних компонентів, коригування хімічного складу отриманої суміші, її гомогенізацію і випалювання.

Сухий спосіб виробництва полягає у подрібненні й ретельному перемішуванні сухих або попередньо висушених сировинних матеріалів. Використання цього способу є доцільним при застосуванні однорідних за складом і структурою вапняку й глини вологістю від 10 до 15 %.

Мокрий спосіб виробництва доцільно застосовувати, якщо м’яка сировина (крейда, глина) має значну вологість. Вихідні компоненти подрібнюють і змішують з великою кількістю води (36…42 % від маси сухої речовини) до утворення рідкотекучої маси у вигляді суспензії (шламу). Мокрий спосіб дає змогу знизити енергоємність процесу подрібнення, полегшити транспортування і перемішування сировинної суміші, проте витрати палива на її випалювання в печі в 1,5…2 рази більші, ніж при сухому способі.

 Комбінований спосіб передбачає підготовку сировинної суміші з отриманням шламу, який потім зневоднюють до вологості 16…18% і переробляють на гранули.

Після випалювання в обертових або шахтних печах клінкер інтенсивно охолоджується у барабанних рекуператорах та холодильниках (до температури 100…200 оС), щоб попередити утворення крупних кристалів.

З холодильників клінкер надходить на склад, де його витримують протягом 1…2 тижнів для стабілізації властивостей.

Помел клінкеру здійснюють у трубних (кульових)  млинах. Під час помелу до клінкеру додають двоводний гіпс (до 3,5% за масою) для сповільнення тужавіння портландцементу.

5.6. Хіміко-мінералогічний склад портландцементного клінкеру

Хімічний склад клінкеру представлений чотирма основними оксидами, мас. %: СаО – 63…67; SiO2  - 20…24; Al2O3 – 4…9; Fe2O3 – 2…4. Їхній загальний вміст становить 95…97 %; у невеликій кількості в клінкері містяться також MgO, SO3 , Na2O, K2O, TiO2 та ін.

Наявність у складі клінкеру СаО обумовлює високу міцність і швидке твердіння цементу.

SiO2  зв’язує  СаО в силікати, здатні до гідравлічного твердіння.

Підвищення у складі клінкеру оксиду алюмінію Al2O3 зумовлює швидке тужавіння і прискорене твердіння цементу, але негативно впливає на сульфато- й морозостійкість.

У процесі випалювання сировинної суміші до спікання утворюються чотири основні мінерали цементного клінкеру: три кальцієвий силікат 3СаО. SiO2  - аліт; двокальцієвий силікат 2СаО. SiO2  - бєліт; трикальцієвий алюмінат 3СаО. Al2O3 ;  чотирикальцієвий алюмофірит 4СаО. Al2O3 .Fe2O3 . Скорочений умовний запис цих мінералів відповідно такий: С3S, С2S, С3A, С4AF.

Завдання до самостійної роботи

1. Розглянути значення кожного мінералу клінкеру цементу для отримання цементів заданих властивостей.

Лекція 6

МІНЕРАЛИ Й ВИРОБИ НА ОРГАНІЧНІЙ ОСНОВІ

БІТУМНІ Й ДЬОГТЕВІ В´ЯЖУЧІ РЕЧОВИНИ ТА МАТЕРІАЛИ НА ЇХ ОСНОВІ

6.1. Особливості утворення в’яжучих  речовин органічного походження та їхня класифікація

Органічні в’яжучі речовини –це природні або штучні тверді, в’язко-пластичні й рідкі матеріали, що складаються із хімічних сполук, молекули яких містять карбону. Органічні в’яжучі речовини можна розглядати як дисперсні системи, представлені сумішшю різних сполук, в тому числі метанових CnH2n+2, нафтенових CnH2n, ароматичних CnH2n-6, та гетероциклічних, а також високомолекулярними вуглеводнями й неметалевими похідними.

Органічні в’яжучі є гідрофобними й горючими матеріалами, більшість з яких здатні розчинятися в органічних розчинниках (бензолі, толуолі, гасі, лігроїні), а деякі тільки набухати в них. Вони характеризуються достатньою адгезією до більшості матеріалів.

Сировиною для виробництва органічних в’яжучих речовин є продукти органічного походження, в тому числі нафта, кам’яне вугілля, горючі сланці, торф. Ця сировина підлягає хімічній переробці, в результаті чого, крім таких цінних продуктів, як бітум, дьоготь, одержують також смолоподібні залишки, з яких шляхом додаткової переробки отримують цілий ряд речовин, що за своїми властивостями можуть бути класифіковані як органічні в’яжучі матеріали.

Залежно від властивостей, хімічного складу, виду сировини та технологічного процесу органічні в’яжучі речовини поділяють на:

 бітумні (природні, нафтові, сланцеві) речовини, що складаються із вуглеводнів метанового, нафтенового й ароматичного рядів, а також їхніх кисневих, сірчаних і азотних похідних;

 дьогтьеві (кам’яновугільні, торф’яні, деревні) речовини, які складаються із суміші ароматичних вуглеводнів та їхніх кисневих, азотних або сірчаних похідних;

 бітумнополімерні, що складаються з нафтових бітумів та полімерів;

 гумобітумні, одержані спільною переробкою нафтових бітумів та старої гуми;

гумодьогтеві, одержані спільною переробкою старої гуми та дьогтепродуктів.

Бітумні та дьогтеві в’яжучі входять до групи органічних в’яжучих речовин, що складаються з високомолекулярних вуглеводнів та їх неметалевих похідних (сполук вуглеводнів із сульфуром, оксигеном, нітрогеном). Основними ознаками цих в’яжучих є розм’якшення (розрідження) їх при нагріванні й відновлення своєї початкової в’язкості при охолодженні.

6.2. Бітумні в’яжучі речовини

До бітумних в’яжучих матеріалів належать природні й штучні (нафтові) бітуми.

Природні бітуми – це в’язкі рідини й твердоподібні речовини чорного чи темно-коричневого кольору, що утворилися внаслідок природного процесу окислювальної полімеризації нафти. Вони легко розчиняються в сірковуглеці, бензолі й хлороформі, гірше – у бензині. Найчастіше природні бітуми містяться у пісках, пісковиках, вапняках, доломітах і сланцях, в місцях нафтових родовищ, утворюючи лінзи, а іноді й цілі асфальтові озера. Бітумні породи використовують у вигляді тонкого порошку для одержання асфальтової мастики й асфальтових бетонів.

Нафтові (штучні) бітуми, одержують переробкою нафтової сировини. В Україні постачальниками нафтових бітумів є Кременчуцький, Одеський, Лисичанський і Дрогобицький нафтопереробні заводи.

Залежно від в’язкості нафтові бітуми поділяють на тверді, напівтверді й рідкі, а залежно від способу виробництва – на залишкові, окисненні й крекінгові. За призначенням бітуми бувають дорожніми, будівельними, покрівельними, гідроізоляційними.

Властивості бітумів визначаються їхньою природою, складом і технологією отримання. Для бітумів, на відміну від мінеральних в’яжучих речовин, характерні гідрофобність, атмосферостійкість, підвищена деформативність, здатність розм’якшуватися при нагріванні. Щільність бітумів коливається в межах від 800 до 1300 кг/м3.

Основними якісними показниками бітумів є в’язкість (твердість), деформативність і теплостійкість. Позначення марки бітуму складається з літер, які пов’язані з його призначенням, наприклад БНК 90/60 – означає бітум нафтовий покрівельний (кровельний) , і цифр, перша з яких відповідає температурі розм’якшення, а друга – пенетрацї.

Для дорожніх бітумів цифри (перша та друга) пов’язані з межами зміни пенетрацї, наприклад БНД 200/300.

Бітумні матеріали характеризуються здатністю до старіння, сутність якого полягає у підвищенні крихкості й зменшенні тріщиностійкості внаслідок поступового окиснення компонентів під дією атмосферних факторів.

Бітумні речовини є гідрофобними, вони не змочуються і не розчиняються у воді, що дозволяє їх використовувати як основний компонент гідроізоляційних матеріалів.

Бітуми є хімічно інертними до водних розчинів мінеральних солей, лугів та кислот, наприклад, вони добре чинять опір дії лугів (при концентрації до 45 %), фосфатній кислоті (при концентрації до 85 %), сульфатній (при концентрації до 50 %), соляній (при концентрації до 25 %). Менш стійкі бітуми в атмосфері, яка містить оксиди азоту, вони руйнуються при дії концентрованих розчинів кислот, розчиняються в органічних розчинниках. Відносна хімічна інертність бітумів дозволяє використовувати їх у будівництві для антикорозійного захисту.

Наведені вище властивості бітумів зумовили їх застосування в гідротехнічному й дорожньому будівництві, а також для виробництва покрівельних, гідроізоляційних та антикорозійних матеріалів.

6.3. Дьогтеві в’яжучі речовини

Дьогті – це в’язкі рідини чорного чи бурого кольору, які складаються з вуглеводнів та їх сірчаних, азотних і кисневих похідних, одержаних конденсацією пароподібних продуктів, що утворюються при розкладанні органічних матеріалів в умовах високої температури без доступу повітря.

За вихідною сировиною дьогті поділяють на кам’яновугільні, торф’яні, деревні й сланцеві, залежно від методу переробки сировини – на коксові й газові, а з урахуванням технології отримання – на сирі, відігнані й складні.

У дьогтях міститься велика кількість ненасичених вуглеводнів ароматичного ряду, які піддаються окислювальній полімеризації при контакті з киснем і водою, впливу ультрафіолетових променів. Атмосферостійкість дьогтевих матеріалів нижча порівняно з бітумними. Нестійкість дьогтів до процесів старіння пов’язана з випаруванням легких складових з дьогтю навіть при слабкому нагріванні на сонці, а також з тим, що сполуки, які містяться  в ньому, є ненасиченими,  тому легко вступають в хімічну взаємодію з речовинами зовнішнього середовища, змінюючи свій склад і структуру, що призводить до появи тріщин, крихкості та втрати водовідштовхувальних властивостей.

Однак дьогті (порівняно з бітумами) внаслідок великого вмісту речовин з полярними групами, відзначаються підвищеною адгезією до інших матеріалів. Вони мають вищу біостійкість, що пояснюється токсичністю фенолу, який міститься в їх складі. Дьогті використовують у тих самих галузях будівництва, що й бітуми, але їхнє застосування більш доцільне там, де є загроза виникнення біокорозії.

6.4. Асфальто- йдьогтебетони

Асфальтовим бетоном називається суміш матеріалів різної крупності і бітуму. Асфальтобетонні суміші залежно від в’язкості бітуму й температури при укладенні в дорожнє полотно поділяють на гарячі, теплі та холодні.

Гарячу суміш готують на основі в’язких бітумів і укладають при температурі не нижче 120 оС. Формування структури асфальтобетону в основному закінчується після ущільнення поверхні дорожніми котками.

Теплу суміш виготовляють використовуючи в’язкі й рідкі бітуми, температура укладення яких не нижче 70 оС. Процеси структуроутворення в асфальтобетоні (залежно від виду бітуму і погодних умов) можуть тривати від 2…3 годин до декількох тижнів.

Холодну суміш готують на рідких бітумах, укладають при температурі навколишнього середовища не нижче 5 оС. Структуру асфальтобетону формується повільно (20…40 діб) залежно від швидкості загуснення бітуму, а також від погодних умов та інтенсивності руху автомобілів. Особливістю холодних асфальтобетонних сумішей є здатність деякий час залишатися сипкими, що дозволяє їх зберігати (без погіршення властивостей) протягом 8 місяців. Холодні суміші використовують для покриття та ремонту доріг із невеликою інтенсивністю руху.

Дьогтебетон – це штучний будівельний матеріал, отриманий ущільненням суміші дьогтю, щебеню, піску й мінерального порошку.

6.5. Характеристика матеріалів на основі бітумних і дьогтевих в’яжучих речовин

На основі бітумних і дьогтевих в’яжучих виготовляють велику кількість виробів: рулонні покрівельні й гідроізоляційні матеріали, штучні вироби, мастики, емульсії і пасти.

Емульсії – це дисперсні системи, що складаються з двох рідин, які не змішуються між собою, причому одна рідина є диспергованою у другій. Стійкість утвореної емульсії досягається введеним до її складу емульгаторів – поверхнево-активних речовин (ПАР) або тонкодисперсних твердих порошків, які, з одного боку, знижують поверхневий натяг між бітумом і водою, а з другого – надають частинкам певного заряду, що перешкоджає їхньому злипанню. Емульгаторами є мила (нафтенових, сульфонафтенових) органічних кислот, лігносульфат технічний (ЛСТ), асидол, олеїнова кислота. До твердих емульгаторів належать тонкі порошки глин, вапна, цементу, кам’яного вугілля і сажі. Тверді емульгатори адсорбуються на поверхні бітуму і дьогтю, утворюючи захисний шар, що перешкоджає злипанню окремих глобул, диспергованих у воді.

Емульсії застосовують для влаштування захисного гідро- і пароізоляційного покриття, ґрунтування основи під гідроізоляцію, приклеювання штучних і рулонних матеріалів, а також гідрофобізації поверхонь виробів.

Бітумні пасти готують з бітуму, води  й емульгатора. Пасти застосовують для влаштування захисного гідроізоляційного  покриття, ґрунтування поверхні, яка ізолюється, ущільнення стиків у покрівлі, а також як в’яжучу суміш для виготовлення холодних мастик.

Мастики – це клейові суміші, якими не тільки з’єднують різні матеріали між собою, але й покривають поверхні деталей та конструкцій відносно товстим шаром для запобігання корозії, заповнюють щілини, раковини, отвори та інші заглиблення, щоб одержати однорідну гладку поверхню чи забезпечити герметичність швів.

Рулонні покрівельні матеріали за структурою полотна поділяють на основні й безосновні. Як основу рулонного матеріалу застосовують покрівельний картон, склотканини, фольгу, тканини на основі поліефірних волокон, еластоміри, еластоміри, азбестовий папір.

Рулонні покрівельні матеріали виробляють із захисним шаром, яким може бути посипка (крупнозерниста – «К», дрібнозерниста – «Д», лускоподібна – «Л» і пиловидна «П»), покриття фольгою тощо.

Руберойд (ДСТУ Б А.1.1-15-94) виготовляють просочуванням покрівельного картону м’якими нафтовими бітумами. Потім його покривають з однієї чи з обох сторін тугоплавким нафтовим бітумом і наносять тонкий шар подрібненого мінерального порошку, слюди чи кольорової мінеральної посипки.

Налагоджено випуск руберойду дев’яти марок: РКК-420А, РКК-420Б, РКК-350Б, РКЧ-450Б, РКП-350А, РКП-350Б, РПП-300А, РПП-300Б, РПЭ-300.

Літера «Р» у позначенні марки означає руберойд; К, П, Э – перші літери російських слів: кровельный, подкладочный, эластичный; К,П,Ч - перші літери російських слів, які означають вид посипки: крупнозернистая, пылеватая и чешуйчатая; числа після літер позначають марку картону, літери А, Б – межі міцності при розтягу.

Наплавлений руберойд – покрівельний матеріал, який наклеюють, не застосовуючи покрівельної мастики, розплавленням потовщеного нижнього покривного шару.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1. Обґрунтувати можливість використання матеріалів на основі бітуму для ізоляційних робіт.

2. Навести приклади використання матеріалів на основі дьогтю.

3. Розшифрувати марок руберойду РКК-420А, РКК-420Б, РКК-350Б, РКЧ-450Б, РКП-350А, РКП-350Б, РПП-300А, РПП-300Б, РПЭ-300.

4. Навести позитивні й негативні властивості матеріалів на основі бітуму.

Лекція 7

МАТЕРІАЛИ Й ВИРОБИ З ДЕРЕВИНИ

7.1. Загальні відомості

Деревину з давніх часів широко застосовують у будівництві завдяки її значному поширенню та високим будівельно-технологічним властивостям: значній міцності при розтягу й стиску, невеликій щільності, низькій теплопровідності, технологічності при обробці, гарному зовнішньому вигляду.

Деревина як будівельний матеріал має й ряд недоліків: неоднорідність будови і, відповідно, властивостей, гігроскопічність, займистість, здатність до гниття тощо. Частину цих недоліків можна подолати технічними заходами. Для підвищення гнилостійкості застосовують антисептики, а для підвищення вогнестійкості – антипірени. Виготовлення клеєних дерев’яних конструкцій зменшує  усихання і короблення деревини.

Деревину застосовують для виробництва паркету, дверних і віконних коробок, хрестовин, дверного заповнення, вбудованих меблів. Деревину й досі широко використовують для виготовлення шпал, опор ліній електропередач та як кріпильне риштовання в підземних розробках.

7.2. Будова деревини

Дерево складається з коріння, стовбура і крони. Стовбур є основною частиною дерева, саме від його будови залежить повноцінність деревини.

Макроструктура – це будова деревини, що помітна неозброєним оком або при невеликому збільшенні. Вивчення макроструктури дає змогу встановити основні ознаки деревини, визначити її породу й прогнозувати фізико-механічні та інші властивості. Вивчають три основних розрізи стовбура: торцевий, або поперечний, перпендикулярний до осі стовбура; радіальний – уздовж стовбура і такий, що проходить через стрижень; тангенціальний – паралельний осі стовбура.

На поперечному розрізі стовбура видно кору, камбій, заболонь, ядро, стрижень, стрижневі промені й різні шари. У різні пори року камбій розвивається по-різному: влітку він утворює щільну деревину (пізня деревина), навесні – дірчасту (рання деревина). Чим більше утворилося пізньої деревини, тим вище її механічна міцність. Деревина легко розколюється і розтріскується при висиханні по стрижневих променях.

7.3. Мікроструктура і хімічний склад деревини

Деревина складається з живих та відмерлих клітин різної форми та величини. Оболонка клітини складається з целюлози, або клітковини (С6Н10О5)n. У процесі росту клітини оболонка дерев’яніє, що пов’язано з появою лігніну, який надає деревині пружності й твердості.

У деревині хвойних порід зустрічаються ходи, призначені для нагромадження смолистих речовин, що підвищують стійкість і довговічність деревини.

Стінки клітини складені з органічних сполук, які у хвойних порід на 70 %, а в листяних на 80 % представлені вуглеводнями. До 30 % деревини складають речовини ароматичної природи, відомі як лігнін. Вуглеводні та лігнін – високомолекулярні сполуки, полімери з усіма притаманними їм характеристиками.

Незначна частка в складі деревини припадає на екстрактивні речовини, що відносяться до низькомолекулярних сполук (смоли, смоляні кислоти, ефірні масла, барвники тощо).Вони надають деревині колір, запах, смак, підвищують стійкість проти гниття і ураження грибами.

7.4. Деревні породи

Деревні породи поділяють на хвойні й листяні. Хвойні породи застосовують переважно для інженерних конструкцій.

Сосна -  ядрова порода, яка має високу міцність і низьку щільність (середня густина – 470…540 кг/м3). Ядро у неї буро-червоного кольору, а заболонь – жовтого. Деревина сосни смолиста, важко піддається загниванню її застосовують у вигляді кругляка і пиляних лісоматеріалів, а також для виготовлення столярних виробів й меблів.

Ялина – порода із стиглою деревиною, мало смолиста, має високі показники міцності, низьку середню щільність (440…500 кг/м3). ЇЇ застосовують для виготовлення будівельних конструкцій та столярних виробів.

Модрина – ядрова смолиста порода з підвищеними твердістю і середньою щільністю (630…730 кг/м3), стійка проти загнивання. Застосовують її в будівництві мостів, у гідротехнічному будівництві, для виготовлення шпал і рудникових стояків. Недоліком деревини модрини схильність до розтріскування.

Ялиця – порода без'ядрова, річні кільця широкі, не містять смоляних ходів. Деревина менш стійка порівняно з іншими породами, тому  не застосовується у вологих умовах експлуатації.

Кедр – ядрова порода, яка має низьку щільність, її механічні властивості нижчі ніж у сосни; застосовують як будівельний ліс, пиломатеріали, а також для виготовлення столярних виробів.

Тис – порода ядрова, використовується для виготовлення меблів, у будівництві широкого застосування не знайшла.

Листяні породи налічують багато найменувань (дуб, бук, осика, вільха, береза, липа, ясень, горіх тощо).

Дуб – ядрова порода, яка має високі механічну міцність, в’язкість і щільність (середня густина – 720 кг/м3). Має високу стійкість проти загнивання, гарну текстуру. Застосовують у відповідальних конструкціях, мостобудуванні, гідротехнічному будівництві, для виготовлення столярних виробів і меблів. При тривалому перебуванні у воді деревина темнішає, поступово перетворюючись на морений дуб.

Бук – розсіяно-пориста стиглодеревна порода. Деревина тверда, щільна (середня густина – 650 кг/м3), пружна, білого з червоним відтінком кольору, малостійка проти загнивання. Застосовують її для виготовлення столярних виробів, меблів і паркету.

Осика – заболонна стиглодеревна порода. Деревина легка (середня щільність – 420…500 кг/м3), м’яка, зеленуватого кольору. Застосовують її для фанери щепи, тари.

Вільха – заболонна порода з м’якою деревиною, що легко піддається обробці, нестійка проти загнивання. Застосовують її для фанери й столярних виробів.

Береза - заболонна порода. Деревина щільна (середня щільність – 650 кг/м3), має високі міцність, в’язкість; нестійка проти загнивання. Застосовують її для виготовлення  фанери, столярних виробів, меблів та паркету, опоряджувальних робіт.

7.5. Основні властивості деревини

Фізичні властивості деревини: істинна й середня щільність, вологість, усихання, розбухання, короблення, теплопровідність, пористість та ряд інших.

Істинна щільність деревини приблизно однакова для різних порід і становить 1,53…1,55 г/см3.

Середня щільність деревини залежить від виду породи, вологості й пористості і може бути в межах 450…900 кг/м3.

Вологість значною мірою зумовлює якість деревини. Розрізняють гігроскопічну вологу, зв’язану в стінках клітин, й капілярну, яка заповнює міжклітинний простір. При висиханні деревина спочатку втрачає вільну (капілярну) вологу, а далі починає виділяти гігроскопічну.

Вологість деревини, що дорівнює 12 %, умовно вважається стандартною. Результати визначення всіх фізичних властивостей деревини треба коригувати з урахуванням цієї вологості. При тривалому перебуванні на повітрі при сталих умовах деревина набуває вологості, яку називають рівноважною. Стан деревини в момент, коли в її структурі відсутня вільна волога, називають межею гігроскопічної вологості (для різних порід вона становить 23…35% відносно маси сухої деревини).

Усихання, розбухання, короблення деревини відбуваються зі зміною вологості. При висушуванні деревини до межі гігроскопічної вологості її лінійні розміри не змінюються. При подальшому висушуванні розміри деревини зменшуються: уздовж волокон на 0,1…0,4 %; у радіальному напрямі на 3…6%; у тангенціальному на 6…125. Зменшення лінійних розмірів і об’єму деревини при видаленні з неї гігроскопічної вологи називають усиханням. Із зволоженням сухої деревини до досягнення нею границі гігроскопічності, стінки деревних клітин потовщуються, розбухають, що призводить до збільшення розмірів та об’єму виробів. Цей стан називають розбуханням. Короблення деревини виникає внаслідок неоднакового усихання в різних напрямах. Широкі дошки дужче коробляться, ніж вузькі,  тому ширина дошок, які зазнають під час експлуатації навперемінного зволоження і висушування (підлога, зовнішня обшивка будівель), не повинна перевищувати 12 см.

Щоб запобігти коробленню і розтріскуванню дерев’яних виробів, треба застосовувати деревину з такою вологістю, яка відповідала б умовам експлуатації.

Теплопровідність деревини залежить від породи, напряму волокон та вологості.

Механічні властивості (міцність при стиску і розтягу, при згині та сколюванні).

Міцність при стиску деревини визначають на зразках – призмах перерізом 20 ×20 мм і завдовжки 30 мм уздовж і поперек волокон. Міцність деревини на стиск уздовж волокон у 4…6 разів більша за її міцність поперек волокон. Міцність зразків при стандартній вологості 12% визначають за формулою

R12=Rw(1+α(W-12)),

де R12 – межа міцності при 12%-й вологості, %;

Rw - межа міцності при вологості W, %;

α – поправковий коефіцієнт на вологість ( для всіх порід 0,04);

W – вологість деревини під час випробування, %.

 Міцність при розтягу деревини вздовж волокон у 2…3 рази більша за міцність при стиску й у 20…30 разів вища за міцність при розтягу впоперек волокон. Для окремих порід межа міцності при розтягу достягає 100…200 МПа.

Питома міцність деревини при розтягу вздовж волокон порівнювальна з аналогічними показниками сталі й склопластиків. Проте цінні властивості деревини реалізувати в конструкціях складно через наявність вад(сучки, тріщини тощо),які  знижують її міцнісні властивості.

Міцність при розтягу деревини хвойних порід мало залежить від вологості, для деревини листяних порід цей вплив є значнішим.   

 Міцність при статичному згині деревини перевищує міцність при стиску вздовж волокон, але менша за міцність при розтягу і становить для різних порід 50…100 МПа. Високі значення при статичному згині дають змогу широко застосовувати деревину в конструкціях, які працюють на згин (балки, крокви, бруски, настили тощо).

 Міцність при сколюванні деревини вздовж волокон становить у середньому 3…13 МПа. Міцність при сколюванні впоперек волокон у 3…4 рази вища за міцність при сколюванні вздовж воло локон, але чистого зрізу практично не буває, оскільки одночасно відбуваються стиск і згин волокон.

 Статична твердість деревини дорівнює навантаженню, потрібному для вдавлювання в поверхню зразка половини металевої кульки на глибину 5,64 мм (площа відбитка дорівнює 1 см2). За твердістю по торцю деревину поділяють на три групи: м’яка з твердістю 35…50 МПа (сосна, ялина, ялиця, вільха); тверда – 50…100 МПа (дуб, граб, ясень, клен, каштан, береза); дуже тверда – понад 100 МПа (самшит, кизил).

 Вади деревини – це недоліки окремих її ділянок, які знижують якість і обмежують можливості використання. Вади деревини можуть бути пов’язані з відхиленнями від її нормальної будови, пошкодженнями  та захворюваннями. Їх поділяють на такі групи: тріщини, сучки, пошкодження комахами, грибами, трухлявинами, дефекти форми стовбура, вади будови деревини, рани, ненормальні відкладення в середині деревини, хімічні забарвлення. Вплив вад на придатність деревини для будівельних потреб залежить від їхнього місця розташування, виду, розмірів ураження, а також від призначення деревини. Сортність деревини встановлюють з урахуванням наявних вад. Їхнє походження може бути різним. Одні з них утворюються в період росту дерева, інші – в період зберігання та експлуатації.

7.6. Біокомпозити та композиційні матеріали на основі відходів переробки деревини

 Біокомпозити виготовляють з використанням біотехнологій, заснованих на досягненнях біохімії, мікробіології та інженерних наук. Зв’язуючим матеріалом у біокомпозитах є природні клеючі речовини, що видаляються мікроорганізмами з деревини або іншої рослинної сировини. Основними компонентами деревини є природні полімери: целюлоза, геміцелюлоза і лігнін. Лігнін у деревині, яку можна розглядати як природний композиційний матеріал, виконує функцію клею (матриці), а целюлоза – армуючої речовини.

При виготовленні біокомпозитів подрібнена деревина під дією тиску й температури здатна до утворення монолітного матеріалу. Для прискорення цього процесу використовують дереворуйнівні гриби – ксилотрофи.

 Деревношаруваті пластики (ДШП) – листи або плити, виготовлені з тонкого лущеного шпону, просоченого й склеєного полімерами резольного типу. ДШП використовують для облицювання внутрішніх приміщень громадських і адміністративних будівель та як конструкційний матеріал.

 Деревостружкові плити виготовляють гарячим пресуванням деревних стружок з полімерними зв'язуючими речовинами. ДСП використовують як основу під килимові й лінолеумні покриття, для надання декоративного ефекту.

Деревоволокнисті плити виготовляють гарячим пресуванням волокнистої маси, що складається з органічних волокон, води, наповнювачів, синтетичних полімерів і деяких добавок. Сировиною для виготовлення плит є відходи деревообробних виробництв та лісозаготівель (тріска, дріб’язок), стебла очерету, льняна костриця та інші рослинні матеріали. ДВП застосовують для покриття підлог, для внутрішньої обробки будівель, обшивки салонів літаків і кают пароплавів.

 7.7. Захист деревини від гниття і займання

Щоб запобігти загниванню деревини, вживають конструктивні заходи: деревину ізолюють від бетону, цегли, каменю, роблять отвори для провітрювання, захищають від атмосферних опадів. Деревину просочують антисептиками – хімічними речовинами, які вбивають грибні пори чи створюють середовище, в якому їхня життєдіяльність стає неможливою.

До водорозчинних антисептиків відносяться фтори натрію, мідний купорос тощо. До водонерозчинних антисептиків належать маслянисті (кам’яновугільна смола, антраценове масло, карболеніум) й кристалічні антисептики (технічний оксиди феніл, пентохлорфенол). Через неприємний запах їх можна використовувати для просочування дерев’яних конструкцій, які перебувають на повітрі чи у воді (шпали, частини мостів, палі).

Щоб уникнути займання, передбачають конструктивні заходи: віддаляють дерев’яні конструкції від джерел нагрівання; влаштовують захисні футеровки з вогнестійких матеріалів (цегли, бетону); покривають шаром малотеплопровідного мінерального матеріалу (азбестового, азбестоцементного, пористої штукатурки тощо). Для оберігання від вогню деревину просочують вогнезахисними сполуками (антипіренами). Антипірени готують на основі фосфорнокислого чи сірчистого амонію, бури, борної кислоти. При нагріванні вони легко плавляться й перекривають доступ кисню або виділяють гази, які не підтримують горіння. Вогнезахисті фарбові суміші виготовляють із розчинного скла, піску або крейди та лугостійкого пігменту. При нагріванні фарба пузириться й утворюється пористий захисний шар, який знижує температуру на поверхні деревини.

Значне поліпшення властивостей деревини досягається при її модифікації синтетичними полімерами.

Лекція 8

ЛАКОФАРБОВІ МАТЕРІАЛИ

8.1. Особливості композиційної побудови лакофарбових матеріалів і покриттів

Лакофарбовими називають природні чи штучні матеріали, які наносять у в´язкорідкому стані тонким шаром (60…500 мкм) на поверхню будівельних конструкцій та деталей (бетонних, дерев’яних, металевих тощо) для утворення покриття з необхідними властивостями – захисними, декоративними, спеціальними. Загальною ознакою всіх лакофарбових покриттів є ізоляція поверхні від зовнішніх впливів, надання їм певного виду, кольору, фактури .

До лакофарбових виробів відносяться ґрунтовки, шпаклівки (шпаклівки), фарби, лаки, емалі. Для досягнення необхідної в´язкорідкої консистенції фарбової суміші без додаткової витрати зв´язуючої речовини застосовують розчинники або розріджувачі.

Лакофарбові покриття (ДСТУ Б А.1.1-45-95) – це покриття, призначені для захисту матеріалів від шкідливих дій навколишнього середовища і досягнення певного декоративного ефекту. Властивості лакофарбових покриттів залежать не тільки від виду та якості застосованих матеріалів, але й від таких факторів, як спосіб покриття до фарбування, дотримання технологічного режиму фарбування та сушіння.

До сучасних лакофарбових покриттів ставляться вимоги, які умовно можна поділити на:

  1.  експлуатаційні (світлостійкість, кольоростійкість, стійкість до механічних дій, хімічна, біологічна стійкість, атмосферостійкість);
  2.  декоративні (фактура, структура покриття, колір, глянсуватість, тобто здатність відбивати світло);
  3.  технологічні (покривна здатність, або витрата матеріалу на 1 м2 поверхні, швидкість висихання та екологічність, в тому числі безпечність для здоров’я людини і навколишнього середовища під час виробництва матеріалів та їх застосування);
  4.  спеціальні (термостійкість, електроізоляційність, стійкість до рентгенівського випромінювання, стійкість до дії хімікатів, бактерицидність).

Одержання фарбових покриттів – це технологічний процес, що передбачає виконання відповідних операцій: підготовки поверхні, що фарбується (ґрунтування, шпатлювання), нанесення фарбових шарів та сушіння. Ґрунтувальний шар призначений для зменшення відсмоктуючої здатності поверхні будівельної конструкції, а також для поліпшення зчеплення основного покриття з підкладкою. Шпаклювальний шар призначений для вирівнювання поверхні і усунення її дефектів. Після ґрунтування і шпатлювання наносять декілька шарів фарбового покриття. Ґрунтовка, шпаклівка і фарбова суміш утворюють багатошарове покриття.

8.2. Класифікація лакофарбових матеріалів

Лакофарбові матеріали за складом (типом плівкоутворюючих речовин) поділяють на: полімерні, олійні (масляні), цементні, силікатні, клейові тощо.

За призначенням лакофарбові матеріали поділяють на спеціальні й матеріали для зовнішнього і внутрішнього застосування.

Класифікація лакофарбових покриттів за додатковими ознаками передбачає поділ:

  1.  за видом використаного розчинника або розріджувача (наприклад, води або легких органічних речовин);
  2.  за прозорістю утворених плівок – на прозорі (лаки, оліфи) та непрозорі (фарби, емалі, ґрунтовки);
  3.  за наявністю пігментів – пігментовані, непігментовані;
  4.  за ступенем блиску – глянсові, напівглянсові, напівматові, глибоко матові;
  5.  за умовами сушіння – холодні та гарячі;
  6.  за послідовністю нанесення шарів і типом покриття – просочувальні, ґрунтувальні, проміжні, покривні;
  7.  за консистенцією – рідкі, в’язкі, пастоподібні.

Маркування фарбових матеріалів виконують з позначенням виду, природи плівкоутворюючого компоненнта та їхнього призначення. З цією метою для маркування використовується система позначень з літер і цифр, що складається з п’яти груп знаків для пігментованих матеріалів (емалюй, фарб, ґрунтовок, шпаклівок) та чотирьох груп знаків – для непігментованих (лаків).

Перша група знаків визначає вид лакофарбового покриття (подається у вигляді слова – лак, фарба, емаль, ґрунтовка, шпаклівка).

Друга група знаків визначає вид матеріалу за хімічним складом (подається у вигляді абревіатури):

на основі поліконденсаційних полімерів: УР – поліуретанові, АУ – алкідно уретанові, КО – кремнійорганічні , ГФ – гліфталеві, ПФ – пентафталеві, МО – меламінові, МЧ – сечовинні (карбамідні), ФЛ – фенольні, ЕП – епоксидні;

на основі полімеризаційних полімерів: АК – поліакрилатні, ВА – полівінілацетатні, ВС – на основі сополімерів вінілацетату, КЧ – каучукові, НП – нафтополімерні, ФП – фторопластові, ХВ – перхлорвінілові, ХС – на основі сополімерів вінілхлориду;

на основі органічних в’яжучих речовин: БТ – бітумні, КФ – каніфольні, МА – масляні, ШЛ – шеллачні та ін.;

на основі ефірів целюлози: АЦ – ацетилцелюлозні, НЦ – нітроцелюлозні, ЕЦ – етилцелюлозні та ін.

Для деяких матеріалів між 1 і 2 групами вводять додаткові позначення з літерами: Б – без легкого розчинника, В – водорозбавлювальні, ВД – вододисперсійні, ОД – органодисперсійні, П – порошкові.

Третя група вказує на переважаючі умови експлуатації та призначення лакофарбового матеріалу (позначається цифрами от 1 до 9)(табл. 4).

Таблиця 4 - Класифікація лакофарбових матеріалів за умовами експлуатації

Групи лакофарбових матеріалів

Позначення груп

Умови експлуатації покриття

Атмосферостійкі (для зовнішніх робіт)

1

Експлуатуються на відкритих майданчиках

Обмежено атмосферостійкі (для внутрішніх робіт)

2

Експлуатуються під навісом і в середині неопалювальних приміщень

Захисні, консерваційні

3

Для тимчасового захисту виробів під час виробництва, транспортування і зберігання

Водостійкі

4

Стійкі до прісної і морської води

Спеціальні

5

Стійкі до дії рентгенівських та інших випромінювань, для просочування тканин, фарбування шкіри, гуми, пластмас та ін.

Маслобензостійкі

6

Стійкі до дії мінеральних масел та консистентних мастил, бензину, гасу та інших нафтопродуктів

Хімічно стійкі

7

Стійкі до дій кислот, лугів та інших хімічних реагентів або їхніх парів.

Термостійкі

8

Стійкі до дії високої температури

Електроізоляційні й електропровідні

9

Стійкі до впливу електричного струму, поверхневих електричних розрядів

Четверта група знаків – це реєстраційний номер фарби. Для масляних (олійних) фарб замість порядкового номера ставлять цифру, яка відповідає виду оліфи, що є основою для цієї фарби: 1 – натуральна оліфа, 2 – оліфа оксоль, 3 – гліфталева, 4 – комбінована.

П’ята група відповідає кольору лакофарбового матеріалу – емалі, фарби, ґрунтовки, шпаклівки. Позначається повним словом, наприклад, сіро-біла, блакитна та ін.

У деяких випадках для уточнення специфічних властивостей лакофарбового покриття після порядкового номера ставлять літерний індекс, наприклад В – високов’язкий, М – матовий, Н – із заповнювачем, ПМ – напівматовий, ПГ – низької горючості.

Приклади позначення: Емаль ХВ-16 сіро-біла – перхлорвінілова емаль (ХВ) для атмосферостійких покриттів (1), реєстраційний номер (6), колір – сіро-білий.

8.3. Характеристика основних компонентів лакофарбових матеріалів

Основними компонентами для приготування лакофарбових матеріалів є плівкотвірні (зв’язуючи) речовини, пігменти й наповнювачі (для надання визначених властивостей), розчинники, розріджувачі й цільові добавки. Змінити властивості покриттів можна шляхом хімічної модифікації або застосування іншого плівкоутворювача, що веде за собою  заміну інших компонентів у композиції. Більш простим і ефективним є регулювання властивостей лакофарбових матеріалів за рахунок використання різних добавок, які додають у невеликій кількості (від 0,02 до 3…5 % залежно від призначення). Їх часто називають адитивами.

Адитиви – технологічні добавки, які інтенсифікують процеси диспергування пігментів, твердіння, змочування підкладки, усування поверхневих дефектів на стадіях виготовлення, транспортування, зберігання фарб і формування покриття. До адитивів відносять сикативи, диспергатори пігментів, емульгатори, піногасники та ін.

Плівкотвірні (зв’язуючи) речовини призначені для забезпечення зчеплення між собою частинок пігменту, наповнювача і створення захисно-декоративної плівки з високими адгезійними властивостями до поверхні будівельного матеріалу. Від якості звязуючої речовини залежать технологічні та експлуатаційні властивості, а головне  довговічність лакофарбового покриття.

До природних плівкоутворювачів можна віднести природні олії, які піддаються спеціальній обробці (оліфи), смоли природного походження (каніфоль, бурштин), бітуми і асфальти, речовини тваринного походження (казеїн, міздрю), спеціально оброблену целюлозу.

До штучних плівкоутворювачів відносять полімери, неорганічні в’яжучі речовини.

Пігментами називають тонкодисперсні порошки, не розчинні у зв´язуючій речовині й розчиннику, здатні брати участь в утворенні непрозорого покриття, надавати йому не тільки різних кольорів і відтінків, але й підвищувати міцність та довговічність.

Пігменти за походженням поділяють на неорганічні (мінеральні) й органічні, за способом отримання – природні й штучні. Неорганічні пігменти отримані хімічною обробкою руд, металів і мінералів (синтетичні) і «земляні» пігменти (природні) – сурик залізний, вохра. Штучні мінеральні пігменти отримують термічною або хімічною обробкою мінеральної сировини. Органічні пігменти (барвники) мають високу барвну й покривну здатність, відрізняються яскравим кольором, характеризуються світло- й атмсферостійкістю, але недостатньою лугостійкістю.

За хімічним складом пігменти поділяють на такі класи сполук:

  1.  елементи – технічний карбон, металеві пігменти (цинковий пил, алюмінієва пудра);
  2.  оксиди – діоксид титану, цинкові білила, залізооксидні пігменти, сурик свинцевий та ін.;
  3.  солі – карбонати (свинцеві білила), хромати (свинцеві та цинкові крона); сульфіди (ліпотон, кадмієві пігменти), фосфати ( фосфати кобальту, хрому), комплексні солі (залізна лазур), алюмосилікати (ультрамарин) та ін.

Властивості пігментів оцінюють барвною здатністю, покривною здатністю, масломісткістю, хімічною стійкістю, атмосферостійкістю, антикорозійною стійкістю та ін.

Барвна здатність – здатність пігментів при змішуванні з іншими речовинами надавати їм свого забарвлення.

Покривність – це доза пігменту, яка необхідна для повного зафарбування нанесеної раніше на поверхню шару контрастної фарби.

Масломісткість – це здатність пігменту утримувати певнукількість масла. Властивість ця визначається кількістю масла, яке необхідно додавати до пігменту для одержання фарбової пасти.

Наповнювачі – це тверді дисперсні неорганічні природні або штучні речовини, які не розчиняються в розчинниках і плівкоутворювачах. Вони застосовуються для поліпшення малярно-технічних властивостей лакофарбових матеріалів і підвищення експлуатаційних властивостей покриттів, а також для економії пігментів.

Розчинники – це рідини, які використовують для розчинення плівкотвірних речовин, а також для розведення лакофарбових матеріалів до робочої в’язкості перед нанесенням на поверхню. Розчинниками можуть бути вода (для водно дисперсійних фарб) й легкі органічні рідини, які випаровуються у процесі висихання. Органічні розчинники (уайт-спирит, ацетон) використовують для масляних фарб та лаків, гліфталевих та бітумних речовин, епоксидних, перхлорвінілових та нітроцелюлоз них лаків і фарб.

Розріджувачі (у вигляді води або органічної легкої рідини) на відміну від розчинника тільки зменшують в’язкість фарбової суміші, вони призначені для розведення густотертих чи сухих мінеральних фарб. Кількість розріджувача для різних фарб не повинна перевищувати 22…40 %.

Сикативи – прискорювачі висихання (скорочують тривалість утворення плівки) – це сполуки деяких металів (в основному плюмбуму, мангану, кобальту, кальцію, феруму) з органічними кислотами. Вони є каталізаторами процесу висихання оліф, лаків, емалей, фарб, ґрунтовок та шпаклівок.

Пластифікатори – це органічні продукти, які надають лакофарбовим покриттям необхідної еластичності, підвищеної стійкості до світла, теплоти чи холоду. До них ставляться загальні вимоги: низька леткість, безбарвність, відсутність запаху, сумісність з іншими компонентами, нейтральність.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1. Обґрунтувати можливість використання синтетичних полімерів для виготовлення фарб

2. Порівняти властивості натуральних, напівнатуральних та штучних оліф.

3. Навести приклади і охарактеризувати різні види пігментів.

4. Розглянути допоміжні матеріали, що використовуються при малярних роботах.

Лекція 9

ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ

9.1. Класифікація полімерних речовин та матеріалів на їхній основі

Полімерними речовинами називають високомолекулярні сполуки, що складаються з елементарних (мономерних) ланок, об’єднаних у макромолекули різної будови.

Головними критеріями класифікації полімерних речовин є хімічна природа, походження, спосіб синтезу і тверднення, склад основного ланцюга макромолекул і характер їхньої будови, здатність до пластичних деформацій при циклічній дії температурного фактора.

За хімічною природою полімерні речовини поділяють на органічні та неорганічні. В неорганічних високомолекулярних сполуках (полімерах) атоми карбону відсутні, а в органічних – макромолекули складаються переважно з цих атомів.

За походженням розрізняють полімерні матеріали природні й штучні. До природних полімерів відносять деревину, бавовну, вовну, шкіру, каучук тощо. Штучні полімерні матеріали отримують шляхом синтезу з простих низькомолекулярних речовин, відомих як мономери.

За способом синтезу й тверднення органічні полімерні речовини поділяються на полімеризаційні й поліконденсаційні.

Полімеризація – це процес об’єднання молекул низькомолекулярної речовини (мономеру) без виділення будь-яких побічних продуктів.

Поліконденсація – це процес одержання високомолекулярних сполук (полі конденсатів) з одночасним відщепленням низькомолекулярних продуктів реакції (води, хлороводню тощо).

За здатністю до пластичних деформацій при циклічній дії температурного фактора органічні полімери поділяють на термопластичні й термореактивні.

Термопластичні полімери (поліетилен, полістирол тощо) спроможні до пластичних деформацій при підвищенні температури, тобто здатні при нагріванні розм’якшуватися й переходити до в´язкопружного  стану. При охолодженні вони твердіють, зберігаючи задану форму. Такі перетворення можуть повторюватися неодноразово.

Термореактивні полімери (фенол формальдегідні, карбамідні) проходять стадію пластичного деформування при підвищеній температурі, але при цьому після охолодження в їхній структурі відбуваються незворотні зміни, що призводять до неможливості переходу їх у пластичний стан при повторному нагріванні, тобто вони не можуть оборотно змінювати свої властивості й не придатні до повторного формування.

Полімерними матеріалами (пластичними масами) називають матеріали, що містять у своєму складі високомолекулярні органічні речовини – полімери і на певній стадії виробництва набирають пластичності, яка повністю або частково втрачається після затвердіння полімеру.

Розрізняють пластичні маси прості, що складаються лише з полімерної речовини, і складні, до складу яких, крім полімеру, входять  інші компоненти: наповнювачі, пластифікатори, стабілізатори, отверджувачі, барвники тощо.

Пластмаси залежно від призначення їх у будівництві поділяють на такі основні групи: матеріали огороджувальних і несучих конструкцій; покриття підлог та опорядження стін; гідроізоляційні, герметизуючи, покрівельні, тепло- та звукоізоляційні матеріали; труби та інші погонажні вироби; санітарно-технічні вироби; лаки, фарби, клеї.

9.2. Основні властивості полімерних матеріалів (пластмас)

Загальні властивості пластмас залежать від багатьох факторів: хімічної будови полімерів, типу наповнювача, вмісту добавок (пластифікаторів, барвників, стабілізаторів), технології виготовлення.

Середня щільність пластмас становить 900…2200 кг/м3 і залежить від виду використаних наповнювачів. СВАМ (скловолокнистий анізотропний матеріал) має коефіцієнт конструктивної якості, який дорівнює 225 МПа (для порівняння вироби з важкого бетону мають коефіцієнт конструктивної якості – 21).Межа міцності при стиску склопластиків досягає майже 350 МПа, а при розтягу й згині – 450 і 550 МПа.

Властивості пластмас щодо дії води залежать від їхньої структури й ступеня гідрофільності. Водопоглинення щільних гідрофобних полімерних матеріалів становить 0,1…0,5 %, а високопористих – 30…90 % за об’ємом. Завдяки високій непроникності полімерні плівкові й рулонні матеріали, а також мастики, особливо на основі поліетилену, полівінілхлориду, синтетичних канчуків, широко застосовують для гідроізоляції.

Пластмаси – погані тепло- й електропровідники, тому їх застосовують як теплоізоляційні матеріали й діелектрики.

Хімічна стійкість – важлива властивість пластмас, що залежить не тільки від полімеру, а й від наповнювача, пластифікатора та інших компонентів. Найчастіше пластмаси використовують для захисту від корозії будівельних конструкцій у воді, розчинах солей, кислот та інших агресивних середовищах. Висока хімічна стійкість, непроникність для води зумовлюють широке застосування їх для захисних покриттів, гідроізоляції будівель та споруд, влаштування покрівель, трубопроводів.

Цінною властивістю пластмас є низька стиранність, яку необхідно враховувати при застосуванні пластмас для влаштування підлог. Важливою характеристикою деяких пластмас є високий опір удару (ударна в’язкість).

Висока прозорість, безбарвність, здатність пропускати ультрафіолетові промені – цінні властивості деяких пластмас. Це дає змогу застосовувати їх у світлопрозорих огороджувальних конструкціях будівель і споруд, наприклад, у куполах верхнього світла, огородженнях теплиць, оранжерей, лікувальних закладів.

Пластмаси мають високі декоративні властивості, що дає змогу використовувати їх для опорядження стін і покриття підлог. Пластмаси не потребують періодичного фарбування поверхні. Введенням до складу вихідної композиції барвників чи пігменту можна одержати матеріал будь-якого забарвлення чи відтінків, у тому числі багатоколірні імітації природного каменю, цінних порід дерев, шкіри, тканини, металу.

Поряд з комплексом позитивних властивостей пластмаси мають і ряд негативних. Для більшості пластмас характерна низька теплостійкість, яка не перевищує 60…80 оС, і тільки деякі види пластмас мають теплостійкість 200…350 оС. Багато пластмас є горючими матеріалами, виділяють отруйні гази при горінні, легко спалахують. При переробці пластмас та експлуатації їх в середині приміщень виділяються токсичні речовини.

Пластмаси відрізняються високими діелектричними властивостями. Вони здатні акумулювати статичну електрику на поверхні. Результатом електризації є протягування пилу поверхнею пластмас, а також утворення електростатичного заряду, що негативно впливає на людину.

Пластмаси  схильні до старіння, тобто їхні властивості під впливом теплоти, світла, кисню повітря з часом погіршуються.

Застосування полімерних матеріалів дозволяє знизити матеріаломісткість будівництва, розширити архітектурні можливості, змінити вигляд інтер’єрів, широко впроваджувати індустріальні методи ведення будівельних робіт, замінювати дефіцитні традиційні будівельні матеріали.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1. Обґрунтувати можливість використання пластмас для влаштування трубопроводів.

2. Розглянути екотехнології вторинного використання пластмас.

3. Навести приклади і охарактеризувати різні види будівельних матеріалів із пластмас.

4. Розглянути допоміжні матеріали, які використовуються при виготовленні пластмас.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.Крівенко П.В., Пушкарьова К.К. та інші.  Будівельне  матеріалознавство. – К., 2004.

2. Микульский В.Г. и др. Строительные материалы – М.: Ассоциация строительных вузов, 2004.

3. Комар А.Г. и др. Строительные материалы и изделия – М.: Высш. шк.., 1990.

4. Попов Л.Н. Лабораторные испытания строительных материалов и изделий.- М.: Высш. шк., 1996.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18653. Файловые системы в современных операционных системах 16.71 KB
  Файловые системы в современных операционных системах. Файловая система это часть операционной системы назначение которой состоит в том чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными хранящимися на диске и обеспечить совместное использование...
18654. Особенности рынка ценных бумаг 15.55 KB
  Особенности рынка ценных бумаг Рынок ценных бумаг сегмент финансового рынка который включает в себя операции по куплепродаже и выпуску ценных бумаг. Он аккумулирует денежные накопления граждан юридических лиц а также государства и направляет их на развитие ведущи
18655. Структура данных в реляционных моделях 14.34 KB
  Структура данных в реляционных моделях. Реляционная модель данных разработанная Э.Коддом в 1970г. логическая модель данных описывающая: структуры данных в виде изменяющихся во времени наборов отношений; теоретикомножественные операции над данными: объединени...
18656. Опишите принцип функционирования экономического объекта как системы 14.73 KB
  Опишите принцип функционирования экономического объекта как системы Экономическая информационная система система функционирование которой во времени заключается в сборе хранении обработке и распространении информации о деятельности какоголибо экономического...
18657. Продвижение – микс 14.33 KB
  Продвижение – микс. Система продвижениямикс это совокупность методов и инструментов что позволяет успешно вывести товар на рынок стимулировать продажи и создать лояльных предприятию марке покупателей. Функционирование системы обеспечивается за счет использовани...
18658. Ресурсы операционной системы 17.42 KB
  Ресурсы операционной системы Операцио́нная систе́ма сокр. ОС комплекс управляющих и обрабатывающих программ которые с одной стороны выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами а с другой стороны предназна
18659. Анализ затрат на 1 рубль товарной продукции 29.51 KB
  Анализ затрат на 1 рубль товарной продукции. Одним из основных показателей анализа затрат на производство являетсяпоказатель затрат на 1 рубль товарной продукции который вычисляется по следующей формуле: где: – затраты на 1 рубль товарной продукции; – вид прод...
18660. Разработка форм в СУБД ACCESS 16.37 KB
  Разработка форм в СУБД ACCESS. Access предоставляет возможность вводить данные как непосредственно в таблицу так и с помощью форм. Форма в БД это структурированное окно которое можно представить так чтобы оно повторяло форму бланка. Формы создаются из набора отдельных элем...
18661. Формы и средства электронного бизнеса 15.75 KB
  Формы и средства электронного бизнеса. Электронный бизнес это предпринимательская деятельность в которой используются возможности информационных технологий с целью создания прибыли.Основными секторами рынка или моделями взаимодействия субъектов рынка в компью...