строительные материалы - Полоцкий государственный

Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Полоцкий государственный университет»
Ю.И. Киреева
СТРОИТЕЛЬНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Допущено Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов строительных специальностей
учреждений, обеспечивающих получение высшего образования
2-е издание, дополненное
Новополоцк
ПГУ
2010
1
УДК 691(075.8)
ББК 38.я73
К43
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
д-р техн. наук, проф. Я. Н. КОВАЛЕВ (кафедра строительства и эксплуатации
дорог Национального технического университета);
канд. техн. наук, доц. Т. П. ШАЛОБЫТА (кафедра бетона и строительных
материалов Брестского государственного технического университета)
Киреева, Ю.И.
К43
Строительные материалы : учеб. пособие для студентов строительных
специальностей / Ю. И. Киреева. – 2-е изд., доп. – Новополоцк : ПГУ,
2010. – 356 с.: ил.
ISBN 978-985-531-021-2
Книга содержит (1-е изд. – 2004 г.) основные сведения по физическим, химическим, механическим и эксплуатационным свойствам строительных материалов, технологии производства, свойствам и применению органических и неорганических материалов, в том числе искусственных каменных. Большое внимание
уделено рассмотрению современных материалов различного назначения (конструкционных, герметизирующих, теплоизоляционных, акустических, антикоррозионных, огнезащитных), тенденций их развития. Дан сравнительный анализ зарубежных, российских и белорусских аналогов. По каждому виду материалов и
классу по назначению представлены обобщающие таблицы и нормативная литература. Последние главы посвящены таким важным вопросам, как снижение ресурсопотребления в строительстве, экология в строительстве, основы моделирования искусственных строительных материалов, которые даны с учетом мировых достижений в строительной отрасли. Издание дополнено иллюстрациями.
Для студентов, магистрантов, аспирантов строительных специальностей, преподавателей вузов и средних специальных учебных заведений, инженернотехнических работников строительных и проектных организаций.
УДК 691(075.8)
ББК 38.я73
ISBN 978-985-531-021-2
© Киреева Ю. И., 2004
© Киреева Ю. И., 2010, с изменениями
© УО «Полоцкий государственный университет», 2010
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие написано в соответствии с программой курса
«Строительные материалы» для студентов высших учебных заведений
строительных специальностей. Это базовый курс, на котором основывается изучение таких специальных строительных дисциплин, как архитектура,
технология строительного производства, строительные конструкции, экономика и др. Изложенный материал содержит основы материаловедения и
моделирования композиционных строительных материалов, историю возникновения и современные тенденции развития отрасли.
Большое внимание уделено анализу свойств применяемых отечественных и зарубежных материалов, их долговечности в процессе эксплуатации. В пособии освещены вопросы экологии, ресурсосбережения и использования отходов при производстве и применении строительных материалов. Приведены имеющиеся в Республике Беларусь сырьевые запасы, а
также номенклатура изделий ряда российских и белорусских заводов и
предприятий этой отрасли промышленности. Для облегчения усвоения материала студентами пособие снабжено обобщающими таблицами как по
материалам (керамическим, металлическим и т.д.), так и по их назначению
(конструкционным, отделочным и т.д.). После каждого раздела дается перечень используемых нормативных документов, действующих в России и
Беларуси.
3
ВВЕДЕНИЕ
Курс «Строительные материалы» относится к группе специальных
дисциплин для студентов строительных специальностей. Глубокое знание
возможностей и эффективности использования конкретных строительных
материалов позволяет строителю проектировать и возводить долговечные
сооружения, удовлетворяющие техническим требованиям и эстетическим
запросам. Без преувеличения можно сказать, что строительные материалы
представляют собой основу строительства.
Виды строительных материалов и их технология изменялись в связи
с развитием производственных сил и сменой производственных отношений в человеческом обществе. Простейшие материалы и примитивная технология заменялись более совершенными, ручное изготовление строительных материалов сменялось машинным.
Древнейший дом, который удалось обнаружить, был построен
57 тысяч лет назад в Африке. В этом маленьком строении были стены,
дверь, крыша – все неотъемлемые части современного жилища. В заболоченных местах возводились сооружения на сваях. Сравнительно крупными
сооружениями являлись деревянные жилища из прутьев по столбамбревнам.
В Древнем Египте около 3000 лет до н.э. в массовом строительстве
использовался кирпич-сырец, в монументальных постройках – горный камень и лишь в самых необходимых конструкциях перекрытий и опор галерей – дефицитное в стране дерево.
В месопотамском строительстве использовали глину, предварительно обработанную и смешанную (для придания прочности) с рубленой соломой. В этом виде ее употребляли для обмазки стен или лепки крыш. Когда хотели повысить качество, долговечность сооружения, применяли высушенные или обожженные глиняные кирпичи.
Для упрочнения кладки из сырого кирпича ее обмазывали глиной,
гипсом или штукатурным раствором глины и гашеной извести. Кроме того, через каждые 5 – 13 слоев кирпича укладывались пропитанные битумом стебли или тростниковые циновки. Они укрепляли стены, предохраняли конструкции от влаги и почвенных солей.
Проходили столетия, расширялся и видоизменялся ассортимент
строительных материалов. Так, вместо традиционных мелкоштучных тяжелых материалов было организовано массовое производство относительно легких крупноразмерных строительных деталей и конструкций из
сборного железобетона, гипса, бетонов с легкими заполнителями, ячеистых бетонов, бесцементных силикатных автоклавных бетонов. Широкое
развитие получило производство разнообразных теплоизоляционных и
4
гидроизоляционных материалов. Быстрыми темпами развивалось производство и применение в строительстве полимерных материалов различного назначения. Была создана промышленность по производству теплоизоляционных материалов и легких заполнителей.
В настоящее время промышленность Беларуси включает около 250
предприятий по производству строительных материалов различного назначения, из них около ста по получению деловой древесины и пиломатериалов, 32 завода по выпуску керамического кирпича и облицовочных
плиток, около 50 заводов производят сборные бетонные и железобетонные
изделия и конструкции, товарный бетон и растворы, 13 заводов по изготовлению металлоконструкций, 11 предприятий и карьеров по переработке
нерудных стройматериалов и др.
Большие масштабы строительства, разнообразие конструктивных
типов зданий и сооружений требуют, чтобы сырье для производства
строительных материалов было массовым, дешевым и пригодным для изготовления широкого диапазона изделий.
Таким требованиям отвечают многие виды нерудного минерального
сырья, широко распространенного в земной коре и занимающего по объему
запасов значительное место среди полезных ископаемых (силикаты, алюмосиликаты). В Беларуси это ангидрит, доломит, мергели, глина, гравий, известняк, мел, песок, гипс и другие нерудные ископаемые. Добыча нерудного
строительного сырья, залегающего в основном в верхней части осадочного
покрова, является технологически несложной. По сравнению с другими обрабатывающими отраслями невысок и уровень затрат на переработку этого
сырья, приходящихся на единицу массы готовой продукции. Однако коэффициент использования ресурсов значительно ниже оптимального. Эффективно комплексное использование одного вида добываемого нерудного сырья
для производства различной по назначению продукции, что подтверждается
внедрением в практику метода переработки нефелинового сырья в глинозем
для получения алюминия, содопродуктов и цемента. Также дает значительный
эффект комплексная переработка сланцев в бензин, фенолы, серу и цемент.
Промышленная отрасль производства строительных материалов –
единственная, которая не множит объем промышленных отходов, а потребляет их для получения изделий различного назначения (золы, шлаки,
древесные и металлические отходы). При изготовлении строительных материалов используют также попутные или побочные продукты (песок,
глину, щебень и др.), полученные при добыче руд и угля. Комплексное
использование сырья – это безотходная технология, позволяющая полностью осуществить природоохранные мероприятия и многократно увеличить эффективность производства.
5
ГЛАВА 1.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Контроль качества строительных материалов.
Стандартизация в строительстве
Каждый вид продукции обладает определенными свойствами, представляющими интерес для потребителей. Для строительных материалов –
это прочность, плотность, теплопроводность, морозостойкость, стойкость
по отношению к действию воды, агрессивных сред.
Сумма свойств, определяющих пригодность материала и изделия
для использования по назначению, называется качеством. Например, для
кровельных материалов оценка их качества проводится по сумме таких
свойств, как водостойкость, водонепроницаемость, морозостойкость, термостойкость, прочность на изгиб, атмосферостойкость.
Контроль качества материалов и изделий проводят по разработанным нормам, требованиям и правилам.
В зависимости от контролируемого производственного этапа различают контроль входной, технологический и приемочный.
Входной контроль включает проверку соответствия поступающих
материалов и изделий установленным требованиям. Например, на предприятиях сборного железобетона проверяют качество поступающих исходных материалов: заполнителей и цемента для бетона, арматурной стали, закладных деталей, отделочных и других материалов.
Технологический контроль состоит в проверке соответствия установленным требованиям температуры, давления, времени выдерживания, тщательности перемешивания и других показателей технологического процесса.
Приемочный контроль заключается в проверке соответствия готовых изделий требованиям стандартов или технических условий.
Все виды материалов и изделий выпускают по межгосударственным
стандартам (ГОСТ), СТБ ЕН или стандартам Беларуси (СТБ). В настоящее
время Госстроем Республики Беларусь разработано более 50 стандартов на
строительные материалы.
Вся деятельность по стандартизации подчинена проблеме повышения качества продукции, безопасности ее получения и эксплуатации. Методы испытаний также стандартизированы. Всего на продукцию отрасли
имеется около 500 стандартов. Кроме этого в строительстве действуют
6
«Строительные нормы и правила» (СНиП, СНБ), представляющие собой
объединенные нормативные документы по проектированию, строительству и строительным материалам. При проектировании, изготовлении строительных изделий и возведении сооружений пользуются единой модульной координацией размеров (МКР) на базе основного модуля, равного
100 мм (1 М). В практике строительства используют как укрупненные модули (60 М), (12 М) – при проектировании, так и дробные (1/2 М, 1/10 М,
1/100 М) – при изготовлении строительных изделий.
1.2. Классификация строительных материалов
Все строительные материалы и изделия классифицируют по назначению, виду материла и способу получения:
по назначению: конструкционные, отделочные, гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические, антикоррозионные, герметизирующие;
по виду материала: природные каменные, лесные, полимерные,
металлические, керамические, стеклянные, искусственные каменные и т.д.;
по способу получения: природные и искусственные.
Природные строительные материалы добывают в местах их естественного образования (горные породы), обычно в верхних слоях земной коры, или роста (древесина). Их используют в строительстве, применяя преимущественно механическую переработку (дробление, распиловку). Состав и свойства этих материалов в основном зависят от происхождения
исходных пород и способа их обработки и переработки. Искусственные
строительные материалы изготавливают из природного минерального и
органического сырья (глины, песка, известняка, нефти, газа и т.д.), промышленных отходов (шлака, золы) с использованием специальной отработанной технологии. Полученные искусственные материалы приобретают
новые свойства, отличные от свойств исходного сырья.
1.3. Состав и структура
Свойства любого материала можно регулировать в широких пределах путем изменения его состава и структуры.
Состав материала: химический, минералогический, фазовый (твердый, жидкий, газообразный) зависит в большей степени от сырья, которое
было использовано и в меньшей – от технологии изготовления изделий.
7
Структуру материала изучают на микроуровне при помощи микроскопов и на макроуровне – визуально. В зависимости от состава микроструктура может быть нестабильной коагуляционной, оцениваемой по
вязкости и пластичности (клей, лакокрасочные материалы, глиняное и цементное тесто), которая с течением времени переходит в более устойчивую – аморфную (стекло, шлаки), характеризующуюся однородностью и
хаотичным расположением молекул, или самую стабильную – кристаллическую (металлы, природный и искусственный камень), представляющую
собой кристаллическую решетку со строго определенным расположением
атомов. Одним из основных показателей последних является прочность.
Форма, размеры и расположение кристаллов оказывают большое влияние
на свойства материалов. Мелкокристаллические – более однородны и
стойки против внешних воздействий, крупнокристаллические (металлы)
имеют большую прочность. Слоистое расположение кристаллов (сланцы)
обеспечивает легкое раскалывание по плоскостям, что используют при
получении отделочных плиточных материалов. Структуру искусственно
полученных материалов можно целенаправленно регулировать в широком
диапазоне в зависимости от задаваемых свойств и назначения изделий.
Так при получении листовых стекол откорректированный состав, основой
которого является кремнезем (SiO2), сначала приобретает коагуляционную
структуру – при расплавлении, затем аморфную – при формовке и охлаждении изделий, которые характеризуются набором свойств, главные из которых – оптические. Для повышения термомеханических показателей
можно целенаправленно изменить структуру стекол на кристаллическую
за счет ввода в сырье специальных добавок и дополнительной термообработки изделий. Материал приобретает высокую термостойкость, прочность на удар и износ, химическую стойкость, но теряет прозрачность.
Комплекс полученных свойств определяет назначение каждого изделия:
для остекления окон – аморфное стекло, облицовки пола в цехах с агрессивными средами – кристаллическое.
Макроструктура материалов: плотная (стекло), искусственная
ячеистая (пеносиликат), мелкопористая (кирпич), волокнистая (древесина), слоистая (пластики), рыхлозернистая (песок, щебень, гравий) зависит от технологии получения материала и изделия. Так, например, имея
одно и то же основное исходное сырье – глину и изменяя технологию,
можно получить облицовочные плитки плотной структуры, стеновой мелкопористый кирпич и теплоизоляционный ячеистый – керамзит.
Состав и структура определяют свойства материалов, которые не
остаются постоянными, а изменяются во времени в результате механиче-
8
ских, физико-химических, иногда и биохимических воздействий среды, в
которой эксплуатируется изделие или конструкция. Эти изменения могут
протекать как медленно, например, при разрушении горных пород, так и
относительно быстро – при вымывании из бетона растворимых веществ,
действии ультрафиолетовых лучей на полимерные материалы, что приводит к изменению их цвета и повышению хрупкости. Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими
применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию отдельного изделия и всего сооружения в целом.
1.4. Физические свойства
Все свойства строительных материалов можно условно разделить на
физические, химические, механические и технологические.
Физические свойства в свою очередь подразделяют на общие физические, характеризующие структуру материала, гидрофизические, теплофизические и акустические.
К общефизическим свойствам относятся: истинная плотность,
средняя плотность и пористость материала.
Истинная плотность ( ) – масса единицы объема вещества в абсолютно плотном состоянии, без пор, пустот и трещин. Согласно СТБ 4.211-94
m
,
v
(1)
где – истинная плотность, кг/м3; т – масса, кг; v – объем, занимаемый
веществом, м3.
Истинную плотность определяют при помощи стеклянной колбы
точного объема – пикнометра с точностью до 0,01 г/см3 на тонко измельченной (до 0,2 мм) и предварительно высушенной до постоянной массы
пробе. Истинная плотность большинства строительных материалов больше
единицы (за единицу условно принимают плотность воды при t = 4 °С).
Для каменных материалов плотность колеблется в пределах 2200 – 3300
кг/м3; органических материалов (дерево, битумы, пластмассы) – 900 –
1600, черных металлов (чугун, сталь) – 7250 – 7850 кг/м3.
Средняя плотность ( ср) – масса единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии с пустотами и порами
ср
m
,
v
9
(2)
где
ср
– средняя плотность, кг/м3; т – масса материала (изделия) в естест-
венном состоянии, кг; v – объем материала (изделия), м3.
Если образец имеет правильную геометрическую форму, его объем
определяют путем вычислений по измеренным геометрическим размерам;
если же образец неправильной формы, – по объему вытесненной жидкости
(закон Архимеда).
Для сыпучих материалов (песок, цемент, щебень, гравий) определяют насыпную плотность. Насыпная плотность ( н) – масса единицы объема сыпучих материалов в свободном (без уплотнения) насыпном состоянии. Формула расчета и размерность показателя те же, что в (1) и (2). В
единицу объема таких материалов входят не только зерна самого материала, но и пустоты между ними. Количество пустот, образующихся между
зернами рыхлонасыпного материала, выраженное в процентах по отношению ко всему занимаемому объему, называют пустотностью. Этот показатель важен для песка, щебня, керамзита при изготовлении бетона и будет рассмотрен в гл. 5.
Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м3 (полимерный воздухонаполненный
материал «мипора») до 2500 кг/м3 у тяжелого бетона и 7850 кг/м3 у стали.
Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчетах транспортных средств,
подъемно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном
составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем выше средняя плотность, тем прочнее материал. Для пористых строительных
материалов истинная плотность больше средней. Только для абсолютно
плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и
истинной плотности численно равны. По величине истинной и средней
плотности рассчитывают общую пористость (Пп) материала в % (ГОСТ
12730.1-78)
Пп
1
ср
100
(3)
Поры в материале могут иметь различную форму и размеры. Они
могут быть открытыми, сообщающимися с окружающей средой, и замкнутыми, заполненными воздухом. При погружении материала (изделия) в
воду открытые поры полностью или частично, что зависит от размера пор,
заполняются водой. В замкнутые поры вода проникнуть не может. Откры-
10
тую или капиллярную пористость (Wо) определяют по водонасыщению
материала под вакуумом или кипячением его в воде
(Wo )
m1 m
100 ,
v
(4)
где т – масса образца в сухом состоянии, г; m1 – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; v – объем образца, см3.
Общая пористость различных по назначению материалов колеблется
в широком интервале. Так, для тяжелого, прочного конструкционного бетона – 5 – 10 % , кирпича, который как стеновой материал должен обеспечить прочность, легкость стеновой конструкции и пониженную теплопроводность, – 25 – 35 % , для эффективного теплоизоляционного материала
пенопласта – 95 %. Большое влияние на свойства материалов оказывают не
только величина пористости, но и размер пор, их характер. При увеличении объема замкнутых пор и уменьшении их величины повышается морозостойкость материала и снижается теплопроводность. Наличие открытых
крупных пор делает материал проницаемым для воды, неморозостойким,
но в то же время он приобретает акустические свойства.
Гидрофизические свойства проявляют материалы и изделия при
контакте с водой. Наиболее важные из них – гигроскопичность, водопоглощение, водостойкость, водопроницаемость, морозостойкость, воздухостойкость.
Гигроскопичность – свойство материала поглощать водяные пары
из воздуха и удерживать их на своей поверхности. Чем мельче поры, тем
больше общая площадь поверхности (при условии равной общей пористости и одинакового вещественного состава), следовательно, гигроскопичность выше. Этот процесс является обратимым и зависит от влажности
воздуха. При снижении влажности часть гигроскопичной влаги испаряется. В зависимости от вещественной природы материала гигроскопичность
различна. Одни материалы притягивают к своей поверхности молекулы
воды (острый угол смачивания) и называются гидрофильными – бетон,
древесина, стекло, кирпич; другие, отталкивающие воду (тупой угол смачивания), – гидрофобными: битум, полимерные материалы. Характеристикой гигроскопичности служит отношение массы влаги, поглощенной
материалом из воздуха, к массе сухого материала, выраженное в %.
Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать
воду. Характеризуется это свойство количеством воды, поглощенной высушенным до постоянной массы материалом, полностью погруженным
11
в воду, выраженным в % от массы (водопоглощение по массе) – Wм
(СТБ 4.2306-94) или в % от объема (водопоглощение по объему или открытая пористость) – Wо
Wм
m1
m
m
100 ,
(5)
Водопоглощение по объему рассчитывают по формуле (4). Этот показатель зависит от объема, природы пор (замкнутые, открытые) и степени
гидрофильности материала. Так, водопоглощение гранита составляет 0,02 –
0,7 %, тяжелого бетона 2 – 4 %, кирпича 8 – 15 %. В результате насыщения
водой свойства материалов значительно изменяются: увеличиваются средняя плотность и теплопроводность, объем изделий. Вследствие нарушения
связей между частицами материала проникающими молекулами воды
прочность его снижается. Отношение предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, Rв к пределу прочности при сжатии в сухом
состоянии Rс называется коэффициентом размягчения Кразм
Rв
.
Rс
К разм
(6)
Этот коэффициент характеризует водостойкость материалов. Для
глины, гипса он равен нулю, металла, стекла – единице. Материалы с Кразм
> 0,8 водостойки, с Кразм< 0,8 – не водостойки и применять их в конструкциях, испытывающих постоянное действие воды (фундаменты при наличии грунтовых вод, дамбы, плотины), согласно ГОСТу запрещено.
Влагоотдача – способность материала отдавать влагу при снижении
влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности влажности
образца и окружающей среды. Чем она выше, тем интенсивнее идет высушивание изделия. Крупнопористый гидрофобный материал отдает воду
быстрее, чем мелкопористый гидрофильный. В естественных условиях
влагоотдачу строительных материалов характеризуют интенсивностью
потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и Т = 20 °С.
Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость оценивают по коэффициенту фильтрации Кф
(см/с). Особенно важно это свойство при строительстве гидротехнических
сооружений (дамбы, плотины, молы, мосты), резервуаров, возведении стен
подвалов при наличии грунтовых вод. Коэффициент фильтрации непосредственно связан обратной зависимостью с водонепроницаемостью материала, по которой ему присуждают марку. Чем ниже Кф, тем выше марка
12
по водонепроницаемости. Водонепроницаемость (например, бетона) характеризуется маркой W2, W4...W12, обозначающей одностороннее гидростатическое давление в атмосферах, при котором образец не пропускает
воду в условиях стандартных испытаний. Испытания проводят на специальной установке.
Морозостойкость – способность материала сохранять свою прочность при многократном попеременном замораживании в водонасыщенном
состоянии и оттаивании в воде. Для материалов, эксплуатируемых в условиях знакопеременных температур наружного воздуха, морозостойкость
является одним из важнейших свойств, обеспечивающих их долговечность
(дорожные покрытия, бордюрные камни, стеновые материалы). Разрушение
материалов при их замораживании в водонасыщенном состоянии связано с
образованием в порах льда, объем которого примерно на 9 % больше объема замерзшей воды. Поэтому если все поры в материале будут заполнены
водой, то разрушение должно было бы произойти после первого цикла замораживания. Способность материала противостоять морозному разрушению обусловлена, в первую очередь, присутствием в его структуре определенного объема замкнутых пор, в которые и отжимается часть воды под
действием давления растущих кристаллов льда. Таким образом, главными
факторами, определяющими морозостойкость материала, являются показатели структуры, от которых зависят степень насыщения водой и интенсивность образования льда в порах.
В строительстве морозостойкость материала количественно оценивают маркой F (СТБ 4.206-94), т.е. числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживают образцы материала без снижения прочности на 5– 25 % и массы на 3 – 5 % в зависимости от назначения материала.
Установлены следующие марки по морозостойкости: тяжелый бетон
F50 – F500, легкий бетон F25 – F500, кирпич, стеновые керамические камни F15 – F100.
Воздухостойкость – способность материала длительно выдерживать
многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Природные и искусственные хрупкие каменные материалы (бетон, керамика), сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются вследствие возникновения растягивающих напряжений. В подобных условиях работают дорожные покрытия,
надводные части гидротехнических сооружений.
13
К основным теплофизическим свойствам, оценивающим отношение материала к тепловым воздействиям, относятся теплопроводность,
теплоемкость, термостойкость, жаростойкость, огнеупорность, огнестойкость.
Теплопроводность – способность материала пропускать тепловой
поток при условии разных температур поверхности изделия. Степень теплопроводности материалов характеризует коэффициент, который равен
количеству тепла, проходящего через стену из испытуемого материала
толщиной 1 м площадью 1 м2 за 1 ч при разности температур противоположных поверхностей стены 1 К. Коэффициент теплопроводности измеряют в Вт/(м К) – СТБ 4.206-94
Q
,
(7)
A(t1 t 2 ) T
где Q – количество тепла, Дж; – толщина материала, м; А – площадь сечения, перпендикулярного направлению теплового потока, м2; (t1 – t2) –
разность температур, К; Т – продолжительность прохождения тепла, ч.
Теплопроводность материала зависит от вещественного состава,
строения и характера пористости, температуры и влажности материала.
Особенности структуры оказывают значительное влияние на теплопроводность. Например, если материал имеет волокнистое строение, то тепло
вдоль волокон передается быстрее, чем поперек. Так, теплопроводность
древесины вдоль волокон равна 0,30, а поперек – 0,15 Вт/(м К). Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые; материалы
с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы
с сообщающимися порами. Это объясняется тем, что в крупных и сообщающихся порах возникает движение воздуха, облегчающее перенос тепла. Наличие воды в порах материала повышает его теплопроводность, так
как вода имеет коэффициент 0,50 Вт/(м К), а воздух – 0,02 Вт/( м К). При
замерзании влажных материалов коэффициент теплопроводности еще более повышается, потому что коэффициент теплопроводности льда равен 2,
т.е. в 100 раз больше, чем у воздуха.
Теплоемкость – свойство материала поглощать при нагревании определенное количество тепла. При охлаждении материалы выделяют тепло, причем тем больше, чем выше их теплоемкость. Коэффициент теплоемкости равен количеству тепла (Дж), необходимого для нагревания 1 кг
материала на 1 К
14
C
Q
m(t1
t2 )
,
(8)
где Q – количество тепла, кДж; т – масса материала, кг; (t1 – t2) – разность
температур, К.
Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетон,
кирпич, природные каменные материалы) изменяется в пределах 0,75 –
0,92 кДж/(кг К), древесины – 2,7 кДж/(кг К), вода имеет наибольшую теплоемкость – 4 кДж/(кг К). Поэтому с повышением влажности материалов
их теплоемкость возрастает. Этот показатель имеет большое значение при
проверке теплоотдачи стен и перекрытий, расчете подогрева материалов
для зимних работ. Если строительный материал состоит из нескольких составных частей (например, бетон или строительный раствор), то коэффициент теплоемкости такого материала рассчитывают по формуле теплоемкости смеси
p1 C1 p 2 C 2 ... p n C n
C
,
(9)
p1 p 2 ... p n
где p – весовые части составляющих материалов; С – коэффициенты их
теплоемкости.
Термостойкость – способность материала выдерживать без разрушений определенное количество резких колебаний температуры. Единицей измерения этого свойства является количество теплосмен, определяемое для многих теплоизоляционных и огнеупорных материалов.
Жаростойкость – способность материала выдерживать температуру
эксплуатации до 1000 °С без нарушения сплошности и потери прочности.
Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное
воздействие высоких температур без деформаций и разрушения. По степени огнеупорности материалы подразделяют на огнеупорные, работающие
без снижения свойств при температуре свыше 1580 °С, тугоплавкие – 1580
– 1350 °С и легкоплавкие – ниже 1350 °С. К этим материалам специального назначения относятся шамотные (обожженная глина), динасовые (состоящие в основном из оксида кремния) и высокоглиноземистые (содержащие преимущественно оксид алюминия), которые применяют в виде
мелкоштучных кирпичей для внутренней футеровки промышленных тепловых агрегатов (доменные, сталеплавильные, стекловаренные печи, автоклавы и т.д.).
Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня
при пожаре в течение определенного времени. Ко всем материалам, ис15
пользуемым в строительстве, и особенно к тем, из которых выполняют несущие конструкции: стены, колонны, перекрытия, – предъявляют требования по огнестойкости, которые зависят от категории здания и сооружения
по пожаробезопасности, определяемой СНиП, СНБ. Для оценки огнестойкости введен показатель возгораемости, основанный на трех признаках предельного состояния: потере несущей способности (снижение прочности и
увеличение деформаций), теплоизолирующих свойств и сплошности. Предел огнестойкости конструкций и материалов характеризуется временем (ч)
с начала теплового воздействия и до появления одного из признаков предельного состояния.
По возгораемости строительные материалы подразделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
К несгораемым относят бетон, кирпич, сталь, природные каменные
материалы.
Трудносгораемые – материалы, которые под действием огня или
высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются,
но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются
(фибролит, состоящий из древесных стружек и цементного камня, асфальтобетон, некоторые полимерные материалы).
Сгораемые – материалы, которые при контакте с огнем загораются
и горят открытым пламенем даже в случае ликвидации источника огня
(древесина, битум, полимерные материалы).
При действии звука на материал проявляются его акустические
свойства. По назначению акустические материалы делят на четыре группы: звукопоглощающие, звукоизолирующие, виброизолирующие и
вибропоглощающие.
Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения
шумового звука. Основной акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству падающей
на поверхность материала в единицу времени. Звукопоглощающими материалами называют те, у которых коэффициент звукопоглощения больше
0,2. Эти материалы обладают открытой пористостью или имеют шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук.
Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Оценку эффективности звукоизоляционных мате16
риалов проводят по двум основным показателям: динамическому модулю
упругости и относительной сжимаемости (%) под нагрузкой.
Виброизолирующие и вибропоглощающие материалы предназначены для устранения передачи вибрации от машин и механизмов на
строительные конструкции зданий.
1.5. Химические свойства
Химические свойства характеризуют способность материала к химическим взаимодействиям с другими веществами. Возможность химических
и физико-химических процессов определяется наличием у строительных
материалов таких свойств, как химическая активность, растворимость,
способность к кристаллизации и адгезии.
Химическая активность может быть положительной, если процесс
взаимодействия приводит к упрочнению структуры (образование цементного, гипсового камня), и отрицательной, если протекающие реакции вызывают разрушение материала (коррозионное действие кислот, щелочей, солей).
Химическая или коррозионная стойкость – это свойство материалов противостоять разрушающему действию жидких и газообразных агрессивных сред. Химическую стойкость оценивают специальным коэффициентом, который рассчитывают по отношению прочности (массы) материала после коррозионных испытаний (в случае кислот и щелочей образцы
в течение двух часов кипятят соответственно в концентрированном растворе кислоты или щелочи) к прочности (массе) до испытаний. При коэффициенте 0,90 – 0,95 материал признается химически стойким по отношению к исследуемой среде. Органические материалы – древесина, битумы,
пластмассы – при обычных температурах относительно стойки к действию
кислот и щелочей слабой и средней концентрации. Свойства неорганических материалов зависят от их состава.
Действие солей приводит к накоплению кристаллических продуктов
в порах материала, вызывающему рост деформаций и разрушение изделия.
1.6. Механические свойства
Механические свойства характеризуют поведение материалов при
действии нагрузок различного вида (растягивающей, сжимающей, изгибающей и т.д.). В результате механических воздействий материал деформируется. Если внешние усилия невелики, деформация является упругой,
17
т.е. после снятия нагрузки материал возвращается к прежним размерам.
Если нагрузка достигнет значительной величины, кроме упругих деформаций появляются пластические, приводящие к необратимому изменению
формы. Наконец, при достижении некоторой предельной величины происходит разрушение материала. В зависимости от того, как материалы ведут
себя под нагрузкой, их подразделяют на пластичные (изменяют форму под
нагрузкой без появления трещин и сохраняют изменившуюся форму после
снятия нагрузки) и хрупкие. Пластичные – это, как правило, материалы
однородные, состоящие из крупных, способных смещаться относительно
друг друга молекул (органические вещества), или состоящие из кристаллов с легко деформируемой кристаллической решеткой (металлы). Хрупкие материалы (бетон, природный камень, кирпич) хорошо сопротивляются сжатию и в 5 –50 раз хуже – растяжению, изгибу, удару (соответственно
стекло – гранит).
Прочность строительных материалов характеризуется пределом
прочности, под которым понимают напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение материала, к единице площади.
Предел прочности на сжатие или растяжение определяют по формуле (СТБ 4.206-94, ГОСТ 10180-90)
F
Rсж
, (МПа), (кгс/см2),
(10)
A
где F – разрушающая нагрузка, Н (кгс); А – площадь поперечного сечения
образца до испытания, мм2 (см2).
Определение предела прочности на сжатие строительных материалов проводят согласно ГОСТам путем испытания образцов кубов на механических или гидравлических прессах. Прочность зависит от структуры
материала, вещественного состава, влажности, направления и скорости
приложения нагрузки.
Связь между пределом прочности на сжатие и величиной средней
плотности используют для оценки эффективности материала в конструкциях, вычисляя коэффициент конструктивного качества (ККК) по формуле
Rсж
ККК
.
(11)
ср
Например, ККК для стали равен 0,5 – 1,0; древесины – 0,7; пластмасс – 0,5 – 2,5; кирпича – 0,06 – 0,15.
18
Предел прочности на изгиб определяют по формулам: при одной
сосредоточенной нагрузке и балки прямоугольного сечения
Rизг
3Fl
2
2 , (МПа), (кгс/см ),
2ab
(12)
при двух равных нагрузках, расположенных симметрично оси балки
3F (l h)
, (МПа), (кгс/см2)
(13)
2
ab
где F – разрушающая нагрузка, Н (кгс); l – пролет между опорами, мм
(см); a и b – ширина и высота поперечного сечения балки, мм (см); h –
расстояние между грузами, мм (см).
В расчете строительных материалов на прочность допускаемые напряжения должны составлять лишь часть их предела прочности. Создаваемый запас обусловлен неоднородностью строения большинства строительных материалов, недостаточной надежностью полученных результатов при
определении предела прочности, отсутствием учета многократного переменного действия нагрузки, старения материалов и т.д. Запас прочности и
величину допускаемого напряжения определяют и устанавливают в соответствии с нормативными требованиями в зависимости от вида и назначение материала, долговечности строящегося сооружения.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению
в его поверхность другого более твердого тела правильной формы. Для определения твердости существуют несколько методов. Твердость каменных
материалов, стекла оценивают с помощью минералов шкалы твердости
Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твердости (1 – тальк или мел, 10 – алмаз). Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим минералом.
Твердость металлов и пластмасс рассчитывают по диаметру отпечатка
вдавливаемого стального шарика определенной массы и размера (метод
Бринелля), по глубине погружения алмазного конуса под действием заданной нагрузки (метод Роквелла) или площади отпечатка алмазной пирамиды
(метод Виккерса). Твердость материалов определяет возможность их использования в конструкциях, подвергающихся истиранию и износу (полы,
дорожные покрытия).
Истираемость характеризуется величиной потери первоначальной
массы материала (г), отнесенной к единице площади (см2) истирания.
Rизг
19
Истираемость определяют на специальных кругах или посредством воздействия на поверхность материала воздушной или водной струи, несущей
в себе зерна абразивных материалов (песок определенной крупности). Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для
полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней. Некоторые материалы
испытывают также на износ.
Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых для покрытия полов в цехах промышленных предприятий. Предел
прочности материала при ударе характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема. Испытание
материалов проводят на специальном приборе-копре.
Износ – разрушение материала при совместном действии истирающей и ударной нагрузок. Для определения износостойкости образцы материала испытывают в специальном вращающемся барабане с металлическими шарами. Прочность оценивают по потере массы образцов, выраженной в процентах. Износу подвергаются покрытия дорог, аэродромов и
полов промышленных предприятий. Совокупность свойств материалов
должна обеспечивать их долговременную нормативную эксплуатацию в
зданиях и сооружениях – долговечность.
1.7. Технологические свойства
Технологические свойства характеризуют способность материала
подвергаться тому или иному виду обработки. Так, например, к технологическим свойствам древесины относятся: хорошая гвоздимость, легкость
обработки различными инструментами. Технологические свойства некоторых полимерных материалов включают способность обтачиваться, сверлиться, легко склеиваться, свариваться. Бетонные, растворные, глиняные,
асфальтобетонные и другие смеси обладают пластичностью, вязкостью,
которые обеспечивают заполнение определенного объема.
Пластично-вязкие материалы по своим физическим свойствам занимают промежуточное положение между жидкими и твердыми и при определенных условиях могут как бы совмещать свойства твердого тела и
жидкости. Известно, что глиняное или иное тесто можно разрезать ножом,
чего нельзя сделать с жидкостью, но вместе с тем это же тесто под действием внешних сил может принимать форму сосуда, т.е. ведет себя как
жидкость.
Пластичность – способность материала деформироваться без разрыва сплошности под влиянием внешнего механического воздействия и
сохранять полученную форму, когда действие внешней силы прекращается.
20
Пластичность – это важное свойство, влияющее на технологию производства бетонов, строительных растворов, керамических и других строительных
материалов, а также на свойства готовых изделий. При высокой пластичности ускоряются и удешевляются операции смешивания и формования, повышается однородность готовых изделий, что благоприятно сказывается на
их физических и механических свойствах, химической стойкости.
Вязкостью или внутренним трением называют сопротивление
жидкости передвижению одного ее слоя относительно другого. Когда какой-либо слой жидкости приводится в движение, то соседние с ним слои
тоже вовлекаются в движение и оказывают ему сопротивление. Величина
этого сопротивления зависит от вещественного состава и температуры.
Для количественной характеристики вязкости служит коэффициент динамической вязкости, который измеряют в Па с. Вязкостные свойства
имеют большое значение при использовании органических вяжущих материалов, синтетических и природных полимеров, клеев, масел, красочных
составов. Вязкость этих материалов снижается при нагревании и резко повышается с понижением температуры.
Свойства строительных материалов представлены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Свойства строительных материалов
Физические
общефизические
Плотность:
истинная
средняя
насыпная
гидрофизические
Гигроскопичность
Водопоглощение
Влагоотдача
Пористость: Воздухообщая
стойкость
открытая
Морозо(капилляр- стойкость
ная)
Водопрозамкнутая
ницаемость
теплофизические
Теплопроводность
Теплоемкость
Термостойкость
Жаростойкость
Огнеупорность
Огнестойкость
акустические
Звукопоглощение
Звукоизоляция
Механические
Предел
прочности
на сжатие,
растяжение, изгиб
Химические
Химическая Пластичактивность ность
РаствориВязкость
мость
Ковкость
Вибропог- Твердость Кристаллощение
лизация
Виброизо- Истирае- Коррозионляция
мость
ная стойкость:
Сопротив- кислотоление
стойкость,
удару
щелочеИзнос
стойкость,
солестойкость
21
Технологические
Гвоздимость и т.д.
ГЛАВА 2.
ОРГАНИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В зависимости от химического состава все строительные материалы
можно условно разделить на органические и неорганические. К органическим материалам относятся: древесина, органические вяжущие, которые
могут встречаться как в природе, так и быть полученными путем глубокого окисления нефти, а также синтезированные полимеры.
2.1. Древесина
Древесину применяют издавна в строительстве благодаря ряду присущих ей положительных свойств: высокой прочности при небольшой
средней плотности (ККК = 0,7 – 0,8), малой теплопроводности, легкости
обработки и декоративности. В строительстве применяют как хвойные, так
и лиственные породы. Область их рационального использования представлена в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Применение хвойных и лиственных пород в строительстве
Применение
в строительстве
Древесные породы
лиственные
хвойные
сосна,
ель
лиственница
дуб
ясень
береза,
осина
бук,
граб
Производство фанеры
+
+
+
+
+
+
Мостостроение
Гидротехническое
строительство
+
–
+
+
+
+
+
+
+
–
+
–
Изготовление шпал
–
+
–
–
–
–
Изготовление паркета
–
–
+
+
–
+
Стеновые отделочные
материалы
–
–
+
+
+
+
Дерево состоит из ствола, кроны и корней. Ствол является основной и
наиболее ценной частью, из него получают от 60 до 90 % деловой древесины.
По своему строению древесина является волокнистым пористым материалом, состоящим из живых и мертвых клеток. По назначению клетки
подразделяют на проводящие питательные вещества, запасающие их и механические. Макроструктуру древесины изучают в поперечном и двух
продольных сечениях: радиальном и тангенциальном (рис. 2.1).
22
Рис. 2.1. Разрезы ствола дерева:
а – торцевой; б – тангенциальный; в – радиальный;
Элементы древесины: 1 – сердцевина; 2 – ядро; 3 – заболонь; 4 – кора
На поперечном сечении у хвойных пород имеются годовые кольца.
Каждое кольцо состоит в свою очередь из светлого кольца ранней древесины и более темного – поздней. Ранняя древесина образовалась весной
или в начале лета, она состоит из крупных тонкостенных клеток, склонна к
загниванию, имеет большую пористость и низкую прочность. Древесина,
образовавшаяся летом и в начале осени (поздняя), имеет темный цвет
вследствие насыщения смолянистыми веществами, большую плотность и
прочность. Следовательно, чем больше образовалось поздней древесины,
тем выше ее общая прочность и стойкость по отношению к воде.
Вследствие волокнистого строения древесина относится к анизотропным материалам, т. е. все ее физические и механические свойства в
разных направлениях различны.
2.1.1. Общие свойства
Каждая порода дерева имеет характерный цвет и текстуру (рисунок).
Хвойные породы в основном обладают простым и однообразным рисунком, древесина лиственных пород – сложным. Благодаря богатству и разнообразию текстуры ряд пород – дуб, бук, орех, каштан – высоко ценятся в
столярно-отделочных работах.
Истинная плотность древесины, состоящей в основном из целлюлозы, составляет 1540 кг/м3 и практически не зависит от породы дерева.
Средняя плотность колеблется от 450 кг/м3 (кедр, пихта) до 900 кг/м3 и бо-
23
лее (граб, железное дерево, самшит, кизил) и зависит от общей пористости,
которая для хвойных пород равняется 46 – 81 %, лиственных – 32 – 80 %.
Вследствие гидрофильной природы и волокнистой пористой структуры древесина при изменении температурно-влажностных условий эксплуатации легко впитывает и отдает влагу. В зависимости от влажности
(степень насыщения водой в %) древесину подразделяют на мокрую – свежесрубленную (более 35 %), воздушно-сухую (15 – 20 %) и комнатносухую (8 – 12 %). Влажность, приобретенную древесиной при длительном
нахождении в условиях постоянного температурно-влажностного режима,
называют равновесной. Полная влажность (при погружении в воду) может
доходить до 200 %. Так как влажность влияет на все физические и механические свойства древесины (увеличиваются размеры, повышается электрои теплопроводность, снижается прочность), то с целью анализа области
применения вводят показатель стандартной влажности – 12 % и все
свойства пересчитывают с его учетом по специальным формулам. Влага в
древесине находится в трех видах: химическая, входящая в состав основного вещества целлюлозы, гигроскопическая, адсорбированная на стенках
клеток, и свободная, заполняющая клетки и межклеточные пространства.
Колебания влажности влекут изменения размеров и форм изделий.
Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково. Вдоль волокон усушка составляет 1 см на 1 м
(1 %), в радиальном направлении 3 – 6 см на 1 м (3 – 6 %), в тангенциальном 6 – 12 см на 1 м (6 – 12 %). Неравномерность усушки и, как следствие,
коробление приводят к появлению внутренних напряжений и растрескиванию пиломатериалов и бревен. Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий их изготавливают из древесины, предварительно высушенной до той равновесной влажности, которая будет при
эксплуатации. Для столярных изделий, эксплуатируемых внутри помещения, влажность 8 – 10 %, для наружных конструкций 15 – 18 %. Чтобы защитить древесину от последующего увлажнения, ее покрывают водостойкими красками, полимерными пленками. В круглом лесе и пиломатериалах
трещины усушки образуются в первую очередь на торцах. Для уменьшения растрескивания торцы бревен, брусьев обмазывают смесью из извести,
соли и клея или другими защитными составами.
При влажных условиях эксплуатации древесина подвергается разрушающему действию микроорганизмов – загнивает. Предохраняют древесину от разрушения и продлевают срок службы конструкций и изделий в
зданиях и сооружениях за счет обеспечения вентиляции, предварительной
24
естественной или искусственной сушки, окраски водостойкими красочными
и пастовыми составами и антисептированием. Сушку проводят или в хорошо
вентилируемом складе под навесом в течение от 2 – 3 месяцев до полутора
лет, или с использованием специального оборудования. Для искусственной
сушки применяют специальные камеры-сушила непрерывного и периодического действия с естественной и принудительной циркуляцией воздуха. Теплоносителем является сначала водяной пар с температурой 70 – 80 °С, а затем
нагретый до 50 – 60 °С воздух. Продолжительность сушки – 3 – 6 сут.
Для ускорения процесса сушки до 8 – 12 ч пакет деревянных изделий
погружают в ванну с нагретым до 130 °С петролатумом, представляющим
собой гидрофобный продукт переработки нефти. Сушку особо ценной древесины проводят в поле токов высокой частоты. Метод основан на превращении энергии переменного электрического тока в тепловую энергию,
вызывающую нагрев древесины и испарение воды.
Антисептирование проводят с использованием специальных веществ
– антисептиков, которые подразделяют на водорастворимые (фтористый
и кремнефтористый натрий, хлористый цинк, медный купорос), применяемые для условий эксплуатации в помещении, и маслянистые (антраценовое, каменноугольное, сланцевое масло), используемые для древесины, находящейся на открытом воздухе, в земле или в воде. Аналогичное назначение имеют антисептические пасты для обмазки на основе битума и жидкого стекла. Последние не водостойки и поэтому сверху их защищают такими гидроизоляционными рулонными материалами, как толь, рубероид.
К антисептикам предъявляют следующие требования: возможно
большая токсичность по отношению к дереворазрушающим микроорганизмам; длительное сохранение токсичных свойств; отсутствие вредного
влияния на прочность древесины и металла крепления (болты, гвозди);
способность как можно глубже проникать в толщу древесины; безвредность для людей.
Пропитка древесины антисептиками может проводиться несколькими методами: поверхностная обработка кистями на глубину 1 – 2 мм; поочередное погружение изделий в горяче-холодные ванны с температурой
90 – 20 °С соответственно; под давлением 0,6 – 0,8 МПа в автоклавах; насыщением в высокотемпературной ванне при 160 – 170 °С.
Теплопроводность и электропроводность древесины зависят от ее
пористости, влажности и направления потока тепла или электрического
тока. В сухом состоянии древесина является теплоизоляционным материалом и хорошим диэлектриком.
25
По огнестойкости древесина относится к сгораемым материалам, ее
возгорание происходит при температуре 250 – 300 °С. Нормами допускается использование древесины для изготовления балок, колонн, арок, ферм, рам
при условии пропитки материала специальными огнезащитными веществами
– антипиренами. Наиболее эффективен метод обработки под давлением.
Традиционными средствами огнезащиты деревянных конструкций являются покрытия на основе цементно-песчаных, глиняных и других штукатурок. Для огнезащиты древесины широко применяют также разнообразные краски – невспучивающиеся и вспучивающиеся, неорганические и органические. Покрытия и краски защищают материал от воспламенения,
выделяя при нагревании газы, препятствующие процессу горения и поглощающие выделяющуюся теплоту, или воду, поддерживающую температуру на уровне 100 °С. Для огнезащиты деревянных конструкций применяют также плитные и листовые материалы. Наиболее широкое распространение нашли гипсокартонные и асбестоцементные листы. Их применение позволяет увеличить предел огнестойкости деревянных конструкций
на 20 – 30 мин при толщине 10 мм.
Химическая стойкость древесины зависит от концентрации и длительности воздействия растворов кислот и щелочей. Органические кислоты (уксусная, молочная и т.п.) не разрушают этот материал, в равной мере
как и слабощелочные растворы. Неорганические кислоты (серная, фосфорная) обезвоживают древесину, вызывая ее обугливание.
Механические свойства древесины зависят от направления прилагаемой нагрузки по отношению к древесным волокнам, средней плотности
и влажности.
Предел прочности при сжатии определяют вдоль и поперек волокон
на образцах в виде прямоугольной призмы размером 20x20x30 мм. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 4 – 6 раз больше, чем поперек. Например, для сосны вдоль волокон – 100 МПа, поперек – 20 – 25 МПа.
Древесина вследствие своего органического происхождения и волокнистого строения оказывает большое сопротивление изгибу, поэтому ее применяют при изготовлении балок, стропил, ферм. Прочность, которая колеблется от 50 до 100 МПа, определяют на образцах-балочках 20x20x300 мм.
Испытания проводят по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах с
пролетом 240 мм и нагруженной двумя сосредоточенными грузами на расстоянии 80 мм.
На скалывание древесина работает в стропильных фермах. Эта
прочность составляет 6 – 13 МПа при скалывании вдоль волокон и 24 –
40 МПа поперек волокон.
26
Статическая твердость численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в поверхность образца половины металлического
шарика определенной массы и диаметра. В зависимости от этого показателя все древесные породы подразделяют на мягкие (сосна, ель, ольха) –
35 – 50 МПа, твердые (дуб, граб, береза) – 50 – 100 МПа, очень твердые
(кизил, самшит) – больше 100 МПа. Твердость древесины понижается с
увеличением ее влажности.
Наряду со статической твердостью определяют динамическую
твердость по диаметру отпечатка, полученного в результате падения с заданной высоты металлического шарика определенной массы и диаметра.
Этот показатель является важным для оценки качества материалов, применяемых для покрытия пола.
При работе балок, арок, ферм очень важно такое свойство, как динамический модуль упругости материала, который рассчитывают по величине прогиба образца-балочки. Например, для сосны и ели динамический модуль упругости составляет 1000 – 15000 МПа. Показатель этот возрастает с увеличением плотности и снижается при увлажнении.
Один из перспективных способов значительного улучшения свойств
древесины – модификация ее синтетическими полимерами. Сущность модификации состоит в том, что натуральную древесину пропитывают жидким мономером, который затем отверждают под действием тепла, химических реагентов или ионизирующего излучения. Особенность модификации
состоит в том, что синтетический полимер не просто заполняет свободное
пространство между волокнами, а взаимодействует с компонентами древесины. В результате исключаются такие недостатки, как набухание и усушка,
коробление и растрескивание, загнивание и возгорание. При этом древесина
сохраняет свои положительные качества: низкую плотность, высокую прочность, тепло- и звукоизолирующую способность, химическую стойкость.
Наибольший эффект от модификации получают в том случае, если в качестве
исходного материала используют древесину с низкими физикомеханическими показателями, т.е. древесину малоценных пород, не имеющую пока достаточно широкого технического применения, например, осину.
2.1.2. Материалы и изделия из древесины
Материалы из древесины применяют в строительстве в качестве конструкционных, отделочных, теплоизоляционных, акустических и столярных изделий.
27
К конструкционным материалам относят круглые лесоматериалы,
пиломатериалы, фанеру, древесные слоистые пластики, фибролит, арболит, цементно-стружечные плиты.
Круглые лесоматериалы получают путем очистки от коры и распиловки стволов деревьев. В зависимости от диаметра верхнего торца их
подразделяют на бревна (не менее 14 см), подтоварник (8 – 13 см) и жерди
(3 см). Толстые короткие лесоматериалы (длиной до 3 м) диаметром более
200 мм называют кряжами, их используют для изготовления древесного
шпона, фанеры; бревна – для выработки пиломатериалов, возведения бревенчатых домов, изготовления свай, гидротехнических сооружений, элементов мостов, опор линий связи, радио- и электропередачи; подтоварник
и жерди – для вспомогательных и временных сооружений.
При раскрое бревен получают пиломатериалы различного вида и
размеров (брусья, шпалы, доски) (рис. 2.2). Из бревен, досок и брусьев изготавливают клееные конструкции: рамы, арки, фермы, балки, сваи, прочность, жесткость и несущую способность которых повышают путем армирования стальными стержнями, проволокой, сеткой или стеклопластиковой
арматурой.
Фанера представляет собой листовой материал, склеенный из трех и
более слоев лущеного шпона таким образом, чтобы направление волокон в
смежных слоях было взаимно перпендикулярным. Такое строение повышает однородность изделия по свойствам, исключает усадочные деформации и коробление.
Шпон – тонкий листовой материал, полученный лущением или
строганием на специальных станках распаренных кряжей.
Рис. 2.2. Пиломатериалы:
а – пластины; б – четвертины; в – горбыль; г, е – доска обрезная; д – доска
полуобрезная; ж – брус четырехканатный; з – брус чистообрезной
28
В строительстве фанеру применяют для выполнения обшивки внутренних перегородок на деревянной раме, пространственных конструкций в
виде сводов и куполов, а также клееных балок, арок и ферм. С целью повышения прочности, твердости и жесткости при изготовлении фанеры между ее слоями прокладывают металлическую сетку. В этом случае фанера
называется армированной и может применяться в особо ответственных
конструкциях. В производстве изделий из фанеры важное место занимают
трубы. В зависимости от технологии фанерные трубы могут быть прессованными или полученными методом рулонной навивки – витые. Эти изделия обладают повышенной противокоррозионной стойкостью и предназначены для транспортировки сточных вод, нефти, масел, а также слабоагрессивных производственных растворов. В качестве конструкционного материала фанерные трубы используют для колонн, мачт, опор, ферм.
Древесные слоистые пластики представляют собой листовой материал, полученный методом прессовки нескольких слоев шпона, пропитанного при высокой температуре высокомолекулярными смолами. Технология производства пластика включает подготовку древесного шпона, пропитку его полимерами, сушку пропитанного шпона, сборку в пакеты, прессование, обрезку по заданным размерам. Из пластиков выполняют обшивку градирен, конструкции жестких пространственных оболочек для покрытия помещений больших пролетов (крытые стадионы, цирки, рынки), наружную и внутреннюю отделку производственных помещений.
Фибролитом называют плитный материал из тонких длинных древесных стружек и минерального вяжущего (чаще портландцемента). Технология получения включает химическую обработку древесных отходов,
смешивание их с водой и цементом до получения однородной массы, заполнение формы и твердение изделий. Плиты фибролита можно пилить и
сверлить обычными деревообрабатывающими инструментами, в них легко
забивать гвозди и ввертывать шурупы; они хорошо оштукатуриваются и
окрашиваются; прочно сцепляются с незатвердевшим бетоном и надежно
крепятся к поверхности бетонных и каменных конструкций. Фибролит морозостоек, не загнивает, не поражается грызунами. По огнестойкости материал относится к трудносгораемым. Физико-механические свойства материала зависят от его плотности, которую регулируют количеством минерального вяжущего и степенью уплотнения. В зависимости от плотности
выпускают конструкционный, теплоизоляционный и акустический фибролит. Конструкционные фибролитовые плиты применяют в качестве перекрытий, перегородок и покрытий сельскохозяйственных и складских зда-
29
ний, а также стен деревянных стандартных домов, теплоизоляционный и
акустический – для обеспечения комфортных условий проживания и работы в жилых и общественных зданиях.
Арболит представляет собой легкий деревобетон на минеральном
вяжущем. Для изготовления арболита используют дробленые отходы лесопиления и переработки древесины различных пород, а также измельченные
сучья, ветви, вершины, горбыли, рейки. В качестве минерального вяжущего чаще применяют портландцемент, реже – известь с гидравлическими
добавками, в отдельных случаях – магнезиальные вяжущие и гипс. Технология изготовления аналогична фибролиту. Из арболита делают навесные
и самонесущие панели наружных и внутренних стен, плиты покрытий. Поверхность панелей защищают асбестоцементными листами на шурупах,
цементным раствором, керамической плиткой. Не разрешается использовать изделия из арболита для цоколей, стен подвалов.
Перспективным материалом для деревянного домостроения являются цементно-стружечные плиты. В отличие от фибролита и арболита эти
плиты прессуют при повышенном давлении, поэтому они имеют большую
плотность и прочность. Цементно-стружечные плиты применяют для наружной обшивки стеновых панелей жилых домов, изготовления санитарно-техниче-ских кабин.
Выбор материалов для внутренней отделки зависит от назначения
помещений, условий эксплуатации и капитальности зданий. При этом учитывают не только декоративность, долговечность самого материала, но и
удобство его эксплуатации, условия санитарно-гигиенического содержания. Так, для отделки стен в жилых комнатах применяют вагонку, в помещениях общественного назначения – цементно-стружечные, древесностружечные, твердые древесноволокнистые плиты с отделкой лицевой поверхности декоративными лакокрасочными составами, полимерными
пленками, пластиком или шпоном ценных древесных пород.
Древесностружечные (ДСП) и древесноволокнистые (ДВП) плиты получают методом плоского прессования отходов древесины (стружек,
опилок), смешанных с горячими синтетическими смолами или клеевым
связующим. Аналогичные по свойствам плитные материалы отходов производят на основе переработки льна (костры) или костры в сочетании с
древесными волокнами.
Для облицовки внутренних стен общественных административных и
производственных зданий применяют декоративную фанеру с отделкой
лицевой поверхности специальной бумагой, имитирующей текстуру цен-
30
ных пород древесины или ткани, пленочным покрытием, строганым шпоном. Если проектом предусмотрена улучшенная или высококачественная
отделка, используют древесные слоистые пластики. При производстве отделочных работ широкое применение нашли обои, которые применяют для
оклейки стен и потолков. Это рулонный материал на бумажной основе с
печатным или рельефным рисунком. При защите бумажной поверхности
прозрачными пленочными составами (моющиеся, влагостойкие) их можно
использовать в комнатах, требующих влажной уборки (кухни, туалеты,
ванные).
Для покрытия полов в жилых и общественных помещениях применяют половые доски, паркет, паркетные доски, древесностружечные и
твердые древесноволокнистые плиты. Эти материалы нельзя использовать
в помещениях с влажным режимом работы (влажность более 60 %) и
большими пешеходными нагрузками (полы в вестибюлях, торговых залах,
столовых).
Такие материалы, как теплоизоляционный фибролит, арболит, мягкие древесноволокнистые плиты средней плотностью 175 – 500 кг/м3, применяют для утепления тонких кирпичных и бетонных стен в сельскохозяйственных постройках, ограждающих стеновых конструкций жилых, общественных и промышленных зданий с сухим режимом эксплуатации.
Акустические фибролитовые и мягкие древесноволокнистые плиты
применяют при строительстве зданий аэропортов, фойе театров, кафе, ресторанов, используя их для выполнения звукопоглощающих подвесных потолков. Для улучшения акустических свойств на их поверхность наносят
специальные объемные штукатурки или выполняют перфорацию.
К столярным изделиям относятся оконные и дверные блоки, подоконные доски, ворота деревянные. Номенклатура погонажных изделий
приведена на рис. 2.3. Материалы и изделия, применяемые в строительстве, представлены в табл. 2.2 (ил. 1 – 3).
Таблица 2.2
Применение материалов и изделий из древесины
Материалы и изделия
Область применения
1
2
Круглые лесоматериалы: Получение пиломатериалов, возведение бревенчатых домов,
длинномерные (бревна) изготовление свай, элементов мостов, опор линий связи, радио- и электропередачи
короткие диаметром
Получение древесного тонколистового шпона для изготовлеболее 200 мм (кряжи) ния фанеры пластиков и декоративной отделки ДСП и ДВП
31
Окончание табл. 2.2
1
2
Длинномерные пило- Изготовление клееных конструкций (рам, арок, балок, ферм).
материалы
(брусья, Обшивка стен при возведении сборно-каркасных индивидушпалы, доски)
альных домов, выполнение кровельной обрешетки, покрытие
полов (доски)
вагонка
Внутренняя и наружная отделка
Листовые
Выполнение каркасных внутренних перегородок; возведение
крупноразмерные
жестких оболочек сводов; производство клееных конструкизделия:
ций; изготовление труб
фанера
Каркасные внутренние перегородки, жесткие оболочки, внутдревесный пластик
ренняя и наружная отделка стен
Плитные
крупнораз- Выполнение ограждающих конструкций стен и внутренних
мерные материалы:
перегородок.
фибролит, арболит
Плиты пониженной плотности применяют в качестве теплоизоляционных и акустических материалов
цементно-стружечные
Наружная облицовка стеновых панелей; изготовление сани(ЦСП)
тарно-технических кабин; внутренняя отделка стен при условии дополнительного использования декоративного покрытия: пленочного, лакокрасочного
древесностружечные
Покрытие полов, отделка стен при использовании декоратив(ДСП), древесноволок- ных покрытий; выполнение каркасных перегородок (ДВПнистые (ДВП)
твердые). Мягкие древесноволокнистые плиты применяют в
качестве теплоизоляционных и акустических при выполнении
подвесных потолков
Мелкоштучные изде- Выполнение покрытия пола в помещениях с влажностью не
лия (паркет)
более 60 %
Столярные изделия
Оконные и дверные блоки, подоконные доски, ворота
Рис. 2.3. Погонажные изделия:
а – шпунтованные доски; б – фальцовые доски; в – плинтус;
г – наличник; д – поручень
32
2.2. Полимерные материалы и изделия
Еще в древнейшие времена были известны такие природные полимерные материалы, как битумы (асфальты). За 700 лет до н. э. в Вавилоне
природный полимер-битум применяли как цементирующий и водостойкий
материал при строительстве канала под рекой Евфрат. Впоследствии эти
материалы получили дальнейшее развитие только со второй половины XIX
века. Именно в этот период проводят работы, посвященные химической
переработке таких природных материалов, как целлюлоза, каучук и белок.
В начале XX века были искусственно синтезированы новые высокомолекулярные вещества уже не на основе существующих природных полимеров, а на основе простых по химическому составу веществ. Громадное значение при этом имели работы основателя теории строения органических
веществ русского химика Бутлерова, в частности, синтез изобутилена и исследования процесса его полимеризации.
Начиная с 30-х годов прошлого века, большое значение приобрели
полимеризационные пластики (полистирол, поливинилхлорид, полиметилмет-акрилат). Появились новые виды поликонденсационных полимеров: полиамидные, полиуретановые, кремнийорганические.
2.2.1. Получение и свойства полимерных материалов
В настоящее время высокомолекулярные смолы, основу всех полимерных материалов, получают химическим путем в результате полимеризации простых молекул или поликонденсацией разных органических соединений.
Процесс полимеризации осуществляется без выделения побочных
продуктов путем разрыва двойных, тройных химических связей и соединения молекул в длинные линейные или разветвленные структуры. Например, этилен (СН2=СН2)n при полимеризации образует линейный полиэтилен (-СН2-СН2-)n. Для повышения скорости реакции используют нагревание или давление, а также ультрафиолетовые лучи, катализаторы, инициаторы. К полимеризационным полимерам, которые нашли широкое
применение в строительстве, относятся: поливинилхлорид, полистирол,
полиизобутилен, полиэтилен высокого и низкого давления. В результате
реакции поликонденсации, в которой участвуют несколько веществ, образуются сложные по составу полимеры с линейным (полиамиды, поликарбонаты) или пространственным строением (фенолоформальдегидные,
33
эпоксидные). При поликонденсации наряду с образующимся полимером
выделяются такие побочные продукты, как газ или вода. В зависимости от
применяемого исходного сырья полимерные материалы подразделяют на
искусственные и синтетические. Искусственные получают путем химической модификации природных высокомолекулярных соединений (целлюлозы), синтетические – из различных мономеров. Сырьем для получения строительных материалов служат сложные пластические массы, которые состоят из смеси нескольких компонентов: связующего полимера,
предназначенного для обеспечения пластичности смеси в нагретом состоянии и твердости в охлажденном (синтетические смолы, каучуки, целлюлоза); наполнителя (тонкомолотый асбест, песок, отходы резины) для снижения стоимости, повышения трещиностойкости, теплостойкости, твердости; пластификатора – для повышения эластичности готового изделия;
отвердителя – для ускорения набора прочности; пигмента – для придания
цвета.
Свойства полимерных материалов и изделий, как и любых других,
зависят от их состава и структуры. Микроструктура определяется в большей степени самим веществом, а макроструктура – способом получения.
Изделия из пластических масс получают несколькими методами:
прямого прессования пропитанной горячими смолами основы (ткани,
древесного шпона, бумаги) в несколько слоев (листовые пластики) или полимерного пресс-порошка (плитки для облицовки полов); литьевого прессования вязкотекучей расплавленной смеси (плиточный и листовой материал с объемным рисунком для отделки стен и потолка); экструзии или
продавливания пластичной массы через насадку определенного размера и
формы (плинтусы, поручни для лестниц, рейки, герметизирующие и уплотняющие прокладки для окон и дверей, рулонное полотно для отделки
полов и стен); промазки верхней поверхности полотна основы (бумаги,
ткани, стеклоткани) пастообразной полимерной массой с последующим
глубоким нанесением рельефного рисунка; вальцево-каландровым методом, который состоит из тщательного перемешивания компонентов на
вальцах, последующей прокатки пластичной массы между двумя вращающимися в разные стороны валками с зазором, определяющим толщину будущего рулонного изделия, и нанесения объемного или плоского рисунка
на поверхность. Последними двумя способами получают рулонные материалы для отделки вертикальных и горизонтальных поверхностей в помещениях различного назначения.
34
Теплоизоляционные полимерные материалы получают несколькими способами. Первый – путем предварительного вспенивания пластичной полимерной массы за счет интенсивного механического перемешивания в сочетании с действием перегретого пара (110 °С) или введения пенообразующих добавок, последующей заливки смеси в форму, быстрого
охлаждения ее для фиксации пористой структуры и резки по размерам
(пенопласты).
Второй – предусматривает использование в составе полимерной массы газообразующих компонентов, заполнение формы, подогрев для
улучшения газообразования, быстрое охлаждение для фиксации структуры
и при необходимости – резка по размерам (поропласты).
Третий – за счет склеивания по контактам гофрированных листов
бумаги, ткани или древесного шпона, пропитанных горячей смолой (сотопласты).
Четвертый – снижение средней плотности за счет введения в полимерную массу высокопористых заполнителей (перлита) или волокнистых компонентов.
Широкое распространение полимерных материалов (пластмасс) в
строительстве основано на их положительных свойствах: низкой истинной плотности, высокой водостойкости, гидрофобности. Это материалы,
которые успешно работают в условиях действия истирающих нагрузок.
Механическая прочность хорошо сочетается в них с пластичностью и упругостью. Высокая коррозионная стойкость обеспечила их применение в
качестве антикоррозионных материалов для защиты бетонных и металлических конструкций. Имея неисчерпаемую цветовую палитру, пластмассы
могут с успехом имитировать такие материалы, как древесина, природный
камень, черные и цветные металлы. Важным положительным свойством
пластмасс является хорошая технологическая обрабатываемость. Их можно легко резать, сваривать, шлифовать и полировать. Способность пластмасс соединяться с другими органическими и неорганическими материалами позволяет создавать на их основе новые прогрессивные композиционные материалы и конструкции различного назначения.
Пластмассы имеют также ряд недостатков. Большинство из них обладают высоким коэффициентом термического расширения, повышенной
ползучестью, неогнестойки. Под воздействием атмосферных факторов и
особенно солнечных лучей полимеры стареют. Этот процесс сопровождается снижением прочности и эластичности. Материалы имеют сравнительно невысокую твердость и теплостойкость. По отношению к нагреванию
35
полимеры подразделяют на термопластичные (полиэтилен, полистирол,
поливинилхлорид) и термореактивные (на основе эпоксидных и полиэфирных смол). Для термопластичных переход из пластичного состояния
(при нагревании) в твердое (при охлаждении) не сопровождается изменением состава и структуры изделия и, как следствие, физико-механических
свойств. Нагрев же термореактивных полимеров приводит к структурным
изменениям на микроуровне, что оказывает значительное влияние на их
свойства, они становятся жесткими и хрупкими.
2.2.2. Применение полимерных материалов и изделий
Анализ всех свойств полимерных материалов показал, что в строительстве экономически целесообразно использовать их при изготовлении
несущих конструкций высокой коррозионной стойкости, покрытии полов,
отделке стен, теплоизоляции ограждающих конструкций и технологического оборудования, герметизации стыков и швов в крупнопанельных зданиях, гидроизоляции кровель и фундаментов, изготовлении санитарнотехнического оборудования и труб, а также для антикоррозионных работ.
К несущим конструкциям можно отнести стены, оболочки и плиты
покрытий, колонны, балки, дорожные плиты, покрытия пола промышленных зданий. Примером могут служить многослойные панели, которые
применяют в качестве ограждающих конструкций для стен и покрытий.
Они представляют собой деревянный или алюминиевый каркас, обшитый с
двух сторон твердыми древесноволокнистыми и древесностружечными
плитами с водостойким полимерным покрытием или листовым пластиком,
промежуток между обшивками заполняют теплоизоляционными плитами
из пено- или поропласта. Такие конструкции широко применяют в промышленном строительстве.
Большой интерес представляют пневматические конструкции (мягкие оболочки), которые выполняют ограждающие функции свода. Заданную форму купола и несущую способность ему обеспечивает нагнетаемый
воздух под давлением 0,1 – 1,0 кПа. Материалом для пневматических конструкций служат неармированные и армированные сеткой (капроновой,
лавсановой, металлической) полимерные пленки, ткани, покрытые или
пропитанные полимерами, высокопрочные стальные канаты. Мягкие оболочки применяют для покрытия рынков, спортивных залов. При заполнении водой или водой в сочетании с воздухом эти конструкции используют
в качестве плотин.
36
Преимущества жестких оболочек состоят в том, что они могут иметь
как положительную, так и отрицательную кривизну поверхности. Пролеты,
перекрываемые оболочками, могут достигать 90 – 110 м, масса 1 м2 покрытия составляет 7 – 20 кг. Материалом для жестких оболочек служат листовые стеклопластики, алюминиевые и стальные профили, клееные деревянные брусья и для обеспечения теплоизоляции – пенопласт.
При строительстве цехов химической, пищевой, целлюлознобумажной промышленности встает вопрос обеспечения коррозионной
стойкости несущих и самонесущих конструкций. Единственный материал,
который отвечает комплексу заданных свойств, – полимербетон. Его получают путем интенсивного перемешивания в бетоносмесителе подогретых заполнителей (песка, щебня), полимерной смолы и добавок. Полученную массу помещают в форму, уплотняют и выдерживают при температуре до 100 °С. Полимербетоны обладают высокой механической прочностью (Rсж = 90 – 110 МПа, Rрас = 9 – 11 МПа), химической стойкостью,
беспыльностью, гигиеничностью, водостойкостью. Все эти свойства предопределяют применение этих материалов для изготовления колонн, плит
перекрытия, штучных материалов для покрытия пола. При производстве
полимеррастворов в составе отсутствует крупный заполнитель (щебень).
В зависимости от вида полимерного связующего полимербетоны могут быть фурановые, полиэфирные, эпоксидные; содержащие арматуру называют армополимербетонами. В зависимости от материала арматуры различают сталеполимербетон (стальная арматура) и стеклополимербетон
(стеклопластиковая арматура). Арматура может быть в виде стержней,
проволоки или отдельных волокон, равномерно распределенных по всему
объему, – дисперсная арматура. В качестве дисперсной арматуры применяют короткие тонкие нити и волокна (фибры) из металла, стекла, горных
пород и полимеров. Если в полимербетоне использовано дисперсное армирование, то бетон называют фиброполимербетоном.
Стеклопластиковую арматуру получают путем скручивания пропитанных смолами стеклонитей в жгут и нанесения на поверхность полученных стержней специального защитного полимерного пленочного покрытия. Стеклопластиковая арматура обладает высокой прочностью, химической стойкостью, поэтому ее используют в железобетонных конструкциях, эксплуатируемых в условиях действия растворов кислот и солей.
Повысить стойкость готовых железобетонных конструкций можно за
счет их пропитки мономером, который, полимеризуясь в порах бетона,
обеспечивает высокую плотность и коррозионную стойкость конструкций.
37
Пропитка проводится в специальных герметичных камерах под давлением
на глубину до 3 см. Такой материал называют бетонополимером, а конструкции и изделия – бетонополимерными.
К конструкциям, испытывающим в процессе эксплуатации действие
нагрузки, относится также опалубка. Опалубку применяют для получения
на строительной площадке бетонных и железобетонных элементов и конструкций. Для ее изготовления используют древесностружечные плиты,
водостойкую фанеру, пластики. Вследствие своей гидрофобности поверхность пластиковой опалубки обладает малым сцеплением с бетоном и не
требует специальной смазки. Формы для производства сборного железобетона на заводе могут быть цельнополимерными или комбинированными.
Последние получают путем облицовки деревянных поверхностей листами
пластиков. Кроме вышеперечисленных имеется еще один вариант изготовления стеклопластиковой опалубки (форм) – методом напыления смеси
стекловолокна со смолой на ограждающую поверхность, выполненную из
ДВП, ДСП или фанеры. Кроме стеклопластиков для опалубки применяют
листовой жесткий поливинилхлорид, бумажно-слоистые пластики, полиэтилен, резину.
Для покрытия полов в строительстве используют полимерные растворы, рулонные (линолеумы), плиточные материалы и ворсовые ковровые
изделия, которые используют как вторичное покрытие. Бесшовные монолитные покрытия из полимерных мастик, растворов и бетонов применяют в промышленных зданиях, где необходима коррозионная стойкость или
имеются повышенные требования к полам по гигиеничности и беспыльности покрытий. Покрытие выполняют в два слоя: нижний из полимербетона, верхний из полимерраствора. Выравнивание и уплотнение проводят
специальными вибраторами или катками.
Самым распространенным материалом для покрытия полов является
рулонный линолеум. Полы из линолеума удобны, так как упруги, заглушают шум шагов, малотеплопроводны, декоративны, легко моются, хорошо сопротивляются износу, долговечны. Качество линолеума оценивают
по трем основным показателям: упругости, твердости и истираемости. По
виду используемого основного сырья линолеумы можно разделить на поливинилхлоридные, резиновые и алкидные. Основной объем составляют
поливинилхлоридные (ПВХ) линолеумы, которые выпускают безосновными, (методами экструзии, вальцево-каландровым) и основными (промазной способ) с гладкой или тисненой фактурой лицевой поверхности. В
качестве основы используют джутовые ткани, стеклоткань и стеклосетку,
38
а также нетканый иглопробивной материал, который придает линолеуму
теплозвукоизолирующие свойства. Аналогичные изделия получают при
нанесении вспененной полимерной массы на подоснову. Эти материалы
применяют для покрытия пола в жилых, общественных и промышленных
зданиях при средней интенсивности движения.
Резиновые линолеумы (релины) изготавливают на основе синтетических каучуков, наполнителей (тонкомолотые резиновые отходы, горные
породы) и добавок. По конструкции они могут быть однослойными или
многослойными на теплозвукоизолирующей подоснове. Этот вид материала хорошо зарекомендовал себя для покрытия полов животноводческих,
медицинских помещений, в массовом жилищном строительстве используется ограниченно. Не рекомендуется воздействие кислот, щелочей, жиров,
растворителей и нефтепродуктов.
Алкидные линолеумы применяют в жилых помещениях, общественных, лечебно-профилактических и производственных зданиях.
Полотна линолеума сваривают в цехах токами высокой частоты, горячим воздухом или инфракрасными лучами для получения ковра размером на комнату, что снижает трудоемкость отделочных работ на строительной площадке. Линолеум укладывают по тщательно выполненному
ровному, сухому и чистому основанию и приклеивают специальными полимерными составами.
К рулонным материалам можно отнести также ковровые ворсовые
тепло- и звукоизолирующие покрытия, которые применяют в жилых и общественных зданиях. Их получают из синтетического ворсового материала
на подоснове. Ворсово-прошивные (тафтинговые), иглопробивные войлочные ковры и ворсовые линолеумы – ворсолин применяют для устройства полов в гостиницах, театрах, библиотеках и т.д.
Второе место по объему выпускаемой продукции для покрытия полов занимают плиточные полимерные материалы. В зависимости от
применяемого связующего их можно разделить на кумароновые, поливинилхлоридные, резиновые. Плитки получают методом прессования
или вырубкой по размерам из полотна безосновного линолеума. Основное
назначение – покрытие полов кухонь, коридоров, лестничных площадок.
Достоинства плиточных покрытий: повышенная экономичность
производства за счет снижения расхода полимерного связующего, высокая
долговечность изделий и ремонтоспособность покрытия. Недостатки: малая декоративность, большое количество швов, снижающих монолитность
покрытия, повышенная трудоемкость при устройстве полов. По сравнению
39
с плиточными материалами преимущества линолеумов – в их индустриальности, технологичности и большей монолитности, а также в низкой
трудоемкости при укладке.
Для отделки стен применяют пленочные безосновные и основные
материалы, а также крупноразмерные листы и мелкоштучные плитки.
Они могут быть окрашены в разные цвета с гладкой, тисненой или рельефной поверхностью. Отделку кухонь, прихожих, торговых залов, кафе выполняют с применением ПВХ-пленки на бумажной подоснове с различным
печатным и тисненым цветным рисунком (полиплен, изоплен). Высокой
декоративностью обладает девилон, имитирующий кожу, тексоплен –
ткань с набивным рисунком, пропитанная специальным кремнийорганическим составом.
В отделке жилых (коридоры, прихожие) и общественных помещений
все чаще находит применение рулонный вспененный на бумажной подоснове пеноплен. Этот материал запрещают использовать в детских учреждениях, больницах, так как он относится к группе сгораемых материалов.
Возможность применения полимерных рулонных материалов оценивают
по их поверхностному водопоглощению, гибкости и прочности на разрыв.
Облицовку плитками санитарно-технических помещений, холлов,
торговых залов выполняют с использованием специальных приклеивающих полимерных составов (мастик). Плитки выпускают полистирольные
декоративные и ПВХ рельефные, имитирующие текстуру ценных пород
древесины, лепные узоры. Вследствие низкой огнестойкости эти материалы
запрещают применять в помещениях с нагревательными приборами открытого огня, в детских учреждениях и на лестничных клетках. Качество изделий оценивают по соответствию ГОСТу внешнего вида и термостойкости.
Для отделки стен широкое распространение нашел листовой бумажно-слоистый пластик, который выпускают одноцветным и многоцветным
с имитацией ценных пород дерева, камня. Облицовочные рельефные поливинилхлоридные панели полидекор применяют для отделки стен и потолков общественных и производственных зданий. Листы изготавливают с
рельефным рисунком, одноцветными и многоцветными, с печатным рисунком, гладкой или тисненной лицевой поверхностью.
К материалам специального назначения относятся акустические,
теплоизоляционные, кровельные, гидроизоляционные, герметизирующие и
антикоррозионные.
Акустические звукоизоляционные материалы используют в конструкциях между перекрытиями и стенами в виде гибких, упругих прокладок
40
из пенополиуретана или губчатой резины. По этому же назначению применяют упругие минераловатные маты и плиты, представляющие собой крупноразмерные изделия, в состав которых входят каменные, шлаковые или
стеклянные волокна, скрепленные полимерными смолами, а также пенополиуретановые и пеновинилхлоридные плиты, располагаемые под покрытием пола.
Звукопоглощающие материалы необходимы для снижения шума в
промышленных цехах, зрительных залах, учебных аудиториях, теле- и радиостудиях. Эффект звукопоглощения обеспечивает высокая сквозная пористость материала (минераловатные, стекловатные плиты на фенолоформальдегидном, битумном или крахмальном связующем) или искусственно
выполненная перфорация. В качестве перфорированного покрытия можно
использовать слоистый пластик. Основу полимерных изделий (плит) составляют вспененные или газонаполненные пластмассы с открытой пористостью.
Теплоизоляционные материалы на основе пластмасс изготавливают
из различных полимеров: полистирола, полиуретана, полихлорвинила, полиэтилена и др. Пенопласты характеризуются высокими теплоизоляционными свойствами в сочетании с хорошими прочностными показателями.
Одним из высокоэффективных теплоизоляционных материалов является
мипора, полученная вспениванием мочевиноформальдегидной смолы. Ее
применяют в виде блоков плотностью 10 – 20 кг/м3 для теплоизоляции
кирпичных стен и трехслойных каркасных панелей.
По строению теплоизоляционные пенопласты имеют преимущественно замкнутые поры. Свойства материалов в зависимости от вида полимера и способа производства колеблются в широких пределах: плотность
10 – 150 кг/м3; теплопроводность при температуре 20 ± 5 °С – 0,023 –
0,052 Вт/(м·К), прочность 0,05 – 4 МПа, объемное водопоглощение – 2 – 70 %.
По огнестойкости изделия относятся к трудносгораемым и сгораемым материалам.
Пенопласты широко применяют для теплоизоляции трубопроводов и
оборудования, для утепления строительных ограждающих конструкций и
защиты холодильных агрегатов. Температура применения пенопластов в
зависимости от вида смолы находится в пределах от –180 до +100 °С.
Проблема улучшения теплотехнических свойств ограждающих конструкций решается за счет применения многослойных стеновых и кровельных панелей, средний слой которых выполняют из эффективного
плитного утеплителя или применяют способ вспенивания полимера непо-
41
средственно в полости строительных конструкций. По этой технологии
гранулы полимера нагревают паром или токами высокой частоты, заливают между слоями панели и охлаждают до определенной температуры.
В связи с высокими водостойкостью, водонепроницаемостью, часто
сочетающимися с гидрофобными свойствами, полимеры нашли широкое
применение при выполнении кровельных работ и гидроизоляции
строительных конструкций. В качестве кровельных используют листовые
и рулонные изделия, мастичные составы.
Наибольшее распространение среди листовых кровельных материалов получили плоские и волнистые полиэфирные стеклопластики. Эти материалы обладают высокой прочностью, стойкостью к атмосферным воздействиям, повышенным светопропусканием (до 85 %). Основным назначением кровельных стеклопластиков является устройство крыш для неотапливаемых построек – павильонов, веранд, складов, а также теплиц и
оранжерей.
Рулонные материалы одновременно выполняют роль кровельных и
гидроизоляционных. К ним относятся армированные стеклосеткой и неармированные полимерные пленки, безосновные материалы, в состав которых входят резиновые смеси в сочетании с наполнителями и специальными добавками (гидробутил, бутизол, бутерол) или полученные на основе
стеклосетки и стеклоткани с пропиткой и покрытием их с двух сторон полимерными мастичными составами (армобитэп, эластостеклобит и др.).
Интересно применение нового полимерного материала кровелит, который представляет собой мастичную композицию на основе хлорсульфированного полиэтилена. Для получения прочного водостойкого верхнего
покрытия состав с помощью валиков наносят на поверхность железобетонной или асбестоцементной плиты в несколько слоев, где он подсыхает
и превращается в упругий эластичный резиновый ковер, успешно работающий при температуре от –45 до +120 °С.
Для производства новых рулонных гидроизоляционных материалов
используют синтетические полиамидные, полиэтиленовые волокна, соединенные синтетическими смолами, латексами. Иногда в массу добавляют
легкоплавкие волокна, которые при плавлении и прокатке образуют непрерывное полотно. Широкое применение находят синтетические волокна
с добавлением минеральных волокон (стеклянных, шлаковых) и связующего вещества для производства нетканых синтетических полотен. Существуют различные комбинации органических волокон с неорганическими
(металлическими, шлаковыми, стеклянными, базальтовыми), повышаю-
42
щими прочность, долговечность рулонных материалов. В качестве связующего используют винилацетат, фенольные смолы, эфиры полиакриловой кислоты, органосиликаты и латексы.
Важная задача в строительстве – герметизация стыков между
строительными блоками и панелями, так как стыки являются наиболее
уязвимым местом в зданиях. Герметизирующие материалы для долговечного и надежного обеспечения монолитности сооружения должны быть
атмосферо- и влагостойкими, устойчивыми к многократным сезонным и
суточным температурным изменениям, иметь хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства. Применяемые материалы представляют собой мастичные составы, эластичные прокладки в виде пористых или плотных резиноподобных полимерных жгутов (пороизол, гернит и др.).
Мастичные составы получают путем смешивания органических связующих с тонкомолотыми наполнителями и специальными добавками, повышающими стойкость материала к действию ультрафиолетовых лучей,
замедляющими процесс старения и т.д. В качестве наполнителей, снижающих расход связующего и повышающих эксплуатационные свойства,
используют порошкообразные или тонкомолотые волокнистые неорганические материалы (песок, шлак, асбест). При их введении снижаются усадочные деформации при отверждении композиций, повышаются теплостойкость и механическая прочность. Тонкодисперсные отходы резины
применяют для увеличения упругости и эластичности. По виду используемого связующего мастики классифицируют на полимерные, битумнополимерные и битумные. По технологии применения – на горячие, требующие разогрева перед нанесением на поверхность, и холодные, пластичность которых обеспечивают вода (эмульсионные) или растворитель.
Кроме герметизирующего назначения мастики используют для приклеивания рулонных материалов при устройстве кровли, паро- и гидроизоляции
трубопроводов и строительных конструкций, а также с целью защиты их
от коррозии.
Антикоррозионные полимерные материалы выпускают в виде лакокрасочных составов, замазок, мастик, растворов и бетонов, а также таких
изделий, как плитки и листы. Основное их назначение – защита строительных конструкций и технологического оборудования от разрушения.
Полимеррастворы и полимербетоны на основе фурановых смол применяют для устройства полов при действии кислот, щелочей и органических растворителей. На основе термопластичных смол (полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена, полиизобутена) для оклеечной антикорро-
43
зионной защиты строительных конструкций производят изделия и материалы в виде листов, плиток и пленок. В качестве фиксирующих композиций используют специальные клеи, замазки, мастики на основе химически
стойких высокомолекулярных смол.
Красочные составы применяют для защиты поверхности строительных конструкций от коррозии, загнивания, поглощения влаги, а также для
придания им декоративности. В зависимости от назначения в покрытии различают следующие виды малярных составов: грунтовки, обеспечивающие
сцепление покрытия с поверхностью; шпатлевки, предназначенные для заполнения пор, раковин и выравнивания окрашиваемой поверхности; окрасочные составы, придающие декоративность и выполняющие защитные
функции по отношению к поверхности изделия и конструкции.
Выбор лакокрасочных материалов, применяемых для защиты бетонных, железобетонных и металлических конструкций, проводят с учетом
условий эксплуатации, вида и степени агрессивности среды, требуемой
долговечности покрытия. В марку лаков, эмалей, красок входят цифры,
обозначающие условно их назначение, буквы – вид полимерного связующего. Например, эмаль ЭП-225 – ограниченно-атмосферостойкая, на основе эпоксидной смолы.
Окрасочные составы представляют собой вязкотекучие композиции, которые образуют при нанесении на поверхность изделий и отверждении пленочные плотные эластичные защитные покрытия.
Основным компонентом этих материалов являются связующие
(пленкообразующие вещества), обеспечивающие пластичность смеси, прочность и стойкость покрытия. В полимерных красочных составах в качестве
связующего используют высокомолекулярные смолы, в масляных – олифы.
Олифы могут быть получены путем переработки растительных масел (льняного, конопляного и др.) – натуральные, полунатуральные и синтетическиена основе полимерных смол.
В зависимости от пластичности масляные краски подразделяют на
густотертые и готовые к употреблению (при увеличении расхода олифы).
Для ускорения отверждения пленки в масляные краски вводят сиккативы.
Качество связующего оценивают по вязкости, цвету по йодометрической шкале и скорости высыхания. При растворении полимерного
связующего органическим растворителем (бензином, уайт-спиритом, толуолом, скипидаром) получают лак, образующий при нанесении на поверхность прозрачное защитное покрытие, путем введения в лак пигмента
– эмаль.
44
Пигмент представляет собой тонкомолотый окрашенный порошок,
не растворимый в воде, связующем и растворителе. По происхождению
пигменты могут быть органическими, обладающими высокой интенсивностью цвета, но пониженной долговечностью, и минеральными – атмосферостойкими. Качество пигментов оценивают по степени их измельчения – тонкости помола (дисперсности), укрывистости (раходу пигмента
на единицу окрашиваемой поверхности) и маслоемкости (минимальному
расходу связующего, необходимого для получения однородной пластичной массы определенной молярной консистенции).
Красочный состав включает связующее, пигмент, растворитель (или
разбавитель) и наполнитель.
Наполнитель применяют в виде слабоокрашенного тонкомолотого
минерального материала (кварцевого песка, мела, талька, доломита, каолина). Основное назначение этого компонента – повышение вязкости состава,
прочности, плотности, температуроустойчивости и снижение деформативности защитного пленочного покрытия, а также сокращение расхода дорогостоящего пигмента.
Разбавители используют для уменьшения вязкости красочного состава, в отличие от растворителя они не растворяют связующее. Разбавителем может быть вода в водоэмульсионных красках, олифа – в масляных
красках.
При испытании красочных составов определяют их вязкость,
твердость пленки, прочность при ударе и изгибе.
Материалы, применяемые в строительстве, представлены в табл. 2.3
(ил.4 – 6, 32, 40, 51).
Таблица 2.3
Применение полимерных материалов
Материалы и изделия
1
Полимербетоны,
бетонополимеры
Листовые пластики
Плиты крупноразмерные
высокопористые:
мягкие
Область применения
2
Колонны, балки, плиты перекрытия, полы в химических
цехах с агрессивными средами
Обшивка навесных панелей; устройство светопрозрачных
кровель (стеклопластики), жестких оболочек; отделка фасадов и внутренних стен; выполнение подвесных потолков; изготовление форм при производстве железобетонных изделий и конструкций
Звукоизоляция междуэтажных перекрытий
45
Окончание табл. 2.3
1
жесткие
Стержни стеклопластиковые
Плиточные – мелкоштучные
(вырубленные и прессованные) (ПВХ, кумароновые,
резиновые полистирольные
и др.)
Рулонные основные
и безосновные:
линолеумы (ПВХ, алкидные,
резиновые и др.)
пленки гладкие и рельефные
Длинномерные жгуты, шнуры, прокладки из полиуретана, каучуков и мягких поропластов
Вязкопластичные мастичные
составы на битумнополимерных
и полимерных связующих
Вязкотекучие красочные
составы
2
Теплоизоляция ограждающих конструкций (стеновых панелей, плит покрытия). При наличии перфорации – звукопоглощающие материалы для выполнения подвесных потолков
В качестве арматуры при получении бетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях действия кислото- и
солесодержащих сред
Покрытие полов, стен в помещениях с влажным режимом
эксплуатации
Выполнение мягких кровель
покрытие полов в жилых, общественных помещениях
Выполнение мягких оболочек, защита кровельных и гидроизоляционных рулонных материалов, внутренняя отделка стен
Герметизация швов, звукоизоляция строительных конструкций
Выполнение мастичных кровель, герметизация швов, антикоррозионная защита строительных конструкций, приклеивание рулонных, плиточных и крупноразмерных материалов к основанию
Придание декоративности и защита поверхности от разрушения
2.3. Битумные и дегтевые вяжущие, материалы на их основе
Битумы и дегти представляют собой органические вяжущие материалы аморфной структуры, в состав которых входят высокомолекулярные
углеводороды и их производные. К битумным материалам относятся природные битумы – продукт естественного окисления нефти и искусственные, полученные путем заводской переработки нефти. Дегти получают в
результате сухой перегонки твердых видов топлива: каменного угля, торфа
или горючих сланцев.
Применение битумов было известно давно, однако литература длительное время почти не упоминала о битумах или асфальтах. В 1300 году
итальянский путешественник Марко Поло впервые указывает на залежи
«жидкого асфальта» в Баку. В 1601 году делается попытка классифициро46
вать битуминозные материалы и только в 1777 году Ле Сазе дает более или
менее полную классификацию асфальтов (битумов), включая в них и
нефть. В России асфальты начали применять в сороковых годах XIX столетия вначале в дорожном строительстве, затем при производстве лаков,
красок и гидроизоляционных материалов. Битумы и дегти объединяет близость состава и структуры и, как следствие, – сходство основных свойств.
2.3.1. Свойства органических вяжущих
Все органические вяжущие вещества имеют черный или темнобурый цвет, поэтому их также называют черными вяжущими.
Обладая аморфным строением, битумы в отличие от кристаллических материалов не имеют определенной температуры плавления. Постепенный переход из твердого состояния в вязкотекучее обратим и происходит без изменения основных свойств, следовательно, битумы относятся к
термопластичным органическим материалам. Деготь – темноокрашенный
жидкий продукт, обладающий низкой атмосферостойкостью. Для повышения вязкости, атмосферо- и температуростойкости в состав дегтей вводят
наполнители (известняк, песок). Так как органические вяжущие материалы
абсолютно плотные, то их средняя и истинная плотность численно равны и
колеблются в зависимости от состава от 800 до 1300 кг/м3.
В практике строительства наибольшее применение нашли битумы.
Они гидрофобны (не смачиваются водой), водостойки, пористость их практически равна нулю, поэтому они водонепроницаемы и морозостойки. Эти
свойства позволяют широко использовать битумы при получении гидроизоляционных и кровельных материалов. Срок эксплуатации битумных изделий
на воздухе невелик, так как под действием солнечного света и кислорода воздуха происходит старение битумов, сопровождающееся повышением твердости и хрупкости. В связи с этим нефтяные битумы перевозят в закрытых емкостях или бумажных мешках и хранят в специальных закрытых складах,
защищенных от действия солнечных лучей и атмосферных осадков.
В связи с тем, что технология получения материалов и изделий с использованием битумов основана на его свойстве перехода при нагревании
из твердого в пластичное состояние, а также учитывая условия работы
кровельных материалов, для битумов согласно ГОСТу предусмотрено определение следующих теплотехнических показателей: температуры
размягчения на приборе «кольцо-шар», которая характеризует теплостойкость и степень размягчения битумов при нагревании; температуры
вспышки газообразных продуктов, выделяющихся из битума при нагрева47
нии. Последний показатель необходим для отработки безопасной технологии получения материалов и изделий с использованием битумов.
Качество битумов оценивают также по вязкости и растяжимости. Вязкость определяют по глубине проникновения в битум иглы в течение определенного времени под действием фиксированной нагрузки при температуре
испытания 25 °С (пенетрация). Вязкость выражают в градусах, причем 1° соответствует глубине проникновения иглы на 0,1 мм. Растяжимость (дуктильность) – способность битумов вытягиваться в тонкие нити, разрывающиеся под действием приложенной растягивающей нагрузки. Растяжимость
измеряют в сантиметрах. Эти три основных свойства битума находятся во
взаимосвязи. Твердые битумы имеют высокую температуру размягчения, но
малую растяжимость, т.е. относительно хрупки. Мягкие битумы размягчаются при невысокой температуре, могут сильно растягиваться – обладают
большой пластичностью. По вышеперечисленным свойствам для битума определяют марку, условное обозначение которой включает буквы, определяющие применение битума, и цифры, характеризующие его основные свойства. Например, марки БН-90/10, БНК-90/40 – битумы нефтяной строительный и кровельный, температура размягчения которых 90 °С, вязкость 10 и
40° соответственно, БНД-130/200 – битум нефтяной дорожный вязкостью 131
– 200° или для верхнего слоя дорожного покрытия БД 130/200.
Битумы коррозионностойки по отношению к водным растворам
многих кислот, щелочей, солей и большинства агрессивных газов, но растворяются частично или полностью в различных органических растворителях (спирте, ацетоне, скипидаре). Это свойство позволяет применять их
для приготовления антикоррозионных мастик, лаков и красок.
Механические свойства битумов зависят от температуры окружающего воздуха. При нормальной (20 °С) температуре – это, как правило,
твердые, относительно пластичные материалы, при понижении температуры до отрицательной – хрупкие. С целью повышения эластичности, теплостойкости, механической прочности в органические вяжущие вводят полимерные и минеральные добавки. Материалы на основе битума нельзя
применять при действии горячей воды и жидких органических сред (масла,
растворителей, нефтепродуктов).
2.3.2. Материалы и изделия на основе органических вяжущих
Учитывая специфические свойства органических вяжущих, битумы и
дегти используют для получения материалов и изделий специального назначения: гидроизоляционных, герметизирующих, антикоррозионных и дорожных.
48
В зависимости от условий работы строительной конструкции применяют различные виды гидроизоляции, а, следовательно, и материалы, используемые для ее выполнения.
Так, для защиты от разрушения кровли, подземных конструкций,
фундаментов под оборудование, железобетонных причалов и свай применяют окрасочную гидроизоляцию. Ее выполняют в несколько слоев с использованием битумных, дегтевых и битумно-полимерных мастик.
Мастики представляют собой пластичные или вязкотекучие композиции, в состав которых входит само органическое вяжущее: кровельный,
дорожный битумы или их смеси, высокомолекулярные смолы для увеличения пластичности и тонкомолотый минеральный наполнитель (песок,
известняк, асбест, тальк) для повышения долговечности, прочности, температуростойкости покрытия и экономии битума. С целью облегчения нанесения состава на защищаемую поверхность мастику либо разогревают
(горячая мастика), либо вводят органический растворитель (холодная
мастика).
К недостаткам горячих мастик относятся нестабильность свойств,
большой расход энергии на производство, возможность получения ожогов
при их применении, тяжелые условия труда, относительно низкие эксплуатационные свойства при атмосферных воздействиях. При работе с холодными мастиками испаряется вредный для здоровья человека растворитель.
В последние годы все большее применение находят битумноэмульсионные мастики, представляющие собой равномерно распределенные в воде мелкие частицы битума, покрытые слоем твердого (цемент,
глина, известь) или жидкого (мыло, сульфитно-спиртовая барда) эмульгатора и наполнителя. Эмульгатор обеспечивает однородность и стабильность эмульсии, срок хранения которой не превышает нескольких месяцев.
Эти мастики не содержат токсичных растворителей, гигиеничны, взрыво- и
пожаробезопасны, легко наносятся на защищаемую поверхность, в том
числе влажную, методом напыления сжатым воздухом. Защитное покрытие
образуется за счет испарения воды. Битумно-эмульсионные мастики предназначены для устройства и ремонта кровли, наружной гидроизоляции подземных частей зданий и сооружений, стен, полов при температуре не ниже
5 °С. Качество мастик оценивают по тем же показателям, что и битумов.
Наибольшее применение в строительстве для выполнения кровли и
гидроизоляции строительных конструкций нашли следующие мастичные
составы: МБК-Г-55(65, 75, 85, 100) – мастика битумная, кровельная горячая теплостойкостью 55 – 100 °С; МБР-Г-55(65, 75, 85, 100) – битумная с
наполнителем из резиновой крошки; МББГ-90(80) – горячая битумно49
бутил-каучуковая; ВК-Х-60 – битумно-кукерсольная холодная. С этой же
целью используют резинобитумную мастику изол, которая может быть как
горячей, так и холодной (МРБ-Х).
Оклеечную гидроизоляцию применяют для защиты кровли, трубопроводов, сборных и монолитных железобетонных фундаментов. Для выполнения этого вида гидроизоляции используют рулонные основные (рубероид, стеклорубероид, фольгорубероид, гидроизол) и безосновные
(изол) битумные и битумнополимерные материалы.
Согласно СТБ 1107-98 основные рулонные кровельные (К) и гидроизоляционные (Г) материалы получают на стеклохолсте (СХ), стеклоткани
(СТ), полиэфирном холсте (ПХ), полиэфирной ткани (ПТ) и фольге (фольгорубероид, фольгоизол). В качестве вяжущего для пропитки основы и получения мастичного покровного состава, наносимого на поверхности с
обеих сторон, используют битум (Б) и битумно-полимерные композиции:
эластомерные (БЭ) или пластомерные (БП), обладающие повышенной эластичностью, химической стойкостью и атмосферостойкостью. Для исключения склеивания материла в рулонах, а также с целью упрочнения и защиты его поверхности от действия температуры, ультрафиолетовых лучей
и механических повреждений применяют посыпки: крупнозернистую
(цветную) – К (Ц), мелкозернистую – М, пылевидную – П, металлическую
фольгу – МФ и полимерную пленку – ПП. Марку материала обозначают
следующим образом: К-СТ-Б-К/ПП-3,0 СТБ 1107-98 – материал кровельный на стеклоткани с использованием битумного вяжущего и крупнозернистой посыпки (или пленочного покрытия) с массой покровного состава
3001-3500 г/м2. В зависимости от технологии укладки рулонных материалов они могут быть приклеиваемые к основанию с помощью специальных мастик и наплавляемые. Последние имеют утолщенный слой покровного состава с нижней стороны рулона, который для приклеивания разогревают, придавая клеящую способность, газопламенной горелкой. При
использовании в качестве основы пропитанного битумом картона и битумного мастичного покровного состава материал называют рубероидом, если
основой являлась стеклоткань – стеклорубероидом. Качество рулонных
материалов оценивают по гибкости на брусе определенного радиуса при
нулевой или отрицательной температурах, теплостойкости, разрывной
силе при растяжении и водопоглощению. Мягкая рулонная кровля представляет собой многослойное покрытие, поэтому в качестве подслоя применяют покровные материалы, защищенные полимерной пленкой или пылевидной посыпкой, а также беспокровные, представляющие собой кар-
50
тонную основу, пропитанную битумом – пергамин. Кроме рулонных материалов для защиты крыши и всего здания в целом применяют листовые
материалы – «Ондулин» и плитки «Шинглс» (битумную черепицу). Первый представляет собой волнистые упругие листы, отформованные из целлюлозных волокон, пропитанных битумом. С лицевой стороны листы покрыты защитно-декоративным красочным слоем на основе термореактивного полимера и светостойких пигментов. Второй материал получают на основе стеклохолста или асбестового картона, пропитанного битумом. На
нижнюю поверхность нанесен самоклеющийся слой из резинобитумного
состава, обеспечивающий абсолютную герметичность кровли за счет его разогрева и частичного расплавления солнечной энергией. Верхнее мастичное
покрытие защищено каменными высевками определенного размера и цвета.
Обмазочную гидроизоляцию выполняют из асфальтовых штукатурок. Рекомендуется она для жестких, недеформируемых горизонтальных и
вертикальных бетонных поверхностей. В состав асфальтовых штукатурок,
которые могут быть холодными и горячими, входят соответственно: битумная эмульсионная паста или разогретый битум, наполнитель и кварцевый песок. Битумная паста представляет собой густую сметанообразную
массу, получаемую интенсивным механическим измельчением битума в
воде в присутствии неорганического эмульгатора (извести), повышающего
ее однородность и стабильность.
Для заполнения различных по конструкции и назначению швов с целью придания монолитности конструкции, защиты от промокания и промерзания применяют эластичные герметизирующие битумные и битумнополимерные мастики (герметики) с добавлением резиновой крошки. Примером герметизирующих мастик могут служить битумно-резиновая – резопласт (марки РК и РГ), состоящая из резиновой крошки, битума, полимерного компонента, пластификатора, и битумно-бутилкаучуковая, включающая битум в сочетании с бутилкаучуком, тальком и пластификатором –
МББП-65. Герметизирующие битумные материалы должны удовлетворять
следующим требованиям: быть гибкими и упругими; влаго- и газонепроницаемыми; обладать атмосферостойкостью и антикоррозионными свойствами; сохранять физико-химические и физико-механические свойства в
процессе эксплуатации; иметь прочное сцепление с материалом конструкции; не выделять токсичных веществ.
Коррозионная стойкость металлических, бетонных, железобетонных конструкций обеспечивается средствами первичной и вторичной
защиты. К первичным мерам относятся все те технологические мероприя-
51
тия, которые обеспечивают стойкость самого материала (подбор состава).
Вторичную защиту применяют в том случае, если при использовании первичной не достигается требуемая долговечность конструкции.
К мерам вторичной защиты относятся: лакокрасочные покрытия, оклеечные и штукатурные (обмазочные) покрытия на основе битумов. Кроме
битумов красочные составы содержат модифицирующие полимерные добавки и органические растворители, при испарении которых и образуется
стойкое покрытие. К недостаткам покрытий относится их пористость, медленное отверждение, низкая тепло-, морозо- и радиационная стойкость.
Однако доступность и относительно низкая стоимость битумов обеспечили
им широкое применение в строительстве.
Асфальтобетоны и растворы являются важнейшими материалами
для устройства дорожных и аэродромных покрытий, полов на промышленных предприятиях, ирригационных каналов, плоских кровель.
Асфальтобетон – искусственный строительный материал, получаемый в результате отвердевания уплотненной асфальтобетонной массы, состоящей из тщательно перемешанных компонентов: щебня (гравия), песка,
минерального порошка-наполнителя и битума. Асфальтобетон без крупного заполнителя называют асфальтовым раствором.
По виду крупного заполнителя асфальтобетоны разделяют на щебеночные и гравийные. В зависимости от марки применяемого битума и
температуры укладки – на горячие (120°), теплые (70°) и холодные, приготовленные на жидких битумах или битумных эмульсиях, которые используют при температуре окружающего воздуха не ниже 5 °С.
По наибольшему размеру зерен щебня или гравия горячие и теплые
асфальтобетоны разделяют на крупнозернистые – наибольший размер зерен до 40 мм; мелкозернистые – до 20 мм, песчаные – с наибольшим
размером зерен до 5 мм. Холодные асфальтобетоны могут быть только
мелкозернистыми или песчаными. Кроме того, горячие и теплые асфальтобетоны в зависимости от использования их в дорожной конструкции
разделяют на плотные – для верхних слоев покрытия дорог с остаточной
пористостью от 1 до 5 % по массе, пористые (5 – 12 %) – для верхнего
слоя и оснований дорожных покрытий, высокопористые (12 – 18 %). Технология приготовления асфальтобетонной смеси предусматривает подогрев заполнителей и битума до заданной температуры, тщательное перемешивание их в смесителе. По технологическим признакам асфальтобетонную массу подразделяют на жесткую, пластичную и литую. Для уплотнения жестких и пластичных масс применяют тяжелые и средние катки.
52
Литую асфальтобетонную массу уплотняют специальными валиками, легким катком или вовсе не уплотняют.
Качество асфальтобетонного покрытия оценивают по прочности,
износостойкости и водостойкости. Технические свойства асфальтобетона
значительно изменяются в зависимости от температуры. При обычной
температуре (20.. – 25 °С) он имеет упруго-пластичные свойства, при повышенных – вязкопластичные, а при пониженных температурах становится хрупким. В связи с этим испытания механической прочности проводят
при температурах 0, 20, 50 °С при постоянной скорости подачи нагрузки.
В зависимости от температуры и марки используемого битума прочность
на изгиб соответственно равна 1,0 – 1,2; 2,5 – 3 и 10 – 15 МПа.
Отличительной особенностью асфальтобетона является его способность к вязкому сопротивлению ударным воздействиям и износу.
Установлено, что в условиях движения городского транспорта износ
составляет от 0,2 до 1,5 мм в год. Так как асфальтобетон чувствителен
к колебаниям температуры внешней среды, то в нем постоянно происходят структурные изменения, приводящие к разрушению покрытия.
Особенно интенсивно деструктивные процессы происходят при резкой
смене температур. Процесс этот ускоряется действием воды и старением самого органического вяжущего. Применение материалов на основе
битума представлено в табл. 2.4 (ил. 7, 33).
Таблица 2.4
Применение материалов на основе битумов
Область применения
Используемые материалы и изделия
Гидроизоляция
строи- Мастики (горячие, холодные) битумные, битумнотельных конструкций:
полимерные, битумно-эмульсионные
окрасочная
оклеечная
Рулонные основные (на картоне, стеклохолсте и ткани) и
безосновные наплавляемые и приклеиваемые
обмазочная
Асфальтовые штукатурки холодные и горячие
Кровельные покрытия
Листовой – «Ондулин», плиточный – битумная черепица
(«Шинглс»), рулонные и мастичные материалы
Герметизация швов
Мастики битумно-резиновые, битумно-каучуковые
Антикоррозионная защита Красочные и мастичные битумные и битумностроительных конструкций полимерные составы, рулонные изделия
Покрытия дорог, полов, Асфальтобетоны и асфальторастворы
плоских кровель
53
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ НОРМАТИВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 11047-90. Изделия деревянные.
2. СТБ 4.208-95. Система показателей качества продукции. Строительство.
Конструкции и детали деревянные клееные. Номенклатура показателей.
3. СТБ 4.223-96. Система показателей качества продукции. Строительство.
Изделия паркетные. Номенклатура показателей.
4. СТБ 1074-97. Детали профильные из деревянных и древесных материалов для строительства. Технические условия.
5. СТБ 1105-98. Блоки стеновые из арболита для малоэтажного строительства. Технические условия.
6. СТБ 1116-98. Плиты костровые и древеснокостровые. Технические условия.
7. СНБ 5.05.01-2000. Деревянные конструкции.
8. СН 549-82. Изготовление и применение конструкций и изделий из арболита.
9. ГОСТ 4598-86. Древесноволокнистые плиты.
10.ГОСТ 19222-84. Фибролит.
11.СН 525-80. Инструкция по технологии изготовления полимербетона и
изделий из него.
12.СТБ 4.230-98. Материалы и изделия отделочные полимерные. Номенклатура показателей.
13.СТБ 1064-97. Плитки из термопласткомпозитов для полов. Технические
условия.
14.СТБ 1092-97. Мастика герметизирующая битумно-эластомерная. Технические условия.
15.СТБ 1103-98. Арматура стеклопластиковая. Технические условия.
16.СТБ 1161-99. Плиты теплоизоляционные из синтетических волокон.
Технические условия.
17.СТБ 1240-2000. Стеклопластик рулонный. Технические условия.
18.СТБ 1246-2000. Пенопласт теплоизоляционный на основе карбамидоформальдегидной смолы. Технические условия.
19.ГОСТ 7251-77. Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе.
Технические условия.
20.ГОСТ 11529-86. Материалы поливинилхлоридные для полов. Методы
контроля.
54
21.ГОСТ 18108-80. Линолеум поливинилхлоридный на теплозвукоизолирующей подоснове. Технические условия.
22.ГОСТ 26149-84. Покрытие для полов рулонное на основе химических
волокон. Технические условия.
23.ГОСТ 30307-95. Мастики строительные полимерные клеящие латексные. Технические условия.
24.ГОСТ 22950-95. Плиты минераловатные повышенной жесткости на
синтетическом связующем. Технические условия.
25.СТБ 4.224-95. Материалы и изделия полимерные строительные герметизирующие и уплотняющие. Номенклатура показателей.
26.СТБ 1033-96. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.
27. СТБ 1062-97. Битумы нефтяные для верхнего слоя дорожного покрытия.
28.СТБ 1093-97. Пергамин кровельный. Технические условия.
29.СТБ 1107-98. Материалы рулонные кровельные и гидроизоляционные
на битумном и битумно-полимерном вяжущем. Технические условия.
30.СТБ 1220-2000. Битумы модифицированные дорожные. Технические
условия.
31.СТБ 1245-2000. Эмульсии битумные катионные. Технические условия.
32.ГОСТ 7415-86. Гидроизол. Технические условия.
33.ГОСТ 10296-79. Изол. Технические условия.
34.ГОСТ 10923-93. Рубероид. Технические условия.
35.ГОСТ 15879-70. Стеклорубероид. Технические условия.
36.ГОСТ 20429-84. Фольгоизол. Технические условия.
37.ГОСТ 30547-97. Материалы рулонные кровельные и гидроизоляционные.
Общие технические условия.
38.СТБ 1062-97. Битумы нефтяные для верхнего слоя дорожного покрытия. Технические условия.
55
ГЛАВА 3.
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К неорганическим строительным материалам относятся природные
каменные, полученные в результате механической обработки горных пород, и искусственные: керамические, на основе минеральных расплавов,
металлов, а также минеральных вяжущих веществ.
3.1. Природные каменные материалы
Природный камень – первое добытое человеком полезное ископаемое, которое использовали для строительства жилья, храмов, театров и
других монументальных сооружений.
Древние камнерезы великолепно знали свойства горных пород, их не
останавливала твердость камня. В руках мастеров камень был податливым
пластичным материалом, из которого получали строительные детали и изделия любой формы. При добыче, которая проводилась вручную, в скале
по обозначенным границам будущего блока медным резцом выдалбливали
глубокую канавку. Затем в нее забивали клинья из сухого дерева и обливали их водой. Дерево разбухало, увеличивалось в объеме, трещина расширялась – и блок отделялся от скалы. Затем камень обрабатывали на месте
инструментами из камня, меди и дерева, придавая ему форму стандартного
блока для кладки стен или призмы для облицовки.
Самым большим чудом света являются пирамиды – гробницы фараонов. Наибольшая из них – пирамида Хеопса, возведенная до н.э. из 2300000
кубических блоков известняка с гладко отшлифованными сторонами. Масса каждого слагающего пирамиду блока более 2 т, общая масса пирамиды
составляет примерно 5,7 млн. т. Никакого связующего материала в пирамиде нет, камни держатся собственной тяжестью и за счет очень точной
подгонки по размерам.
Исключительно велика роль камня и в другого рода монументальных
сооружениях – храмах, по грандиозности не уступающих пирамидам. Храмы украшали пилонами (башнеобразное сооружение в виде усеченной пирамиды), колоннами, скульптурами из резного камня.
Замечательным достижением греческой архитектуры является
Афинский Акрополь, построенный в V – IV в. до н.э. из мрамора разных
оттенков. В условиях сухого климата Греции мраморные сооружения великолепно сохранились в течение более чем двух тысячелетий. Но за последние 20 лет из-за загрязнения воздуха скульптуры подверглись более
значительному разрушению, чем за 25 веков.
56