Учебники / Основин. Строительные материалы и изделия. Учебное пособие

6.2.Химический состав

итехнология производства стекла

Промышленные составы стекла содержат, как правило, не менее пяти компонентов, а специальные и оптические стекла могут содержать более десяти компонентов.

Однокомпонентное кварцевое стекло на основе диоксида кремния SiО2, широко используемое в технике и быту, является наиболее простым по составу.

Двухкомпонентное (бинарное) щелочно-силикатное стекло

состава Me2О – nSiO2, где Me – Na, К; n = 2...4, так называемое растворимое (жидкое) стекло, имеет большое промышленное значение и широко применяется в строительстве для получения кислотостойкого цемента, а также при реставрационных работах.

Широкое применение находит многокомпонентное оксидное стекло. Основу промышленного стекла (оконного, архи- тектурно-строительного, сортового, автомобильного, тарного и др.) составляют композиции тройной системы Nа2О(К2О)·СаО·SiО2 при содержании SiО2 – 60...80% (по массе), СаО – 0...10, Na2О – 10...25%.

По содержанию неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, галогенидные, халькогенидные, оксидные, сульфатные, нитратные, карбонатные, фосфатные и др.

Элементарные стекла образуются лишь при небольшом количестве элементов: сера (S), селен (Se), мышьяк (As), фосфор (Р), углерод (С). Стеклообразные серу и селен удается получить при быстром переохлаждении расплава, мышьяк – путем сублимации в вакууме, фосфор – при нагревании под давлением более 100 МПа, углерод – в результате длительного пиролиза органических смол.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента ВеF2. Многокомпонентные составы фторобериллатных стекол содержат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция и бария.

Халькогенидные стекла получают в бескислородных системах типа Ge – Al – X, Ge – Sb – X, Ge – P – X, где X – S, Se, Те. Они прозрачны в инфракрасной области спектра, обладают полупроводниковой проводимостью электронного типа, обнаруживают внутренний фотоэффект.

70

Оксидные стекла имеют важнейшее значение в технике и строительстве. Они представляют собой обширный класс соединений. Наиболее легко образуют стекла оксиды SiО2, GeО2, В2О3 Аl2О3. Большая группа оксидов (ТеО2, ТiО2, SeО2, МоО3, WО3, ВiO3, АlР3, Gа2О3, V2O3) образует стекла при сплавлении с другими оксидами или их смесями.

Производство стекла состоит из подготовки сырьевых материалов, приготовления шихты, варки стекломассы, изготовления стеклянных материалов и изделий. Сырьевые материалы, применяемые для получения стекла, подразделяют на основные и вспомогательные. К основным относят кварцевый песок, кальцинированную соду, сульфат натрия, доломит, известняк, мел, к вспомогательным – осветлители, глушители, красители.

6.3.Виды листового стекла

Встроительстве стекло применяют главным образом для остекления световых проемов (листовое стекло оконное, витринное, закаленное, армированное и т.д.). Кроме того, его используют как отделочный материал (цветные листы, крупные

имелкие плитки), а из стеклянного волокна получают стеклопластики и стекловолокнистые теплоизоляционные материалы. Штучные стеклянные изделия (пустотелые блоки и стеклопрофилит) применяют для устройства светопрозрачных ограждающих конструкций (перегородок, стен).

Листовое оконное стекло – наиболее распространенный вид плоского стекла. Его выпускают толщиной 2…6 мм и размерами от 250×250 мм до 2000×2200 мм, светопропускание составляет 84…90%. Существует несколько разновидностей листового стекла.

У з о р ч а т о е с т е к л о получают способом непрерывного проката, причем одна сторона стекла гладкая, а другая – тисненая, узорчатая. К узорчатому стеклу относятся стекла типа «мороз» и «метелица».

Стекло «мороз» изготавливают из листового оконного или витринного неполированного стекла путем специальной обработки, в результате которой на поверхности образуется узор, напоминающий заиндевевшее стекло. Его выпускают в виде листов толщиной 4 и 5 мм, максимальные размеры – 1000×1800 мм.

71

Это стекло применяют для остекления внутренних и наружных световых проемов.

Стекло «метелица» получают путем формования ленты на расплаве металла (олова). Оно может быть бесцветным, цветным или иметь поверхностный слой, окрашенный электрохимическим способом в результате ионного обмена и диффузии ионов металла в стекло. Одна поверхность стекла термически полированная, другая имеет неповторяющийся узор в виде выступающих над поверхностью листа волнистых участков, характер и регулярность которых могут быть заданы при производстве.

А р м и р ов ан н о е с т е к ло получают непрерывным прокатом с одновременным закатыванием внутрь листа металлической сетки. Оно может иметь гладкую или узорчатую поверхность, быть бесцветным или цветным.

В и т р и н н о е н е п о л и р о в а н н ое с т е к л о изготавливают путем вертикального вытягивания. Его длина – 2350… 2950 мм, ширина – 1950…2950, толщина – 6,5 мм. Светопропускание стекла – не менее 84%.

С о л н це з а щ и т н о е с т е к ло – это листовое стекло, задерживающее инфракрасные и другие тепловые солнечные лучи. Его выпускают теплопоглощающим (окрашенным в массе оксидами металлов) и солнцезащитным с покрытиями из оксидов металлов, прозрачными для видимых лучей и поглощающими часть инфракрасного солнечного излучения.

Солнцезащитное теплопоглощающее стекло получают введением в стекломассу добавок оксидов железа, меди, кобальта, которые окрашивают ее в зеленовато-голубоватые или серые тона. Светопропускание такого стекла составляет 65…75%, пропускание инфракрасных лучей – 30…35%.

К особым видам теплопоглощающего солнцезащитного стекла относят фотохромное стекло, обеспечивающее автоматическое регулирование теплопоступлений в помещение. Его получают из натриево-бороалюмосиликатного стекла путем введения добавок серебра, церия, европия. При воздействии солнечных лучей они темнеют, при снижении радиации светопрозрачность восстанавливается. Применяют такое стекло для остекления административных и производственных зданий.

З а к а л е н н о е с т е к ло получают путем термической обработки листового стекла, которое нагревают до температуры (640 ± 10) °С и быстро охлаждают. В результате прочность на удар и изгиб по сравнению с обычным стеклом повышается в

72

5–6 раз. Применяют закаленное стекло в основном для остекления транспортных средств.

Ц в е т н о е с т е к л о вырабатывают или из окрашенной стекломассы, или путем плотного соединения при формовании бесцветного и тонкого цветного слоев.

У в и о л е в о е с т е к л о получают из шихты определенного химического состава. Оно обладает способностью пропускать до 75% ультрафиолетовых лучей, поэтому применяется для остекления, например, оранжерей, теплиц.

М н о г о с л о й н о е с т е к л о состоит из нескольких листов обычного стекла, склеенных между собой прозрачной эластичной прокладкой. Наиболее широкое распространение получило трехслойное стекло – триплекс, которое обладает высокой прочностью и безопасностью. В строительстве многослойное стекло используют в качестве дверных полотен, специальных перегородок и ограждений.

6.4. Конструктивные изделия из строительного стекла

Широко применяются конструктивные изделия из стекла: стеклоблоки, пакеты, стеклопрофилит, трубы, плитка, мозаика и пр.

Пустотелые стеклянные блоки изготавливают квадратными, прямоугольными из бесцветного или окрашенного стекла. Конструкции из стеклоблоков создают мягкое рассеянное освещение и обладают высокой тепло- и звукоизоляционной способностью. Стеклоблоки используются при заполнении проемов в наружных стенах, устройства покрытий и светопрозрачных перегородок.

Стеклопакеты – это изделия из двух или трех слоев листового стекла, между которыми имеются герметичные воздушные прослойки. Оконные блоки из пакетного стекла обладают лучшими эксплуатационными показателями, чем блоки из обычного стекла в двойном переплете. Их применение в строительстве приводит к экономии лесоматериалов и повышает индустриальность остекления зданий.

Стеклопрофилит – профильное стекло швеллерного или коробчатого сечения. Оно характеризуется высокой прочностью и может служить для остекления ограждений и самонесущих

73

стен, для устройства внутри них перегородок, оконных проемов

ипрозрачных плоских кровель. Благодаря большим габаритам (длина до 7 м) при остеклении профильным стеклом отпадает необходимость в промежуточных рамных переплетах.

Дверные полотна изготавливают из закаленного бесцветного витринного стекла. Поверхность может быть полированная, неполированная, кованая, узорчатая, может покрываться цветными керамическими красками, оплавленными при закалке. Размеры полотен – 2600×1040 и 2400×900 мм, толщина – 10, 15

и20 мм. Они имеют высокую прочность. Полотна из стекла толщиной 10 мм выдерживают, не разрушаясь, удар стального шара массой 800 г, брошенного с высоты 1,5 м, а при толщине 15…20 мм – с высоты 2,5 м.

Стеклянные трубы изготавливают из прозрачного стекла. Их выпускают диаметром 40…200 мм и длиной 1500…3000 мм. Трубы обладают высокой коррозионной стойкостью, водонепроницаемостью. Их можно эксплуатировать при температуре от –50 до +100 °С и давлении до 0,6 МПа. Стеклянные трубы служат для сооружения трубопроводов, транспортирующих химически агрессивные жидкости, газы, пищевые продукты, сыпучие и другие материалы.

6.5. Отделочные изделия из стекла

Отделочные изделия изготавливают из стекла, окрашенного в массе (глушеного) или с поверхности. Применяются они для отделки зданий и сооружений. Облицовочные или ограждающие конструкции имеют повышенную долговечность, красивый вид, экономичны при эксплуатации. Наиболее распространены коврово-мозаичные плитки, стемалит, плитки из глушеного стекла или эмалированные, марблит и стекломрамор, стеклянная крошка, смальта, стеклокремнезит.

Коврово-мозаичные плитки изготавливают из глушеного стекла в виде ковров на бумажной основе. Получают их способом непрерывного проката или прессования из стеклянного порошка с последующим отжигом. Прокатные плитки выпускают в основном размерами 21×21×4,5 мм, прессованные – 22×22×5 мм. Применяют их главным образом для наружной отделки зданий, реже – для внутренней.

74

Стемалит представляет собой листовое стекло, окрашенное с внутренней стороны керамической эмалевой краской разных цветов. Закрепление краски на стекле и упрочнение стекла (закалка) происходит с помощью термической обработки. Применяется стемалит для облицовки фасадов, внутренних стен и перегородок зданий, для ограждений балконов, лоджий.

Плитки из глушеного стекла изготавливают способом непрерывного проката или горячего прессования. Они могут иметь различный цвет, хотя чаще всего выпускаются молочнобелого цвета. Промышленность изготавливает преимущественно квадратные плитки размерами 150×150 мм или прямоугольные размерами 250×140 мм. Их применяют для внутренней облицовки поверхности стен производственных зданий, душевых, санузлов.

Эмалированные стеклянные плитки изготавливают из отходов оконного или витринного стекла размерами чаще всего 150×150 мм. Лицевую поверхность плиток покрывают слоем эмали, а затем подвергают термической обработке для ее закрепления и отжига стекла. Их применяют для облицовки стен, столовых, кухонь, санузлов.

Марблит представляет собой прямоугольные или квадратные плиты, изготовленные из глушеного стекла. Наружная поверхность листов обычно полированная, внутренняя – рифленая. Декоративный марблит изготавливают из черного глушеного стекла с кристаллическими переливающимися вкраплениями. Стекломрамор имеет мраморовидную окраску и является разновидностью марблита.

Стеклянная крошка получается дроблением отходов прокатного стекла, стекольного гранулята из глушеной белой или цветной стекломассы. Применяют ее для создания декоративного эффекта при отделке бетонных поверхностей.

Смальтой называют кусочки глушеного цветного стекла размером до 20 мм. Ее отливают в виде плит, которые затем разбивают на кусочки. Применяют для отделки фасадов, изготовления мозаичных панно.

Стеклокремнезит (стеклокристаллические плиты) изготавливают термообработкой гранул стекла в смеси с кремнеземом. Наружную поверхность плит подвергают огневому полированию, в результате чего она приобретает высокие декоративные свойства – имитирует природный камень. Стеклокремнезит применяют для наружной и внутренней облицовки стен, настилки полов.

75

6.6.Стеклокристаллические материалы

Кстеклокристаллическим материалам относятся ситаллы, шлакоситаллы и каменное литье. Их общий признак – наличие в структуре как кристаллической, так и стекловидной фаз, что обусловливает высокие механические свойства, термическую и антикоррозионную стойкость, низкую истираемость и т.д.

Ситаллы – продукт кристаллизации стекла. Процесс их изготовления включает получение стекла определенного состава, формование из него изделий и специальную термообработку. Ситаллы вырабатываются из малощелочного стекла путем проката и прессования. Основное достоинство ситаллов как конструктивных материалов – высокая механическая прочность, соизмеримая с удельной прочностью некоторых металлов.

Шлакоситаллы – дешевая разновидность ситаллов, приме-

няемых в строительстве. Их изготавливают из расплава доменных металлургических шлаков и специальных добавок. Шлакоситаллы применяются для покрытия полов, наружной и внутренней отделки зданий, футеровки промышленного оборудования. Из шлакоситаллов можно изготавливать стеновые и облицовочные панели, кровли, ограждающие конструкции, санитарно-технические изделия и т.д.

Шлаковая пемза (термозит) представляет собой легкий заполнитель для бетонов со средней плотностью 300…1100 кг/м3. Один из способов ее изготовления – вспучивание шлака в бассейне. Расплав шлака сливается в бассейн, в днище которого имеются трубы с отверстиями. Через эти отверстия подается под давлением вода. Испаряясь, она вспучивает шлак.

Каменное литье получают чаще всего из базальта или диабаза. Их плавят при температуре 1400…1500 °С и разливают в формы. Для снижения напряжений и образования кристаллической структуры изделие после охлаждения отжигают при температуре 800…900 °С. Строительные изделия из каменного литья обладают высокой химической стойкостью, прочностью, твердостью. Их применяют в химической, металлургической и горнообогатительной промышленности для покрытия полов, в качестве футеровочного материала в аппаратах, где возникают большие истирающие усилия.

76

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

7.1. Общие сведения о металлах и сплавах

Металлами называют вещества, характерными свойствами которых являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим.

Основную долю разнообразных металлических материалов, используемых в строительстве, составляют сплавы.

Сплав – это однородная система, состоящая из двух и более химических элементов. Вещества, образующие систему, называют компонентами сплава.

Металлы, применяемые в строительстве, делят на две группы – черные и цветные.

Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). Для придания черным металлам специфических свойств в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяют на чугуны и стали.

Ч у г у н – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2…4,3%. В зависимости от назначения различают чугуны литейные, передельные и специальные. Литейные чугуны применяют для отливки различных строительных деталей, передельные – для производства стали, специальные чугуны – в качестве добавок при производстве стали и чугунного литья специального назначения.

С т ал ь – ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2%. П о с п ос о б у п о л у ч е н и я стали разделяют на мартеновские, конвертерные и электростали, п о х и м и ч е с к о м у с ос т а в у – на углеродистые и легированные. К углеродистым сталям относят сплавы железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Углеродистую сталь, полученную различными способами, по харак-

77

теру застывания принято разделять на спокойную, полуспокойную и кипящую. Легированными называют стали, в состав которых входят легирующие добавки (никель, хром, вольфрам, молибден, медь, алюминий и др.).

П о н а з н а ч е н ию стали подразделяются на конструкционные, применяемые для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин, специальные, характеризующиеся высокой жаро- и износостойкостью, а также коррозионной стойкостью, и инструментальные.

Цветные металлы в чистом виде редко используют в строительстве. Значительно чаще находят применение сплавы цветных металлов, которые по истинной плотности разделяют на легкие и тяжелые.

Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими сплавами являются алюминиево-марганцевые, алюминиево-кремнеземистые, алю- миниево-магниевые и сплавы дюралюминия. Их используют для несущих (например, фермы) и ограждающих (оконные переплеты) конструкций зданий и сооружений.

Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых сплавов в строительстве применяют бронзу (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунь (сплав меди с цинком). Из этих сплавов изготавливают архитектурные детали и санитарнотехническую арматуру.

7.2. Строение металлов и их свойства

Металлы – простые вещества, обладающие свободными (не связанными с определенными атомами) электронами, которые способны перемещаться по всему объему тела. Эта особенность состояния металлического вещества определяет свойства металлов.

Атомы металлов легко отдают внешние (валентные) электроны, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Электроны, освободившиеся от атомов, непрерывно хаотически перемещаются по всему объему металла подобно молекулам в газах. Поэтому такие свободные электроны часто называют электронным газом. Свободные электроны, сталкиваясь во время движения с положительно заряженными иона-

78

ми, могут на некоторое время снова соединяться с ними. В этих случаях положительно заряженные ионы превращаются в нейтральные атомы. Таким образом, металлы состоят из упорядоченно расположенных в пространстве положительно заряженных ионов, перемещающихся среди них электронов и небольшого количества нейтральных атомов.

Положительно заряженные ионы и нейтральные атомы в процессе кристаллизации металла или сплава из расплавленного (жидкого) состояния группируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллические решетки – правильное, упорядоченное расположение атомов в элементарной ячейке.

Кристаллические решетки у металлов и сплавов могут быть различными. Типовые объемно-центрированные кубические

(ОЦК) решетки образуют железо, хром, молибден. Гранецентрированные кубические (ГЦК) решетки образуют железо, медь, алюминий, свинец. Гексагональные плотноупакованные

(ГПУ) решетки образуют цинк, магний, кобальт.

Размеры решетки – расстояния между центрами атомов или ионов, находящихся в узлах решетки, – измеряют в ангстремах

период решетки могут изменяться, что приводит к изменению физико-химических свойств металлов и сплавов.

В зависимости от назначения изделий металлы и сплавы должны обладать определенными свойствами, которые разделяются на четыре группы: физические, химические, механические и технологические.

Различают следующие основные виды деформаций: сжатие, растяжение, кручение, срез, изгиб.

Сжатие – деформация, характеризуемая уменьшением объема тела под действием сдавливающих его сил. Сжатию подвергаются строительные колонны, фундаменты и т.д.

Растяжение – деформация, характеризуемая увеличением длины тела, когда к обоим его концам приложены силы, равнодействующие которых направлены вдоль оси тела. Растяжению подвергаются крепежные и другие детали.

Кручение – деформация тела с одним закрепленным концом под действием пары равных, противоположно направленных сил, плоскость которых перпендикулярна к оси тела (например, валы двигателей, коробки передач и т.д.).

79