3. Добавки-плавни – материалы, снижающие температуру обжига:

а) полевые шпаты;

б) перлит;

в) пиритные огарки.

4. Пластифицирующие добавки – материалы, повышающие пластичность глиняного теста:

а) высокопластичные монтмориллонитовые глины (бентониты) наиболее эффективно повышают пластичность, улучшают спекание и повышают прочность изделий из глины;

б) различные ПАВ (СДБ, ССБ и др).

Свойства керамических изделий.

Основными свойствами керамических изделий строительного назначения являются прочность, водостойкость, морозостойкость, теплопроводность и водопоглощение:

1) Прочность (марка по прочности) – характеризуется пределом прочности при сжатии образцов изделий. Зависит от фазового состава керамического материала и его пористости. При установлении марки (например, кирпича) наряду с пределом прочности при сжатии учитывают показатель прочности при изгибе (в соответствии с характером работы этого изделия в кладке стены). Пористые керамические изделия выпускают маркой М 75…300, плотные – М 400…1000.

2) Водостойкость – характеризуется коэффициентом размягчения: отношением предела прочности при сжатии насыщенного водой образца к прочности сухого образца. Для стенового материала этот показатель должен быть не ниже 0,8.

3) Морозостойкость (марка по морозостойкости). Керамический материал характеризуется высокой морозостойкостью при условии достаточности объема резервных пор для компенсации прироста объема замерзающей воды – льда. К резервным относят крупные открытые поры (диаметром более 200 мкм), в которых капиллярное давление недостаточно для удержания воды. Поры диаметром 200 мкм и менее, снижающие морозостойкость, удерживают воду, замерзающую при температуре –15…–20 ^о С.

4) Теплопроводность плотного керамического материала составляет 1,16 Вт/м·°С. Благодаря значительному количеству пор теплопроводность изделий значительно ниже. Поризация стеновых керамических изделий снижает плотность от 1800 до 700 кг/м³, уменьшает теплопроводность от 0,8 до 0,21 Вт/м·^оС. Соответственно уменьшаются толщина стены и материалоемкость ограждающих конструкций.

5) Водопоглощение – характеризует способность керамического материала насыщаться водой за определенный промежуток времени. Пористые керамические изделия имеют водопоглощение 6…20 % по массе или 12…14 % по объему. У плотных – водопоглощение значительно меньше и составляет 1…5 % по массе (2…10 % по объему).

Классификация керамических изделий.

Керамические строительные изделия классифицируются по следующим признакам:

1) По назначению:

а) стеновые (кирпич, камни керамические);

б) кровельные (черепица);

в) облицовочные: наружные (лицевой кирпич, плитка); внутренние (глазурованные плитки, фасонные изделия – уголки, карнизы и т.д., плитка для пола);

г) сантехнические изделия (умывальники, ванны, унитазы);

д) легкие заполнители бетонов и утеплители (керамзит, аглопорит);

е) специальные (огнеупорные, кислотоупорные, электроизоляторы, канализационные и дренажные трубы).

2) По структуре:

а) пористые (поглощают более 5 % воды по массе);

б) плотные (поглощают менее 5 % воды по массе).

Примеры пористых – стеновые, кровельные, облицовочные, дренажные трубы и другие. Плотные – плитка для пола, дорожный кирпич, канализационные трубы и другие. Большинство выпускаемых промышленностью керамических изделий являются пористыми материалами.

Виды керамических изделий:

1) Кирпич керамический (глиняный, обыкновенный) – прямоугольный параллелепипед размером 250 x 120 x 65 мм с прямыми ребрами, четкими гранями и ровными лицевыми поверхностями. Искривление ребер и граней не должно превышать 3 мм. Выпускается утолщенный (модульный) кирпич размером 250 x 120 x 88 мм с крупными или щелевыми пустотами, для того чтобы масса одного кирпича не превышала 4 кг. Кирпич не должен иметь механических повреждений и сквозных трещин.

В зависимости от предела прочности при сжатии кирпич соответственно подразделяют на марки от 75 до 300. Средняя плотность составляет 1600…1900 кг/м³; теплопроводность – 0,7…0,82·Вт/м °С; водопоглощение – не менее 8 % (для обеспечения требуемой теплопроводности и сцепления с кладочным раствором); морозостойкость – не менее 15 циклов (25…50).

Рис. 6.14. Типы пустотелого кирпича: Рис. 6.15. Керамические камни

а – пластического формования; б –

полусухого прессования

2) Пустотелый керамический кирпич и камни (рис. 6.14, 6.15) – более выгодные изделия в производстве и эффективные в применении по сравнению со сплошным кирпичом. Глиняный пустотелый кирпич изготовляют со сквозными или несквозными пустотами («пятистенный» кирпич), расположенными перпендикулярно постели. Камни керамические пустотелые имеют размеры 250 x 120 x 138 мм, 250 x 320 x 140 мм и др. Материалоемкость ограждающих конструкций из пустотелой керамики на 20…30 % меньше, стоимость 1 м² стены толщиной 52 см на 15…25 % ниже, чем из сплошного кирпича толщиной 64 см.

3) Облицовочные изделия.

Для облицовки наружных поверхностей стен зданий и сооружений применяется фасадная керамика. К ней относят:

1. Коврово-мозаичные плитки (рис. 6.16) размером 48 x 48 и 22 x 22 мм, толщиной 2…4 мм. Выпускаются с естественно окрашенной поверхностью (называются «терракотовыми») и глазурованными. Глазури могут быть глухими и прозрачными, белыми и цветными, блестящими и матовыми. Наши заводы выпускают в большинстве своем глазурованные плитки, покрытые глухими блестящими глазурями. Название «ковровые» эти плитки получили от способа нанесения узора

Рис. 6.16. Применение коврово-мозаичной облицовочной плитки

на отделываемую поверхность изделия. При изготовлении в форму ук-ладывается на лист бумаги, на который наклеивается «лицом вниз» уже набранный ковер из плиток. После формования и отвердевания изделия бумага смывается, а изделие, облицованное коврово-мозаич-ной плиткой, отправляется на место строительства. Такой способ отделки принят вследствие небольших размеров плитки.

2. Плитки типа «кабанчик» имеют размеры 120 x 65 x 7 мм. Изготовляются глазурованными и неглазурованными. Используются для отделки панелей (таким же способом, как и коврово-мозаичные плитки), а также для облицовки кирпичных стен.

3. Ковры типа «брекчия» устраивают из плиток со значительным количеством брака (до 60 %), часто применяются на облицованной поверхности в виде акцентных вставок.

4. Крупноразмерные плитки изготовляют размером 250 x 140 x 10 мм способом полусухого прессования на автоматизированных линиях; могут быть глазурованными и неглазурованными.

5. Цокольные глазурованные плитки имеют размер 150 x 75 x 7 мм; являются изделиями штучного применения; используются для облицовки цоколей зданий, подземных переходов, метро; имеют плотную спекшуюся структуру водопоглощением менее 5 %.

6. Лицевой кирпич и камни изготовляют из специально подобранных составов с целью получения кирпича различных оттенков (белого, кремового, коричневого). Может быть двухслойным (лицевой слой 3…5 мм формуют из белых или окрашенных глин) или покрытым с лицевой поверхности ангобом или глазурью. Состав ангоба: около 80 % белой глины, 15…20 % стеклянного боя, 5…7 % минеральных красителей; наносится на отформованные изделия в виде суспензии перед обжигом.

Плитки для внутренней облицовки (рис. 6.17) выпускают квадратными (150 x 150 x 3 мм, 50 x 50 x 2 мм) и прямоугольными (150 x 100 x 3 мм, 150 х 75 x 3 мм и 25 x 100 x 2 мм). Для их изготовления применяют метод шликерного литья, в качестве сырья используют легкоплавкие глины с добавками кварцевого песка и плавней (фаянс). Лицевую поверхность покрывают глазурью. Поверхность плоская, рельефная, орнаментированная. Применяют для облицовки стен кухонь, санузлов, лабораторий, бань.

Антика	Леонардо	Валенсия
Готика	Фламенко	Вальс

Рис. 6.17. Облицовочная плитка для отделки внутренней поверхности стен

Плитки для полов (рис. 6.18) изготовляют всеми известными способами, в основном неглазурованными, различной формы: квадратными, прямоугольными, треугольными, шестигранными и восьмигранными, с гранями длиной 50…150 мм, толщиной 10…12 мм. Полы получаются практически водонепроницаемыми, характеризуются малой истираемостью, не пылят, легко моются, стойки к действию кислот и щелочей. Недостатками являются большая теплопроводность (полы «холодные»), не позволяющая применять их в жилых помещениях, большая трудоемкость. Из них устраивают полы в помещениях с влажной атмосферой и повышенной интенсивностью движения (бани, кухни, вестибюли т.п.).

Гранит	Аметист	Аэрограф
Мостовая	Соль-перец	Паркет

Рис. 6.18. Плитка для полов

Кровельные изделия – черепица (рис. 6.19), является одним из самых старейших, долговечных и огнестойких кровельных материалов. Выпускают черепицу пазовую – ленточную и штампованную, ленточную – S-образную, плоскую и волнистую, а также коньковую. Черепица очень неиндустриальна и трудоемка, поэтому ее производство в нашей стране не развивалось.

Рис. 6.19. Кровельная черепица

Дренажные и канализационные трубы (рис. 6.20). Дренажные трубы изготовляют на ленточных прессах диаметром от 25 до 250 мм длиной 250…350 мм. Чаще выпускаются неглазурованными, но бывают и глазурованными с перфорацией. Применяют в мелиоративных работах, а также при осушении грунтового основания под зданиями и сооружениями.

Канализационные трубы формуют в вертикальных трубных прессах и обжигают при повышенной температуре (1250…1300 °С) до спекания. Поверхность труб снаружи и внутри покрывают кислотостойкой глазурью. Испытывают на гидростатическое давление не менее 0,2 МПа. Длина канализационных труб – 800…1200 мм, внутренний диаметр – 150…600 мм. Эти трубы имеют на одном конце раструб. Применяются для отвода сточных вод.

Рис. 6.20. Дренажные керамические трубы:

а – круглые; б – с продольной опорной плоскостью; в – со щелевыми отверстиями для приема воды; г – фасетчатые; д – с раструбами: е – с выступающими ребрами

Санитарно-технические изделия (рис. 6.21). Сырьем для производства сантехнических изделий служат беложгущиеся глины, каолины, кварц и полевой шпат, взятые в различных соотношениях. Эти изделия изготовляют из фаянса, полуфарфора и фарфора.

Из фаянса преимущественно методом литья изготовляют унитазы, умывальники, смывные бачки и т.д. Водопоглощение у фаянса – 10…12 %, R_сж – до 100 МПа. Поверхность фаянсовых изделий покрывают глазурью.

Из полуфарфора (более спекшийся материал) изготовляют мойки, ванны и другие изделия. Водопоглощение у полуфарфора – 3…5 %, R_сж = 150…200 МПа.

Фарфор отличается еще большей плотностью (водопоглощение – 0,2…0,5 %) и прочностью (R_сж – до 300 МПа), что позволяет изготовлять из него тонкостенные изделия. Поверхность полуфарфоровых и фарфоровых изделий покрывают глазурью.

Кислотоупорные керамические изделия. К ним относят:

1) кислотоупорный кирпич (М 150…250; W = 8…12 %);

2) плитки (М 300, W = 6…9%);

3) трубы и фасонные детали к ним (М 300…400; W = 3…5 %).

Эти изделия изготовляют из глин, не содержащих примесей, снижающих кислотостойкость (карбонаты, гипс, пирит), обжигают при

Рис. 6.21. Санитарно-технические изделия

t = 1200 °C. Они применяются для футеровок резервуаров на химических заводах, для устройства полов в помещениях с агрессивными средами и т.д. Керамические кислотоупорные трубы применяют для перекачки неорганических и органических жидкостей и газов под давлением до 0,3 МПа.

Огнеупорные изделия. Применяются для строительства печей, топок и аппаратов, работающих при высоких температурах, и подразделяются на огнеупорные (1580…1770 °С); высокоогнеупорные (1770…2000 °С); высшей огнеупорности (более 2000 °С). Наибольшее распространение в строительстве и промышленности строительных материалов получили кремнеземистые и алюмосиликатные огнеупорные изделия.

Кремнеземистые огнеупоры бывают из кварцевого стекла, динасовые и алюмосиликатные.

Кварцевое стекло получают отливкой из расплавленного кварца (содержит не менее 99 % SiO₂). Обладает высокой термо- и кислотостойкостью. При 1100 °С крошится. Используется для футеровки котлов, труб для подачи расплавов, химической аппаратуры и т.д.

Динасовые (тридимито-кристобалитовые) огнеупоры изготовляют обжигом при температуре свыше 870 °С кварцевого сырья – измельченных кварцитов, песка с известковой добавкой. Содержат не менее 93 % SiO₂. Огнеупорность – 1600…1700 °С. Из динаса выполняют кладку сводов сталеплавильных, стекловарочных и коксовых печей.

Алюмосиликатные огнеупоры подразделяются на три группы: 1) полукислые; 2) шамотные; 3) высокоглиноземистые.

Полукислые – изготовляют обжигом кварцевых пород с глинистой связкой или глин с большим содержанием кварцевого песка. Огнеупорность – 1380…1400 °С. Применяют для футеровок шахтных и туннельных печей, вагранок.

Шамотные – изготовляют обжигом смесей порошкообразного шамота и огнеупорной глины. Содержат до 45% Аl₂О₃. Огнеупорность – 1600…1700 °С. Применяют для кладки футеровок в местах, где они непосредственно соприкасаются с расплавленным металлом, стеклом, шлаком.

Высокоглиноземистые – получают из материалов (боксита, корунда), содержащих более 45 % глинозема. Огнеупорность – 1700…1750 °С. Применяются в стекольной промышленности для футеровок, для кладки доменных печей и др.

Стеклом (рис. 6.22) называют все аморфные материалы, полученные из специального расплава путем его охлаждения с последующим затвердеванием и переходом в камневидное состояние.

Рис. 6.22. Стекло

Для стекловидных материалов характерны отсутствие правильной пространственной решетки, изотропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления.

Основные свойства стекла:

а) Оптические свойства: светопропускание (прозрачность), светопреломление, отражение, рассеивание и др. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Светопропускание (основная характеристика) стекла можно регулировать изменением его химического состава. При различных углах падения света светопропускание характеризуется показателем преломления (1,46…1,53). Так, при изменении угла падения света от 0 (перпендикулярно плоскости стекла) до 75^о светопропускание стекла уменьшается от 92 до 50 %.

б) Химическая стойкость (очень высокая) – способность противостоять воздействию агрессивных элементов. Зависит от состава. Наибольшее влияние оказывает содержание оксидов щелочноземельных металлов – чем их меньше, тем выше химическая стойкость.

в) Плотность стекла составляет от 2500 до 6000 кг/м³. Наибольшая – у стекол, в состав которых входит оксид свинца.

г) Прочность при изгибе и сжатии. Стекло обладает высокой прочностью при сжатии (700…1000 МПа) и относительно малой – при изгибе (30…80 МПа). Прочность повышают закалкой, при этом она увеличивается в 3…10 раз.

д) Твердость обычных силикатных стекол – 5…7 по шкале Мооса. Кварцевое, а также боросодержащие стекла обладают повышенной твердостью.

е) Сопротивление удару (хрупкость). Стекло слабо сопротивляется удару, т.е. оно очень хрупкое – прочность при ударе составляет 0,2 МПа. У закаленных стекол она в 5…7 раз выше, чем у отожженных. Присутствие борного ангидрида, оксида магния повышает сопротивление удару.

Теплофизические свойства:

а)Теплопроводность обычного стекла при температурах до 100 °С составляет 0,40…0,82 Вт/м·°С. Наибольшую теплопроводность имеет кварцевое стекло – 1,34 Вт/м·°С. Малой теплопроводностью обладают стекла, содержащие большое количество оксидов щелочных металлов.

б) Термостойкость – важная характеристика, особенно для специальных стекол; у обычных стекол она невысока и составляет около 100 °С. Повышенную термостойкость имеют боросиликатные стекла, наибольшую – кварцевое стекло.

в) Термическое расширение. Обычные стекла имеют коэффициент термического расширения, равный 5…910 ^–6 °С ^–1.

г) Электропроводность стекла зависит от изменения температуры, химического состава (чем больше оксида магния – тем выше электропроводность). Понижают электропроводность оксиды двухвалентных металлов – BaO, SiO₂, B₂O₆. Для стекла характерна поверхностная проводимость, обусловленная образованием пленки из гидросиликатов. Эта пленка поглощает значительное количество влаги и повышает активность стекла в отношении электропроводности.

Стекло поддается механической обработке: его можно пилить, обтачивать, резать алмазами, шлифовать, полировать.

В пластичном состоянии, при t = 200…300 °C, стекло можно формовать. Его можно выдувать, вытягивать в листы, трубки, волокна, можно сваривать.

Строительное стекло состоит из SiO₂ (75…80 %), СаО (10…15 %) и Na₂O (около 15 %). Для изготовления стекла основным сырьем служат кварцевый песок, известняк, сода или сульфат натрия. Варка строительного стекла производится в стекловарочных печах при температуре около 1500 °С. Стекловарочные печи отличаются сложной конструкцией футеровки, которая должна выдерживать определенное количество плавок.

Переход от жидкого состояния в стеклообразное является обратимым явлением. При длительном нахождении на воздухе и нагревании некоторых стекол обычная для них аморфная структура может переходить в кристаллическую – это явление называют расстекловыванием.

Изделия из стекла.

Листовое стекло. Используется для остекления оконных и дверных проемов, витрин, наружной и внутренней отделки зданий.

Наряду с обычным, промышленностью выпускаются специальные виды листового стекла: теплопоглощающее, увиолевое, армированное, закаленное, декоративное и др.

Листовое стекло (оконное) вырабатывают 3-х сортов и 6-ти размеров в зависимости от толщины: 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0 и 6,0 мм. Сортность стекла определяется по нормативным показателям, к которым относятся: полосность – неровность на поверхности; свиль – узкие нитевидные полоски; пузыри – газовые включения.

Листовое стекло выпускают нескольких видов:

1) Витринное стекло бывает полированным и неполированным, больших размеров (3,5 x 4,5 м) при толщине 5…12 мм. Имеет повышенную прочность, полученную закаливанием и армированием. Добавки и покрытия придают витринному стеклу специальные свойства, такие, как способность поглощать тепло и отражать свет, проводить электричество; они придают красивый декоративный вид.

2) Отражающее стекло используется для уменьшения нагрева солнечными лучами и регулирования освещенности. Получают нанесением покрытия «под серебро» и «под золото» в вакуумной камере. Чтобы придать серебристый оттенок, напыляют хром.

3) Закаленное стекло получают путем нагревания стекла до t = 540…650 °С и последующего быстрого равномерного охлаждения, тем самым значительно повышается прочность. Используют для остекления витрин, изготовления стеклянных дверей, балконных и лестничных ограждений.

4) Армированное стекло (рис. 6.23) изготовляют способом введения металлической сетки из хромированной или никелированной стальной проволоки. Бывает плоское и волнистое армированное стекло, которое используют в кровельных конструкциях.

5) Увиолевое стекло получают из расплава с минимальным содержанием примеси оксидов железа, титана, хрома. Это стекло пропускает от 25 до 75 % ультрафиолетовых лучей, поэтому применяется для остекления оранжерей, лечебниц и т.п.

6) Теплопоглощающее стекло (теплозащитное) отличается повышенным содержанием оксидов железа, кобальта и никеля, имеет сине-зеленый оттенок. Задерживает 70…75 % инфракрасных лучей, что сопро-

Рис. 6.23. Армированное стекло

вождается сильным разогревом и значительными температурными деформациями.

7) Электропроводящие прозрачные покрытия наносят на различные стекла с целью их обогрева и предотвращения запотевания. Получают напылением солей серебра на поверхность с образованием тонкой пленки – 0,5 мкм и нагревом до 500…700 °С.

8) Термостойкое стекло (боросодержащее) содержит оксиды рубидия, лития и др. Термостойкое стекло имеет коэффициент термического расширения 2…410 ^–6 °С ^–1, т.е. в 2–3 раза меньше, чем обычное стекло. Изделия из таких стекол выдерживают перепады температуры до 200 °С. Их используют для изготовления термостойких деталей аппаратуры.

9) Стекло, устойчивое к радиоактивным излучениям. Расплав содержит большое количество оксидов свинца и бора. Например, свинцовое стекло ( = 6200 кг/м³) по своей защитной способности против -излучения эквивалентно стали.

Конструкции из стекла:

а) Пустотелые стеклянные блоки. Изготовляют цветные, двухкамерные и светонаправленные блоки. Они состоят из двух отпрессованных половинок, сваренных между собой. На внутренней стороне имеются рифления, придающие блокам светорассеивающую способность. Выполненные из них световые проемы и перегородки имеют повышенные тепло- и звукоизоляционные свойства. Светопропускание – не менее 65 %, светорассеивание – около 25 %, коэффициент теплопроводности – 0,4 Вт/м·°С.

б) Стеклобетонные конструкции представляют собой сооружения из стеклоблоков, обрамленные бетонным каркасом. Стеклоблоки укладываются на растворе. Эти конструкции прочны и несгораемы. Применяются для заполнения наружных световых проемов, лестничных клеток, перекрытий и перегородок.

в) Стеклопакеты (рис. 6.24) состоят из 2-х или 3-х листов стекла, между которыми находится герметически замкнутая воздушная полость. Обладают высокой тепло- и звукоизоляцией, не запотевают. Изготовляют из оконного, закаленного, отражающего и других видов стекла.

г) Стеклянные трубы обладают высокой химической стойкостью, гладкой поверхностью, прозрачны и гигиеничны. В условиях действия агрессивных сред могут оказаться эффективнее металлических. Недостаток – хрупкость и низкая термостойкость (около 40 °С).

Рис. 6.24. Стеклопакеты общестроительного назначения

д) Панели из профильного стекла (стеклопрофилит) – вытянутые, швеллерообразные, крупноразмерные изделия, обладающие повышенной прочностью. Могут иметь также коробчатый, ковровый, ребристый и другие профили. Используют для сооружения светопропускающих перегородок и перекрытий.

Ситаллы (стеклокристаллические материалы).

По технологии, близкой к получению стекла, производят очень эффективные материалы, которые называются ситаллами. В отличие от стекла, структура ситалла характеризуется микрокристаллическим строением, а количество стеклофазы не превышает нескольких процентов. Для изготовления ситаллов используют те же исходные компоненты, что и для стекла, а также специальные добавки-катализаторы (соединения титана, лития, циркония).

Сущность получения микрокристаллического строения заключается в следующем: в расплавленное стекло добавляется специальная шихта, содержащая катализатор. Из данного расплава формуют изделия (теми же методами, что и при производстве стекла). Затем изделие охлаждают до температуры выделения микроскопических частиц катализатора и выдерживают для образования их максимального количества. После этого изделие снова нагревают, что сопровождается интенсивным образованием микрокристаллов вокруг частиц катализатора. После некоторой выдержки изделия охлаждают до комнатной температуры.

Свойства ситаллов.

Ситаллы обладают рядом высоких технических свойств: высокой механической прочностью, влаго- и газонепроницаемостью, высокой термостойкостью и диэлектрическими свойствами, химической стойкостью. Так, ситалл выдерживает конкуренцию с некоторыми металлами и значительно превосходит стекло. Изделию из ситалла можно придать любой цвет, используя керамические краски.

Твердость ситаллов приближается к твердости закаленной стали. Ситаллы стойки к действию сильных кислот и щелочей. Термостойкость – 200…700 °С, а иногда до 1100 °С. Плотность – 2500…2650 кг/м³. Предел прочности при сжатии – 500...650 МПа, при изгибе – 90…130 МПа.

Применяются ситаллы в жилищном и промышленном строительстве для устройства оконных проемов, плиток различного назначения, подоконников, внутренних перегородок и других деталей. Волнистый листовой шлакоситалл, получаемый из огненно-жидких металлургических шлаков, используют как кровельный и стеновой материал, для облицовки ответственных частей гидротехнических сооружений. Вспененный шлакоситалл – эффективный тепло- и звукоизоляционный материал, применяемый при температурах до 750 °С.

Важнейшее место среди строительных материалов занимают вяжущие вещества. Без применения этих материалов любое строительство оказалось бы невозможным. Все вяжущие вещества подразделяют на две большие группы – неорганические и органические. Наиболее широко используются неорганические вяжущие вещества.

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой (как говорят – при затворении водой) образуют пластичное тесто, способное самопроизвольно затвердевать в результате физико-химических процессов.

Неорганические вяжущие вещества подразделяются на воздушные, гидравлические и вяжущие автоклавного твердения (рис. 6.25).

Воздушные вяжущие вещества – это вещества, которые, будучи смешаны с водой (затворены водой), способны затвердевать и сохранять свою прочность только на воздухе. К ним относятся воздушная известь, гипсовые вяжущие, магнезиальные вяжущие, жидкое стекло.

Воздушная (строительная) известь – продукт обжига «не до спекания» (900…1100°С) карбонатных горных пород с содержанием глины не более 6 %. Этот продукт обжига содержит в своем составе в основном оксид кальция (СаО), а также некоторое количество оксида магния (МgО). Чем выше содержание основных оксидов в извести, тем пластичнее известковое тесто, и тем выше сорт извести. В показатели сортности также входят скорость гашения и колочество непогасившихся зерен.

Рис. 6.25. Классификация вяжущих веществ

Качество извести снижает: недожег – неразложившиеся зерна известняка (снижают пластичность); пережег – остеклованные зерна СаО, гасящиеся очень медленно, уже в изделии, что сопровождается растрескиванием.

Сырье для производства извести (мел, кальцит, доломит, магнезит) обжигают в шахтных печах (когда используются большие куски – до 20 см) или во вращающихся печах (небольшие куски), где осуществляется процесс диссоциации известняка:

СаСОз = СаО + СО₂ (44%). (6.15)

Полученная в виде кусков негашеная известь называется комовой или «кипелкой».

Комовая (негашеная) известь в редких случаях подвергается измельчению механическим способом. Чаще производится операция гашения извести, т.е. смешивания ее с водой. В результате чего куски комовой (негашеной) извести самопроизвольно диспергируются, распадаясь на мельчайшие частицы Са(ОН)₂ размером в несколько микрометров (мельче, чем у цемента). Воздушная известь является единственным вяжущим веществом, которое переходит в тонкодисперсное состояние химическим диспергированием.

Гашение сопровождается выделением большого количества тепла и разогрева массы – 950 кДж/кг.

Гашеная известь называется гидратной или «пушонкой». Благодаря высокой удельной поверхности частиц гашеная известь может удерживать большое количество воды и сохранять пластичность в смеси с песком. Это качество используется при изготовлении строительных растворов.

Используется воздушная известь в следующем виде:

– порошкообразная гидратная известь;

– известковое тесто;

– известковое молоко.

Воздушная известь широко применяется в строительстве:

1) в известково-песчаных растворах;

2) для получения известково-шлаковых и известково-пуццолано-вых вяжущих;

3) для производства силикатного кирпича и силикатных бетонов (как компонент вяжущего).

Известково-шлаковое вяжущее – продукт совместного помола доменного шлака и извести (20…30 %) с добавкой 3…5 % гипса. Это вяжущее медленно твердеет, неморозостойко, но имеет повышенную водостойкость по сравнению с воздушной известью.

Известково-пуццолановое вяжущее представляет собой смесь извести с активной минеральной (пуццолановой) добавкой (тонкомолотым трепелом, диатомитом, опокой и т.д. – содержащими аморфный кремнезем активной формы). Применяется это вяжущее в бетонах низких марок и строительных растворах.

Твердение воздушной извести обусловлено двумя одновременно протекающими процессами:

1) ростом и срастанием между собой кристаллов Са(ОН)₂ – гидратное твердение извести;

2) взаимодействием Са(ОН)₂ с СО₂ (углекислым газом) окружающего воздуха и образованием СаСО_З с выделением воды – карбонатное твердение. Поскольку выделяется вода, твердеющие изделия необходимо подсушивать.

Виды и свойства извести.

В зависимости от содержания оксида магния (МgО) воздушную известь разделяют на кальциевую (МgО < 5 %), магнезиальную (МgО = 5…20%) и доломитовую (МgО = 20…40 %).

Сортность извести определяется тремя показателями:

1) активностью – процентным содержанием СаО и МgО;

2) количеством непогасившихся зерен;

3) временем гашения.

Прочность строительных растворов невысока и составляет 0,4…1,0 МПа, поэтому показатели прочности при определении сортности не учитывают.

Магнезиальные вяжущие вещества.

Каустический магнезит и каустический доломит – тонкие порошки, главной составной частью которых является оксид магния. Получают путем обжига магнезита (МgСО₃), реже – доломита (СаМgСО₃) при температуре 750…850 °С.

Магнезиальные вяжущие затворяют не водой, а растворами солей магния (чаще всего – хлористого магния). Этим ускоряется твердение и набор прочности изделий. Наряду с гидратацией идет процесс образования гидрохлорида магния (3MgOMgCl₂6H₂O). При затворении водой окись магния гидратируется очень медленно.

Магнезиальные вяжущие имеют высокую прочность (60…100 МПа), хорошо сцепляются с деревом, но неводостойки. Используются для производства древонаполненных композиций – фибролита, ксилолитовых (опилочных) полов и т.д.

Жидкое стекло – коллоидный водный раствор силиката натрия или калия, содержащий 50…70 % воды. Состав выражается формулой R₂OmH₂O, где R – Na или К, m – модуль жидкого стекла (у натриевого – 2,5…3,0; у калиевого – 3,0…4,0).

Изготовляют из кварцевого песка и соды в стекловарочных печах, как обычное стекло. После застывания расплава образуются твердые прозрачные куски. Для получения жидкого стекла эти куски дробят и растворяют в воде при повышенных температуре и давлении (0,6–0,7 МПа).

Применяют натриевое жидкое стекло для изготовления кислотоупорных и жаростойких бетонов, уплотнения грунтов. Калиевое – более дорогое, чем натриевое, применяют преимущественно в силикатных красках.

При отверждении на воздухе структурирующим фактором является выделяющийся гель кремниевой кислоты SiO₂nH₂O.

Основное применение жидкого стекла как вяжущего вещества – затворение им кислотоупорного кварцевого цемента, который представляет собой порошкообразный материал, полученный совместным помолом чистого кварцевого песка и кремнийфтористого натрия (Na₂SiF₆). Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислотостойких растворов и бетонов, замазок. При этом используют кислотостойкие заполнители: кварц, песок, гранит, андезит и другие.

Гипсовые вяжущие вещества – это воздушные вяжущие, состоящие из полуводного гипса (CaSO₄0,5H₂O) или ангидрита (CaSO₄) и получаемые тепловой обработкой сырья с измельчением в тонкий порошок до или после термообработки (иногда совмещают термообработку и помол.

Рис. 6.26. Гипс

Сырьем для получения гипсовых вяжущих веществ служит горная порода гипс (рис. 6.26), состоящая преимущественно из минерала гипса – CaSO₄2H₂O. Используют и ангидрит – CaSO₄, отходы промышленности (фосфогипс – отход переработки природных фосфатов в суперфосфат; борогипс и другие).

Все гипсовые вяжущие подразделяются на две группы – низкообжиговые и высокообжиговые (в зависимости от температуры тепловой обработки).

Низкообжиговые занимают львиную долю применяемых гипсовых вяжущих веществ. Их получают при температуре 110…180 °С

CaSO₄2H₂O = CaSO₄0,5H₂O + 1,5Н₂О (6.16)

с последующим или совместным помолом, что и придает порошку вяжущие свойства.

К низкообжиговым гипсовым вяжущим относятся строительный, формовочный и высокопрочный гипс. Температура их получения примерно одинакова, однако условия несколько различаются.

Строительный гипс состоит в основном из кристаллов так называемого -полугидрата сульфата кальция. Получают его в гипсоварочных котлах или печах при атмосферном давлении.

Высокопрочный гипс состоит в основном из кристаллов так называемого -полугидрата сульфата кальция. Его получают в герметичных аппаратах под давлением водяного пара 0,8…1,3 МПа. Температура обработки 110…125 °С. Условия эти называются автоклавными (по названию аппарата). -модификация полуводного сульфата кальция более активная, чем -модификация, поэтому прочность высокопрочного гипса больше, чем строительного. В качестве сырья для получения высокопрочного гипса используют более высокосортный природный гипс.

Формовочный гипс состоит в основном из -модификации полугидрата сульфата кальция, но содержит незначительное количество примесей и тоньше размалывается по сравнению со строительным гипсом.

Представителями высокообжиговых гипсовых вяжущих веществ являются эстрих-гипс и ангидритовое вяжущее. Эти вяжущие вещества получают обжигом природного гипсового камня при высоких температурах (600…900 °С) до полного удаления воды, поэтому они состоят преимущественно из ангидрита – CaSO₄, который частично подвергается термической диссоциации с образованием оксида кальция – СаО. Высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества, в отличие от низкообжиговых, медленно схватываются и твердеют, но имеют более высокую водостойкость и прочность при сжатии. Применяются при устройстве бесшовных полов, в растворах для штукатурки и кладки, для изготовления «искусственного мрамора».

Ангидритовое вяжущее можно получить и без обжига природного гипсового камня: путем помола природного ангидрита с активаторами твердения – известью, обожженным доломитом и т.д. Этот способ предложил П.П. Будников, чьим именем вяжущее и называют.

Твердение гипсовых вяжущих веществ.

При твердении гипса на воздухе протекает химическая реакция присоединения воды и образования двуводного сульфата кальция:

CaSO₄0,5H₂O + 1,5Н₂О = CaSO₄2H₂O (6.17)

С течением времени образовавшиеся кристаллы двуводного гипса увеличиваются в размере, прочно срастаются между собой, образуя кристаллический сросток достаточной прочности.

Строительно-технические свойства гипсовых вяжущих веществ.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества используются значительно реже, чем низкообжиговые. Поэтому более подробно остановимся на самой распространенной группе – низкообжиговых гипсовых вяжущих веществах.

Строительно-технические свойства низкообжиговых гипсовых вяжущих:

1. Сроки схватывания гипсового теста. Гипс – быстросхватывающееся вяжущее вещество. Например, гипс группы «А» начинает схватываться через 2 мин после смешивания с водой. Это и недостаток, и достоинство. Чтобы замедлить процесс схватывания гипсового теста, в воду затворения вводят животный клей или СДБ, которые, адсорбируясь на частицах гипса, затрудняют доступ воды и тем самым замедляют гидратацию и схватывание полуводного гипса. Определяется этот показатель на приборе Вика. Нормальная густота гипсового теста характеризуется такой его консистенцией, при которой расплыв стандартного объема теста под действием гравитационных сил составляет 180±5 мм. Определяется на специальном приборе, который называется «технический вискозиметр Суттарда».

2. Тонкость помола гипса – важная характеристика, от которой зависит водопотребность гипсового теста и прочностные характеристики изделия. Определяется посредством просеивания через специальное сито (№ 002).

3. Марка гипса – это величина, соответствующая пределу прочности при сжатии стандартных гипсовых образцов-балочек, твердевших на воздухе в течение 2-х часов. Марки гипса – от Г-2 (2 МПа) до Г-25 (25 МПа).

Применение гипсовых вяжущих.

Строительный гипс широко используют для приготовления строительных изделий: панелей, плит, листов сухой штукатурки, архитектурно-декоративных форм и др. Для гипсовых изделий характерны низкая средняя плотность (легкость) и низкий коэффициент размягчения (т.е. они неводостойки), легкость механической обработки (гвоздятся, пилятся), несгораемость. Изделия из гипса часто армируют органическими волокнами, камышом, картоном (обкладки).

Стальной арматурой армировать нельзя, поскольку идет интенсивная ее коррозия. При формовании изделий гипсовое тесто можно поризовать пено- и газообразующими веществами, что улучшает тепло- и звукоизоляционные свойства, снижает массу изделия. Строительный гипс применяется и как добавка при производстве цемента (3…5 %). С применением гипса получают гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ). Смешивают гипс (50…75 %), портландцемент (15…20 %) и активную минеральную добавку (10…15 %). ГЦПВ предложено А.В. Волженским.

Высокопрочный гипс имеет повышенную марочную прочность (15…25 МПа), поэтому из него изготовляют элементы стен и сборных перегородок, камни для стен зданий и сооружений.

Формовочный гипс – наиболее высококачественное вяжущее. Применяется в керамической и фарфоро-фаянсовой промышленности для изготовления форм, а также в медицине, криминалистике и других областях.

Изделия из гипса классифицируют по следующим признакам:

1) по назначению: на листовые обшивочные материалы; плиты, панели и камни для перегородок, перекрытий и стен малоэтажных зданий и сооружений; архитектурные детали; теплоизоляционные изделия (плиты, камни, скорлупы);

2) по конструкции: сплошные, пустотелые, поризованные, армированные и неармированные;

3) по виду лицевой поверхности: с подготовленной поверхностью (под шпаклевку, окраску и поклейку обоев) и неподготовленной поверхностью (дырчатыми – с повышенной звукоизоляцией), пористыми или с шероховатой поверхностью;

4) по составу: гипсовые и гипсобетонные (содержащие минеральные или органические заполнители).

Виды изделий из гипса.

Сухая гипсовая штукатурка. Представляет собой листовой отделочный материал, изготовленный из строительного гипса с минеральными или органическими добавками или без них в виде листа, облицованного картоном. Для приклеивания картона используются казеиноканифольные клеи. Размеры листов: длина – 2700…3300 мм, ширина – 1200 мм, толщина – 8…10 мм. Сухая гипсовая штукатурка обладает высокими теплоизоляционными свойствами ( = 0,2 Вт/м °С, т.е. в 3,5 раза ниже, чем у кирпичной кладки). Листы имеют высокую гибкость, малую хрупкость, легко обрабатываются, не подвержены деформациям, трудносгораемы. Применяются для внутренней облицовки стен и потолков помещений, имеющих относительную влажность не более 70 %. Возможно устройство ковра из склеенных в три слоя листов для основания под рулонную кровлю.

Гипсобетонные плиты и панели. Применяются для изготовления самонесущих перегородок, не подвергающихся или защищенных от увлажнения, а также для сооружения стен во временных зданиях, в дачном и малоэтажном строительстве. Размеры панелей: длина – до 6000 мм, ширина – до 3100 мм, толщина – 80 мм. Марка гипса – не менее 35 кг/см², средняя плотность – 1250…1400 кг/м³. Могут иметь в своем составе опилочный или стружечный заполнитель.

Теплоизоляционные изделия. Скорлупы – представляют собой полуцилиндрические оболочки. Предназначены для изоляции трубопроводов в системах отопления, горячего водоснабжения жилых и производственных зданий при температуре теплоносителя в сети до 120 °С. Размеры скорлупы: наружный диаметр – 110…210 мм, внутренний диаметр – 25…110 мм, длина – 300…550 мм. Изготовляют с применением бумажной пульпы (W = 5 %).

Санитарно-технические кабины. Представляют собой законченные элементы зданий заводского изготовления. Кабины либо собирают из отдельных гипсобетонных панелей, армированных деревянным каркасом, либо формуют в виде готовых объемных элементов в специальных вертикальных формах. Размер – 1,86 x 1,56 м (совмещенные) и 2,16 x 1,56 м (раздельные), высота – 2,39 м. Изготовляются из тяжелого бетона или раствора на гипсопуццолановом вяжущем. Более экономичные, чем из других материалов.

Мелкоштучные стеновые блоки. Изготовляются часто кустарным способом из поризованного пеногипса на нестандартном оборудовании. Имеют размеры 20 x 20 x 40 см. Средняя плотность – 850…1200 кг/м³; предел прочности при сжатии – 25…50 кг/см². Применяются для сооружения несущих стен малоэтажных зданий и неответственных сооружений (сараев, подсобных помещений и т.п.) с обязательной облицовкой для защиты от атмосферных воздействий.

Добавка к клинкеру. В цементной промышленности большие объемы гипса расходуются как добавка к клинкеру в процессе помола. Добавление гипса производится для регулирования сроков схватывания.

Гидравлические вяжущие вещества – это неорганические порошкообразные материалы, которые после смешивания с водой способны затвердевать и сохранять свою прочность (и даже повышать ее) не только на воздухе, но и воде. В эту группу входят гидравлическая известь, романцемент и портландцемент.

Значение гидравлических вяжущих веществ в строительном производстве огромно. Ни одно строительство нельзя осуществлять без гидравлических вяжущих веществ, поскольку их водостойкость и долговечность позволяют возводить несущие наружные стены и перекрытия.

Свойства гидравлических вяжущих зависят от гидравлического модуля и температуры обжига сырья. Гидравлический модуль (m) выражает содержание основных оксидов СаО и МgО по отношению к суммарному количеству кислотных оксидов:

% СаО + % Мg O

m = . (6.18)

% SiО₂ + % Fe₂O₃ + % Al₂O₃

У гидравлической извести m = 1,7 – 1,9; у романцемента m < 1,7.

Портландцемент характеризуется примерно таким же гидравлическим модулем, как и у гидравлической извести (1,9…2,4). Однако показатели прочности и водостойкости портландцемента во много раз превосходят таковые у извести. Объясняется это тем, что при получении извести обжиг сырья производится «не до спекания» (t = 1000 °C). В этих условиях образуется незначительное количество низкоосновных силикатов и алюминатов кальция – элементов, ответственных за водостойкость вяжущего. Основной структурный каркас здесь образует портландит – Са(ОН)₂, образующийся при гидратации оксида кальция и имеющий повышенную растворимость в воде.

В технологии производства портландцемента обжиг сырьевой смеси производят до частичного плавления сырья при t = 1450 °C (т.е. «до спекания»). В этих условиях при наличии жидкой фазы (расплава) происходит синтез трехкальциевого силиката (элита), обусловливающего высокие показатели прочности и водостойкости.

Гидравлическую известь получают обжигом в шахтных печах «не до спекания» (900…1100 °С) мергелистных известняков с содержанием глины 6…20 %. Полученную известь размалывают и применяют в виде порошка (негашеная известь-кипелка) или гасят водой (гашеная известь-пушонка).

В процессе обжига после диссоциации углекислого кальция

СаСО₃ = СаО + СО₂. (6.19)

часть образовавшегося оксида кальция остается в свободном состоянии, а другая часть соединяется с оксидами, входящими в состав глинистых минералов SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. При этом образуются низкоосновные силикаты, алюминаты и ферриты кальция, которые и придают извести гидравлические свойства. Гидравлическая известь первые 7 сут твердеет на воздухе, а затем продолжает твердеть и набирать прочность в воде. Предел прочности при сжатии после 28 сут комбинированного твердения (марка) – 2…5 МПа. Гидравлическую известь применяют для изготовления строительных растворов и бетонов низких марок.

Романцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом обожженных «не до спекания» (900…1100 °С) известняковых или магнезиальных мергелей, содержащих более 20 % глины. Образующиеся при обжиге низкоосновные силикаты и алюминаты кальция (в больших количествах, чем у гидравлической извести) придают романцементу свойство твердеть и сохранять прочность в воде. Романцемент имеет 3 марки: М 25, 50 и 100. Применяется для изготовления строительных растворов, бетонов, бетонных камней для малоэтажного строительства.

Портландцемент был изобретен и детально разработан в 1824 г. Е.Г. Челиевым. Название свое получил благодаря сходству с «портлендским» камнем, который разрабатывали в каменоломнях Англии.

Портландцементом называют порошкообразное гидравлическое вяжущее вещество, полученное тонким измельчением клинкера с добавкой гипса (3…5 %).

Общая технологическая схема производства цемента (рис. 6.27) включает следующие операции:

1) добыча и доставка на завод сырьевых материалов;

2) подготовка сырьевой массы;

3) обжиг сырьевой массы «до спекания» (при t = 1450 ^оС) – получение цементного клинкера;

4) охлаждение клинкера;

5) помол клинкера совместно с гипсом – получение портландцемента.

Клинкер – зернистый материал, полученный обжигом «до спекания» (1450 °С) сырьевой смеси, состоящей из углекислого кальция (известняков различного вида) и алюмосиликатов (глины или близких по составу компонентов – мергелей, шлаков, глинистых сланцев). Добавка гипса при помоле клинкера вводится для регулирования (замедления) сроков схватывания цемента.

Рис. 6. 27. Схема производства портландцемента

В целом свойства цемента определяются качеством клинкера, добавки же, вводимые в цемент, лишь регулируют его свойства. Качество клинкера зависит от состава, тщательности подготовки сырьевой смеси, режимов обжига и охлаждения. Клинкер имеет вид спекшихся гранул (в виде шарообразных частиц) размером 10…40 мм, включающих ряд кристаллических и стекловидную фазу.

Химический состав клинкера выражается содержанием оксидов, входящих в него (в % по массе). Главными оксидами являются: оксид кальция – СаО (63…66 %); диоксид кремния – SiO₂ (25…28%); оксид алюминия – Al₂O₃ (4…8%); оксид железа – Fe₂O₃ (2…4%).

Cуммарное количество этих оксидов составляет 95…97 %. В небольших количествах присутствуют MgO, SO₃ (серный ангидрит), Na₂O, K₂O, ТiO₂, Сr₂О₃ и др.

Минералогический состав клинкера. В процессе обжига, доводимого «до спекания», главные оксиды, находящиеся в сырье, взаимодействуют друг с другом и образуют новые соединения в виде минералов кристаллической структуры, а некоторая часть этих соединений входит в состав стекловидной фазы. Основными минералами клинкера, определяющими его свойства, являются:

1. Алит – трехкальциевый силикат (3CaOSiO₂ или сокращенно – C₃S). Это самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента. Содержится в количестве 45…60 %.

2. Белит – двухкальциевый силикат (2CaOSiO₂ или сокращенно – C₂S). Второй по значимости и содержанию (20…30 %) минерал цементного клинкера. Он медленно гидратируется, но в конечном итоге достигает высокой прочности.

3. Трехкальциевый алюминат (3СаОАl₂О₃ или сокращенно – С₃А). В клинкере содержится в количестве 4…12 %. Очень быстро гидратируется (т.е. взаимодействует с водой), но имеет невысокую прочность. С₃А является самым активным в коррозионном отношении минералом и часто становится причиной сульфатной коррозии бетона.

4. Целит – четырехкальциевый алюмоферрит (4CaOAl₂O₃Fe₂O₃ или сокращенно – C₄AF). Составляет 10…20 % от массы клинкера. По скорости гидратации занимает как бы промежуточное место между алитом и белитом, поэтому не оказывает определяющего влияния на скорость твердения.

В клинкере, кроме указанных минералов, присутствует стекловидная фаза. Ее содержание – 5…15 %. Состоит в основном из оксидов CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, K₂O, Na₂O. Надо отметить отрицательную роль оксида кальция как элемента, способствующего коррозии выщелачивания. Поскольку он, соединяясь с водой, образует растворимый Са(ОН)₂, который вымывается из толщи бетона. Поэтому содержание СаО ограничивается 1 %, чтобы не происходило значительного образования портландита, сопровождающегося неравномерным изменением объема и растрескиванием структуры цементного камня и бетона.

Сырьевыми материалами служат известняки с высоким содержанием углекислого кальция (мел, кальцит, мергель и другие) и глинистые породы (глины, глинистые сланцы и т.д.). В среднем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минерального сырья. Примерное соотношение между карбонатным и глинистым компонентом – 3:1 (около 75% известняка и 25 % глины). Точное соотношение определяется расчетом. Используются в цементной промышленности также отходы различных производств. Весьма ценными являются доменные шлаки, содержащие СаО, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, т.е. сразу весь набор необходимых элементов. Нефелиновый шлам, получаемый при производстве глинозема, содержит 25…30 % SiO₂, 50…55% СаО и другие компоненты. Достаточно добавить к нему 15…20 % известняка, чтобы получить готовой сырьевую смесь для обжига клинкера.

Основной вид топлива, используемого для обжига сырьевой смеси, – газ. Применяются также мазут и твердые виды (на основе угля).

Твердение портландцемента.

Различают 3 периода твердения цементного теста: 1) 1…3 ч – тесто легко формуется, пластично; 2) 5…10 ч – схватывание, тесто загустевает, утрачивает подвижность, но механическая прочность еще невелика; 3) период твердения – переход в камневидное состояние с постепенным нарастанием прочности (длится годами).

Твердение цемента обусловлено протеканием реакции взаимодействия с водой основных минералов цементного клинкера и гипса.

Технические характеристики и свойства портландцемента:

1) Прочность цементного камня обусловлена степенью гидратации (скоростью взаимодействия с водой) основных минералов цементного клинкера. Наиболее быстро гидратирующимися минералами являются трехкальциевый алюминат и трехкальциевый силикат. Наиболее медленно взаимодействует с водой двухкальциевый силикат. Таким образом, увеличение суммарного содержания C₃S и С₃А в цементном клинкере необходимо для получения быстротвердеющих цементов.

2) Прочность связана с пористостью экспоненциальной зависимостью и приближается к нулю при значении пористости 60 %.

3) Тонкость помола оказывает существенное влияние на прочность цемента. Увеличение удельной поверхности влечет за собой повышение прочности, особенно в начальные сроки твердения (до 3 сут).

4) Морозостойкость зависит от минерального состава клинкера и капиллярной пористости цементного камня. Количество С₃А ограничивается 5…7 % ввиду снижения коррозионной стойкости цементного камня при большем количестве. Для повышения морозостойкости применяют поверхностно-активные вещества. В отличие от прочности морозостойкость определяется не общей, а капиллярной пористостью. Снижает морозостойкость и присутствие в цементе активных минеральных добавок, таких как трепел, опока и другие.

5) Воздухостойкость – способность цементного камня сохранять прочность в сухих условиях, а также в условиях переменного увлажнения и высыхания при сильном нагреве солнечными лучами. Цементы, содержащие активные минеральные добавки осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока), не только менее морозостойки, но и менее воздухостойки. Объясняется это главным образом дегидратацией (выветриванием) части воды из низкоосновных гидросиликатов кальция, которые образовались при взаимодействии аморфного диоксида кремния с гидроксидом кальция. Поэтому, например, пуццолановый портландцемент рекомендуется применять во влажных условиях, для подводных и подземных сооружений.

6) Коррозионная стойкость – важное свойство цементного камня. Обусловлена воздействием агрессивных газов и жидкостей на составные части затвердевшего портландцемента, главным образом на Са(ОН)₂ и 3CaAl₂O₃6H₂O. Процессы, протекающие при коррозии цементного камня и изделий на его основе, весьма сложны и многообразны, так же, как и агрессивные вещества, участвующие в них. Поэтому мы ограничимся лишь общей классификацией всех коррозионных процессов, предложенной В.М. Москвиным:

I вид коррозии – выщелачивание (разложение составляющих цементного камня, растворение и вымывание гидроксида кальция);

II вид коррозии – образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия составных частей цементного камня с агрессивными веществами и вымывание этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия);

III вид коррозии – образование в порах цементного камня новых кристаллических соединений, занимающих больший объем, чем исходные компоненты реакции, что сопровождается растрескиванием и разрушением материала (сульфатная коррозия).

7) Тонкость помола – оценивается по стандарту, путем просеивания через специальное сито (№ 008 – размер ячейки в свету 0,08 мм). Тонкость помола должна быть такой, чтобы через данное сито проходило не менее 85 % массы пробы. Это соответствует удельной поверхности, определяемой с помощью специального прибора – поверхностимера, 2500…3000 см²/г.

8) Плотность – истинная (без минеральных добавок) равна 3,05…3,15 г/см³; насыпная – зависит от уплотнения и составляет в среднем 1,3 г/см³.

9) Водопотребность – определяется количеством воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения теста нормальной густоты. Величина, равная 24…26 %. Определяется на приборе Вика. С минеральными добавками (диатомит, трепел, опока) водопотребность цемента повышается до 32…37 %.

10) Сроки схватывания – промежутки времени, после истечения которых изменяется степень пластичности цементного теста. Определяется на приборе Вика.

11) Активность и марка определяются на стандартных образцах-балочках, изготовленных, выдержанных и испытанных в соответствии с действующими стандартами. Активностью называется способность цементного камня набирать прочность при гидратации, что в итоге определяет марочную прочность изделия. Марки и классы по прочности – это величины прочности при сжатии, округленные и пересчитанные в соответствии с нормативными документами, определяемые пределом прочности при осевом сжатии опытных образцов. Класс бетона по прочности (В) рассчитывается по результатам испытаний на сжатие образцов в количестве не менее трех штук с учетом математической обработки результатов. Марки цемента могут быть от 100 до 1000.

Виды цементов и их применение.

Для придания цементу специальных свойств используют следующие приемы:

а) регулирование минерального состава и структуры цементного клинкера, что достигается соотношением между сырьевыми компонентами (известняком, глиной) и добавками, а также технологическими параметрами обжига и охлаждения;

б) введение минеральных и органических добавок (экономия вяжущего и изменение его свойств);

в) регулирование зернового состава тонкостью помола цемента (влияет на скорость твердения, активность, тепловыделение и другие свойства).

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) – портландцемент с минеральными добавками, отличающийся повышенной прочностью через 3 сут. Это обеспечивается более тонким помолом – до 4000 см²/г и содержанием C₃S + C₃A в клинкере, равным 60…65 %. БТЦ применяют в производстве сборных железобетонных конструкций, а также в зимнем бетонировании, поскольку бетон на его основе имеет повышенное тепловыделение. Однако исключается применение БТЦ в массивных сооружениях и конструкциях, подвергающихся воздействию сульфатных растворов (высокое содержание С₃А).

Сульфатостойкий портландцемент производят на основе клинкера, имеющего нормированный минеральный состав, а также с введенными неорганическими добавками (пуццолановый, шлакопортландцемент). Обладает не только повышенной сульфатостойкостью, но и морозостойкостью, что обеспечивается прежде всего пониженным содержанием С₃А (не более 5 %).

Портландцемент с органическими добавками – портландцемент с поверхностно-активными веществами (ПАВ), вводимыми в количестве 0,05…0,3 %. Они пластифицируют бетонные смеси и повышают их удобоукладываемость при снижении количества воды затворения и расхода цемента. Применяемые ПАВ можно разделить на четыре группы: гидрофилизующие, гидрофобизующие, воздухововлекающие, комплексные.

Гидрофилизующие (смачивающие) – сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ, ЛСТМ – лигносульфонат натрия, ССБ). Получают из сульфитных щелоков, образующихся при сульфитной варке целлюлозы. Она ослабляет силы взаимного сцепления частиц цемента при смачивании, в результате чего повышается пластичность цементного теста и подвижность бетонных смесей.

Гидрофобизующие (водоотталкивающие) – мылонафт, асидол, асидолмылонафт (технические нафтеновые кислоты), синтетические жирные кислоты и их соли – продукты окисления парафинов, кремнийорганические жидкости (ГКЖ – водно-спиртовые растворы метилсиликоната натрия).

Воздухововлекающие – смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), абиетат натрия, омыленный древесный пек и др.

Комплексные добавки состоят из гидрофилизующих и гидрофобизующих, сочетающих высокий пластифицирующий эффект с гидрофобизующим действием на цементные бетоны.

Применение органических добавок дает возможность получать пластифицированный, гидрофобный и другие виды цемента. Пластифицированный цемент получают введением при помоле клинкера 0,25 % СДБ. Обладает повышенной подвижностью при низком содержании воды затворения – в итоге повышаются плотность, морозостойкость и водонепроницаемость. Гидрофобный цемент получают введением при помоле 0,1…0,2 % гидрофобизующих добавок. Обладает пониженной гигроскопичностью, лучше сохраняет активность при хранении, обеспечивает повышенную пластичность бетонных смесей.

Портландцемент с минеральными добавками. Активные минеральные добавки (гидравлические) содержат диоксид кремния в аморфном, а следовательно, в химически активном состоянии и поэтому способны взаимодействовать с гидроксидом кальция. Могут быть природными (естественными) – диатомит, трепел, опока, туф, пемза, трасс и т.д.; искусственными – шлаки, золы от сжигании твердых видов топлива и другие отходы. Пуццолановый портландцемент получают, когда при помоле вводят 20…40 % активной минеральной добавки. Обладает повышенной стойкостью против выщелачивания. Применяется для гидротехнического бетонирования. На воздухе медленно твердеет (особенно при пониженных температурах), дает усадку и теряет прочность. Шлакопортландцемент (ШПЦ) – разновидность пуццоланового портландцемента. Производится добавлением при помоле клинкера 20…60 % шлака. Существенным отличием его от обычного портландцемента является пониженное в 2…2,5 раза тепловыделение при гидратации, поэтому он является самым подходящим материалом для бетона массивных конструкций. На 15…20 % дешевле портландцемента. Недостаток – медленно твердеет, поэтому требует тепловлажностной обработки, ускоряющей набор прочности.

Белый и цветные портландцементы. Для их производства используется чистое сырье – белые глины, почти не содержащие оксидов железа и марганца. Обжигают сырьевую смесь на беззольном топливе (чаще используют газ). Цветные (декоративные) цементы получают примешиванием к белому цементу щелочестойких пигментов (охру, ультрамарин).

Тампонажный цемент – фактически обычный портландцемент с добавками. Применяется для цементирования нефтяных и газовых скважин. Он не должен расслаиваться при повышенном водосодержании, поскольку закачивается на большую глубину.

Глиноземистый цемент – это высококачественное гидравлическое вяжущее (одно из самых дорогих), быстротвердеющее, обладающее высокой прочностью, коррозионно- и морозостойкостью. Состоит преимущественно из низкоосновных гидроалюминатов кальция. Однако его нельзя пропаривать и применять в массивных конструкциях из-за сильного разогрева. Часто используется как добавка для изготовления быстротвердеющих, жаростойких, расширяющихся цементов.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) получают совместным тонким помолом клинкера (60%), глиноземистого цемента или шлака (6 %), гипса (9 %) и пуццолановой добавки (25%). Отличается способностью расширяться в водных условиях и на воздухе в течение первых трех суток твердения. Обладает высокой плотностью и водонепроницаемостью. РПЦ используют для изготовления самонапрягающихся изделий.

Одним из перспективных направлений развития материаловедения в современных условиях являются нанотехнологии. Это направление позволяет создавать материалы с уникальными свойствами. Управляя процессами формирования структуры на атомарном уровне, получают наноткань, наностекло, магнитные жидкости, одноэлектронные материалы и др.

Использование нанопредставлений дает возможность изучать процессы с участием органо-минеральных нанокомпозиционных систем, где важную роль играют различные пептиды и белки.

Многие традиционные искусственные материалы, такие, как стекло, цемент, металлы и сплавы, содержат наноструктуры или имеют нано-структурное строение.

Минерально-органические композиционные материалы.

К этой группе относятся материалы на основе органических связующих веществ с неорганическими наполнителями: пластмассы, асфальтовые материалы, лакокрасочные материалы.

Пластическими массами называют материалы, обладающие пластичностью на определенном этапе их изготовления, которая частично или полностью теряется после отверждения связующего вещества – полимера – высокомолекулярного соединения, являющегося основной составной частью пластических масс.

Полимеры могут быть природными (каучук, целлюлоза, шелк, шерсть и т.д.) и искусственными (синтетическими), получаемыми из низкомолекулярных веществ, а также в результате модифицирования природных полимеров.

Пластмассы состоят из связующего вещества (полимера), наполнителя и специальных добавок – пластификаторов, отвердителей, стабилизаторов и красителей.

Синтетические полимеры подразделяются в зависимости от метода получения на полимеризационные и поликонденсационные.

Полимеризационные полимеры – полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат и другие – получают преимущественно методом полимеризации, когда химический состав полимера и мономера не изменяется.

Поликонденсационные полимеры – альдегидные, эпоксидные, полиэфирные и другие – получают методами поликонденсации, в результате изменяется химический состав участвующих веществ, а состав получаемого продукта отличается от состава исходных компонентов.

По внутреннему строению различают линейные и пространственные полимеры. Различие во внутреннем строении обусловливает разные свойства полимеров по отношению к действию тепла.

Термопластичные полимеры способны обратимо размягчаться при нагреве и отвердевать при охлаждении, сохраняя основные свойства (линейная структура).

Термореактивными называют полимеры, которые, будучи отверждены, не переходят при нагреве в пластичное состояние (пространственное строение).

Наиболее часто применяемые полимеры:

1. Полимеризационные:

а) Полиэтилен – представляет собой твердый белый роговидный продукт в виде гранул или порошка. Это один из самых легких полимеров –  = 0,92…0,97 г/см³. В сочетании с высоким пределом прочности при растяжении (12…32 МПа) имеет значительный коэффициент конструктивного качества. Недостатками являются низкий модуль упругости (150…800 МПа), малая твердость и теплостойкость (108…130 °С), большой коэффициент температурного расширения. Получают путем полимеризации этилена (природного газа): 1) при высоком давлении (изделия повышенной гибкости) – 120…150 МПа; 2) при среднем давлении (3…7 МПа) в углеводородных растворителях с катализаторами; 3) при атмосферном или небольшом избыточном давлении (0,05…0,6 МПа) с участием металлоорганических катализаторов (изделия имеют повышенную жесткость и твердость). Применяют для изготовления гидроизоляционных материалов, труб, предметов санитарно-технического оборудования.

б) Поливинилхлорид (ПВХ) является продуктом полимеризации винилхлорида (бесцветного газа, обладающего эфирным запахом). Получают из ацетилена или дихлорэтана. ПВХ представляет собой белый или желтоватый порошок, лишенный запаха и вкуса. Теплостойкость – до 60 °С. Плотность – 1,38…1,40 г/см³ (в 1,4 раза больше, чем у полиэтилена). Прочность при растяжении – 50…60 МПа, при изгибе – 80…120 МПа. Используется при изготовлении материалов для пола (однослойных и многослойных линолеумов и плиток), а также гидроизоляционных и отделочных декоративных материалов. ПВХ стоек к действию кислот, щелочей, спирта, бензина, смазочных масел, поэтому из него изготовляют трубы для водоснабжения и канализации. Из ПВХ также производят плинтусы, поручни, ячеистые теплоизоляционные материалы. Недостатки: резкое снижение прочности при повышении температуры, ползучесть при длительном действии нагрузки.

в) Полистирол – один из наиболее часто применяемых полимеров. Представляет собой твердый прозрачный материал, похожий на стекло, в виде гранул или крупного порошка. Получают полимеризацией стирола (продукта переработки этилена и бензола). Полистирол легок ( = 1,04…1,06 г/см³), малотеплопроводен ( = 0,09…0,15 Вт/м·°С), обладает высокими механическими свойствами (R_р = 35…60 МПа; R_сж. = 80…110 МПа), водостоек, противостоит действию кислот и щелочей. Применяют для изготовления плиток для облицовки ванных комнат, санузлов, кухонь, технических помещений; делают трубки для электропроводки. Недостатки: невысокая теплостойкость, хрупкость.

г) Полиметилметакрилат («оргстекло») – продукт полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты (в виде прозрачных гранул). Получают из нефтяных углеводородов или природного газа. Особенностью оргстекла является его исключительная светопропускающая способность (прозрачность), а также светостойкость, атмосферостойкость, способность пропускать ультрафиолетовые лучи. Применяют для остекления окон больниц, витрин, теплиц, парников, фонарей производственных помещений, устройства декоративных ограждений и т.п. Свойства: высокая прочность (R_сж = 120…160 МПа; R_р = 60…80 МПа; R_из = 80…140 МПа); легкость обработки резанием, шлифовкой; формуется при 90 °С. Недостатки: горючесть; слабо работает на истирание; низкая теплостойкость (80 °С); не стоек в растворах кислот и щелочей, а также и в органических растворителях (ацетон).

2. Поликонденсационные:

а) Фенолоформальдегидные полимеры получают в результате поликонденсации фенолов (фенола, крезола) с альдегидами (формальдегидом, фурфуролом, лигнином). Наиболее широко распространены фенолоформальдегидные полимеры, представляющие собой (при нормальной температуре) твердые, хрупкие вещества светлого или темно-коричневого цвета с  = 1,20…1,27 г/см³. Хорошо совмещаются с органическими наполнителями – древесными опилками и стружкой, бумагой, тканью, стеклянным волокном (получаются пластики более прочные и менее хрупкие, чем сами полимеры). Относительно дешевы. Получают их из фенола и формальдегида нагреванием в водных растворах кислот и щелочей в присутствии катализаторов. Применяют в качестве связующего при изготовлении древесно-стружечных плит, бумажно-слоистых пластиков, стеклопластиков и изделий из минеральной ваты, для получения клеев, лаков, водостойкой фанеры; на основе фенолоформальдегидного полимера приготовляют пресс-порошки, из которых изготовляют трубы, листы, плитки и электротехнические изделия.

б) Карбамидные (мочевиноформальдегидные) полимеры – бесцветные кристаллы, хорошо растворяются в воде и окрашиваются в различные цвета, дешевы. Применяются для изготовления теплоизоляционных материалов (ячеистых пластмасс и сотопластов), слоистых и волокнистых пластиков и клеев.

в) Кремнийорганические полимеры – имеют кремнеземистый каркас с органическими ответвлениями, поэтому этот полимер сочетает в себе лучшие свойства силикатных материалов – высокую теплостойкость и высокую пластичность, характерную для обычных синтетических полимеров. Применяют для изготовления фасадных красок; как добавку в бетон, для его гидрофобизации; на основе этих полимеров изготовляют жаростойкие лаки и эмали (300…500 °С); из них готовят связующее и пропиточные составы при производстве слоистых пластиков.

г) Эпоксидные полимеры – жидкости различной вязкости (в зависимости от температуры). Обладают высокой химической стойкостью, светопропусканием, повышенной теплостойкостью (до 150 °С) и универсальной клеящей способностью. Отверждаются с помощью специальных отвердителей в холодном и горячем состоянии. На их основе изготовляют клеи, краски, мастики, растворы и бетоны.

Другие компоненты пластмасс:

1. Наполнители – представляют собой разнообразные неорганические и органические порошки и волокна. Они значительно уменьшают потребность в дорогостоящем полимере и тем самым намного удешевляют изделия из пластмасс. Кроме того, наполнители улучшают ряд свойств изделий: повышают теплостойкость и твердость, сопротивляемость растяжению и изгибу (особенно волокнистые).

В зависимости от наличия наполнителей различают ненаполненные пластмассы (наполнитель отсутствует, пластмасса – есть полимер), пластмассы с порошкообразным или волокнистым наполнителем, слоистые пластмассы, газонаполненные пластмассы.

Упрочняющее действие наполнителя объясняется взаимодействием молекул полимера с поверхностью частиц заполнителя, что сопровождается упорядочением молекул полимера, их определенной ориентацией и расположением, а также связыванием наполнителя в плотный и прочный конгломерат. Наибольшее повышение механических свойств достигается при использовании волокнистого и слоистого наполнителя. Волокнистым наполнителем является тонкое стеклянное и древесное волокно; порошкообразным – тальк, мел и др.

2. Пластификаторы – вещества, добавляемые к полимеру для повышения его эластичности и уменьшения хрупкости за счет уменьшения связей в цепях молекул полимера.

3. Отвердители – вещества, являющиеся инициаторами реакции полимеризации и ускоряющие процесс отверждения пластмасс.

4. Стабилизаторы – способствуют сохранению структуры и свойств пластмасс во времени, предотвращая их раннее старение при воздействии солнечного света, кислорода воздуха, нагрева и других факторов.

Материалы и изделия из пластмасс.

Все материалы и изделия из пластмасс можно разделить на несколько групп. Самые прочные и дорогие – волокнистые пластмассы. К ним относятся стеклопластики, древесно-стружечные (ДСП) и древесно-волокнистые (ДВП) плиты, некоторые листовые, плиточные и рулонные материалы. Они состоят из двух основных компонентов: упрочняющих волокон (или ткани) и связующего (полимера). Наполнение материала волокном обычно составляет 20…90 % (коэффициент 0,2…0,9).

Стеклопластики (рис. 6.28) – армируются стеклянным волокном или тканью. Связующим веществом служат фенолоформальдегидные, полиэфирные и эпоксидные полимеры. Выпускают три вида стеклопластиков: на основе ориентированных волокон, рубленных волокон, тканей или матов.

а б

Рис. 6.28. Стеклопластик:

а – профилированный; б – рулонный

1. Стеклопластик с ориентированными волокнами (СВАМ – стекловолокнистый анизотропный материал) обладает очень высокой прочностью (R_Р – до 1000 МПа), относительной легкостью (_ср = 1,8…2,0 г/см²), химически стоек. Применяется для изготовления строительных конструкций, различных емкостей, труб.

2. Стеклопластик с рубленным стекловолокном изготовляют в виде листов (волокнистых или плоских) на полиэфирном связующем, обладает светопроводящей способностью. Применяют для устройства кровель, ограждений, перегородок.

3. Стеклопластики на основе стеклоткани получают горячим прессованием полотнищ ткани, пропитанной термореактивным полимером, при высоком давлении и температуре – «текстолит». Используют его для изготовления многослойных стеновых панелей.

Древесно-стружечные плиты – изготовляют путем горячего прессования специально приготовленных древесных стружек с термореактивными полимерами (карбамидными или фенолоформальдегидными). Имеют размеры: длину – 180…350 см, ширину – 122…175 см, толщину –0,4…10 см. Расход полимера составляет 8…12 % (по массе). Стружку получают на специальных стружечных станках, при этом используют отходы деревообработки и неделовую древесину. В качестве отделки, защищающей плиты от увлажнения и истирания, применяют полимерные пленочные материалы, бумагу, пропитанную смолами, или покрывают водостойкими лаками. Средняя плотность плит – 1,0…1,35 г/см³. Используют как отделочный, конструкционный, тепло- и звукоизоляционный материал. Для повышения биостойкости добавляют антисептики (фтористый и кремнефтористый натрий, буру и т.д.); огнестойкости – антипирены (сульфат аммония и диаммонийфосфат). Для уменьшения набухания во влажном воздухе в исходную массу вводят гидрофобизующие вещества (парафиновую эмульсию, раствор кремнийорганического полимера).

Волокнистые пластмассы.

Древесно-волокнистые плиты изготовляют горячим прессованием волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, воды, наполнителей, полимера, антисептиков, антипиренов, гидрофобизующих веществ. Размеры: длина – 120…360 см; ширина – 100…180 см; толщина твердых плит – 0,3…0,8 см, теплоизоляционных – 0,8…2,5 см; средняя плотность – 250…950 кг/м³; прочность – 1,2…50 МПа. Применяют: твердые плиты – для изготовления перегородок, настилов полов и потолков, дверных полотен и встроенной мебели; отделочные плиты – для облицовки стен и потолков, предварительно оклеив их синтетической пленкой или окрасив водоэмульсионными красками, покрыв эмалями тепло- и звукоизоляционными (в этом случае для их изготовления используют отходы сельскохозяйственного производства – тростник, солому).

Фанера – представляет собой листовой материал, склеенный из трех или более слоев лущеного шпона. Наружные слои шпона в фанере называют «рубашками», а внутренние – «серединками». Слои шпона располагают при склеивании таким образом, чтобы волокна смежных листов были взаимно перпендикулярны или направлены под углом. Шпон готовят на лущильных станках, где с вымоченных в горячей воде коротких бревен снимается тонкий непрерывный «ковер», который и называется шпоном. Для приготовления шпона используют как листовые, так и хвойные породы древесины (береза, дуб, клен, сосна, ели и др.). Изготовляют фанеру путем прессования промазанных клеем листов шпона при температуре 120…160 °С и давлении 1,4…2,0 МПа. Фанера бывает повышенной водостойкости (марка ФСФ – на фенолоформальдегидном клее); средней водостойкости (ФК и ФБА – на карбамидном и альбумино-казеиновом клее), ограниченной водостойкости (ФБ – на казеиновом клее). Выпускают также бакелиторезиновую фанеру (повышенной толщины) – листы толщиной 0,5…1,8 см и фанерные плиты – толщиной 0,8…3,0 см и 3,5…7,8 см.

Столярные плиты – это реечные щиты, оклеенные с обеих сторон березовым или другим шпоном. Толщина – 1,6…5,0 см. Применяют для изготовления дверей, перегородок и встроенных шкафов.

Древесно-слоистые пластики (упрочненная фанера) – изготовляют на основе фенолоформальдегидного полимера. Имеют повышенную среднюю плотность 1,2…13 г/см³ и высокие механические свойства: сопротивление истиранию, R_раст = 140…260 МПа, R_из = 150…280 МПа. Противостоят действию масел, растворителей.

Декоративно-облицовочные изделия – изготовляют в виде листов, пленок и т.д. Декоративные безосновные самоклеящиеся поливинилхлоридные пленки производят из пасты, состоящей из полимера (поливинилхлорида), пигмента, пластификатора и стабилизатора. На поверхности пленки печатают рисунок, воспроизводящий древесину, камень, ткани. Эти пленки стойки к моющим средствам, растворам щелочей и разбавленных кислот, атмосферо- и морозостойки.

Декоративные поливинилхлоридные панели («полидекор») – имеют текстуру, имитирующую различные породы древесины, и используются для отделки стен и потолков.

Линкруст представляет собой бумажную основу, покрытую слоем пасты, состоящей из связующего (глифталевого полимера), олифы, парафина и наполнителей (древесной муки, сепарированного мела). Для наклейки линкруста применяют казеиновый клей или различные мастики.

Влагостойкие («моющиеся») обои – рулонный материал на бумажной основе, покрытой тонким слоем полимера.

Облицовочные полистирольные плитки – тонкие квадратные или прямоугольные, изготовляют методом литья. Приклеивают полимерными или каучуковыми мастиками. Применяют для облицовки различных технических помещений, санузлов, но горючи, поэтому должны укладываться вдали от открытого огня. Полистирольные панели изготовляют с добавлением вспенивающего компонента. Имеют толщину 8…10 мм. Крепятся к стенам и потолкам шурупами или гвоздями.

Бумажно-слоистый пластик – изготовляют из нескольких слоев специальной бумаги, пропитанной фенолоформальдегидным или карбамидным полимером. Хорошо обрабатывается (пилится, сверлится). Прикрепляется битумно-каучуковыми мастиками, эпоксидными или другими клеями, или механическим способом.

Материалы для полов. Линолеум (рис. 6.29) – бывает безосновным и на теплозвукоизоляционной основе (тканевой, войлочной). Изготовляют

Рис. 6.29. Виды линолеума

путем нанесения пасты, содержащей полимер, пластификатор, наполнитель, краситель и другие добавки, на джутовую или иную ткань (на тканевой основе). При изготовлении на войлочной основе материал дополнительно пропитывают антисептиками. Линолеум-релин – изготовляют из резины. Состоит из двух слоев – нижнего, изготовленного из смеси бывшей в употреблении дробленой резины с битумом, и верхнего, состоящего из смеси синтетического каучука (резины) с наполнителем и пигментом. У основных линолеумов основой может служить пористая (ячеистая) пластмасса, придающая покрытию пола высокие тепло- и звукоизоляционные свойства. Укладывают линолеум по ровному основанию с использованием горячих и холодных мастик.

Бесшовные полы устраивают на основе водной дисперсии, включающей полимер (ПВА), воду, наполнитель (молотый песок, зола и т.п.), пигмент (охра, крон, редоксайд). Перемешанную однородную мастику наносят на подготовленное основание распылением в 2–3 слоя.

Полимербетонные полы (рис. 6.30) помимо связующего (фенолоформальдегидного, эпоксидного или полиэфирного полимера) содержат порошкообразный наполнитель, крупный и мелкий заполнитель (песок, щебень или гравий), а также большое количество добавок (модификаторов, пластификаторов, отвердителей, стабилизаторов и др.). Тщательно перемешанную массу укладывают на хорошо подготовленное основание слоем толщиной 20…50 мм и уплотняют виброрейками или катками. Недостаток – большая ползучесть.

Рис. 6.30. Напольные полимерные покрытия (наливные полы)

Полимерцементы имеют в качестве связующего основы каучуковые латексы (или ПВА) и портландцемент. Заполнителем служит песок с зернами до 3 мм. Для полимерцементов характерны низкое водопоглощение и водопроницаемость, повышенная прочность на растяжение и изгиб. В строительстве применяют полимерцементные краски и клеи, защитные обмазки (например, арматуры). Полимерцементные растворы и бетоны используются в виде защитных слоев резервуаров, труб, а также для устройства полов.

Материалы и изделия специального назначения из пластмасс.

К материалам и изделиям специального назначения из пластмасс относят трубы, санитарно-технические, погонажные изделия, синтетические клеи, гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие материалы, а также специальные лакокрасочные составы.

Термопластичные трубы изготовляют разными способами: экструзией, прессованием, сваркой, склеиванием из полимера (ПВХ, полиэтилена, полипропилена) с наполнителем или без него. Их преимущества перед стальными трубами: в 3…6 раз легче, выше коррозионная стойкость, увеличенная на 30…40 % пропускная способность (благодаря низкому коэффициенту трения), легче обрабатываются (резанием, сверлением, свариванием). Используют для сооружения водопроводных и канализационных сетей, вентиляционных систем. Прозрачные трубы из полиметилметакрилата наиболее распространены в парфюмерной и медицинской промышленности (гигиеничны, без запаха).

Стеклопластиковые трубы (рис. 6.31) – производят центробежным способом – намоткой на сердечник стеклоткани или стеклолент, пропитанных полиэфирным полимером. Преимущества: значительно прочнее других полимерных труб, выдерживают температуру до 150 °С. Применяют в основном в химической и нефтяной промышленности.

Рис. 6.31. Стеклопластиковые трубы

Санитарно-технические изделия: ванны, мойки, смывные бачки, детали кранов-смесителей, переходники и другие. Преимущества: малая масса (ванна примерно в 10 раз легче чугунной), коррозионностойки, дешевле чугунных.

Изготовляют с применением широкого диапазона полимеров (полистирол, полиметилметакрилат, стеклопластик).

Погонажные изделия – плинтусы, поручни лестничных перил, наличники, проступи и т.п. Изготовляют из поливинилхлорида, полиэтилена, полистирола и т.д. Хорошо окрашиваются, долговечны, не дороже деревянных.

Синтетические клеи изготовляют в виде жидкостей, порошков и пленок из синтетических смол, каучуков и производных целлюлозы в смеси с растворителями, наполнителями, пластификаторами и отвердителями (горячего и холодного отверждения). Свойства: высокая клеющая способность, водостойкость, биостойкость, способность склеивать различные материалы (древесину, пластмассы, металлы, керамику, стекло, природные и искусственные камни). Применяют для склеивания строительных конструкций (даже мостов).

Гидроизоляционные пленочные материалы изготовляют из чистых полимеров (без накопителей): ПВХ, полиэтилена, ацетилцеллюлозы, синтетического каучука и других. Толщина пленки зависит от ее назначения: для сооружения противофильтрационной завесы (в каналах, дамбах) применяют полиэтиленовую пленку толщиной 0,5 см; для гидроизоляции туннелей – полиэтиленовую пленку или ПВХ толщиной 1,5…2 мм. Обладают достаточной прочностью при растяжении (15,0…17,0 МПа), стойкостью к действию природных вод, щелочных и кислотных растворов с концентрацией до 5%. Пленочные материалы используют также в конструкциях плоских крыш.

Кровельные материалы.

Волнистые и плоские кровельные листы изготовляют из стеклопластиков на полиэфирных полимерах. Свойства: R_раст = 220…230 МПа, R_из = 350…400 МПа. Кровля получается легкой, прочной, прозрачной, эстетичной, но имеет серьезный недостаток – горючесть. Толщина листов – 0,8…1,5 мм. При использовании в качестве основы крафт-бумаги, кровельного картона, хлопчатобумажной или стеклянной ткани получают рулонные материалы.

Герметизирующие материалы (герметики) применяют для уплотнения швов между элементами сборных конструкций (панелями и блоками наружных стен и т.д). Герметики обеспечивают эластичность швов, необходимую для восприятия температурных усадочных деформаций, и не допускают проникновения влаги через швы. Герметики производят в виде мастик и эластичных уплотняющих прокладок.

1) Герметизирующая тиоколовая мастика изготовляется на основе полисульфидного каучука (тиокола) и резинобитумного вяжущего. Перед началом работ тиоколовую пасту тщательно перемешивают с вулканизирующей добавкой, ускорителем вулканизации и разжижителем. В результате вулканизации смесь отверждается непосредственно в шве и получается эластичный резиноподобный уплотнитель черного цвета.

2) Нетвердеющая герметизирующая мастика производится из полиизобутилена, мягчителя (масла) и тонкодисперсного минерального наполнителя (мела, известняка). Мастика изол – сложная смесь из резиновой крошки, битума, кумароновой смолы, волокнистого наполнителя (асбеста) и антисептика (антраценового масла). Эту мастику применяют как в горячем состоянии (80…100 °С), так и в холодном – с добавлением растворителя (бензина, лигроина, зеленого масла). Используется в основном для приклеивания пороизола.

Все мастики наносятся в пластичном состоянии специальными шприцами со сменными наконечниками, позволяющими заполнять не только сам шов, но и места их пересечений. Мастики имеют хорошую адгезию к бетону и другим строительным материалам и сохраняют ее при положительных и отрицательных температурах.

Эластичные прокладки. Пороизол изготовляют в виде эластичных пористых жгутов из крошки отработанной резины, мягчителя, порообразователя и антисептика. Выпускают в виде полос прямоугольного сечения размером 30 x 40 и 40 x 40 мм или жгутов диаметром 10…60 мм.

Герметик – пористая прокладка в виде жгута с водонепроницаемой пленкой на поверхности. Производят на основе негорючего полихлорпренового каучука, хорошо сопротивляющегося атмосферным воздействиям. Герметик более долговечен, чем пороизол и водонепроницаем (благодаря наружной оболочке).

Асфальтовыми называют материалы, основу которых составляют так называемые органические вяжущие вещества – битумы и дегти.

Битумами называют вяжущие вещества, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Битумы бывают природные и искусственные (нефтяные).

Природные битумы (рис. 6.32) – это вязкие жидкости или твердо-пластичные вещества, образовавшиеся в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Они встречаются в местах нефтяных месторождений, но в чистом виде – редко, чаще пропитывают осадочные горные породы. Такие горные породы называют асфальтовыми (известняки, песчаники, глины, пески). Из них извлекают битум или размалывают и применяют в виде порошка.

Нефтяные (искусственные) битумы получают переработкой нефтяного сырья и в зависимости от технологии получения подразделяют на остаточные (получаемые из гудрона путем отбора из него масел), окисленные (получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах посредством продувки воздухом), крекинговые (полученные в результате переработки остатков, образующихся при крекинге нефти).

Рис. 6.32. Битум в кварце

Гудрон – остаток после отгонки из мазута масляных фракций. Используется как сырье для получения битумов, а также в качестве вяжущего в дорожном строительстве.

Строение битумов и дегтей.

Все соединения, входящие в состав органических вяжущих, можно разделить на три группы: твердая часть (у битумов – асфальтены и парафины, у дегтей – свободный углерод), смолы и масла. Твердая часть – высокомолекулярные соединения плотностью > 1. Смолы – аморфные вещества темно-коричневого цвета плотностью ~1. Масляные фракции состоят из различных углеводородов плотностью < 1.

По своему строению органические вяжущие вещества представляют собой коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла.

Основные свойства битумов.

Свойства битума зависят от его состава и соотношения входящих в него компонентов. Так, повышение количества асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости. Наоборот, повышенное содержание масел, частично растворяющих смолы, делает битум мягким и легкоплавким. Парафин в битумах ухудшает их свойства (повышает хрупкость), поэтому его содержание ограничивается 5%.

Физические свойства: плотность – 0,8…1,3 г/см³; теплопроводность – 0,5…0,6 Вт/м·°С; теплоемкость – 1,8…1,97 кДж/кг·°С. Специальные свойства битумов: гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, расплавляемость.

Физико-химические свойства. Адгезионная способность – сцепление, приклеивание к какой-нибудь поверхности. Старение – процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется старение действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

Химические свойства. Битумы хорошо сопротивляются действию щелочей (концентрацией до 45 %) и некоторых кислот: фосфорной (до 80 %), серной (до 50 %), соляной (до 25 %), уксусной (до 10 %). Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей оксид азота. Растворяются в органических растворителях.

Механические свойства. Марка – в понятие марки битума входят следующие показатели: твердость, температура размягчения и растяжимость. Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению битумы классифицируются на строительные, кровельные и дорожные. Твердость характеризуется глубиной проникновения иглы пенетрометра. Температура размягчения определяется на приборе «кольцо-шар», расположенном в сосуде с водой. При нагревании воды металлический шарик под действием собственного веса проваливается через кольцо, заполненное испытуемым битумом. Растяжимость выражается абсолютным удлинением образца битума («восьмерки») в сантиметрах при температуре 25 ^оС, определяемым на приборе дуктилометре.

Применение битумов.

Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, для восстановления покрытий. Кровельные битумы используют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов (рис. 6.33). Например, легкоплавким битумом марки БНК 45 / 180 (битум нефтяной кровельный, температура размягчения 40…45 °С, твердость 14,0…2,20 мм) пропитывают основу (кровельный картон), а тугоплавкие битумы (например, БНК 90/30) служат для устройства покровного слоя рулонных материалов.

Рис. 6.33. Применение битума в качестве рулонного кровельного материала

Перед применением битум переводят в так называемое рабочее состояние одним из способов:

– нагреванием до 140…170 °С, сопровождающимся размягчением смол, входящих в состав битума, и увеличением их растворимости в маслах;

– растворением битума в органических растворителях (зеленое нефтяное масло, лакойль и т.д.) для придания рабочей консистенции без нагрева;

– эмульгированием, т.е. смешиванием в специальных машинах (эмульгаторах, диспергаторах) разогретого битума в горячей воде с добавкой вещества-эмульгатора (ПАВ, СДВ, глина, известь, сажа).

Дегтевые материалы: дегти и пеки.

Деготь – густая вязкая масса черно-коричневого цвета, образующаяся при нагревании без доступа воздуха твердых видов топлива (каменного и бурого угля, горючих сланцев, торфа, древесины). В строительстве применяют главным образом каменноугольные дегти, получаемые в коксохимическом производстве. При переработке 1 т угля получают 700…750 кг кокса и 30…40 кг сырой каменноугольной смолы (сырого дегтя).

Пек – аморфная хрупкая масса черного цвета с характерным раковистым изломом. Состоит (аналогично битуму) из высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, а также свободного углерода (8…30 %). Плотность – 1,25…1,28 г/см³. Образуется как твердый остаток после отделения легких фракций от сырого дегтя.

Дегтевые вяжущие вещества подразделяют на следующие виды:

а) сырой каменноугольный низкотемпературный деготь – вязкая темно-бурая жидкость,  = 0,85…1,0 г/см³, получаемая при полукоксовании (500…600 °С), часто служит для получения отогнанного дегтя;

б) сырой каменноугольный высокотемпературный деготь – черная вязкая жидкость или вязкотвердый продукт,  = 1,12…1,23 г/см³, температура размягчения 40…70 °С, получают при коксовании (1000…1300 °С);

в) отогнанный деготь («каменноугольная смола») – получают в результате фракционирования сырого низкотемпературного дегтя с выделением керосиновой фракции (до 30 %). По вязкости и свойствам близок к высокотемпературному дегтю;

г) составленные дегти – получают сплавлением пеков с дегтевыми маслами (антраценовым или другим) или обезвоженными сырыми дегтями. Широко применяются в строительстве, так как, изменяя соотношение между пеком и растворителем (антраценовым маслом), можно получать вяжущее требуемой вязкости и температуры размягчения.

Свойства дегтей.

Средняя плотность дегтей равна 1,25 г/см³.

Вязкость дегтей повышается с увеличением в их составе свободного углерода и твердых смол за счет уменьшения масляной части.

Температура размягчения дегтей несколько ниже, чем у битумов (тугоплавких).

Атмосферостойкость дегтевых материалов ниже, по сравнению с битумными материалами. Это объясняется тем, что дегти стареют быстрее, чем нефтяные битумы, поскольку в них содержится большее количество непредельных углеводородов, которые подвергаются окислительной полимеризации при контакте с кислородом и водой, а также при воздействии ультрафиолетовых лучей солнечного света. Ускоряет старение испарение масел и вымывание водой фенолов. В результате дегтевые материалы становятся хрупкими и теряют водоотталкивающие свойства.

Дегтевые вяжущие – более древние вяжущие вещества, которые в настоящее время практически полностью вытеснены битумами. Однако, уместно отметить, что строительные материалы на основе дегтей имеют более высокую биостойкость по сравнению с битумными. Стойкость против гниения объясняется высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола (карболовой кислоты) и других летучих соединений, которые и являются причиной быстрого старения дегтевых материалов.

Виды и номенклатура изделий на основе битумных и дегтевых вяжущих веществ: 1) рулонные, 2) листовые, 3) штучные, 4) мастики, 5) эмульсии и пасты, 6) лакокрасочные покрытия, 7) асфальтовые бетоны и растворы.

Рулонные материалы (рис. 6.34). Выпускают основные и безосновные рулонные материалы. Основные представляют собой ковры из кровельного картона, асбестовой бумаги, стеклоткани (основы), обработанные битумами, дегтями или их смесями. Безосновные получают в виде

Рис. 6.34. Рулонные кровельные материалы на основе битума

полот нищ определенной толщины после прокатки смесей, состоящих из органического вяжущего, наполнителя (минерального порошка или измельченной резины) и добавок (антисептика, пластификатора и др.). Рулонные материалы на основе органических вяжущих веществ используются для устройства гидроизоляционной защиты различного назначения (например, изготовление кровли в несколько слоев рулонного материала, составляющего кровельный ковер). В низ ковра укладывают подкладочные материалы (беспокровные), а верхний слой устраивают из кровельных материалов, имеющих покровный слой из тугоплавкого битума (дегтя) с посыпкой: крупнозернистой (к), мелкозернистой (м) или пылевидной (п). Допускается выпуск кровельного рубероида с чешуйчатой посыпкой (ч).

Рубероид (рис. 6.35). Изготовляют, пропитывая кровельный картон легкоплавким битумом с последующим покрытием с одной или с обеих сторон тугоплавким нефтяным битумом с наполнителем и посыпкой. Кровельный рубероид получают из бумажной макулатуры, древесных отходов и тряпья. В зависимости от назначения (например, кровельный – К, подкладочный – П), вида посыпки и массы 1 м² основы рубероид делится на марки, например РКК-500 А. Надо отметить, что крупнозернистая (да еще цветная) посыпка не только повышает атмосферостойкость, но и улучшает внешний вид сооружения. На нижнюю поверхность рубероида наносят мелкозернистую или пылевидную посыпку, предотвращающую слипание. Рубероид подвержен гниению, для предотвращения этого явления в покрывочный состав вводят антисептик.

Рис. 6.35. Разновидности рубероида

Направляемый кровельный материал (рис. 6.36) – используется для сооружения кровли без применения кровельной мастики. Укладка ковра осуществляется посредством расплавления утолщенного нижнего покровного слоя пламенем горелки или другим способом. Это позволяет увеличить производительность труда, удешевить работы, улучшить условия труда и экологическую обстановку.

Рис. 6.36. Наплавляемый кровельный и гидроизоляционный материал

Пергамин (рис. 6.37) – рулонный беспокровный материал, получаемый пропиткой кровельного картона нефтяным битумом, как правило без посыпки. Служит подкладочным материалом под рубероид и используется для пароизоляции.

Рис. 6.37. Пергамин

Стеклорубероид и стекловойлок – рулонные материалы, получаемые путем двухстороннего нанесения битумного, битумнорезинового или битумнополимерного вяжущего на стекловолокнистый холст или стекловойлок и покрытием с одной или двух сторон слоем посыпки. Применяют для верхнего и нижнего слоев кровельного ковра и оклеечной гидроизоляции.

Асфальтовые армированные маты – получают путем покрытия предварительно пропитанной стеклоткани с обеих сторон гидроизоляционной битумной мастикой. Используются для оклеечной гидроизоляции и утепления деформативных швов.

Толь (в настоящее время не выпускается) – получается пропиткой и покрытием кровельного картона дегтями с посыпкой песком или минеральной крошкой. Толь с крупнозернистой посыпкой применяют для верхнего слоя плоских кровель, а толь с песчаной посыпкой – для кровель временных сооружений, гидроизоляции фундаментов и т.д. Материал без покровного слоя и посыпки называется «толь-кожа».

Дегтебитумные материалы – получают пропиткой картона дегтем (для предотвращения гниения) и покрытием с двух сторон битумом и посыпкой. Использование то же, что и толя.

Гидроизол (рис. 6.38) – рулонный беспокровный гидроизоляцион-ный материал, получаемый путем пропитки асбестового картона нефтяным битумом. Предназначен для устройства гидроизоляционного слоя в подземных и гидротехнических сооружениях, а также для защитного противокоррозионного покрытия.

Рис. 6.38. Гидроизол

Рис. 6.38. Гидроизол

Фольгоизол – рулонный двухслойный материал, состоящий из тонкой рифленой или гладкой алюминиевой фольги, покрытой с нижней стороны защитным битумно-резиновым составом. Он предназначен для устройства кровель и парогидроизоляции зданий и сооружений, герметизации стыков. Внешняя поверхность может быть окрашена в различные цвета атмосферостойкими лаками. Фольгоизол – долговечный материал, не требующий ухода в период эксплуатации.

Металлоизол – гидроизоляционный материал из алюминиевой фольги, покрытый с обеих сторон битумной мастикой. Выпускают двух марок, отличающихся толщиной алюминиевой фольги. Он имеет высокую прочность на разрыв и долговечность. Применяется для гидроизоляции подземных и гидротехнических сооружений.

Бризол (рис. 6.39) – изготовляют, прокатывая массу, полученную смешиванием нефтяного битума, дробленой резины (от изношенных автопокрышек), асбестового волокна и пластификатора. Бризол стоек в серной и соляной кислотах. Его применяют для защиты от коррозии подземных металлических конструкций и трубопроводов. Приклеивают к поверхности битумной мастикой.

Изол – безосновный рулонный гидроизоляционный и кровельный материал, изготовляемый прокаткой резинобитумной композиции, полученной термомеханической обработкой девулканизированной резины, нефтяного битума, минерального наполнителя, антисептика и пластификатора. Изол долговечнее рубероида более чем в 2 раза, эластичен, биостоек, незначительно поглощает влагу. Применяется для гидроизоляции гидротехнических сооружений, бассейнов, резервуаров, подвалов, антикоррозионной защиты трубопроводов, для покрытия пологих и плоских кровель. Приклеивается холодной и горячей мастикой.

Рис. 6.39. Бризол

Листовые и штучные изделия.

Листы битумные фасонные предназначены для лицевых покрытий кровель. Выпускают марок ЛБ-500 и ЛБ-600 с температурой размягчения пропиточной массы не ниже 60 °С.

Армированные плиты изготовляют прессованием горячей мастики или горячей асфальтовой смеси, применяя армирование стеклотканью или металлической сеткой.

Неармированные плиты изготовляют из тех же смесей, но без армирования. Плиты применяют для устройства гидроизоляции и заполнения деформационных швов.

Мастики представляют собой смесь нефтяного битума или дегтя с минеральными наполнителями. Для получения мастик применяют:

– пылевидные наполнители (измельченный известняк, доломит, мел, цемент, золы);

– волокнистые наполнители (асбест, минеральную вату и др.).

Мастики подразделяют:

1) по виду вяжущего – на битумные, битумно-резиновые, битумно-полимерные;

2) по способу применения – на горячие (с подогревом до 160 °С – битумные, до 130 °С – дегтевые) и холодные (содержат растворитель, применяются без подогрева при температуре окружающего воздуха не ниже 5 °С и с подогревом до 60…70 °С при температуре ниже 5 °С);

3) по назначению – на приклеивающие, кровельно-изоляционные, гидроизоляционные, асфальтовые и антикоррозионные.

Приклеивающие мастики применяют для склеивания рулонных материалов при устройстве многослойных кровельных покрытий и оклеечной гидроизоляции. Выбор марки мастики производят в зависимости от максимальной температуры воздуха и уклона кровли.

Гидроизоляционные мастики применяют для устройства литой и штукатурной гидроизоляции и в качестве вяжущего для приготовления плит и других штучных изделий. Горячие битумно-минеральные мастики изготовляют из битума с добавлением минерального наполнителя 30…64 % в зависимости от назначения и предъявляемых требований. Применяют для заливочной гидроизоляции швов гидротехнических сооружений. Холодные асфальтовые мастики («хамаст») получают смешиванием битумно-известковой пасты с минеральным наполнителем без нагрева компонентов. Их применяют для штукатурной гидроизоляции и заполнения деформативных швов.

Антикоррозионные битумные мастики служат для защиты строительных конструкций (и не только строительных), различных трубопроводов от агрессивных воздействий. Они представляют собой смесь расплавленных тугоплавких битумов с наполнителями. Применяют для защиты от действия разбавленных растворов кислот и щелочей, различных газов и паров (сернистого газа, аммиака) при температуре до 60 °С. Битумно-резиновые мастики – сплав битума, порошка резины и специальных добавок. Их применяют как в горячем, так и в холодном состоянии (с растворителем). Битумно-полимерные мастики – содержат добавку каучука или синтетической смолы, придающей эластичность на морозе и теплостойкость.

Эмульсии и пасты. Битумные и дегтевые эмульсии представляют собой дисперсные системы, в которых вода является средой и в ней битум или деготь диспергированы в виде частиц размером около 1 мкм. Устойчивость эмульсии обеспечивается путем введения в нее эмульгаторов – поверхностно-активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение на границе раздела фаз битум (деготь)-вода. Эмульгаторами служат различные мыла (нафтеновые, сульфонафтеновые и другие), СДБ; твердые – порошки глин, извести, цемента, каменного угля, сажи. Эмульгаторы адсорбируются на поверхности частиц (глобул) битума или дегтя, образуя слой, препятствующий слипанию частиц. Приготовление эмульсии включает разогрев битума (дегтя) до 50…120 °С, приготовление эмульгатора, диспергирование вяжущего в воде с эмульгатором.

Пасты – высококонцентрированные эмульсии с твердыми эмульгаторами, разбавленные водой до нужной вязкости.

Эмульсии и пасты применяют для грунтовки основания под гидроизоляцию, приклеивания рулонных и штучных битумных и дегтевых материалов, для устройства гидро- и пароизоляционного покрытия и в качестве вяжущего вещества – при изготовлении асфальтовых (дегтевых) растворов и бетонов.

Лакокрасочные покрытия – это битумно-смоляные лаки, представляющие собой растворы битумов и органических масел в органических растворителях.

Гидрофобный газоасфальт изготовляют на основе битумно-известковой пасты с добавкой 10…50 % портландцемента и алюминиевой пудры в качестве газообразователя. Используют в конструкциях комплексных кровельных панелей и теплогидроизоляции трубопроводов.

Асфальтовые бетоны и растворы.

Одним из главных назначений органических вяжущих веществ является приготовление асфальтовых бетонов и растворов. В этом случае на основе органических вяжущих готовят асфальтовое вяжущее, состоящее из смеси нефтяного битума с тонкомолотыми минеральными порошками из известняка, доломита, мела, асбеста, шлака. Минеральный наполнитель уменьшает расход битума, повышает температуру размягчения бетона.

Соотношение битум:наполнитель обусловливает основные свойства асфальтового бетона – прочность и плотность, поэтому оно должно быть оптимальным.

Крупный заполнитель (щебень) получают из прочных и плотных горных пород, а также из металлургических шлаков. Поскольку асфальтовые бетоны служат в основном для мощения дорог, к заполнителю предъявляются повышенные требования по морозостойкости: марка – не менее 50 циклов. В качестве мелкого заполнителя в асфальтовых бетонах и растворах используют природные и искусственные пески с содержанием пылевидных частиц не более 3 % по массе.

Асфальтовые бетоны подразделяются по назначению на гидротехнические, дорожные, аэродромные и специальные.

Гидротехнические используют для устройства экранов и уплотнения швов различных сооружений, а также и гидроизоляционных слоев каналов.

Дорожные (как и аэродромные) применяют, как правило, для устройства покрытий дорог, тротуаров, различных дорожек и аэродромов.

Специальные (например, коррозионностойкие) изготовляют на химически стойких заполнителях и применяют для создания кислото- и щелочестойких покрытий. К специальным асфальтовым бетонам относятся и декоративные асфальтовые бетоны и растворы (цветные и офактуренные). Из них выполняют разделительные полосы на дорогах, переходы, полы вестибюлей и т.п.

Основные свойства асфальтовых бетонов.

Состав асфальтобетонной смеси подбирается расчетно-экспери-ментальным методом так, чтобы пустоты в песке были заполнены асфальтовым вяжущим, а в щебне – асфальтовым раствором. То есть, асфальтовый бетон – это смесь асфальтового раствора и крупного заполнителя (щебня). Количество асфальтового вяжущего в растворе и раствора в асфальтовом бетоне берут на 10…15 % больше расчетного для получения более плотного покрытия.

Прочность в значительной степени зависит от температуры. Например, предел прочности при сжатии асфальтобетона при t = 20 °С составляет 2,2…2,4 МПа, а при 50 °С – 0,8…1,2 МПа.

Плотность. Свежеприготовленные асфальтобетонные покрытия имеют высокую плотность с пористостью 5…7 %. Они практически водонепроницаемы. С течением времени под действием химических реагентов на органическое вяжущее (особенно сильное воздействие оказывают сульфаты натрия и магния, растворенные в воде) пористость асфальтобетона возрастает, что сопровождается увеличением водопоглощения, снижением морозостойкости и в конечном итоге разрушением асфальтобетонного покрытия.

Износостойкость (сопротивляемость одновременному воздействию ударных и истирающих усилий). Это свойство у асфальтобетона несколько ниже, чем у тяжелого бетона, однако является достаточным для практических целей.

Биохимическая стойкость. Асфальтовые бетоны и растворы лучше, чем цементные противостоят коррозии (более коррозионностойкие). Это обусловлено низкой пористостью, гидрофобностью органического вяжущего, а также введением антисептика (для повышения биостойкости).

Особенности технологии бетонирования.

Асфальтовые бетоны укладывают в горячем и холодном состоянии. Наиболее распространен метод горячего укатывания при высоких и низких температурах. В первом случае минеральные компоненты смеси (наполнитель-порошок, песок и щебень, разогретые до 180…200 °С) перемешиваются в смесителе принудительного действия вместе с расплавленным битумом. Готовую смесь транспортируют на место асфальтирования в специальных машинах, укладывают на подготовленную поверхность и уплотняют катками. После остывания, через 1…2 ч, асфальтобетон отвердевает и покрытие приобретает необходимую прочность и плотность. Во втором случае асфальтобетонную смесь готовят на битуме, разогретом до 110…120 °С, смешиванием с заполнителями, а затем охлаждают до 60 °С. Приготовленную смесь доставляют на место бетонирования самосвалами и укладывают асфальтоукладчиками (рис. 6.40) при температуре окружающего воздуха не ниже 5 °С.

В холодном состоянии асфальтобетонную смесь готовят в смесителях без подогрева, предварительно приготовив из битума эмульсию в специальных установках с добавлением эмульгаторов и воды.

Дегтебетон – аналогичный асфальтобетону строительный материал, в котором вяжущим веществом является деготь или пек. Основные строительно-технические свойства дегтебетона, обусловливающие его долговечность, такие, как износостойкость, водостойкость, ниже, чем у асфальтобетона.

Рис. 6.40. Гусеничный асфальтоукладчик MF571С

Лакокрасочными материалами называют вязкие составы, образующие после отверждения тонкую прочную пленку на поверхности конструкции. К лакокрасочным материалам относят:

– грунтовки и шпаклевки служат для подготовки поверхности к окраске;

– красочные составы (краски) образуют покрытие нужного цвета;

– лаки, создают пленку, отличающуюся блеском и прозрачностью;

– компоненты, из которых вышеперечисленные материалы изготовляют: а) связующие вещества; б) пигменты; в) растворители и разжижители лаков и красок; г) специальные добавки (пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и других).

Связующими веществами могут служить:

а) полимеры – в полимерных красках, лаках и эмалях;

б) каучуки – в каучуковых красках;

в) нитрорастворители (производные целлюлозы) – в нитрокрасках и лаках;

г) олифы – в масляных красках;

д) клеи (животный и казеиновый) – в клеевых красках;

е) неорганические вяжущие вещества – в цементных, известковых, силикатных красках.

Связующее вещество является главным компонентом красочного состава, который определяет консистенцию краски, прочность, твердость и долговечность пленки, образуемой краской после высыхания, а также ее сцепление с основанием.

Пигменты – представляют собой тонкие цветные порошки, нерастворимые в связующем и растворителе. От них зависит не только цвет, но и долговечность красочного покрытия. Подобно заполнителю в бетонах, пигмент уменьшает усадочные деформации пленки при ее затвердевании. Пигменты бывают неорганические и органические, природные и искусственные.

Неорганические пигменты – это в основном оксиды и соли различных металлов, а также некоторые минералы и горные породы. Занимают преобладающее положение. Органические – получают главным образом синтетическим путем. Являются очень эффективными красящими веществами (обладают высокой красящей способностью).

Примеры неорганических природных пигментов: мел, охра, графит, мумие, сурик железный, киноварь и др. Примеры неорганических искусственных пигментов – диоксид титана (ТiO₂), оксид цинка (ZnО) – белые пигменты, нещелочестойки.

К белым пигментам также относятся: свинцовый (2РbСО₃Рb(ОН)₂) – токсичен, теряет красящую способность в смеси с другими пигментами (например, с ультрамарином); мел – используется и как пигмент, и как наполнитель для разбеливания цветных пигментов; алюминиевый – предохраняет от коррозии металлические конструкции, дает долговечную, водостойкую пленку.

К желтым пигментам относятся: крон (цинковый, свинцовый) – используют в основном как антикоррозионные покрытия; охра (земляная краска) – состоит из гидроксида железа с примесью глины (прокаленная охра приобретает коричневый или красный цвет).

Зеленые: оксид хрома (Сr₂О₃) – устойчив к действию кислот и щелочей, а также повышенной температуры; зелень цинковая (щелочестойкий пигмент).

Синие: ультрамарин (Мg₄А1₃Si₃S₂О₁₂) – получают сплавлением каолина с содой и серой (или c Nа₂SО₄ и углем), водостоек, щелочестоек, но не кислотостоек; лазурь – соль трехвалентного железа Fе₄[Fе(СN₆)]₃, противостоит действию воды и кислот, но щелочи ее разлагают.

Красные: сурик, мумие, редоксайд – соли железа, стойкие к действию щелочной среды.

Черные и серые: сажа малярная – порошок почти чистого углерода, образует с железом гальваническую пару и тем самым ускоряет коррозию стали; перекись марганца – относительно дешевый черный пигмент; тонкомолотый графит – содержит 70…95 % углерода, серый пигмент.

Свойства пигментов в значительной степени определяют характеристики лакокрасочных материалов (это собственно их свойства):

а) дисперсность влияет на красящую способность и укрывистость красок, расход вяжущего;

б) укрывистость характеризует расход красочного состава на единицу окрашиваемой поверхности;

в) красящая способность – это свойство пигмента передавать свой цвет белому пигменту;

г) светостойкость – свойство сохранять свой цвет при действии ультрафиолетовых лучей;

д) атмосферостойкость – способность длительное время противостоять воздействию атмосферных факторов без потери своих свойств;

е) безвредность для здоровья людей – важное требование к лакокрасочному составу.

Растворители (об их назначении говорилось в предыдущем разделе) применяют при изготовлении полимерных и каучуковых красок, лаков, эмалей. Большей частью – это углеводородные продукты: ацетон, скипидар, бензол, уайт-спирит (лаковый керосин) и др.

Разбавители – служат для уменьшения вязкости красочного состава, не растворяя вяжущих веществ. Роль разбавителей выполняют олифа – в масляных красках и вода – в водоэмульсионных красках.

Процесс изготовления красок сводится к тонкому измельчению наполнителей и пигментов и их смешиванию с перетиранием. Для этой цели служит типовое помольное оборудование (шаровые мельницы) и краскотерки различной конструкции. Обычно краскотерка представляет собой систему типа «конус в конусе», один из которых вращается вокруг своей оси. Регулируя зазор между неподвижным и вращающимся конусами, можно получать краски разной гомогенности.

Примеры красочных составов.

Полимерные краски представляют собой суспензию пигмента в растворе полимера. Примерами могут служить фасадные кремнийорганические эмали (типа КО–174), перхлорвиниловая краска, эпоксидно-полиамидная композиция. Свойства: высокая атмосферостойкость (окраска фасада здания сохраняется 10–12 лет), непроницаемы для воды, но пропускают водяной пар из помещения наружу, т.е. не препятствуют естественной вентиляции помещений, и в то же время защищают наружные стены зданий от увлажнения. Затраты на отделку единицы поверхности полимерными красками, отнесенные к одному году эксплуатации, ниже, по сравнению с другими красочными составами.

Каучуковые краски получают путем диспергирования хлоркаучука в летучем растворителе. Обладают высокой химической и водостойкостью. Применяют для защиты от коррозии металлических и железобетонных конструкций. Каучуковые краски образуют высокоэластичные пленки, благодаря чему защитное покрытие следует за деформациями конструкции и сохраняется без трещин.

Эмульсионные (латексные) краски – так называют систему из двух несмешивающихся жидкостей, в которой частицы одной жидкости (дисперсная фаза) распределены в другой жидкости (дисперсионная среда). Устойчивость эмульсии обеспечивается лишь введением эмульгатора – такого поверхностно-активного вещества, которое, адсорбируясь на частицах дисперсной фазы, понижает поверхностное натяжение и образует оболочки вокруг частиц, препятствующие их слипанию.

Полимерцементные краски – изготовляют на основе водной дисперсии полимера и белого портландцемента с добавлением пигмента и заполнителя. В качестве полимера используют поливинилацетатную дисперсию или эмульсию (ПВА). Применяют для отделки панелей и блоков, а также для окраски фасадов зданий (по бетону, штукатурке, кирпичу и т.д.).

Лаки и эмали.

Лаками называют красочные составы, полученные диспергированием пленкообразующего вещества (природного или синтетического полимера, битума, олифы) в летучем растворителе. В состав лаков и эмалей вводят специальные добавки (пластификаторы, отвердители и т.д.).

Битумный (асфальтовый) лак – коллоидный раствор битума в летучем растворителе. Применяют в основном для антикоррозионного покрытия металлических деталей, санитарно-технического оборудования, канализационных и газовых труб. Им покрывают скобяные изделия (петли, запоры и т.п.).

Битумно-масляные лаки изготовляют на основе растительных масел. Покрытия из них обладают повышенной эластичностью (даже на морозе), медленнее стареют, чем покрытия из безмасляного битумного лака.

Спиртовые лаки и политуры – растворы синтетических или природных полимеров в спирте. Используют для полировки деревянных деталей, мебели, стекла и металла.

Нитролаки – растворы производных целлюлозы в органических растворителях, содержащих пластификатор. Дают быстросохнущую блестящую пленку. Широко используются для покрытия мебели и деревянных изделий. Но – огнеопасны, выделяют вредные для здоровья пары растворителя, поэтому при работе с ними необходимо соблюдение мер безопасности.

Смоляные и масляно-смоляные лаки получают диспергированием синтетической смолы в органическом растворителе.

Эмалевые краски (эмали) – так называют композиции из лака и пигмента. Пленкообразующими веществами в эмалях служат полимеры. Используют как для внутренних, так и для наружных малярных работ по различным материалам (штукатурке, дереву, асбестоцементным листам и др.). Подразделяются в зависимости от применяемого полимера: на перхлорвиниловые – водостойкие, применяются для наружной отделки; битумные – получают введением в битумно-масля-ный лак алюминиевого пигмента, водостойкие, применяются по стальным изделиям, санитарно-техническому оборудованию, решеткам.

Обмазки, грунтовки, шпаклевки служат основой для создания защитных покрытий строительных конструкций и сооружений от воздействия агрессивной окружающей среды. Хорошо зарекомендовали себя смеси, приготовленные на основе химически стойких синтетических смол и портландцемента (цементно-полистирольная, цементно-битумная, цементно-перхлорвиниловая, цементно-казеиновая, глинобитумная и др.). Обмазки и замазки применяются для защиты металлической арматуры и аппаратуры, а также как выравнивающие слои. Отверждаются в течение от нескольких минут до нескольких часов (0,5…4 ч).

Защитные лакокрасочные покрытия состоят из грунтовки, шпаклевки и покрывных слоев красочного состава (лака, эмалей или эмульсионной краски). Покровные слои создаются материалами широкой номенклатуры:

а) перхлорвиниловые лаки и эмали отличаются кислотостойкостью, наносятся в 6…10 слоев;

б) эпоксидные обладают высокой стойкостью к действию солей, щелочей, масел к большинству растворителей, широко применяются для защиты различных сооружений (резервуаров, отстойников, вытяжных труб, а также металлических конструкций и оборудования);

в) фуриловые лаки используют для защиты бетонных и стальных поверхностей от воздействия кислых и щелочных сред;

г) кремнийорганические отличаются повышенной теплостойкостью – 200…300 °С, применяются для окраски дымовых труб, печей, вентиляторов и т.п.

Олифы и масляные краски.

Олифами называют связующие вещества в масляных красочных составах. Существуют натуральные и полунатуральные олифы, а также искусственные безмасляные олифы.

Натуральные олифы получают путем специальной обработки растительных масел: льняного, толокняного и др. Натуральные олифы способны отвердевать в тонком слое на воздухе вследствие окислительной полимеризации за 12…24 часа.

Полунатуральные олифы получают путем растворения сильно уплотненного масла в летучем органическом растворителе. Для приготовления олиф используют пищевые масла (хлопковое, подсолнечное, соевое, касторовое), не пригодные для натуральных олиф. Полунатуральные олифы высыхают и отверждаются вследствие испарения растворителя, а также взаимодействия масла с кислородом воздуха.

Искусственные безмасляные олифы получают в виде раствора алюминиевых и кальциевых солей оксикарболовых кислот в летучем растворителе. Дают покрытия низкого качества и применяются редко.

Масляные краски выпускают в виде однородных суспензий, в которых каждая частица пигмента окружена связующим веществом – олифой. Изготовляют путем растирания олифы с пигментом и наполнителем в краскотерках. Выпускают густотертые и жидкотертые масляные краски. Густотертые производят в виде паст и доводят до рабочей вязкости олифой на месте работ. Жидкотертые выпускают готовыми к употреблению с содержанием 40…50 % олифы. Малярные краски применяют для защитной окраски стальных конструкций мостов и гидротехнических сооружений, стальных опор и т.п., а также для окраски деревянных элементов полов, оконных переплетов и т.д. (предохраняют дерево от гниения и нижние части стен внутри помещения).

Цементные краски производят на основе белого портландцемента и щелочестойких пигментов. Для увеличения водоудерживающей способности в красочный состав вводят известь-пушонку и хлористый кальций, а для повышения атмосферостойкости – гидрофобизующие вещества (мылонафт и др.). Применяют для наружных малярных работ и внутренней окраски влажных производственных помещений по бетону, кирпичу, штукатурке (предварительно окрашиваемую поверхность увлажняют).

Известковые краски изготовляют с применением в качестве связующего гашеную известь. Используют щелочестойкие пигменты, водоудерживающие добавки: поваренную соль, хлористый кальций, алюмокалиевые квасцы. Доступность и дешевизна покрытия на основе известковых составов сделали возможным широкое применение их для окраски фасадов зданий, но вследствие слабой атмосферостойкости их приходится часто возобновлять.

Силикатные краски. Связующее – силикат калия (жидкое стекло). В красочный состав входят также минеральный щелочестойкий пигмент (охра, железный сурик и т.д.) и кремнеземистый наполнитель (молотый кварцевый песок, диатомит, трепел), повышающий водостойкость пленки. Силикатными красками окрашивают деревянные конструкции для защиты от возгорания.

Клеевые краски изготовляют с использованием клея, полученного из природного сырья (костяной, казеиновый и т.п.), и добавлением пигмента и наполнителя (мела). Применяются для внутренних малярных работ по сухой штукатурке и дереву. Клеевые составы не водостойки.

Одним из древнейших материалов, используемых человеком для различных целей, является древесина.

Древесиной называют освобожденный от коры ствол дерева (рис. 6.41). Поскольку это природный органический материал, его качество зависит от породы дерева, условий произрастания дерева, наличия тех или иных «пороков».

Рис. 6.41. Основные разрезы ствола дерева:

1 – поперечный; 2 – радиальный; 3 – тангенциальный

Если коротко охарактеризовать главные достоинства и недостатки древесины, то необходимо отметить, что ее свойства сильно изменяются в зависимости от влажности, причем увлажнение сопровождается разбуханием, а высыхание – усадкой и короблением. Также серьезными недостатками являются легкая возгораемость и загниваемость.

Однако, несмотря на указанные недостатки, благодаря высоким физико-механическим характеристикам, своей доступности и легкости обработки, древесина является одним из самых распространенных строительных материалов с давних времен.

Основные свойства древесины.

Истинная плотность – величина, примерно одинаковая для всех пород и равная 1,54 г/см³.

Средняя плотность значительно различается в зависимости от породы дерева и от региона, в котором оно произрастает. По средней плотности древесину подразделяют: на очень легкую – 450 кг/м³ (кедр, пихта); легкую – 460…600 кг/м³ (сосна, ель, осина); средней легкости – 610…750 кг/м³ (лиственница, дуб, береза); тяжелую – 760…900 кг/м³ (граб, железное дерево); очень тяжелую – более 910 кг/м³ (самшит, кизил).

Пористость колеблется у хвойных пород в пределах 45…80 %; у лиственных – 30…80 %.

Влажность у воздушно-сухой древесины составляет 15 %. Влажность у свежесрубленного дерева может составлять 40…120 %, а при выдерживании древесины в воде ее влажность может возрасти до 200 %.

Разбухание – явление, когда при увлажнении стенки древесных клеток утолщаются от впитывания воды, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Разбухание, как и усушка, – свойство отрицательное, сопровождается короблением и растрескиванием лесных материалов.

Усушка (усадка при высыхании). Вследствие неоднородности строения древесина высыхает в различных направлениях неодинаково. Вдоль оси волокон линейная усадка сравнительно невелика – около 0,1 % (или 1 мм на 1 м); в радиальном направлении – 3…6 %; в тангенциальном – 6…12 %.

Коробление (т.е. изменение формы) древесных изделий является следствием разницы в усадке древесины в разных направлениях и неравномерности высыхания. Для предотвращения коробления и растрескивания: 1) используют древесину с той равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации, 2) изолируют от увлажнения красками, лаками и эмалями.

Текстура – рисунок древесины, зависящий от сочетания ее видимых элементов (годовых и сердцевидных слоев, сосудов и др.). Имеет большое декоративное значение.

Теплопроводность сухой древесины незначительна (т.е. это хороший в теплотехническом отношении материал) – коэффициент теплопроводности составляет 0,17…0,34 Вт/м·°С, однако существенно возрастает при намокании. Поэтому теплоизоляционные изделия с древесным заполнителем необходимо облицовывать либо эксплуатировать в условиях окружающего воздуха влажностью не более 70 %.

Электропроводность древесины в значительной степени зависит от влажности: при намокании древесина может стать электропроводным материалом.

Прочность (рис. 6.42 – 6.45) древесины характеризуется пределами прочности при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании. Древесина – анизотропный материал, поэтому испытание на сжатие производится на образцах размером 20 x 20 x 30 мм вдоль и поперек волокон. Различия в показателях прочности существенны – соотношение составляет 1 : 4…6. При изгибе прочность в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон, поэтому древесина в изделиях чаще всего работает на изгиб (балки, настилы); R_раст:R_сж = 2,5 : 1 (образцы, размером 20 x 20 x 300 мм).

Рис. 6.42. Схема испытания древесины на статический изгиб

Рис. 6.43. Схема испытания образца на прочность при сжатии:

а – вдоль волокон; б – поперек волокон

Рис. 6.44. Образцы для испытания на прочность при растяжении:

а – вдоль волокон; б – поперек волокон

Рис. 6.45. Образец для определения предела прочности при скалывании

вдоль волокон

Статическая твердость (рис. 6.46) – численно оценивают по нагрузке, которую необходимо приложить для вдавливания стандартного шарика (диаметром 5,64 мм) в образец древесины. Наиболее твердыми породами являются кизил, самшит (более 100 МПа), мягкими – ель, сосна, ольха, пихта (35…50 МПа). Коэффициент конструктивного качества (R_р/ρ) древесины достигает 330 МПа, что выше, чем у стали.

Модуль упругости определяется на сухих образцах, уложенных на двух опорах, двумя сосредоточенными силами, а затем осуществляется пересчет с учетом влажности (пересчетный коэффициент – 0,01 на 1 % влажности). Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели – 10000…15000 МПа (возрастает с увеличением плотности древесины, а увлажнение материала его снижает).

Рис. 6.46. Испытания на статическую твердость:

1 – испытуемый образец; 2 – индентор; 3 – микрометр

Древесине свойственна ползучесть, которая проявляется во влажных условиях, и как следствие этого – провисание балок, крыш. Повышение влажности, кроме увеличения ползучести, влечет за собой усиление процесса гниения древесины, который обусловлен жизнедеятельностью бактерий гниения, для которых влажная среда является благоприятным условием их развития.

Пороки древесины. Пороками называют недостатки отдельных участков растительного происхождения, снижающие качество древесины и ограничивающие возможности ее использования. Стандарт устанавливает положение в сортаменте (т.е. сортность) древесины в зависимости от наличия пороков.

Различают 4 группы пороков (рис. 6.47 – 6.49):

1) Сучки – части ветвей, заключенные в древесине. Они нарушают однородность строения, вызывают искривление волокон и затрудняют механическую обработку древесины. Сучки бывают здоровые и гнилые, разветвленные и групповые, сросшиеся и выпадающие и другие.

2) Трещины представляют собой разрывы древесины вдоль волокон. Они нарушают целостность лесоматериалов, снижают их механическую прочность и долговечность. Трещины бывают метиковые (радикальные, раскрытые к сердцевине), морозные (радиальные, раскрытые к периферии ствола), отлупные (расположенные между годичными слоями) и др.

3) Пороки формы ствола: сбежистость – уменьшение диаметра ствола от толстого конца к тонкому, превышающее так называемый нормальный сбег (1 см на 1 м длины бревна); нарост – резкое местное утолщение ствола различной формы и размеров; кривизна – искривление продольной оси бревен (простая и сложная – несколько изгибов). Наличие этих пороков приводит к увеличению количества отходов при распиловке и лущении бревен.

Прирост – годичные слои	Сросшийся здоровый сучок	Несросшийся сухой сучок	Гнилой сучок
Морозная трещина	Трещина усушки	Крень	Смоляной кармашек
Сердцевина	Прорость	Синева	Обзол
Гниль	Червоточина	Риски	Ложное ядро

Рис. 6.47. Пороки древесины

Рис. 6.48. Пороки древесины – трещины:

а – морозобойная; б – метиковая; в – отлупная; г – от усушки

4) Пороки строения древесины: наклон волокон – непараллельность волокон древесины продольной оси изделий; свилеватость – волнистое или беспорядочное расположение волокон; сердцевина; завиток и другие. Эти пороки снижают прочность и усиливают растрескивание древесных материалов.

Рис. 6.49. Пороки строения древесины:

а – косослой; б – крень; в – прорость; г – смоляной кармашек

Одним из существенных недостатков древесины является ее загниваемость и поражение грибковыми микроорганизмами и насекомыми. Существуют определенные методы борьбы с этими явлениями.

Способы предотвращения гниения:

1) Защита поверхности древесины от увлажнения (покрытие лаками, красками);

2) Пропитка древесины специальными составами, ядовитыми для микроорганизмов – антисептиками. Требования к антисептикам: они должны быть безвредными для людей и животных, а также – сохранять свои свойства в условиях эксплуатации изделий.

Примеры антисептиков: водорастворимый антисептик NaF обладает высокой токсичностью по отношению к древорастущим грибкам и насекомым. Часто используется в комбинации с другими антисептиками. В соединении с известью и цементом переходит в нетоксичные соединения. Совместно с NaF применяется Nа₂SiF₆, ZnС1₂ – эффективный антисептик, но вызывает коррозию металла; СаSО₄ (медный купорос) – применяется в виде 10 %-го водного раствора.

Масляные антисептики используют для консервации древесины (не растворимы в воде), находящейся в воде, на воздухе или в земле. Токсичность их обусловлена наличием фенола и его производных. Получают при переработке каменного угля (коксовании): антраценовое масло – продукт перегонки каменноугольного дегтя, сильно токсично, имеет резкий запах, темно-бурый цвет; креозотовое каменноугольное масло, сланцевое масло и другие масла используются для пропитки шпал, столбов и других изделий из древесины.

Виды обработки древесины антисептиками:

– поверхностная, производится кистями на глубину 1…2 мм;

– пропитка в горячих или холодных ваннах, производится на толщину заболони;

– пропитка в автоклавах под давлением, обрабатываются деревянные изделия, соприкасающиеся с землей, бетоном или каменной кладкой;

– диффузионная, производится антисептическими пастами.

Вторым существенным недостатком древесины как строительного материала является ее возгораемость. Древесина возгорается при температуре 250…300 °С.

Для предотвращения быстрого возгорания применяют следующие конструктивные меры:

– удаление деревянных изделий от источников нагревания;

– устройство перегородок из несгораемых материалов (бетона, кирпича и др.);

– нанесение покрытий из малотеплопроводного материала (штукатурки);

– пропитка или покрытие специальными огнезащитными составами – антипиренами.

Огнезащитные красочные составы состоят из вяжущего вещества (жидкое стекло), наполнителя (кварцевый песок, мел, магнезит) и щелочного пигмента (охра, мумие и др). Огнезащитное действие покрытия заключается в том, что при воздействии открытого огня оно пузырится, образуя пористый слой, замедляющий нагревание древесины.

Действие антипиренов основано на том, что некоторые из них при пожаре плавятся и покрывают древесину пленкой, затрудняющей доступ кислорода, или выделяют газы, снижающие концентрацию кислорода вблизи поверхности древесины. В качестве антипиренов применяют фосфорно-кислые и серно-кислые соли аммония, буру и др.

Материалы и изделия из древесины.

Лесоматериалы – стволы или отрезки стволов деревьев с обрубленными сучьями, с корой или без нее. Подразделяются на бревна (диаметр более 12 см), подтоварник (8…11 см) и жерди (3…7 см).

Бревна по назначению подразделяются на строительные и пиловочные. Строительные бревна изготовляют из сосны, кедра, лиственницы, ели и дуба. Предназначаются для изготовления несущих строительных конструкций (свай, опор, пролетных элементов мостов). Пиловочные бревна используют для получения разнообразных пиломатериалов. Стволы диаметром более 20 см являются сырьем для производства фанеры, спичек, для этого используют березовые, ольховые и другие породы.

Пиломатериалы изготовляют путем продольной распиловки пиловочных бревен. К ним относятся доски (рис. 6.50) толщиной 100 мм и менее, ширина – в 3 раза и более превышает толщину; брус (рис. 6.51) – толщина менее 100 мм, по ширине – меньше трехкратной толщины; щиты (рис. 6.52), шпалы.

а б

Рис. 6.50. Доски:

а – доска необрезная; б – доска обрезная

Рис. 6.51. Брус

Рис. 6.52. Щиты

Изделия из древесины (рис. 6.53): погонажные фрезерованные (плинтус, поручни и наличники); паркет (обыкновенный и щитовой, изготовляют из дуба, бука, ясеня – прочных пород); столярные изделия (оконные и дверные коробки); деревянные детали и сборные конструкции заводского изготовления (балки междуэтажных и чердачных перекрытий, щиты для наката перекрытий и перегородок и т.д.); клеенные конструкции (дверные полотна, щиты для полов, а также крупные конструктивные элементы – балки, прогоны, фермы, сваи и другие).

а б

в г

Рис. 6.53. Погонажные фрезерованные изделия:

а – евровагонка; б – массивная доска пола; в – фальшбрус; г – блок-хаус

Широко используются древесные отходы (станочная стружка и опилки, отслужившая ящичная тара и другие), а также неделовая древесина для производства строительных изделий. Из них готовятся различные заполнители легких бетонов (арболита и фибролита), щепа и древесное волокно – для изготовления древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит и фанеры.

Материалы, получаемые из техногенного сырья.

В результате функционирования различных производств в хозяйственный оборот вовлекается огромное количество природных ресурсов. Вместе с тем степень их рационального применения в целом низка. От 10 до 90 % исходного сырья превращается в отходы, выбрасываемые в атмосферу и водоемы.

Наиболее значительны выбросы предприятий энергетической, химической и металлургической промышленности. Например, в зависимости от зольности угля крупные ТЭЦ выбрасывают в атмосферу от 10 до 100 т золы в сутки, распространяющиеся в радиусе нескольких километров. При работе вращающейся печи для обжига цементного клинкера выброс пыли составляет 8…20 % сухого сырья, т.е. около 100 кг/ч. Один целлюлозно-бумажный комбинат сбрасывает около 150 тыс. м³ сточных вод в сутки, загрязняя водную среду.

Решение проблемы полного использования отходов производства позволяет:

– обеспечить производства источником дешевого и часто уже подготовленного сырья;

– сэкономить капитальные вложения, предназначенные для строительства предприятий и повышения уровня их рентабельности;

– высвободить значительные площади земельных угодий;

– снизить уровень загрязнения окружающей среды.

Эффективное решение проблемы промышленных отходов – внедрение безотходных технологий, которые основаны на принципиальном изменении технологических процессов, разработке технологических схем с замкнутым циклом, обеспечивающих многократное использование сырья, когда отходы или побочные продукты одних производств являются исходными материалами других. Одним словом, последовательное повышение степени использования отходов промышленности и сельского хозяйства является важнейшей практической задачей.

Четкую классификацию побочных продуктов трудно представить, вследствие больших различий химического состава, физических и технологических свойств. К материалам, называемым отходами производства или вторичными ресурсами, можно отнести:

– остатки сырья, материалов или полуфабрикатов, образовавшиеся при изготовлении продукции и утратившие (частично или полностью) свои свойства;

– технологические продукты переработки сырья, образовавшиеся в результате физико-химических процессов (так называемые побочные продукты), получение которых не является целью, но выход их при сложившейся технологии неизбежен.

Определяя направления утилизации отходов, в первую очередь ориентируются на экологический, а затем – на расчетный экономический эффект, достигаемые при этом. Надо отметить, что использовать отходы промышленности не всегда экономически выгодно, вследствие их неоднородности (или загрязненности), дополнительных затрат на очистку, разделение, доставку, необходимость сооружения дополнительных мощностей и т.п. Но несмотря на это жизненная необходимость заставляет идти на большие затраты, чтобы уберечь современное и будущие поколения от гибели в отравленном мире.

Материалы из отходов металлургии.

Один из наиболее крупнотоннажных отходов – металлургические шлаки (рис. 6.54). Шлаки – это продукт высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов (топлива, руды, плавней, газовой среды). Они подразделяются на шлаки черной и цветной металлургии. Шлаки черной металлургии (наибольший по объему отход) представлены доменными, сталеплавильными (значительно меньше доменных – в 5…6 раз). Выход шлаков цветной металлургии в 50…100 раз больше, чем черной металлургии, в расчете на 1 т сырья, но общий объем значительно меньше.

В настоящее время наиболее широко используются доменные гранулированные шлаки. Основные направления их использования: в производстве шлакопортландцемента; для получения местных бесклинкерных вяжущих; для производства шлакощелочных бетонов, минеральной ваты, шлакового литья, шлакоситалловых изделий; в качестве заполнителя цементных и асфальтовых бетонов.

Рис. 6.54. Доменный цех

Отечественная промышленность выпускает обычный, быстротвердеющий и сульфатостойкий шлакопортландцемент (ШПЦ). Обычный ШПЦ получают совместным помолом клинкера (80…25 %) и шлака (20…75 %). В производстве сульфатостойкого ШПЦ используют клинкер с содержанием С₃А не более 8 %, шлак с содержанием А1₂О₃ – менее 8 %. Получение быстротвердеющего ШПЦ достигается более тонким раздельным, а затем совместным измельчением (двухстадийный помол клинкера и шлака) до удельной поверхности не менее 4000 см²/г.

Бесклинкерные шлаковые вяжущие – сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлакощелочные. Это продукт тонкого измельчения шлаков с добавками-активизаторами твердения. Сульфатно-шлаковые цементы – это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным помолом доменного шлака (75…95 %) и гипса или ангидрита (10…15 %) с небольшой добавкой щелочного активизатора – извести, портландцемента или обожженного доломита (2…5 %). Активность этих вяжущих зависит от тонкости измельчения (4000…5000 см²/г). Достоинства: небольшое тепловыделение при гидратации в первые 7 сут и повышенная химическая стойкость. Недостатки: быстрое снижение активности при хранении, пониженная пластичность бетонных смесей на их основе и, как следствие, повышенное количество воды затворения, что снижает прочность. Известково-шлаковые цементы – гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным тонким измельчением гранулированного шлака и извести. Применяют для изготовления строительных растворов и бетонов низких марок (не более 200). Шлаковые вяжущие автоклавного твердения – продукт измельчения мартеновских, ваграночных и других, плохо твердеющих в нормальных условиях шлаков, с цементом или известью (10…20 %) и гипсом (3…5 %). Твердение осуществляется в автоклавах. Марки – 200, 300 и более.

Шлакощелочные вяжущие – гидравлические вяжущие вещества, получаемые смешением порошкообразных шлаков и щелочей натрия или калия или затворением измельченного шлака растворами солей щелочных металлов (в пересчете на Na₂О – 2…5 %). В качестве щелочей используют отходы: «сплавы» щелочей (содовое производство); содопоташную смесь (производство глинозема); цементную пыль и др. Имеют марки 300…1200. Достоинства: высокая коррозионная и биостойкость, интенсивное твердение при отрицательных температурах, экономически эффективное вяжущее (в 2–3 раза дешевле, чем портландцемент).

Заполнители из металлургических шлаков получают дроблением отвальных шлаков и изготовлением гранулированного шлака и пемзы. Грануляция осуществляется быстрым охлаждением с одновременной термической стабилизацией шлака, т.е. замедлением процесса распада, когда происходит полиморфное превращение ортосиликата кальция, возникающее при медленном охлаждении шлака, что сопровождается увеличением объема (почти на 38 %), а при воздействии воды на сульфат железа – образованием гидроксида железа и т.д. Марки щебня – 300, 600, 800, 1000 и 1200. Применяют в бетонах, в дорожном строительстве для укрепления оснований и устройства асфальтобетонных покрытий – как наполнители асфальтового вяжущего.

Шлаковая вата – это разновидность минеральной ваты. Занимает ведущее место среди теплоизоляционных материалов. Получают вначале расплав в вагранке, а затем перерабатывают его в волокно. Из минеральной ваты изготовляют различные теплоизоляционные изделия: плиты на битумном и синтетическом связующем, маты, шнуры, смеси и др.

Шлаковое литье. Способом отливки из металлургических шлаков производят разнообразные изделия: камни для мощения дорог и полов промышленных зданий, тюбинги (крепления горных выработок), бортовые камни, противокоррозионные облицовочные плитки, трубы и др. Эти изделия выгоднее, чем каменное литье, и приближаются к нему по механическим свойствам (_ср – до 3000 кг/м³, R_сж – до 500 МПа). По износостойкости, жаростойкости и другим свойствам шлаковое литье превосходит железобетон и сталь (например, в различных футеровках). Очень эффективна брусчатка дорог и полов из шлакового литья (долговечнее асфальтовых более чем в 2 раза). Изделия из шлакового литья можно армировать и использовать вместо сборных железобетонных изделий, однако, недостатком является некоторое снижение прочности арматурной стали при высокой температуре шлакового расплава, а также сравнительно высокая трудоемкость изготовления.

Сталеплавильные шлаки включают более 60 % мартеновского и около 30 % конверторного производства. Из них перерабатывается около 30 % общего объема, получают в основном щебень для изготовления бетонов и шлаковую муку – как минеральное удобрение.

Шлаки цветной металлургии применяют пока в небольшом количестве при изготовлении цемента в качестве железистого компонента и активной минеральной добавки, а также при получении минеральной ваты и литых изделий, для производства шлакоситаллов.

В производстве алюминия и других цветных металлов в больших количествах образуются отходы, которые называют шламами. Для производства строительных материалов промышленное значение имеют нефелиновые, бокситные, сульфатные шламы.

Нефелиновый (белитовый) шлам получается при извлечении глинозема из нефелиновых пород (минерал нефелин – алюмосиликат натрия – К[Nа₃(А1SiО₄)]₄) при обжиге с известняком при температуре ~ 1300 °С. На каждую тонну готовой продукции получают 7…8 т нефелинового шлама, являющегося ценным сырьем для производства портландцемента и бесклинкерного нефелинового цемента, а также изделий автоклавного твердения.

Бокситный (красный) шлам – отход переработки боксита (состав: гидроксид алюминия, SiO₂, оксиды железа и титана) – основного сырья для производства алюминия. Применяют в качестве корректирующей добавки при производстве портландцементного клинкера, а также как минеральную добавку. Сухой бокситный шлам используют как наполнитель красок, мастик, пластмасс.

Сульфатные шламы – получаются в производстве глинозема способом спекания. Они характеризуются наличием соединений, содержащих серу различной степени окисления. Так же как и нефелиновые, сульфатные шламы могут применяться в качестве компонентов портландцементных сырьевых смесей, для изготовления местных материалов автоклавного твердения.

Материалы из отходов топливной и энергетической промышленности.

К топливосодержащим побочным продуктам относятся отходы, получаемые при добыче, обогащении и сжигании твердого топлива – каменного и бурого угля.

При добыче и обогащении отходами являются шахтные и вскрышные породы; отходы углеобогащения; так называемые горелые породы, образующиеся после обжига «пустых» пород; кусковые отходы (пыль – до 20 %) – куски размером 8…80 мм; отходы коксохимического производства – шламы с влажностью до 30 %. Сюда же относят и отходы, образующиеся при сжигании твердого топлива на электростанциях, – зола и кусковой шлак.

Отходы добычи и обогащения угля используют в основном в производстве стеновых керамических материалов и пористых заполнителей. По химическому составу они близки к традиционному глинистому сырью. Примесями являются сульфатные и сульфидные соединения. По физическому состоянию они представляют собой полиморфные смеси горных пород. Из них готовят комплексные отощающие и выгорающие добавки.

Основное направление использования топливных золы-уноса и шлаков – производство вяжущих веществ.

Зола обладает определенной гидравлической активностью, т.е. способна при нормальных условиях связывать оксид кальция в устойчивые гидросиликаты кальция. Активность зол и шлаков резко возрастает при гидротермальной обработке. Из них получают известково-зольный цемент, обладающий гидравлическими свойствами, невысокой водопотребностью, марки 50…200, основная область применения – кладочные и штукатурные растворы, а также изделия автоклавного твердения. Топливные золы и шлаки применяют также в качестве сырьевого компонента для производства портландцементного клинкера. Золой заменяют глинистый и частично известковый компонент. Но их применение в этом направлении ограничено из-за нестабильного состава и значительного содержания сульфидов и щелочей. Используют топливную золу и шлак и как минеральную добавку. При этом наблюдаются снижение прочности и уменьшение тепловыделения и усадочных деформаций.

Золошлаковые отходы тепловой энергетики – наиболее перспективный вид сырья для производства пористых заполнителей для легких бетонов. На их основе получают: 1) щебень и песок; 2) аглопорит на основе золы ТЭС; 3) зольный обжиговый и безобжиговый гравий; 4) глинозольный керамзит. Пористые топливные шлаки используют при возведении монолитных конструкций стен, для изготовления легких бетонных камней, панелей блоков. Недостатки таких изделий и конструкций: значительное водопоглощение (до 40 % и более), а также усадка, которая при твердении на воздухе составляет 2…3 мм/м.

Аглопорит – искусственный пористый заполнитель, получают при спекании смеси, состоящей из золошлакового отхода с остатками топлива, на решетках агломерационных машин (смесь зажигается на решетке, проходящей под горном). Применение аглопорита на основе зол и шлаков ТЭС позволяет получать легкие бетоны марок 35…300, _ср = 900…1800 кг/м³, при расходе цемента – 200…400 кг.

Глинозольный керамзит – это продукт вспучивания и спекания во вращающихся печах гранул, сформованных из смеси глин и зол ТЭС (10…80%). Максимально допустимое содержание остатков топлива в золе не должно превышать 17 %, при избыточном количестве гранулы оплавляются и качество заполнителя ухудшается.

Зольный гравий – получают гранулированием подготовленной золошлаковой смеси или золы-уноса ТЭС с последующим спеканием и вспучиванием во вращающейся печи при температуре 1150 – 1250 °С. При формовании гранул в смесь вводят пластичную глину и ЛСТ. Безобжиговый зольный гравий производят, смешивая и измельчая золу и вяжущее (портландцемент, ШПЦ, ГЦПВ) с последующей термической обработкой сформованных гранул.

При замене золой до 40 % цемента и их совместном измельчении получают цемент с активной минеральной добавкой и микронаполнителем, в котором экономится значительная часть дорогостоящего клинкера. Применяют в бетонах М 100…300.

Золы и шлаки ТЭС (рис. 6.55) являются эффективным сырьем для изготовления силикатного кирпича, зольной керамики, минеральной ваты, стекла. Применяют их так же, как отощающие и выгорающие добавки в производстве глиняного кирпича и других керамических материалов. Их применение обусловлено следующими свойствами: 1) химическим взаимодействием с известью; 2) высокой дисперсностью; 3) спекаемостью; 4) способностью создавать силикатный расплав.

Рис. 6.55. ТЭС

Материалы на основе топливных зол и шлаков.

В производстве силикатного кирпича зола ТЭС используется как компонент вяжущего или наполнитель. В первом случае ее расход на 1 тыс. шт. кирпича составляет 500 кг, во втором – 1,5…3,5 т. При введении угольной золы расход извести снижается на 10…50 %. Сланцевые золы с содержанием (СаО + МgО) до 40…50 % могут полностью заменить известь в известково-силикатной массе. В данном случае известково-кремнеземис-тое вяжущее получают совместным помолом комовой негашеной извести с золой и кварцевым песком.

Керамические и плавленные изделия. Золы и шлаки, содержащие до 10 % топлива, применяются как отощающие, а содержащие более 10 % – как топливосодержащие добавки. В последнем случае существенно сокращается введение в шихту технологического топлива. Эффективность золошлаковых добавок зависит от их дисперсности или зернового состава. Тонкодисперсная зола ухудшает сушильные свойства сырца (повышает трещинообразование), но вместе с тем повышает прочность готовых изделий, спекаясь с глинистой породой при обжиге. Как отощающая добавка золошлаковая смесь наиболее эффективна при максимальном размере зерен 1,5 мм и содержании фракции менее 0,3 мм не более 30 %. Плавленные изделия получают из расплавов топливных зол и шлаков так же, как из расплавов металлургических шлаков. Таким образом производят шлаковую пемзу (_ср = 600…800 кг/м³), минеральную вату (_ср = 80…200кг/м³), плотные литые изделия (R_сж – до 400 МПа).

Золы и шлаки применяются также в дорожных и изоляционных материалах, используемых для устройства подстилающих слоев и оснований дорог местного значения. При содержании пылевидной золы не более 16 % их применяют для улучшения грунтовых покрытий с поверхностной обработкой битумной или дегтевой эмульсией. Содержание угля в золе ограничивается 10 %.

Применение отходов химической промышленности.

Для производства строительных материалов из побочных продуктов химической промышленности наиболее ценным сырьем являются шлаки электротермического производства фосфора, гипсосодержащие, известковые и железистые отходы, полимерные продукты.

Фосфорные шлаки – это побочный продукт производства фосфора термическим способом в электропечах. Гранулометрический и химический состав, а также применение фосфорных шлаков аналогично доменным. Из них получают расплавы, которые затем перерабатываются в шлаковую пемзу, щебень, вату и литые изделия.

Карбидная известь – побочный продукт получения ацетилена при действии воды на карбид кальция (Са₄С). Известковое тесто на основе так называемого «карбидного ила» можно применять после выдержки в течение 1…2 ч (до исчезновения запаха) в основном в качестве компонента известково-силикатного вяжущего.

Близкими по составу и свойствам к карбидной извести являются отходы смежных отраслей химической промышленности, такие, как подзол и окшара. Подзол – отход кожевенной промышленности, окшара – текстильной. Оба отхода представляют собой известковое тесто с примесями соответственно органических веществ, хлора и хлорида кальция. Применяются аналогично карбидной извести.

Пиритные огарки – наиболее распространенный отход химической промышленности, получаемый в результате переработки пирита в серную кислоту. Содержат более половины оксидов железа. Применяют как добавку-плавень в производстве портландцемента и керамических материалов. При изготовлении искусственных пористых заполнителей – как газообразователь (например, керамзита – 2…4 %). Предварительное измельчение огарков и последующее прокаливание при t = 700…800 °С позволяет получать красный пигмент, близкий по свойствам к железному сурику и отличающийся фиолетовым оттенком, стойкий к действию кислот и щелочей.

К кремнеземистым побочным продуктам химической промышленности относятся сиштоф – твердый остаток после получения хлорида или сульфата алюминия из глины или каолина. Обладает высокой активностью, оцениваемой степенью поглощения извести из раствора, что позволяет использовать его в качестве компонента смешанных вяжущих пуццоланового типа. Недостаток – непостоянство состава.

Лигнин – отход гидролизного производства, один из компонентов древесины, представляющий собой аморфный полимер сложного строения. Направления применения: 1) заменитель опилок в строительных изделиях (заполнитель в ксилолитовых плитах); 2) сырье для получения фенололигниновых полимеров (близких к фенолоформальдегидным); 3) как пластифицирующая добавка к формовочным смесям; 4) как выгорающая добавка (высокая дисперсность позволяет получать мелкие равномерно распределенные поры; как правило, весь сгорает).

Материалы из отходов горно-добывающей промышленности.

В процессе добычи и переработки железных руд, цветных металлов, химического сырья, каменного угля и других полезных ископаемых образуются побочные продукты двух типов: 1) вскрышные и попутно добываемые горные породы; 2) отходы горно-обогатительных комбинатов.

Основным направлением утилизации этой группы отходов является производство нерудных строительных материалов – прежде всего заполнителей бетонов и растворов, дорожно-строительных материалов, бутового камня и другие. (рис. 6.56).

Рис. 6.56. Дробильно-сортировочная фабрика

Песок и щебень из попутно добываемых горных пород (железистых кварцитов, кварцитопесчаников) применяют для устройства подстилающих слоев и дорожных оснований, а также в качестве мелкого и крупного заполнителя цементных и асфальтовых бетонов. Бетоны на данных заполнителях близки по свойствам бетонам на гранитном заполнителе (отличие – более низкая истираемость). Применение в строительстве заполнителей из отходов добычи и обогащения руд дает значительный экономический эффект (и экологический тоже).

Измельченные отходы горнодобывающих и перерабатывающих предприятий с успехом могут использоваться в производстве автоклавных материалов (силикатного кирпича и бетона) как компонент вяжущего и активный заполнитель.

Материалы из отходов переработки древесины и другого растительного сырья.

Отходы древесины образуются на всех стадиях ее заготовки и переработки. К ним относятся: ветви, сучья, вершины, пни, корни, кора, опилки, стружки, куски и т.д. При рубке древесины они составляют 21 %, при переработке на пиломатериалы – 36 % (горбыль – 14 %, опилки – 12 %, срезки и мелочь – 9 %). А при изготовлении столярных изделий и мебели в виде стружки, опилок и кусков древесины отбрасывается еще до 40% массы переработанных пиломатериалов.

Все древесные отходы классифицируют на 3 группы: 1) твердые (или кусковые); 2) мягкие (опилки, стружки); 3) кора.

Опилки – один из наиболее массовых отходов лесопиления и деревообработки. Используют подготовленные опилки (рис. 6.57) как выгорающую добавку в производстве керамических изделий (кирпича, камней), как заполнитель в гипсоопилочных плитах, а также для изготовления опилкобетона (ксилолита), ксилобетона (в качестве заполнителя используется еще и песок). Смеси затворяются растворами солей.

Технологическая щепа – продукт первичного измельчения кусковых отходов и неделовой древесины. Предназначается для последующей переработки на дробленку или волокнистую массу. Древесная дробленка, а также и стружка идет на производство древесно-стружечных плит и арболита. Коэффициент формы зерен должен находиться в пределах 5…10. Волокнистую древесную массу, как и дробленку, получают из технологической щепы на специальных машинах механическим воздействием быстровращающимися рифлеными дисками или молотками в смеси с большим количеством воды. Применяют для изготовления древесно-волокнистых плит.

Костра конопли и льна – отход переработки стеблей этих растений на пенькомялках, отделяющих пеньку от измельченной одеревеневшей части стебля. Костра практически не содержит водорастворимых сахаров,

Рис. 6.57. Схема сушильного комплекса опилок:

1 – скребковый транспортер; 2 – материалопровод загрузки; 3 – сушилка барабанная (2 шт); 4 – материалопровод; 5 – воздуховод; 6 – циклон; 7 – материалопровод выгрузки; 8 – воздуховод; 9 – вентилятор (2 шт); 10 – вентилятор пневмотранспорта; 11 – система пневмотранспорта; 12 – накопительная емкость

поэтому ее эффективно использовать в цементных композициях (арболит, фибролит).

Применение отходов производства строительных и полимерных материалов.

Наиболее массовыми отходами производства строительных материалов являются отсевы, образуемые при производстве щебня. Они представляют собой песчано-щебеночную смесь с максимальной крупностью зерен 10 мм и содержанием примесей до 25 %. Перед применением данные побочные продукты подвергаются сортировке, рассеву и очистке различными способами (грохочением, сепарацией, промывкой водой с виброакустическим воздействием). Применяются как мелкий заполнитель бетонов и растворов. Недостаток – отсевы дробления значительно различаются по составу и имеют высокие значения водопотребности и пустотности.

Каменные опилки – технологический отход при добыче пильного камня с фракцией 0…5 мм. Их применяют в качестве заполнителей бетонов и растворов. Так же как и с отсевами, эти материалы требуют увеличения расхода вяжущего и водопотребности смеси. Поэтому их содержание в составе ограничивают 25 %. Эффективно изготовление на основе каменных опилок отделочных материалов – мозаичных плит с последующей шлифовкой и полировкой.

Отходы бетонного и железобетонного производства.

Из них в основном получают мелкий и крупный заполнитель для вторичного изготовления бетонных и железобетонных изделий путем дробления и фракционирования (рассева) некондиционного бетона. На их основе получают бетонные изделия той же прочности (или незначительно ниже – на 5…10 %), что и на природных заполнителях. Большее снижение прочности и ухудшение удобоукладываемости наблюдаются при замене мелкого заполнителя (поэтому лучше использовать кварцевый песок).

Цементная пыль – тонкодисперсные, минеральные материалы, выносимые с газами из клинкерообжиговых печей. Состав: клинкерных минералов – до 20 %, свободного оксида кальция – 2…4 %, щелочей – 1…8 %, остальная часть пыли состоит из смеси обожженной глины и неразложившегося известняка. Применение: часть пыли из пылеосадительных камер возвращается обратно во вращающуюся печь вместе со шламом (5…15 %). Добавка к шламу больших количеств пыли приводит к его коагуляции и загустеванию, а также снижает качество клинкера). Эффективно применение цементной пыли в производстве силикатного кирпича и бетона, где ею заменяют часть извести в сырьевой смеси. В автоклаве компоненты цементной пыли гидратируются и активно реагируют с кремнеземом, образуя гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Известны пылешлаковые вяжущие, характеризующиеся следующими особенностями: рост их активности прямо пропорционален концентрации щелочей; обладают высокой прочностью при изгибе и водопотребностью. Цементную пыль используют так же, как и компонент асфальтового вяжущего (наполнителя) в асфальтовых бетонах и растворах.

Асбестоцементные отходы классифицируются на сухие (бой асбестоцементных изделий, обрезки листов и труб, стружки от механической обработки изделий) и мокрые (осадки в водоочистительных аппаратах). Из отходов асбестоцементного производства готовят вяжущее, смешивая их с металлургическими шлаками (50…60 %) и гипсом (5 %). Перед смешиванием асбестоцементные отходы обжигают при t = 600…700 °С, при этом происходит полная дегидратация гидросиликатов, разлагается асбест и продукт приобретает способность к гидравлическому твердению. Марки – 20…35 МПа. На основе данного вяжущего изготовляют плитки облицовочные для пола с применением портландцемента способом полусухого прессования. Производят также теплоизоляционные материалы в виде плит, сегментов и скорлуп из измельченных отходов с добавкой извести, гипса и песка. Теплоизоляционные материалы можно получать также из смесей, состоящих из асбестовых отходов, цемента, жидкого стекла и других вяжущих с введением в смесь газо- и пенообразователей.

Отходы керамического и стекольного производства – образуются в виде керамического и стекольного боя как на заводах, так и на строительной площадке.

Основным направлением утилизации стекольного боя является его возврат в технологический процесс производства стекла. Из отходов листового стекла получают стеклянную эмалированную плитку. Из порошка стекольного боя с пенообразователем при 800…900 °С получают один из самых эффективных теплоизоляционных материалов – пеностекло (плиты и блоки). Битое стекло применяют как декоративный материал в цветных штукатурках, молотое – как посыпку по масляной краске; в качестве абразива для изготовления наждачной бумаги и как компонент глазурей.

Керамический брак используется как добавка к исходной шихте для снижения влажности. Бой глиняного кирпича используется после дробления как щебень в строительных бетонах и растворах. Шамот – бой фасадной керамики, облицовочных плиток, сантехнических изделий – применяют как отощающую добавку в этой же технологии.

Отходы полимерных материалов (платмасс) делят на 3 группы:

– технические (образуются при синтезе полимеров и переработке пластмасс);

– производственного потребления пластмасс (образуются при выходе из эксплуатации полимерных материалов);

– общественного потребления (изношенные изделия домашнего обихода – тара пищевых продуктов и т.п.).

К числу особенно многотоннажных полимерных отходов относятся отработанные резиновые изделия, такие, как конвейерная лента, шланги, изношенные автомобильные шины. Основным способом их переработки является регенерация, включающая очистку с помощью кислот и щелочей, нагрев и введение мягчителей. Регенерированную резину, а также резиновую крошку и порошки применяют в производстве гидроизоляционных материалов (изол, бризол, пароизол), материалов для полов (линолеумов, волокнистых резинобитумных плит), клеев, мастик и герметиков.

К другим разновидностям пластмассовых отходов относятся полиолефины – высокомолекулярные соединения на основе непредельных углеводородов, среди которых преобладает полиэтилен высокого и низкого давления. Способом утилизации является повторная переработка.

Предварительно отсортированные, очищенные и измельченные отходы вводятся в полимерные композиции в количестве 40…50 % вместе с пластификаторами, наполнителями и стабилизаторами. Таким образом изготовляют асфальтовые покрытия (в смеси с битумом); пресс-композиции с заданными свойствами (в смеси с песком); плиты для полов (в смеси с мелом, стекловолокном и асбестом); герметики швов подземной и подводной части сооружений.

И в заключение приведем несколько курьезных примеров применения строительных материалов.

По преданию, один из королей неварской династии (Непал) в XVI в. приказал в столице Катманду вырубить дом для паломников из цельного куска дерева, получивший название «каштхамандап» (каштха – дерево, мандап – здание, обитель). Деревянная обитель и по сей день стоит посреди одной из площадей старого города, который и обязан ему своим названием.

Известно одно из пахнущих зданий. В 1195 г. султан Марокко, чтобы отблагодарить Аллаха за свою победу над испанцами, приказал построить минарет высотой более 60 м. Особенность этой башни в том, что ее стены пахнут мускусом. Дело в том, что в кладочный раствор, скрепляющий камни минарета, строители подмешали около 960 мешков ценного благовония. Его запах чувствуется до сих пор.

В XI в. на севере Судана возле соляного месторождения находится город, выстроенный из соляных блоков. Подобные сооружения есть и в Китае. На горно-химических предприятиях у озера Чархан в 1950-х годах из соляных блоков были построены завод, склад, магазин и клуб.

В Польше часовня Св. Антония вырублена в толще соли зеленого цвета, в глубине устроен алтарь, по бокам которого установлены фигуры ангелов – тоже из соли, только розовой.

В центральной части острова Шри Ланка археологи обнаружили мечеть, построенную около 300 лет назад. Необычность находки заключается в том, что построена она из песка и меда. Строительный материал такого состава довольно широко использовался в Шри Ланке в древние времена.

В одном из штатов США построен одноэтажный пятикомнатный дом целиком из бумаги. Одна из фирм выпускает сборные домики дачного типа из прочного гофрированного картона толщиной 1 см. Снаружи дом покрыт тонким слоем полиэфирной смолы. Сам картон пропитан особым составом, благодаря чему он выдерживает высокую температуру. Дом рассчитан на 20 лет эксплуатации.

На берегу одного из озер в Польше расположился «диогенов городок», домики которого сделаны из старых дубовых бочек для пива.

В институте тропических продуктов в Лондоне нашли применение рисовым отходам: из смеси, содержащей пять частей рисовой шелухи и одну часть цемента, предлагается изготовлять строительные блоки, материал является аналогом теплоизоляционного арболита.

Английская фирма «Пекор» в 1983 г. объявила, что намерена построить особняк из рыбьего жира для семьи директора фирмы. Дело в том, что химики нашли способ делать из рыбьего жира полиуретановый пенопласт. Причем для этого годится низкокачественный жир, получаемый из отходов, выбрасываемых в море при разделке рыбы на траулерах. Утверждается, что подходят для этих целей также растительные масла – подсолнечное, пальмовое, кокосовое и касторовое. Предполагают, что в сравнительно мягком климате Англии пенополиуретановый дом не будет нуждаться в отоплении.

В Гренландии, на Аляске, но главным образом в центральных арктических областях Нового Света до сих пор еще распространен снежный дом – «иглу». Снежные плиты, из которых строится дом, длинными ножами вырубают из плотного снега и укладывают таким образом, чтобы каждая верхняя плита немного выступала вперед по отношению к нижней.