Строительные материалы, полученные термической обработкой сырья.

Твердая поверхность Земли образовалась при остывании расплавленной магмы. Воздействие высокой температуры на негорючие материалы приводит к их расплавлению, ускорению движения вещества на атомном уровне, их гомогенизации и с помощью режима охлаждения есть возможность влиять на формирование структуры охлажденного материала. Эту технологию люди давно приняли к производству.

Известны две технологии получения композиционных материалов:

1 – кристаллизация из расплавов (металлы, стекло, каменное литье, ситаллы, керамика, цементы);

2 – производство полидисперсных материалов, базирующееся на приготовлении сырьевой смеси или шихты, содержащей в своем составе грубозернистые и тонкодисперсные составляющие ( бетоны, растворы, пластмассы).

Рассмотрим материалы, полученные из расплавов.

Металлы.

Наибольшее распространение в строительстве получили черные металлы-85%.К ним относятся сталь и чугун. Это сплавы железа с углеродом, имеющие более высокую механическую прочность и стойкость к коррозии, чем чистые металлы. Сплавы железа являются основным конструкционным материалом для изготовления сооружений, каркасов промышленных зданий, элементов подвижного состава, арматуры и других конструкций.

Получают черные металлы из железной руды (магнетита – Fe* Fe₂O₄ и гематита- Fe₂O₃), а также переплавкой металлического лома в доменных печах восстановлением железа с помощью углерода и кислорода при температуре плавления 1539⁰С. При охлаждении образуется сплав – чугун (93%Fe и 5 %С) с примесями кремния, марганца, фосфора и др. элементов.

Из чугуна мартеновским, конверторным способами или плавлением в электропечах удаляют примеси, уменьшают содержание углерода в сплаве и получают сталь, где количество углерода может доходить только до 2,14%. Однако, в сталях, применяемых в строительстве, углерода содержится еще меньше – не более 1,3%. При содержании углерода более 1,3% стали становятся слишком твердыми и хрупкими, теряют свои пластические и значительные деформативные свойства. Сплавы железа – твердые растворы внедрения и химическое соединение железа с углеродом – цементит (карбид железа Fe₃C).

Любая концентрация углерода при остывании сплава имеет устойчивые фазы: феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц) и высокоуглеродистая фаза – графит.

Фазой называют однородную по химическому составу и строению смесь, находящуюся в равновесии при определенной температуре и давлении.

В жидком сплаве компоненты растворены, при охлаждении образуется кристаллическая структура с разными фазами. Остывший сплав, проходя при остывании полиморфные превращения, имеет сильно деформированную кристаллическую решетку. С понижением температуры растворимость углерода в феррите снижается и выделяется свободный углерод, при этом изменяется пластичность, прочность, способность к холодной обработке.

Чтобы стабилизировать свойства, снять напряжения, улучшить однородность состава, металлы подвергают повторной термической обработке. С помощью режимов нагрева и охлаждения воздействуют на структуру и используют дефекты для изменения свойств. Наиболее применяемым на практике способом улучшения структуры стальных сплавов при изготовлении изделий из них является термическая обработка – отжиг, после которого происходит нормализация структуры. При охлаждении по определенному режиму (закалка, отпуск) добиваются нужной пластичности или прочности.

Кроме термических видов модификации стали используют термомеханические, когда кроме температурного воздействия сталь подвергают пластической деформации (ковка, прокат, вытяжка).

Подвергают стальную поверхность и химико-термической обработке, которая приводит к повышению твердости и износостойкости после насыщения ее углеродом или азотом, алюминием или кремнием.

Одним из самых известных способов модификации металла является легирование, которое возможно осуществить в условиях выплавки стали, когда в расплав вводят химические элементы, повышаюшие прочность и коррозионную стойкость стали. Стали называют низколегированными, если в составе легирующих элементов ( хром, никель, марганец, кремний, вольфрам и др.) не более 2,5%, если от 2,5 до 10% - среднелегированными, свыше 10% - высоколегированными.

Высокоуглеродистые стали ( 0,7 – 1,3%) имеют самые высокие механические показатели, но снижена пластичность, свариваемость. Поэтому такую сталь используют для изготовления инструментов.

Сталь обыкновенного качества по содержанию углерода в десятых долях процента обозначают марками: Ст1,2,3,4,5,6. По своим свойствам стали объединены в три группы: А, Б, В. В строительной практике используют стали обыкновенного качества групп А-(с гарантированной механической прочностью) и В – (прочные с постоянным химическим составом). Эти буквы ставят перед римскими цифрами, означающими рост прочности: А-Ι, А-ΙΙ, А-ΙΙΙ, В-Ι,В-II). У нелегированных сталей обыкновенного качества обозначения показывают группу, количество углерода в десятых долях процента и категорию раскисления: АСт3пс, АСт4сп. С увеличением цифры, указывающей содержание углерода, возрастает прочность и снижается пластичность.

Стали группы Б выпускают с гарантируемым химическим составом. Их можно нагревать и термообрабатывать. Маркировка: БСт3кп, БСт5сп.

Стали группы В идут на изготовление сварных конструкций, у них гарантируются механические свойства и химический состав. Стали обыкновенного качества этой группы маркируют по принадлежности к группе и содержанию углерода в сплаве: ВСт6сп, ВСт4пс. Индексы сп, пс икп указывают на степень раскисления стали и называются спокойными, полуспокойными и кипящими. Кипящая сталь раскислена не полностью, поэтому она при заливке в изложницу и при кристаллизации продолжает «кипеть», выделяя пузыри, так как из нее не вышли все неметаллические включения. Такая сталь хорошо штампуется, сваривается, но неоднородна структура, поэтому при изменении температуры возникают трещины. Полуспокойная сталь раскислена в большей степени и имеет промежуточные качества, лучшими качествами обладает спокойная сталь.

Кроме стали обыкновенного качества и качественных с большей прочностью различают по назначению: конструкционные, инструментальные стали и сплавы с особыми свойствами (нержавеющие, жаропрочные, износостойкие и т.д.). Нержавеющими или коррозионностойкими сталями называют стали, стойкие к химической и электрохимической коррозии. Основным легирующим элементом таких марок является хром. При введении в такой состав еще никеля стойкость к коррозии повышается и такие стали называют сложнолегированными.

 Конструкционные углеродистые качественные стали строго контролируют по содержанию вредных примесей. К вредным примесям относятся :S,P,O₂,N₂, H₂. Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500МПа. Как правило, это среднеуглеродистые легированные после изотермической закалки.

 Для сталей, работающих при низких температурах, в составе мало углерода. Криогенные стали – аустенитные с повышенным содержанием никеля.

            Условия работы стальных конструкций

В строительном производстве в зависимости от условий эксплуатации все стали разделили на 4 группы.

1 группа: сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях с динамическими нагрузками ( подкрановые балки, мосты, эстакады и др.). В этом случае лучше использовать сложно – и низколегированные стали, низкоуглеродистые и особо высокопрочные, хладостойкие.

2 группа: сварные конструкции со статической нагрузкой (фермы, ригели, рамы, балки, перекрытия). В этом случае лучше использовать низкоуглеродистые, низколегированные, высокой прочности стали.

3 группа: сварные конструкции, работающие на сжатие (колонны, стойки, опоры). Для их сооружения используют низкоуглеродистые, низколегированные, повышенной прочности стали.

4 группа: вспомогательные конструкции и элементы (связи, лестницы, ограждения). В этом случае используют обычные низкоуглеродистые и даже кипящие стали.

Арматурные изделия делают из качественной низкоуглеродистой стали, упрочненной закалкой с прокатного нагрева, холодной или теплой деформации.

Соединяют и закрепляют элементы строительных конструкций с помощью сварки, клепки, болтами и клеем. Чаще строительные конструкции соединяют с помощью сварки. Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений на уровне межатомных связей. При температуре 600⁰С и выше сталь размягчается, имеет пластичное состояние. Свариваемость стали зависит от содержания углерода. Когда его в сплаве менее 0,3%, стали свариваются хорошо. Когда от 0,3 до 0,42% - удовлетворительно, от 0,42 до 0,55% - ограниченно и свыше 0,55% - плохо. Хуже свариваются легированные стали, чугуны, сплавы из цветных металлов. Их сваривают в среде инертных газов. Пластмассу сваривают горячим воздухом.

Сварные соединения бывают стыковые, внахлестку, угловые и тавровые.

Такой вид соединения позволяет сваривать изделия из легированных сталей, чугуна, алюминия и титановых сплавов.

Сортамент металлических элементов

Использование металлических и железобетонных конструкций во всех видах зданий с большими пролетами, при большой высоте и нагрузках с требованиями антикоррозионной стойкости обусловлено способностью металла выдерживать большие деформации не разрушаясь, его надежностью.

Из стали изготавливают каркасы промышленных зданий, большепролетные покрытия, мосты, эстакады, башни, мачты, оконные и дверные заполнения, витражи и др. конструкции.

. Основными видами обработки металла давлением являются: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. При прокатке заготовка в результате обжатия между вращающимися валками деформируется – сплющивается, вытягивается. Форму поперечного сечения прокатанной заготовки называют профилем, который может быть разного геометрического сечения и размера и называется сортаментом проката .

Сортамент прокатываемых профилей для изготовления строительных конструкций разделяют на 5 основных групп: сортовой прокат простого и фасонного профиля, листовой ,трубный, специальный и периодический прокат.

Фасонные профили могут быть сложной геометрической формы, угловой, швеллеры, тавры, рельсы, колонная сталь и др. Листовой прокат может быть разной толщины от 0, 38 до 4мм с оловянным, цинковым, медным, алюминиевым и полимерным покрытием.

Периодический прокат используют в качестве заготовки для штамповки, а также в качестве арматуры железобетонных конструкций.

 С помощью волочения изготавливают проволоку и другие фасонные профили. Этим способом получают изделия точных размеров и гладкой поверхности.

 Ковка – изготовление детали между бойками молота. Ковку делят на ручную и машинную, свободную и в штампах. При штамповке заготовка ограничена размерами формы. Этот вид обработки используют при массовом изготовлении поковок. В процессе литья из расплавленного металла (чугуна, стали, сплавов меди, алюминия) получают отливки в литейных формах. Способом проката (между вращающимися валками) получают листы, проволоку, в том числе из цветных металлов. Штамповкой и прессованием получают рельефные облицовочные материалы, элементы оборудования. Экструзией под давлением изготавливают профильные материалы и трубы из цветных металлов.

Защитная и декоративная обработка лицевой поверхности предполагает нанесение красок, лаков и получение разнообразной фактуры. Оригинальную фактуру и цвет получают механической обработкой под давлением холодного или горячего листового металла с последующим нанесением лакокрасочного слоя и химической обработкой поверхности (травлением).

Чугун содержит больше углерода и потому обладает большей хрупкостью. В зависимости от формы связи с углеродом чугуны бывают белыми, серыми, ковкими, высокопрочными и даже нержавеющими (легированными). Структуру чугуна также улучшают с помощью отжига, механические свойства зависят от формы и количества включений графита. В строительстве все чугуны кроме белого используют в конструкциях, работающих при статических нагрузках

(колонны, фундаменты). Высокопрочный чугун применяют даже при динамических нагрузках (полы), детали из ковкого чугуна работают даже при ударных и вибрационных нагрузках. В условиях абразивного износа отливают детали из белого чугуна, легированного хромом, магнием или никелем. Используют чугуны для трубопроводной арматуры, резервуарного оборудования, кранов и крышек люков, колодцев. Редко используют в современном строительстве архитектурно-художественные детали, полученные способом литья из чугуна: детали оград, решетки, кронштейны, фонари и др.

Из цветных сплавов так же как и из стали металлургические заводы производят сортовой прокат простого профиля, листовой прокат и трубы.

Самым распространенным цветным металлом, используемым в строительстве, является алюминий и его сплавы. Чистый алюминий мягок, поэтому выплавляют технический сплав (А) алюминия с кремнием - силумины и алюминия с цинком и магнием или медью и марганцем, которые называют дюралюмины (Д). Профили из алюминиевых сплавов получают формованием под давлением и их сортамент насчитывает около 15 тысяч наименований. В зависимости от качества сплава и размеров профиля их используют для несущих и ограждающих конструкций, пространственных стержневых, листовых конструкций, окон, витрин, для подвесных потолков, плинтусов, раскладок и др. Сплавы из алюминия более стойки к отрицательным температурам, не высекают искры, более стойки к кислотам. Соединяют алюминиевые элементы газовой сваркой.

Медь и ее сплавы в качестве конструкционных материалов применяют редко. Ее механические свойства повышаются при сплавлении с другими элементами.

Латунь получают при введении в состав 45% цинка, вводят также олово, свинец, железо, алюминий и др. Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость даже в морской воде и при отрицательной температуре.

Бронзы – сплавы меди с оловом (не более 6%), или с алюминием (до8%) – обладают литейными свойствами, более высокой прочностью и жаростойкостью. Кремнистые бронзы более морозостойки, устойчивы в щелочной среде. Бериллиевые – обладают высокими упругими и прочностными свойствами, поэтому идут на изготовление пружин.

Металлические изделия не нуждаются в отделке поверхности. Окисляясь, поверхность медных изделий покрывается патиной – защитной пленкой с различными зеленоватыми оттенками. Черный цвет чугуна, темно-серый цвет стали, серебристо-белый алюминия могут гармонично сочетаться с другими материалами, не требуя дополнительной окраски. При необходимости применяют цветное анодирование поверхности металла, защищающее от вредных воздействий или покрытие лаком. Фактура лицевой поверхности металлов может быть рельефной, шероховатой, гладкой, матовой или зеркальной.

 2) Керамические материалы

Глина была одним из первых материалов, который после воздействия высокой температурой приобрел новые свойства. Был получен новый твердый материал, не размокаемый в воде, который можно использовать длительное время.

Строительная керамика (кирпич, плитка) появилась позже и насчитывает несколько видов изделий. Кроме стеновой керамики из глины производят черепицу, дорожные камни, санитарно-технические изделия, огнеупорные и др.

Все материалы из керамики классифицируют по назначению:

 - кирпич и керамические камни для стен;

 - облицовочные изделия для фасадов (лицевой кирпич, камни, плитки);

 - плитки для внутренней облицовки стен и пола;

 - кровельные изделия;

 - санитарно-техническое оборудование (строительный фаянс);

 - дорожные и дренажные изделия (клинкерный кирпич, трубы);

 - теплоизоляционные изделия (легкий кирпич, фасонные изделия);

 - кислотоупорные изделия (кирпич, плитки, трубы);

 - огнеупорные изделия и заполнители для легких бетонов.

Для всего перечня этих изделий требуется сырье: глина после года вылеживания с некоторым количеством технологических добавок и вода, связывающая тончайшие частички глины в связную массу, делая глиняное тесто пластичным и облегчая формование изделий. Основной состав глины –алюмосиликаты и в зависимости от минерального состава и количества песка в ней разделяется на жирную и тощую. Жирная глина содержит больше глинистых частиц, впитывает много воды, получается пластичное легко формуемое тесто, при подсыхании которого появляется много трещин. Поэтому в такие глины вводят от 30 до 50% отощающих добавок (чаще всего – кварцевый песок, молотый шлак или гидратированная глина). Отощители, распределяясь в объеме, занимают место между частичками глины, не оставляя пустот при высыхании воды, отформованное изделие не растрескивается. В тощие глины отощители не добавляют, в них уже содержится песок. В такие глины могут добавить порообразующие добавки или выгорающие, которые после обжига изделия сгорают, оставляя поры и облегчая изделие. В качестве выгорающих добавок вводят 10-25% древесных опилок, угольную пыль или торфяную крошку, известняковый порошок, выделяющий при обжиге углекислый газ.

Формуют изделия из глинистого теста пластическим и полусухим способами. От способа формования зависят свойства готовых изделий. Так, например, кирпич, изготовленный пластическим способом, после обжига имеет большую плотность и прочность при изгибе, более низкоеводопоглощение и потому более высокую морозостойкость. Изделия, отформованные с меньшим количеством воды в тесте полусухим прессованием, дешевле и имеют прочность при сжатии не ниже отформованных пластическим способом. Но такие изделия нельзя использовать для кладки цоколей ниже уровня гидроизоляции.

Все керамические изделия подразделяют по плотности на плотную и пористую керамику. К пористой относят изделия с водопоглощением более 5%. Это изделия грубой керамики (кирпич, черепица, плиты для перекрытий, трубы) и тонкой керамики (облицовочные плитки, фаянсовые и фарфоровые изделия).

Для формования изделий тонкой керамики готовят сметанообразное тесто - шликер, хорошо формуемое литьем. Строительную керамику формуют из более густого теста. После формования изделия подлежат сушке, когда из высыхающего теста выходит вода, изделие дает усадку, называемую воздушной. У кирпича она может доходить до 15%, у архитектурной терракоты не должна превышать 5%. Сушка изделий перед обжигом предотвращает усадочные деформации и растрескивание изделий во время обжига. В обжигательную печь изделия должны поступать, имея влажность не более 5%. Обжиг производят при температуре 1000-1300⁰С. При такой температуре в печи выходит оставшаяся влага, образуются новые минералы, не размокающие в воде, часть глиняного вещества расплавляется, склеивая все частички и образуя матрицу. При этом происходит огневая усадка еще на 5-8%. При пережоге (завышенной температуре) могут возникать дефекты – оплавление поверхности, ухудшающие внешний вид изделий. При недостаточной температуре может быть недожог, ухудшающий такие важные свойства керамических изделий как прочность, водостойкость, морозостойкость.

По плотности в сухом состоянии кирпич делят на три категории:

- обыкновенный – с плотностью более1600кг/м³;

-условно-эффективный – с плотностью от1600 до 1450кг/м³;

- эффективный – с плотностью менее 1450кг/м³.

Применение эффективных стеновых керамических материалов позволяет уменьшить толщину наружных стен, снизить нагрузки на основание.

Прочность кирпича или его марку в зависимости от состава и поризации выпускают :75, 100, 150, 200, 250, 300. Лицевой кирпич и камни имеют марки по прочности: 75,100, 125, 150.

Некоторые лицевые изделия подлежат декоративной обработке. Это может быть глазурование, ангобирование, сериография, шелкография, механическая обработка поверхности.

Глазурь – специальный состав из песка, полевого шпата, каолина и может быть окись железа, наносимый на поверхность изделия и спекающийся при обжиге в стекловидный блестящий слой теплых тонов.

Ангобирование – нанесение на поверхность изделия глиняного слоя светлых или цветных тонов, образующего после обжига матовое тонкое покрытие.

Сериография – трафарет по фотоснимку, по которому наносят красящий состав, покрываемый глазурью. После обжига появляется украшающий рисунок.

Шелкография – нанесение на поверхность изделия рельефа по орнаменту с углублением до 1мм с помощью штампа или рельефный рисунок глазурью по трафарету, затем обжиг. Рельефная поверхность образуется после механической обработки лицевой поверхности или терракоты для образования рисунка, выполняемая при формовании по пластичной глине. Затем сушка и обжиг.

При температуре обжига глины составляющие окислы группируются в новые минералы, которые не размягчаются в воде, обретают прочность: это муллит, силлимонит. Пока они не образовались, обжиг прекращать нельзя, будет недожог.

Номенклатура. Наибольший объем выпуска приходится на стеновые материалы – кирпич, камни фасадные и плитки для пола, черепицу, а также санитарно-технические и архитектурно-художественные изделия, керамические трубы, огнеупорные и теплоизоляционные материалы.

Кирпич и камни керамические могут быть полнотелыми и пустотелыми стандартных размеров 250*120*65мм, утолщенные 250*120*88мм и модульные кирпичи и камни больших размеров. Лицевые кирпичи и камни угловые имеют разные формы, фактуру и цвет. Фасадные плитки могут быть гладкими или с рельефной поверхностью, различных размеров от 21*21*0,4мм до 120*65*7мм и более.

Керамическая плитка для внутренней облицовки имеет большую площадь: 150*150 и 200*150мм, толщиной 5-10мм. Отличается плитка для внутренней облицовки пористостью. Водопоглощение плиток для внутренних стен допускается до 16%, в то время как для внешних -7-10%, крупноразмерных – всего 1%.

Плитки для пола 50*300*11мм имеют не только форму квадрата, но и прямоугольную, шестигранную, клиновые, с тыльной стороны ребристая поверхность для лучшего сцепления с конструкцией.

 Архитектурно-художественную керамику используют для внешней отделки. В качестве красителей берут цветные глины, хромистый железняк, марганцевую руду и др.

Санитарно-технические изделия (ванны, раковины, унитазы) изготавливают из фаянса и полуфарфора.