Строительные материалы, изготовленные на основе природно-сырьевых ресурсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

СЕВЕРО-КАВКАЗКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра «Строительное производство»

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНО-СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ

по направлению подготовки 08.04.01 «Строительство»

Направленность магистерской программы «Промышленное и гражданское строительство»

Автор работы:

Студент гр. СТм-18-1

Алборов А.Т.

Владикавказ 2020г.

Введение

Актуальность работы. В настоящее время удельная энергоёмкость внутреннего валового продукта в нашей стране в 2-3 раза превышает среднемировой показатель. Данная проблема в большей мере характерна для строительного производства, являющейся одной из наиболее энерго- и ресурсоёмких. При этом наиболее крупным потребителем энергетических ресурсов в строительном производстве занимают процессы, относящиеся к технологии создания строительных материалов. Экономия материальных и энергетических затрат достигается за счет применения ресурсосберегающих технологий предусматривающих широкое применение отходов промышленного и строительного производства. В этой связи разработка и получение эффективных композиционных материалов на основе местного сырья и отходов производства является актуальной, современной и значимой задачей. Широкое использование малоиспользуемых отходов стекла, бетонного лома, производства металлопластиковых труб позволяет решить более полно задачи охраны окружающей среды и ресурсосбережения, а также снизить затраты на изготовление строительных материалов.

Увеличение объема применения бетона и железобетона в строительстве и реконструкция зданий вызывают появление огромного количества отходов и некондиционной продукции. Однако вторичное использование бетона ограничено. В настоящее время утилизация данного вида отходов сводится к использованию бетонного лома в качестве крупного заполнителя. Наиболее перспективным решением проблемы повторного использования бетона является получение строительных композитов на его основе по технологиям алюмо-силикатно-щелочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения.

Бой стекла и шлак являются эффективными вторичными ресурсами, на основе которых можно получать связующие, растворы и бетоны. Используемые в настоящее время технологии изготовления строительных материалов с применением этих отходов имеют высокую энергоемкость. Актуальным решением этой проблемы является получение полимерных материалов на основе стеклобоя по технологиям контактно-конденсационного твердения.

Значительное увеличение объемов производства металлополимерных труб вызывает появление нового вида отходов. В этой связи исключительно важными являются исследования, направленные на разработку технологий, оптимизацию составов и изучение свойств композиционных материалов на основе отходов производства металлопластиковых труб.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является научное обоснование методов и технологий получения эффективных строительных материалов и изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе местных сырьевых ресурсов и отходов промышленности.

В целом задачи исследований состоят в следующем:

1. Обосновать выбор технологий по созданию материалов с применением некондиционной бетонной продукции, отходов стекла, шлаков, металлопластиковых труб и подобрать оптимальные технологические параметры получения композиционных материалов.

2. Установить закономерности структурообразования и оптимизировать составы композиционных строительных материалов на основе отходов промышленного и строительного производства, получаемых по технологиям алюмо-силикатно-щелочных вяжущих, контактно-конденсационного твердения и технологии каркасных бетонов.

3. Исследовать влияние качественного и количественного состава и технологических параметров на свойства опытных образцов и установить основные физико-технические свойства композиционных материалов на основе отходов промышленного и строительного производства.

Научная новизна работы.

Установлены закономерности технологии получения эффективных строительных композитов из вторичного бетона по технологиям алюмо-силикатно-щелочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения.

Определены закономерности изменения структуры и свойств каркасных полимерных композитов и материалов контактно-конденсационного твердения на основе шлака и стеклобоя в соответствии с математическими моделями в зависимости от зернового состава заполнителей и технологических условий.

Подтверждена возможность получения строительных композитов и изделий на их основе с применением отходов производства металлополимерных труб по различным технологиям.

Практическая значимость работы.

* Предложить составы композиционных материалов из вторичного бетона, полученных по технологиям алюмо-силикатно-щелочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения. Получены составы композитов, имеющих прочность не ниже прочности утилизируемых бетонов.

* Получены эффективные составы полимерных композиционных материалов на основе отходов стекла и шлака с применением каркасной технологии и использования контактно-конденсационного твердения.

* Выявлены оптимальные технологические режимы получения строительных композитов и изделий на их основе с применением отходов производства металлопластиковых труб.

Глава 1. Строительные природные материалы

1.1 Строительные природные каменные материалы

Природные каменные материалы получают из горных пород без специальной обработки (гравий, песок, глина) и с использованием механических технологий (распиливание, раскалывание, дробление, просеивание, шлифование, полирование). При этом они полностью или почти полностью сохраняют свойства исходной горной породы.

Природный камень наряду с древесиной был первым строительным материалом, используемым человеком. И в наши дни практически все монументальные постройки выполняются с применением природного камня. Облицовка зданий и сооружений природным камнем, использование камня в интерьере помещений обеспечивает архитектурную выразительность, придает респектабельность и престижность.

Природный камень, применяемый непосредственно как строительный материал, привлекает своей декоративностью, стойкостью, долговечностью. Высокая стойкость делает природный камень незаменимым для гидротехнических сооружений, дорожного и мостового строительства и во многих других случаях, когда необходимо обеспечить высокую долговечность сооружения.

Пористые камни очень эффективны как местный материал для кладки стен вместо кирпича и других искусственных стеновых материалов. Миллионы кубометров песка, гравия, щебня расходуются на получение бетонов и строительных растворов. Огромное количество природного камня используется в качестве сырья для получения большинства искусственных строительных материалов: минеральных вяжущих веществ, керамики, стекла и проч.

1.1.1 Общие сведения о горных породах

Горные породы - главный источник получения строительных материалов. Это значительные по объему скопления минералов в земной коре, образующиеся под влиянием одинаковых условий.

Минералы - вещества, являющиеся продуктами природных реакций, происходящих в земной коре, однородные по химическому составу и физическим свойствам.

Горная порода может состоять из одного минерала - мономинеральная (например, гипс СаSO₄.2H₂O), либо из нескольких минералов - полиминеральная (например, гранит состоит из кварца, слюды, полевых шпатов).

Горные породы классифицируются (табл. 3.1) по условиям их происхождения (по генетическому признаку), так как именно происхождение определяет химико-минералогический состав, строение и свойства горной породы.

Магматические (изверженные) горные породы образовались в результате охлаждения и затвердевания магмы (силикатный расплав, поступающий из недр земли). Они слагают большую часть земной коры. В зависимости от скорости и условий охлаждения они делятся на глубинные, излившиеся плотные и излившиеся пористые.

Глубинные горные породы образовались в глубине земной коры в результате медленного и равномерного охлаждения магмы при относительно высоком давлении вышележащих слоев земли. Эти условия благоприятствовали полной кристаллизации минералов из магматического расплава и формированию зернисто-кристаллического строения.

Отсюда и высокие физико-механические свойства глубинных пород: малая пористость и объемное водопоглощение (<1%), высокая прочность (Rсж = 100 - 300 МПа), высокая плотность (= 2600 -3000 кг/м³), высокая морозостойкость, высокая теплопроводность (3 Вт/(м.⁰C)), хорошая декоративность многих глубинных пород, высокие технологические свойства (хорошо полируются и шлифуются до зеркального блеска).

Излившиеся плотные породы образовались при излиянии магмы из глубины и застывании ее в поверхностных слоях земной коры или на поверхности земли. Магма остывала более быстро и менее равномерно, поэтому минералы из расплава либо не успели закристаллизоваться, либо закристаллизовались только те, которые имеют высокую скорость кристаллизации. Вследствие этого, структура этих пород стекловатая, скрытокристаллическая или порфировая (в аморфное стекло или мелкокристаллическую массу включены вкрапленники кристаллов).

Неоднородность структуры отражается на свойствах горных пород. Так, излившиеся плотные породы - кварцевые порфиры по минеральному составу близки к гранитам, но более хрупки и менее стойки к резким колебаниям температуры. Значения прочности, пористости, волопоглощения близки к глубинным породам.

Излившиеся пористые породы образовались при вулканических извержениях, когда на поверхность земли под большим давлением выбрасывались частицы раздробленной магмы вместе с парами и газами. Магма, быстро охлаждалась и удерживая газы при снижении давления, приобретала стеклообразное пористое строение.

Эти породы имеют малую среднюю плотность (750-1400 кг/м³), высокую пористость (45-70%), небольшую теплопроводность (0,15-0,35 Вт/(м.⁰C)), достаточную прочность (5-15 МПа и более), высокую морозостойкость (ввиду того, что большинство пор замкнутые). Среди прочих свойств следует отметить высокую долговечность, химическую активность, хорошие технологические свойства (легко обрабатываются, распиливаются, пробиваются гвоздями, шлифуются, но не полируются).

Осадочные горные породы образовались в результате разрушения магматических (первичных) горных пород, которые находились на поверхности земли и подвергались процессам природного выветривания, т.е. сменам температур, увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию и другим атмосферным воздействиям. Продукты разрушения часто переносились водой на большие расстояния и отлагались. Так образовались рыхлые механические отложения. Часть их в дальнейшем подвергалась цементированию различными природными цементами и таким образом возникали сцементированные породы.

Некоторые осадочные породы - органогенные (органического происхождения) - образовались из крупных скоплений отмерших животных (зоогенные) и растительных (фитогенные) организмов (скелеты губок, кораллы, панцири, раковины, водоросли и т.д.).

Химические осадки образовались из концентрированных водных растворов солей, некоторые - за счет взаимодействия составных частей первичной горной породы с веществами, находящимися в окружающей среде.

Строение у осадочных пород более пористое, чем у плотных магматических. Характерная особенность строения - слоистость. По сравнению с плотными магматическими породами они имеют большую пористость, меньшую прочность; некоторые осадочные породы растворяются в воде, некоторые распадаются в воде на мельчайшие частицы.

Метаморфические горные породы образовались из магматических или осадочных в результате глубокого преобразования их под действием высоких температур, высоких давлений и химически активных веществ (растворов и газов). При этом менялся минеральный состав, строение, свойства, а иногда и химический состав исходной породы. Направленное давление вызывало деформацию кристаллов, образование сланцеватого (слоистого) строения и, как следствие, анизотропию свойств. Например, гнейс - слоистая порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации гранитов при одноосном давлении. Минеральный состав у гнейса, как у гранита, но кристаллы ориентированы в одном направлении. Слоистость гнейса облегчает его добычу и обработку, но снижает стойкость к выветриванию.

1.1.2 Технические требования к каменным материалам

Основными показателями качества природных каменных материалов являются предел прочности при сжатии (марка материала), средняя плотность, морозостойкость и водостойкость, характеризуемая коэффициентом размягчения. В особых случаях определяют также истираемость, износостойкость, сопротивление удару и другие показатели.

По средней плотности природные каменные материалы делят на тяжелые (>1800 кг/м³) и легкие (менее 1800 кг/м³). По прочности на сжатие (кгс/см²) их делят на марки: 4; 7; 10; 15; 25; 35; 50; 75; 100; 125; 150; 200, далее через 100 до марки 1000.

Марки природных каменных материалов по морозостойкости (количество циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии): 10; 15; 25; 50; 100; 200; 300 и 500. Градация по коэффициенту размягчения; 0,6; 0,75; 0,8; 0.9 и 1,0. Коэффициент размягчения камня (отношение предела прочности камня в водонасыщенном состоянии к пределу прочности в сухом состоянии), применяемого для фундаментов, дорожных покрытий, гидротехнических конструкций, должен быть не ниже 0,8, а для наружных стен зданий - не ниже 0,6.

1.1.3 Добыча, обработка и виды изделий из природного камня

Способ добычи природного камня зависит от условий залегания породы, ее твердости, прочности и трещиноватости.

Основные способы добычи: взрывной, с помощью камнекольных инструментов, с помощью камнерезных машин и др.

По виду обработки природные каменные материалы делятся на грубообработанные каменные материалы и штучные изделия и профилированные детали.

Грубообработанные материалы: песок, гравий - окатанные (округлые) зерна размером от 5 до 150 мм, получаемые из рыхлых залежей рассевом; щебень - куски камня неправильной формы, получаемые дроблением горных пород с последующим рассевом; бутовый камень - крупные куски камня неправильной формы, получаемые взрывным методом (рваный бут), или плиты неправильной формы (постелистый бут или плитняк), получаемые выламыванием из слоистых пород.

К изделиям из природного камня относят колотые и пиленые плиты и камни различного назначения. Стеновые камни выпиливают из мягких горных пород - пористых известняков, вулканических туфов, опок со средней плотностью не более 2100 кг/м³. Размеры основных типов камней: 390х190х188 мм, 390х190х288 мм, 490х240х188 мм. Каждый камень заменяет 8-16 кирпичей.

Наружная облицовка зданий выполняется из плит и фасонных деталей из плотных и атмосферостойких пород, в основном из глубинных магматических или плотных известняков. Именно использование известняка для облицовки московских зданий дало Москве эпитет «белокаменная».

Внутренняя облицовка зданий производится плитами из пород средней твердости: мрамора, пористых известняков (ракушечника, травертина) и других. Пористые породы, кроме декоративного эффекта, обеспечивают хорошую акустику помещений, благодаря чему рекомендуются для зрительных залов.

Поверхность облицовочных плит может иметь различную фактуру. Ударной обработкой можно получить следующие фактуры: фактуру «скалы» с крупными буграми и впадинами; рифленую и бороздчатую с правильным чередованием гребней и впадин глубиной от 0,5 до 2 мм; точечную - равномерно шероховатую с углублениями не более 2 мм.

Абразивной обработкой получают: пиленую фактуру с глубиной бороздок не более 1 мм; шлифованную - равномерно шероховатую с глубиной рельефа до 0,5 мм; лощеную - гладкую бархатисто-матовую с выявленным рисунком и цветом камня, без блеска; полированную - гладкую с зеркальным блеском, полностью выявляющую цвет и структуру камня.

Плиты для покрытия пола делают из твердых пород (гранит, сиенит и др.) с полированной (реже шлифованной) лицевой поверхностью. Пример использования таких плит - станции и переходы Московского метро. В помещениях с малой интенсивностью движения и высокими требованиями к декоративности могут использоваться плиты из мрамора. Толщина плит пола - не менее 20 мм.

Дорожные каменные материалы, учитывая крайне суровые условия работы, изготавливают из плотных, прочных, износостойких горных пород. К дорожным материалам относятся: бортовые камни, брусчатка, булыжный камень. Бортовые камни, отделяющие проезжую часть от тротуара, делают в основном из гранита и сиенита. Размеры их: длина 1000-2000 мм, ширина 100-200 мм, высота 300-400 мм.

Брусчатка - колотые или тесаные камни из магматических или плотных осадочных горных пород, имеющие форму, близкую к кубу. Брусчаткой вымощена Красная площадь в Москве. Это очень долговечное и декоративное покрытие улиц и площадей.

Булыжный и колотый камень используют для устройства верхних покрытий дорог 1У и У категорий, оснований под дороги, укрепления откосов земляных сооружений, для берегоукрепительных работ. Такие работы связаны с большими затратами ручного труда, поэтому булыжный камень сейчас применяется редко.

Каменные материалы для гидротехнических сооружений - защитные облицовки мостовых конструкций, шлюзов и плотин, устройство набережных и т.п. Для этих целей применяют плотные магматические породы (гранит, диабаз, сиенит и др.), обладающие высокой морозостойкостью (не менее 300 циклов) и износостойкостью.

1.2 Строительные материалы и изделия из древесины

Древесина - освобожденная от коры ткань древесных волокон, содержащаяся в стволе дерева.

В отличие от богатств земных недр лес восстанавливается и при рациональном пользовании может быть неубывающим источником сырья. По величине лесных массивов Россия занимает первое место в мире, однако это не значит, что можно неограниченно применять древесину. Лес определяет климатические условия в стране, сохраняет здоровье людей.

Потребность в лесоматериалах удовлетворяется путем комплексной переработки древесины. Наряду с традиционными материалами все шире применяют материалы из отходов древесины (горбыль, рейки, стружки, опилки и проч.) На передовых деревообрабатывающих комбинатах коэффициент использования древесного сырья доходит до 0,98.

Качество древесины зависит от породы. К хвойным породам, широко используемым в строительстве, относятся сосна, лиственница, ель, пихта и кедр. Лиственные породы используют значительно реже. Наибольшее применение из них имеют дуб, ясень, бук, береза, ольха.

1.2.1 Состав и строение древесины

По составу древесина представляет собой целлюлозу (С₆Н₁₀О₅)_n , где n>2500. Макромолекулы природного полимера - целлюлозы имеют сложное строение, эластичны и сильно вытянуты.

Строение древесины изучают на макро- и микроуровне. Макроструктурой называют строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом. Макроструктуру изучают на трех основных разрезах ствола: поперечном (торцевом) - он делается перпендикулярно оси ствола, радиальном, проходящем вдоль оси ствола через его сердцевину, и тангенциальном, проходящем по хорде вдоль ствола. На этих разрезах можно различить следующие части ствола: сердцевину (тонкая полая трубка в самом центре - клетки первого года жизни дерева), кору, луб, камбий, годичные кольца, заболонь, ядро, сердцевинные лучи.

Под защитой коры и лубяного слоя у растущего дерева располагается тонкий кольцевой слой живых клеток - камбий. Здесь происходит деление клеток древесины. Ежегодно с весны до осени камбий откладывает в сторону коры клетки луба и внутрь ствола - клетки древесины.

Каждое годичное кольцо состоит из слоя ранней древесины, образовавшейся весной и в начале лета, и поздней, которая образуется к концу лета. Ранняя древесина состоит из крупных тонкостенных клеток и на срезе выглядит светлой. Поздняя древесина имеет мелкие толстостенные клетки; она менее пориста, обладает большей прочностью и имеет темный цвет.

Ядро - это внутренняя часть ствола, примыкающая к сердцевине, состоящая из отмерших клеток, пропитанных у хвойных пород смолой, а у лиственных - дубильными веществами. Эта часть ствола становится более твердой и менее склонной к загниванию. Более молодая древесина ближе к коре называется заболонью. Она состоит из живых клеток, по которым перемещаются питательные вещества и влага от корней к кроне. Эта часть древесины имеет большую влажность, малую прочность, легко загнивает, склонна к короблению.

Сердцевинные лучи состоят из клеток, вытянутых в поперечном направлении, и служат для создания запаса влаги и питательных веществ на зимнее время. Древесина легко раскалывается и растрескивается по сердцевинным лучам.

Микроструктуру древесины изучают под микроскопом. Основную массу древесины составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола. Исключение составляют клетки сердцевинных лучей. Поперечный размер клеток древесины 0,01...0,1 мм, длина 0,5-10 мм. Крупные сосуды (разросшиеся клетки) у лиственных пород могут достигать длины 2...3 м Оболочки клеток имеют сложное строение. У хвойных пород имеются межклеточные пространства, заполненные смолой - смоляные ходы.

1.2.2 Свойства древесины

Состав и строение древесины определяют ее свойства. К положительным свойствам древесины относятся малая средняя плотность (400-500 кг/м³), малая теплопроводность (например, у сосны теплопроводность поперек волокон составляет 0,17, вдоль -0,35 Вт/(м.⁰C), высокая прочность (R_сж=35-70 МПа; R_изг= 80-120 МПа). Пористость древесины составляет 50-75%, удельная прочность (по изгибу) достигает 200-230 МПа. Древесина химически стойка, обладает замечательной декоративностью, долговечностью и очень технологична.

К отрицательным свойствам древесины, ограничивающим ее применение, относятся анизотропия свойств - разные свойства по разным направлениям (следствие волокнистого строения), высокая гигроскопичность, склонность к короблению и растрескиванию, загниваемость, возгораемость, наличие пороков. Эти недостатки частично или полностью устраняются техническими мероприятиями.

Пороками называют недостатки древесины, появляющиеся во время роста дерева и хранения пиломатериалов на складе. Степень влияния пороков на пригодность древесины зависит от их вида, места расположения, размеров, а также от назначения древесной продукции. Один и тот же порок в некоторых видах продукции делает древесину непригодной, а в других понижает ее сортность или не имеет существенного значения.

Пороки древесины делят на несколько групп:

- пороки формы ствола (сбежистость - значительное уменьшение диаметра по длине ствола; закомелистость - резкое увеличение диаметра нижней комлевой части ствола; кривизна);

- пороки строения древесины (наклон волокон - косослой вызывает резкое снижение прочности древесины; свилеватость - расположение волокон в виде волн или завитков; крень - смещение сердцевины; двойная сердцевина);

- сучки - части ветвей, заключенные в древесине (сросшиеся и выпадающие сучки, разветвленные или лапчатые - наиболее опасные; здоровые);

- трещины (метик, морозные трещины, трещины усушки идут по сердцевинным лучам, отлуп - по годовым кольцам);

- грибные поражения и химические окраски - вызываются грибами, использующими древесину в качестве питательной среды, или микроорганизмами;

- повреждения насекомыми - червоточины;

- покоробленности - нарушение формы пиломатериалов при изменении влажности древесины (поперечная, продольная и винтообразная покоробленность - крыловатость).

Зависимость свойств древесины от влажности

Влажность выражают в % от массы сухой древесины. В древесине различают:

- гигроскопическую влагу, связанную в стенках древесных клеток;

- капиллярную влагу, которая в свободном состоянии заполняет межклеточное пространство и полости клеток;

- химически связанную влагу.

Основную массу влаги составляют гигроскопическая и капиллярная.

Сухая древесина поглощает водяной пар из влажного воздуха, который поступает в стенки древесных клеток. Полное насыщение стенок клеток гигроскопической влагой соответствует влажности древесины около 30%. Эта влажность называется пределом гигроскопичности.

При увлажнении стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. При достижении предела гигроскопичности разбухание прекращается, деформации стабилизируются. Содержание свободной влаги на размерах древесины не отражается.

Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток. Вследствие неоднородности строения, древесина усыхает и разбухает в различных направлениях неодинаково, что и вызывает коробление и растрескивание лесных материалов.

Для предотвращения коробления и растрескивания древесину используют с той равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации. Например, для столярных изделий влажность древесины не должна превышать 8-10%, для наружных конструкций 15-18%. Для защиты древесины от последующего увлажнения в процессе эксплуатации ее покрывают красками, лаками, специальными составами.

Равновесная влажность древесины зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Для определения равновесной влажности древесины пользуются специальной номограммой.

Свойства древесины (средняя плотность, деформации, прочность и др.) зависят от влажности, поэтому показатели свойств, полученные при испытании древесины различной влажности, для возможности сопоставления приводят к стандартной влажности, равной 12%. Например, если известна равновесная влажность древесины (W_р) в момент испытания и предел прочности при этой фактической влажности (R^w), то прочность при стандартной влажности рассчитывается по формуле:

R¹² = R^w [1+ (W_р - 12)],

де - коэффициент, показывающий на сколько изменяется прочность при изменении влажности древесины на 1%. Значение при сжатии и изгибе составляет 0,04, при смятии (сжатие поперек волокон) - 0,035.

Прочность древесины зависит от породы дерева, наличия пороков, места расположения древесины в стволе, направления волокон древесины, влажности и др. Она определяется на стандартных лабораторных образцах без пороков: при определении предела прочности при сжатии вдоль волокон размер образцов 2х2х3 см, при смятии - 2х2х6 см, при изгибе - 2х2х30 см и т.д.

1.2.3 Защита древесины от гниения и возгорания

Гниение древесины вызывается совместным действием следующих факторов: повышенная влажность, кислород воздуха, положительная температура, наличие спор дереворазрушающих грибов. Дереворазрушающие грибы питаются материалом стенок клеток - целлюлозой, разлагая ее с помощью ферментов до глюкозы:

(С₆Н₁₀О₅)_n + n Н₂О = n С₆Н₁₀О₅

Глюкоза в теле гриба используется в процессе его жизнедеятельности, и, в конце концов окисляется и превращается в углекислый газ и воду:

С₆Н₁₀О₅ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О.

Наиболее радикальный и реальный с конструктивной точки зрения путь защиты древесины от гниения - сухой режим эксплуатации (влажность древесины должна быть не более 15%). Если это невозможно, необходимо использовать антисептики - вещества, ядовитые для дереворазрушающих грибов.

Чаще других применяются водорастворимые антисептики, например, 3%-ный водный раствор NaF; растворы кремнефторида натрия или аммония. Маслянистые антисептики (например, антраценовое, каменноугольное, сланцевое масло), применяют для глубокой пропитки деревянных элементов, находящихся на открытом воздухе, в земле или воде (шпалы, части мостов, сваи, подводные сооружения и др.). Органорастворимые (Pinotex и проч.) - высокотоксичные для дереворазрушающих грибов антисептики, хорошо проникающие в древесину. Антисептические пасты, состоящие из водорастворимого антисептика, связующего вещества (битум, глина, жидкое стекло и др.) и наполнителя (торфяной порошок), применяют для защиты деревянных элементов зданий, увлажнение которых происходит в процессе эксплуатации (концы балок, столбов и др.).

Защита от возгорания осуществляется покрытием древесины огнезащитными составами и пропиткой антипиренами. Механизм действия огнезащитных красочных составов заключается в том, что при пожаре краска пузырится и образующийся пористый слой замедляет нагревание древесины. Антипирены (от греч. pyr - огонь) - растворы солей и некоторых других веществ (хлористый аммоний, фосфорнокислые натрий и аммоний, сернокислый аммоний, бура), которыми пропитывают древесину. Механизм их действия основан на том, что одни из них при нагревании древесины создают оплавленную пленку, закрывающую доступ кислорода к древесине, другие - при высокой температуре выделяют негорючие газы, препятствующие горению.

1.2.4 Виды материалов, изделий и конструкций из древесины

Лесоматериалы:

- круглые лесоматериалы (бревна строительные и пиловочные - диаметр верхнего торца не менее 14 см, подтоварник - диаметр 8-13 см, жерди - диаметр 3-8 см. Оцилиндрованные бревна получают из обычных бревен обработкой их на токарном станке, в результате чего они приобретают цилиндрическую форму (без «сбега»);

- пиломатериалы (пластины - получают при продольном распиливании бревен на две половины), четвертины - распиливание по двум взаимно перпендикулярным диаметрам, доски, брусья, бруски, горбыль). Длина пиломатериалов от 1 до 6,5 м с градацией через 0,25 м. Брусья имеют квадратное или прямоугольное сечение, толщину и ширину более 100 мм. Бруски имеют толщину менее 100 мм;

Полуфабрикаты и изделия из древесины:

- строганые и шпунтованные доски имеют на одной кромке шпунт, а на другой - гребень для плотного соединения элементов.

- фрезерованные изделия (плинтусы, поручни, наличники для обшивки дверных и оконных коробок, фальцованные доски - вагонка);

- паркет (штучный, щитовой, паркетная доска). Щитовой паркет имеет основание из досок или брусьев, на которое наклеен паркет из планок. Паркетные доски состоят из реечного основания с наклеенными паркетными планками;

- столярные изделия (оконные и дверные блоки, столярные перегородки, щитовые двери и др.);

Фанера - листовой материал, склеенный из трех и более слоев лущеного шпона. Шпон - тонкая непрерывная стружка, снимаемая с поверхности бревна на лущильных станках. Листы шпона в фанере располагают так, чтобы волокна древесины в смежных слоях находились во взаимно перпендикулярных направлениях. Так достигается изотропность материала при высоких прочностных показателях, характерных для цельной древесины без пороков. Толщина листов фанеры от 3 до 19 мм.

В зависимости от вида использованного клея и его водостойкости различают фанеру повышенной водостойкости (марка ФСФ на фенолоформальдегидном клее), средней водостойкости (марки ФК и ФБА соответственно на карбамидном и альбумин-казеиновом клеях), ограниченной водостойкости (марка ФБ на казеиновом клее). Декоративная фанера марки ДФ, облицованная шпоном из ценных пород (дуба, груши и т.п.), применяется для внутренней отделки стен, перегородок, дверных полотен, встроенной мебели. Для использования во влажных условиях и нагруженных конструкциях производится бакелитизированная фанера (марки ФБС и ФБ). Выпускаются также фанерные плиты (толщиной до 78 мм), применяемые для дверей, перегородок, встроенной мебели.

Столярные плиты толщиной до 50 мм (реечные щиты, оклеенные с обеих сторон шпоном) также применяют для изготовления дверей, перегородок, мебели и т.п.

Кровельные материалы для временных зданий выпускают следующих видов: стружка (длиной 40-50 см вдоль волокон, толщиной 0,3 см), дрань (длиной 40-100 см, толщиной 0,3-0,5 см), плитки деревянные и гонт (длиной 50-70 см, толщиной 1,5 см).

Сборные деревянные дома могут быть двух типов: с деревянным каркасом (из бруса, толстых досок и т.п.), заполненным каким-либо теплоизоляционным материалом (минеральной ватой, фибролитом и др.) и обшитым с внутренней и наружной сторон, и дома из бревен (обычных и оцилиндрованных) или деревянного бруса. Более совершенный вариант - дома из клееного бруса. Такой брус делают на заводе склейкой из 3-5 толстых досок («ламелей») таким образом, чтобы годовые кольца древесины в соседних ламелях были направлены в разные стороны. За счет этого клееные брусья не трескаются и не коробятся. На верхней и нижней гранях бруса фрезеруются шипы и ответные им пазы для простейшего получения плотного стыка

Клееные деревянные конструкции - крупноразмерные элементы (шириной 120-200 мм, высотой - до 1500 мм), полученные путем склеивания полимерными клеями небольших деревянных заготовок. Они отличаются меньшей массой, большей прочностью, водостойкостью, большей стойкостью к загниванию, меньшей возгораемостью, чем обычные деревянные конструкции. Технология клееных деревянных конструкций позволяет получить конструкции любого размера и формы, удалить из древесины дефектные участки (сучки, косослой и проч.), максимально полно использовать древесину, в том числе и «неделовую». Клееные деревянные конструкции превосходят по эффективности железобетонные, и во многих странах мира они рекомендованы для многоэтажных жилых и общественных зданий.

К несущим клееным конструкциям относят плоские конструкции - балки, фермы, рамы, арки, панели и пространственные - оболочки, купола и т.п. В качестве ограждающих конструкций используются панели размерами 3х1,5 м и 6х1,5 м с обшивкой из фанеры и другие конструкции.

Модифицированная древесина - цельная древесина с направленно измененными свойствами (прессованная древесина, пластифицированная аммиаком, модифицированная синтетическими смолами).

Материалы на базе неделовой древесины и отходов деревообработки - древесностружечные плиты ДСП, цементностружечные плиты ЦСП, древесноволокнистые плиты ДВП, фибролит и арболит. Древесноволокнистые плиты выпускаются в виде мягких плит для тепловой изоляции и в виде тонколистового прочного материала с гладкой поверхностью - твердые ДВП или оргалит. Оргалит используют для обшивки стен, потолков, при настилке полов и как основа сборных элементов покрытия пола - ламината. Оргалит не рекомендуется использовать во влажных помещениях, так как при контакте с водой он набухает и деформируется.

Для отделки помещений с влажным режимом эксплуатации (ванные комнаты, туалеты и т.п.) используют сверхтвердые ДВП плотностью 1100-1200 кг/м³, в состав которых вводят термореактивные смолы. Поверхности таких плит обычно окрашивают или ламинируют декоративными пленками.

Глава 2. Материалы, получаемые термической обработкой минерального сырья

2.1 Керамические материалы

2.1.1 Общие сведения

Рис. 1

Керамическими называются искусственные каменные материалы и изделия, получаемые из минерального сырья путем формования и последующего обжига при высоких температурах.

В настоящее время керамические изделия, в т.ч. специальные, широко используются не только в строительстве, но и в машиностроении, ядерной энергетике, электронной, ракетной и других отраслях промышленности. Значительный интерес представляет оксидная техническая керамика, а также металлокерамика.

Современное строительное производство использует широкий круг керамических материалов и изделий с различными свойствами. Их классифицируют по ряду признаков:

- по назначению керамические изделия подразделяются на стеновые, кровельные, отделочные, для полов, для перекрытий, дорожные, санитарно-технические, кислотоупорные, теплоизоляционные, огнеупорные, заполнители для бетонов и др.;

- по структуре разделяют на пористые, имеющие водопоглощение по массе более 5% (кирпич и камни стеновые, кровельные, облицовочные материалы, дренажные трубы и др.) и плотные, имеющие волопоглощение по массе менее 5% (плитки для пола, дорожный кирпич, стенки канализационных труб и др.).

- по температуре плавления подразделяются на легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350⁰С), тугоплавкие (1350⁰С-1580⁰С), огнеупорные (1580⁰С-2000⁰С), высшей огнеупорности (более 2000⁰С).

Керамические материалы занимают одно из первых мест по объемам производства не только благодаря широкой номенклатуре изделий и высокой долговечности, но и сравнительной простоте технологии при больших запасах широко распространенного сырья.

2.1.2 Сырье для производства керамических материалов

Основным сырьем для производства керамических материалов служат глины и каолины. Каолины состоят преимущественно из минерала белого цвета - каолинита Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O, имеющего частицы менее 0,01 мм; они малопластичны, характеризуются тугоплавкостью, после обжига сохраняют белый цвет.

Глины характеризуются разнообразным минеральным составом: помимо каолинита состоят из родственных ему минералов - монтмориллонита Al₂O₃.4SiO₂.nH₂O и галлуазита Al₂O₃.2SiO₂.4H₂O, а также минеральных и органических примесей.

Глины с преобладающим содержанием монтмориллонита, имеющего частицы размером менее 0,005 мм, весьма пластичны, сильно набухают, чувствительны к сушке и обжигу. Такие глинистые породы называют бентонитами, содержание в них частиц размером менее 0,001 мм достигает 85-90%.

Химический состав глин характеризуется соотношением различных оксидов: Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃, СаО, Na₂O, MgO и K₂O. Примеси (кварц, слюда, полевые шпаты, кальцит, магнезит и др.), входящие помимо глинистых минералов в состав глин, уменьшают пластичность. Наличие СаСО₃ может явиться причиной появления так называемых “дутиков” и трещин в изделиях.

Гранулометрический состав глин характеризуется частицами, различными по крупности: 5,0-0,16 мм - песчаные фракции; 0,16-0,005 мм - пылевидные фракции, менее 0,005 мм - глинистое вещество.

Глины как сырье для керамики оценивают комплексом свойств, главным из которых является пластичность.

Свойства глин как сырья для керамических изделий

Пластичность - свойство глины во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять полученную форму после прекращения действия усилий. Пластичность обусловлена образованием тонких слоев воды между пластинчатыми частицами глины, способствующих набуханию глины и скольжению частиц друг относительно друга без потери связности. Степень пластичности зависит от гранулометрического, минерального состава глин, формы частиц, содержания примесей и количества воды. Чем большн в глине содержание мельчайших частиц (менее 0,005 мм), тем она пластичнее. Пластичность характеризуется числом пластичности Пл (разность влажностей, соответствующих пределу текучести глины и пределу раскатывания глиняного жгута). Для производства хороши умеренно пластичные глины (Пл = 7-15%). Малопластичные глины (тощие) с Пл<7% плохо формуются, а средне - (Пл =15-25%) и высокопластичные (Пл>25%) глины дают большую усадку при сушке, растрескиваются и требуют отощения.

Связность (связующая способность глины) - способность глиняного теста связывать зерна непластичных материалов (песка, шамота и др.), а также образовывать при высыхании достаточно прочное изделие - сырец. Характеризуется степенью связности - усилием, необходимым для разъединения частиц глины.

Воздушная усадка - уменьшение размеров и объема сырца при его сушке за счет испарения свободной воды; она колеблется от 2 до 12% и может быть уменьшена введением отощителей и поверхностно-активных веществ, сокращающих формовочную влажность глин.

Огневая усадка - изменение размеров и объема изделий в процессе обжига, обусловленное расплавлением легкоплавких составляющих глин и сближением частиц глины между собой; она составляет от 2 до 8 % и тем выше, чем больше температура обжига. Полная усадка равна сумме воздушной и огневой.

Огнеупорность - свойство глин (и изделий из них) выдерживать воздействие высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По огнеупорности различают огнеупорные (не ниже 1580⁰С), тугоплавкие (1350-1580⁰С) и легкоплавкие (ниже 1350⁰С) глины.

Спекаемость - свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок. Интервал между температурой начала спекания и температурой, при которой появляются первые признаки пережога, называется интервалом спекания. Чем он больше, тем легче управлять процессом обжига, тем меньше опасность деформаций изделий.

В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает глубокие физико-механические изменения. Сначала испаряется свободная вода (до 200⁰С), затем выгорают органические примеси (300-400⁰С). При температуре 500-600⁰С удаляется химически связанная вода из глинистых минералов, так из каолинита образуется безводный метакаолинит Al₂O₃.2SiO₂, который при 700-800⁰С разлагается на отдельные оксиды (образуется так называемый твердый раствор). С повышением температуры до 900⁰С и выше оксиды SiO₂ и Al₂O₃ вновь соединяются, но в других соотношениях, образуя новый искусственный минерал муллит 3Al₂O₃.2SiO₂. Муллит придает обожженному керамическому черепку водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита переходят в расплав легкоплавкие составляющие глины, которые скрепляют кристаллы муллита, цементируют и упрочняют материал.

Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при температуре 950-1050⁰С. Дальнейшее повышение температуры ведет к появлению пережога («железняк»), характеризующегося повышенной плотностью изделий, темным фиолетово-бурым цветом, иногда оплавленной поверхностью и деформированием изделий. Соответственно недожог характеризуется незавершенностью процессов обжига, пониженной прочностью, водо- и морозостойкостью; изделия имеют алый оттенок.

Природные глины в чистом виде применяются редко, чаще - в смеси с добавками различного назначения:

- отощающие добавки - шамот, дегидратированная глина, шлаки, золы, кварцевый песок; вводятся для понижения пластичности и уменьшения усадки глины при сушке и обжиге;

- порообразующие добавки вводятся для повышения пористости и уменьшения теплопроводности керамического черепка. По механизму порообразования добавки делятся на диссоциирующие с выделением газа - молотые мел, доломит и выгорающие - древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль;

- пластифицирующие добавки - высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества; вводятся в тощие глины и повышают пластичность сырьевой смеси;

- плавни - полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк и др.; понижают температуру спекания глин.

Для улучшения внешнего вида, а также повышения стойкости к внешним воздействиям изделия покрывают декоративным слоем - глазурью или ангобом. Глазурь - стекловидное покрытие различного цвета, прозрачное или непрозрачное (глухое). Сырьевую смесь в виде порошка или суспензии из кварцевого песка, каолина, полевого шпата, солей щелочных и щелочноземельных металлов наносят на изделие и закрепляют обжигом.

Ангоб - тонкий слой беложгущейся или цветной глины, наносимый тонким слоем на поверхность еще необожженного изделия. При обжиге образуется цветное покрытие с матовой поверхностью.

2.1.3 Основы технологии керамических изделий

Карьерные работы включают добычу глины (обычно открытым способом), транспортирование и хранение промежуточного запаса глины. Добытая глина в замоченном состоянии в течение года хранится в карьере и подвергается при этом так называемому вылеживанию и вымораживанию. Это ведет к разрушению природных агрегатов глины, высвобождению мельчайших частичек и повышению ее пластичности.

Подготовка сырьевой массы состоит в разрушении природной структуры глины, удалении или измельчении крупных включений (камней и проч.), смешении глины с необходимыми добавками и увлажнении ее до нужной формовочной влажности.

В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготавливаемой продукции применяют различные способы формования изделий. Основные изделия строительной керамики (кирпич, керамические камни, трубы, некоторые виды плитки, черепицу) производят способом пластического формования. Этот метод наиболее прост и получил наибольшее распространение.

При способе пластического формования глину перемешивают в глиносмесителе с добавками и водой до получения однородной пластической массы с влажностью 18-28%. Изделия формуются на ленточных шнековых прессах с вакуумированием и подогревом или без них. С помощью шнека (винтового конвейера) глиняная масса перемещается к сужающейся головке пресса, где она уплотняется и продавливается через формообразующую часть пресса - мундштук в виде непрерывного бруса или ленты. В мундштуке могут быть установлены керны (пустотообразующие сердечники), образующие каналы в выдавливаемой ленте; так получают пустотелый кирпич, трубы и проч. Глиняная лента разрезается на отдельные изделия (сырец), размеры которых должны быть несколько больше, чем требуемые стандартом, так как в процессе сушки и обжига глина претерпевает усадку.

Жесткий способ формования является разновидностью пластического. Исходные материалы измельчают и смешивают до получения массы с влажностью 13-18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных или гидравлических прессах, при этом могут быть использованы менее пластичные глины.

При способе полусухого прессования изделия формуют из шихты с влажностью 8-12% под давлением 15-40 МПа на механических прессах. Способ применяют в производстве обыкновенного и пустотелого глиняного кирпича, фасадных плиток. Главное преимущество данного способа - сокращение затрат энергии (в результате меньшей формовочной влажности).

При сухом способе пресс-порошок готовится с влажностью 2-6%, при этом устраняется необходимость сушки. Таким образом изготавливают плитки для пола, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора.

Шликерный способ (способ литья) применяют в случае изготовления изделий из массы (шликера) с содержанием воды до 40%. Этот способ применяют для получения изделий сложной формы методом литья, например санитарно-технических изделий, облицовочных плиток, декоративной керамики.

Сушка керамических изделий производится в туннельных или камерных сушилках медленно в течение 16-36 ч при температуре горячего воздуха или дымовых газов (для сушки можно использовать дымовые газы из обжиговых печей) 120-150 ⁰С. Процесс сушки проводят до влажности сырца 5-6% с тем, чтобы избежать неравномерной усадки, искривлений, растрескиваний при последующем обжиге, а также для придания изделиям прочности, достаточной для перевозки и выдерживания нагрузки вышележащих рядов сырца при укладке в печь.

Обжиг изделий производится в туннельных печах при температуре 900-1100⁰С для кирпича, камня, керамзита и до 1300-1800⁰С для огнеупорной керамики. Необходимую температуру обжига следует строго выдерживать.

2.1.4 Виды керамических материалов

Стеновые материалы. Кирпич и камни керамические применяются для кладки наружных и внутренних стен и других элементов зданий и сооружений, а также для изготовления стеновых панелей и блоков. В соответствии с ГОСТ 530-2007 зависимости от размеров они подразделяются на виды, приведенные в табл. 2.1. По согласованию с потребителем могут выпускаться изделия и других размеров.

Табл. 2.1. Номинальные размеры стеновых керамических изделий

Вид изделия	Обозначение вида	Номинальные размеры	Обозначение размера
		Длина	Ширина	Толщина
Кирпич нормального формата одинарный	КО	250	120	65	1 НФ х)
Кирпич «Евро»	КЕ	250	85	65	0,7 НФ
Кирпич утолщенный	КУ	250	120	88	1,4 НФ
Кирпич модульный одинарный	КМ	288	138	65	1,3 НФ
Кирпич утолщенный с горизонтальными пустотами	КУГ	250	120	88	1,4 НФ
Камень	К	250	120	140	2,1 НФ
		288	288	88	3,7 НФ
		288	138	140	2,9 НФ
		288	138	88	1,8 НФ
		250	250	140	4,5 НФ
		250	180	140	3,2 НФ
Камень крупноформатный	КК	510	250	219	14,3 НФ
		398	250	219	11,2 НФ
		380	250	219	10,7 НФ
		380	255	188	9,3 НФ
		380	250	140	6,8 НФ
		380	180	140	4,9 НФ
		250	250	188	6,0 НФ
Камень с горизонтальными пустотами	КГ	250	200	70	1,8 НФ

^х) Кирпич нормального формата (одинарный)

Кирпич может быть полнотелым и пустотелым, а камни - только пустотелыми. Модульный и утолщенный кирпич также делают только с пустотами, так как масса одного кирпича не должна превышать 4 кг. Поверхность граней изделий может быть гладкой и рифленой. Нестандартный (необычный) цвет кирпича говорит о нарушении процесса обжига.

Основная характеристика качества кирпича - марка по прочности, определяемая по результатам испытания кирпича на сжатие и изгиб. Для стеновых изделий (кроме крупноформатного камня и кирпича и камня с горизонтальными пустотами) установлены марки: М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300. Крупноформатные камни дополнительно к вышеуказанным имеют марки: М35, М50, М75. Марки кирпича и камней с горизонтальными пустотами: М25, М35, М50, М75, М100. Марка соответствует пределу прочности при сжатии в кГс/см², а прочность на изгиб для каждой марки должна быть не менее предписанных стандартом значений.

Марки стеновых изделий по морозостойкости: F25, F35, F50, F100.

По показателю средней плотности изделия подразделяются на классы: 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 2,0. Плотность обыкновенного полнотелого керамического кирпича - 1600-1900 кг/м³; наличие пустот существенно снижает плотность кирпича и камней.

Табл. 2.2. Группы изделий по теплотехническим характеристикам

Класс средней плотности изделия	Средняя плотность, кг/м3	Группы изделий по теплотехническим характеристикам	Теплопроводность кладки в сухом состоянии, Bт/(м.0С)
0,8	До 800	Высокой эффективности	До 0,20
1,0	801-1000	Повышенной эффективности	Св. 0,20 до 0,24
1,2	1001-1200	Эффективные	Св. 0,24 до 0,36
1,4	1201-1400	Условно-эффективные	Св. 0,36 до 0,46
2,0	Св. 1400	Малоэффективные (обыкновенные)	Св. 0,46

В различных странах выпускаются отличающиеся между собой стеновые материалы как по номенклатуре, так и по типоразмерам и маркам. В зарубежной практике известно производство кирпича пазогребневой конструкции для безрастворной кладки, крупноразмерных стеновых керамических элементов, звукоизоляционного кирпича и других стеновых изделий.

...