5.7. Каменное литье

Плавленые каменные изделия (каменное литье) получают путем расплавления предварительно подготовленной шихты из горных пород, а также вторичного сырья (доменных шлаков, шлаков цветной металлургии), разливкой расплава в формы и последующей термической обработкой, включающей процессы кристаллизации и отжига.

Сырьем для производства каменного литья служат темноокрашенные магматические породы: диабаз, базальт и светлоокрашенные осадочные породы: доломит, мел и кварцевые пески.

Изделия из каменного литья находят широкое применение для футеровки травильных ванн, отстойников на химических предприятиях, в качестве облицовочных и кислотоупорных плиток, плиток для полов в цехах с агрессивными средами, в дорожном строительстве.

Контрольные вопросы и задания

1. Из каких сырьевых материалов изготовляют стекло? 2. Какими свойствами обладает стекло? 3. Какие разновидности листового стекла применяют в строительстве? 4. Где применяют стеклоблоки и стеклопакеты? 5. Какое стекло и стеклоизделия применяют для отделки интерьеров? 6. Что представляют собой ситаллы и шлакоситаллы, где их применяют?

Глава 6. Строительные металлы

6.1. Металлы и их классификация

Металлы — относительно новый материал, применяемый в строительной технике, по сравнению с древесиной, камнем, керамикой.

Металлами называют вещества, обладающие металлическим блеском, высокой прочностью, пластичностью, электро- и теплопроводностью, ковкостью, свариваемостью. Такие признаки металлов обусловлены их кристаллическим строением и электронными межатомными связями.

Кроме чистых металлов в технике чаще применяют металлические сплавы.

Сплавы металлов (или металлические сплавы) — это твердые системы, полученные сплавлением нескольких металлов.

В настоящее время в технике используют более 10 тыс. сплавов.

Свойства сплавов обычно резко отличаются от свойств чистых металлов и их можно регулировать.

Металлы и сплавы будем называть единым термином «металлы».

Из имеющих практическую ценность для современной техники металлов в земной коре в значительных количествах содержатся: алюминий— 8,8%, железо— 4,65, магний— 2,1, титан— 6,3%. Сотыми и тысячными долями процента определяются природные запасы меди, марганца, хрома, цинка, свинца, никеля и других ценных металлов.

Металл — один из самых распространенных материалов во всех отраслях промышленности, в том числе и в строительстве. Производство металлов в значительной степени определят уровень технического прогресса в любой стране. Применение их в строительстве разнообразно. Из металла строят каркасы, мосты, фермы, балки перекрытий, резервуары, изготовляют трубы, арматуру для железобетона, водопроводную, отопительную и вентиляционную арматуру, кровельную сталь, металлочерепицу и профнастил, различные металлические изделия, заклепки, болты, гвозди и др.

Широкому использованию металлов в строительстве способствует ряд ценных технических свойств: высокая прочность, пластичность, технологичность — способность обработки давлением, резанием, свариванием. Вместе с тем металлы имеют существенные недостатки: при действии различных газов и влаги сильно коррозируют, действие высоких температур вызывает значительные деформации.

В настоящее время широко используются алюминиевые сплавы, отличающиеся богатой пластикой, малой плотностью, сравнительно высокой прочностью, коррозионной стойкостью и другими ценными свойствами.

Современная техника позволяет окрашивать металлы в любой цвет, придавать различную фактуру, что позволяет использовать металлические изделия как в городских ансамблях, мемориалах, внешней отделке зданий, так и в интерьерах (чеканки, светильники, бра, подвесные потолки, скульптурные панно, дверная и оконная арматура и т.д.).

Выплавка металла была известна человечеству еще за четыре-пять тысячелетий до нашей эры. В этот период чаще всего выплавляли медь, как наиболее легкоплавкий материал. В Азии ил руды получали железо за 2000 лет до н.э., позже в Древнем Вавилоне и Египте железо применяли при постройке пирамид. В Индии, Греции, Риме знали способы литья сложных изделий из бронзы, способы золочения, серебрения.

В Западной Европе и Древней Руси чугун первоначально считали отходом процесса производства железа (об этом говорит его название «чушка»). В конце XIII—XIV в. чугун начали выплавлять как металл для отливки различных изделий и лишь с середины XVIII в. стали широко применять в строительных конструкциях. Чугунная колонна прочно господствовала на протяжении следующего столетия. Промышленное производство относится ко второй половине XIX в. В 1855 г. Г. Бессемер, а в 1864 г. П. Мартен предложили способы получения стали из чугуна. Бурное развитие машинного производства, прогресс техники, освоение железа и стали как новых строительных материалов, новые методы конструирования и расчета — способствовали развитию металлического строительства: осваиваются каркасные системы высотных домов, появляются большие пролеты новых типов общественных зданий, универсальных магазинов, крытых рынков, библиотек, аэропортов, вокзалов и т.п.

Научные основы процессов выплавки и обработки металлов были изложены М.В. Ломоносовым (1763). Основоположником современной металлургии и металловедения считают Д.К. Чернова (1868). Большой вклад в металловедение внесли П.П. Аносов, М.А. Павлов, А.А. Байков, Е.О. Патон, И.П. Бардин и др.

Металлы, применяемые в строительстве, разделяют на две основные группы: черные и цветные.

Черные металлы — это сплав железа с углеродом. Кроме того, черные металлы могут содержать в небольшом количестве марганец, серу, кремний, фосфор и другие химические элементы. Для улучшения свойств черных металлов к ним добавляют легирующие элементы (улучшающие) — медь, хром, никель и др.

В зависимости от содержания в черных металлах углерода их подразделяют на чугун и сталь; на их долю приходится около 95% металлопродукции мирового производства.

Чугун — железоуглеродистый сплав, в котором углерода более 2% (2...6,67%), содержащий постоянные примеси кремния, марганца, фосфора и серы. По назначению чугуны подразделяют на литейные, передельные и специальные (ферросплавы).

Литейный чугун является конструкционным материалом, из него изготовляют отливки различных строительных деталей.

Передельный чугун — промежуточный продукт, используемый для переработки в сталь.

Специальные чугуны с более высокими механическими свойствами применяют для изготовления чугунного литья специального назначения.

В зависимости от содержания примесей и формы, в которой углерод находится в чугуне, различают белый (передельный) и серый (литейный) чугуны. Эти названия соответствуют цвету чугуна.

В белом чугуне углерод химически связан с железом (карбид железа — цементит Fe₃С). Белый чугун имеет высокую твердость, весьма хрупкий.

В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде графита (мелкий и хрупкий компонент). Серый чугун в расплавленном состоянии хорошо «течет», заполняет формы, дает малую усадку при затвердевании, легко поддается механической обработке.

Разновидность серого чугуна — модифицированный. Его получают путем введения в жидкий сплав серого чугуна модификаторов. Этот чугун обладает высокими механическими свойствами.

При длительном отжиге белого чугуна получают ковкий чугун. В отличие от серых ковкие чугуны более прочные и пластичные, легче обрабатываются.

Маркировка чугунов. Серый и модифицированный чугуны маркируют буквами СЧ, например СЧ 120-280. Первая цифра марки показывает, предел прочности при растяжении (МПа), вторая — предел прочности при изгибе (МПа).

Сталь — железоуглеродистый сплав, в котором углерода менее 2%. От хрупкого чугуна сталь отличается пластичностью и упругостью.

По способу производства стали подразделяют на конверторные, мартеновские и электростали, по химическому составу их делят на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали содержат примеси серы и фосфора и марганца (0,25...0,9%). Марганец повышает прочность стали, не изменяя ее пластичности. Кремний (0,35%) не оказывает существенного влияния на свойства стали. Фосфор и сера являются вредными примесями; фосфор делает сталь хрупкой (хладноломкой), его содержание не должно превышать 0,05%; сера (не более 0,07%) вызывает красноломкость, снижает прочность и коррозионную стойкость.

В зависимости от содержания углерода стали делят на малоуглеродистые (до 0,25%), среднеуглеродистые (0,25...0,6%) и высокоуглеродистые (более 0,6%).

Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные конструкционные (для ответственных строительных конструкций) и инструментальные (для изготовления деталей машин).

Сталь обыкновенного качества, в зависимости от ее свойств, делят на три группы А, Б и В. Углеродистую сталь, полученную различными способами, разделяют на спокойную (СП), полуспокойную (ПС) и кипящую (КП).

Легированные стали— стали, в состав которых входят легирующие элементы: хром, никель, вольфрам, титан, медь. Легирующие элементы значительно улучшают свойства сталей: повышается механическая прочность, закаливаемость, коррозионная стойкость.

Марганец увеличивает прочность, твердость и сопротивление стали износу; кремний и хром повышают прочность и жаростойкость; медь — стойкость к атмосферной коррозии; никель — вязкость без снижения прочности.

По суммарному содержанию добавок стали разделяют на низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5...10%) и высоколегированные (более 10%). В строительстве чаще используют низколегированные стали.

Маркировка сталей. Стали для строительных конструкций маркируют условными обозначениями. Марку углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные конструкционные стали маркируют двузначными цифрами, указывающими на содержание углерода в сотых долях процента (сталь 15— углерода 0,15%; сталь 40 — углерода 0,40%). Например, СтЗкп — сталь обыкновенного качества группы А, марка 3, кипящая; Стбпс — сталь обыкновенного качества группы А, марка 5, полустойкая.

В обозначение низколегированных сталей входят буквы и цифры. Буквы указывают наличие в стали легирующих добавок, цифры — их среднее содержание в процентах. Предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Каждый легирующий элемент: обозначается определенной буквой: кремний — С; марганец — Г; хром — X; никель — Н; вольфрам — В; кобальт — К; медь — Д. Если после легирующего элемента нет цифры, то это означает, что содержание легирующего элемента не превышает 1,0%.

Например, сталь кремнемарганцевая 25Г2С содержит углерода 0,25%, марганца 2%, кремния до 1%; сталь хромокремнемарганцевая 14 ХГС содержит углерода 0,14%, хрома, марганца и кремния до 1%. При маркировке высококачественной легированной стали (с низким содержанием серы и фосфора) в конце ставится буква А, особо высококачественной — буква Ш.

Например, 30 ХМА — молибденхромовая сталь высокого качества содержит 0,3% углерода, до 1% хрома и молибдена.

В табл. 6.1 приведены механические свойства углеродистой стали.

Таблица 6.1 Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества

Марки стали Группы А	Предел прочности при растяжении, МПА	Предел текучести, МПА	Относительное удлинение, %
Ст0	Не менее 310	––	20…23
Ст1	320…420	––	31…34
Ст2	340…440	200…230	29…32
Ст3	380…490	210…250	23…26
Ст4	420…540	240…270	21…24
Ст5	460…600	260…290	17…20
Ст6	Не менее 600	300…320	12…15

Цветные металлы. Подразделяются на легкие плотностью до 5 г/см³ и тяжелые плотностью свыше 5 г/см³. В чистом виде цветные металлы практически не используют, чаще применяют их сплавы.

Легкие металлы, — это алюминий, магний и их сплавы. Наибольшее распространение получили алюминиево-кремнеземистые, алюминиево-магниевые и сплавы типа дюралюминия и силумин.

Тяжелые металлы — медь и ее сплавы, цинк, свинец. Среди тяжелых сплавов применяют бронзу (сплав меди с оловом) и латунь (сплав меди с цинком).