Учебники / Основин. Строительные материалы и изделия. Учебное пособие

Срез – это деформация, когда две силы направлены навстречу друг другу и лежат не на одной прямой, но достаточно близко друг к другу. При определенном их значении происходит срез. На срез работают заклепки, стяжные болты.

Деформация, предшествующая срезу, называется сдвигом. При сдвиге соседние сечения смещаются относительно друг друга, оставаясь параллельными. Изделие при этом не разрушается.

Изгиб – деформация тела под действием внешних сил, сопровождающаяся изменением кривизны деформируемого тела. Изгибу подвержены, например, строительные балки.

Основные механические свойства металлов – прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость.

Прочность – это способность металла или сплава сопротивляться разрушению под действием внешних сил (нагрузок). В зависимости от характера действия этих сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, а также усталость металлов.

Твердость – способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого, тела, не получающего остаточных деформаций.

Существует несколько методов определения твердости. Наиболее широкое распространение получили следующие:

вдавливание шарика из твердой стали (метод Бринелля);

вдавливание вершины алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла);

вдавливание вершины алмазной пирамиды (метод Виккерса).

7.3.Основы производства черных металлов, металлических изделий и конструкций

В металлургии из железных руд вначале получают чугун, а затем путем окисления углеродом – сталь.

Сырьем для выплавки чугуна служат руды, содержащие железо в виде оксидов: красный железняк (гематит), бурый железняк, магнитный железняк (магнетит). В зависимости от содержания железа руды подразделяют на богатые и бедные. Богатые руды после дробления и сортировки направляют в плавку, а бедные подвергают обогащению путем отделения пустой

80

породы. Топливом в доменном процессе служит кокс, полученный путем сжигания каменного угля без доступа воздуха. Для понижения температуры плавления пустой породы и облегчения перевода ее и золы топлива в шлак в состав шихты вводят специальные добавки – флюсы (известняки, доломиты, песчаники).

В состав чугунов кроме железа и углерода обычно входят примеси кремния, марганца, фосфора, а также легирующие добавки – никель, хром, магний, которые придают чугуну высокие механические свойства и обеспечивают износо-, жаро- и коррозионную стойкость. Бо′льшую часть выплавленного чугуна используют для переработки (передела) в сталь – передельный чугун. Для изготовления фасонного литья применяют литейный чугун.

Передельный (белый) чугун твердый, хрупкий, плохо обрабатывается резанием. Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость. Применяется для получения ковкого чугуна и стали.

Литейный (серый) чугун – один из наиболее распространенных литейных сплавов. Это самый дешевый металлический материал. Он имеет высокие литейные свойства и хорошо обрабатывается резанием.

Наиболее высокопроизводительные способы выплавки стали – мартеновский, кислородно-конверторный и электродуговой.

Для получения изделий из металлов, обладающих высокими пластичными свойствами, их обрабатывают давлением. На практике применяются следующие способы обработки (рис. 7.1): прокатка, волочение, ковка, прессование и штамповка.

Строительные низколегированные стали с повышенным содержанием марганца (Г1 – 0,4…0,7%, Г2 – 1,2…1,6%) и кремния (0,6…1,2%) после горячей прокатки или термической обработки используют для изготовления сварных и клепаных конструкций (строительных ферм, конструктивных элементов мостов, рам и т.п.).

Марганцовистую сталь марок 19Г и 14Г применяют для изготовления магистральных нефтепроводов, стали марок 35ХС, 25Г2С – для производства арматуры обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций.

81

Рис. 7.1. Схемы обработки металлов давлением:

а – прокаткой; б – волочением; в – прессованием; г – ковкой; д – объемной штамповкой; е – листовой штамповкой

Низколегированные стали после прокатки значительно превосходят по техническим свойствам углеродистые стали. Оптимальное сочетание их свойств достигается при введении нескольких легирующих элементов (например, стали марок 10Г2С1Д, 15Г2СФ, 14Г2АФД и др.).

Конструкции, эксплуатируемые при низких температурах окружающей среды, выполняют из сталей, легированных никелем.

7.4. Термическая и химико-термическая обработка стали

В целях улучшения структуры и придания специально заданных свойств сталь и изделия из нее подвергают термической обработке. На практике применяются следующие основные виды термической обработки стали: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, различающиеся температурой нагревания и скоростью охлаждения, а также термомеханическая и химикотермическая обработка.

Среди различных упрочняющих способов обработки, предназначенных для повышения механических свойств стали, применяемой при промышленном производстве, широкое рас-

82

пространение в последние годы получила термомеханическая обработка, предусматривающая нагревание поверхностного слоя стального изделия на нужную глубину, обкатку его роликами, а затем немедленную закалку.

Химико-термическая обработка стали приводит к изменению химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных изделий. Цель ее – упрочнение поверхностных слоев стали, повышение твердости, усталостной прочности, износоустойчивости. Существуют следующие виды химико-термической обработки: цементация – высокотемпературное насыщение поверхности углеродом; азотирование – то же азотом; цианирование – одновременное обогащение поверхности азотом и углеродом.

7.5. Цветные металлы и их сплавы

Алюминий и его сплавы. Алюминий – легкий серебристобелый металл. Важное его достоинство – низкая плотность

(2700 кг/м3). В чистом виде алюминий мягок, пластичен, хорошо отливается, прокатывается, температура плавления – 657 °С. Алюминий имеет повышенную стойкость к коррозии на воздухе за счет образования защитной пленки (Al2O3), высокую тепло- и электропроводность. Предел прочности при растяжении у алюминия – 90…120 МПа, относительное удлинение – 20…30%, твердость НВ 25…30, коэффициент теплопроводности – 200 Вт/(м °С).

В чистом виде алюминий применяется в строительстве для отливки деталей, изготовления порошков (алюминиевые краски и газообразователи при приготовлении ячеистых бетонов), фольги, электропроводов. Из алюминиевой фольги делают высокоэффективный утеплитель (альфоль), используют ее в качестве отражателя тепловых лучей, а также декоративного материала. Путем анодного оксидирования из алюминиевых сплавов получают архитектурные детали различной расцветки.

Сплав, состоящий из алюминия, меди, магния и марганца, называется дюралюминием. Сплавы алюминия имеют предел прочности при растяжении более 100 МПа. Из алюминиевых сплавов изготавливают плоские и волнистые листы, прокатные, гнутые, клепаные и сварные профили, трубы.

83

Медь и ее сплавы. Медь – металл красного цвета, имеющий плотность 8800 кг/м3, температуру плавления 1083 °С, предел прочности при растяжении около 200 МПа, относительное удлинение 30…60%. Это мягкий и пластичный металл, хорошо проводящий электричество и теплоту.

Добывают медь из медных сульфидных и окисленных руд. Применяют для изготовления электрических проводов и в качестве составной части различных сплавов.

Сплав, состоящий из меди и цинка, называют латунью. Латунь обладает высокими механическими и антикоррозийными свойствами и поддается горячей и холодной обработке.

Сплав меди с оловом (до 10%) называют оловянистой бронзой, сплавы меди с алюминием, никелем, кремнием – безоловянистыми бронзами. Иногда в состав бронзы вводят свинец, цинк, фосфор. Бронзу применяют в виде изделий для внутреннего оборудования зданий (сантехническая арматура, вентиляционные решетки, детали карнизов, фурнитура).

Цинк. Плотность цинка – 7000 кг/м3, температура плавления – 419 °С. Применяют его главным образом для оцинковывания различных стальных изделий (гвоздей, болтов, кровельной стали), в качестве компонента сплавов. При обычной температуре цинк хрупок, при нагревании до температуры 150 °С он становится пластичным.

Свинец. Это мягкий, пластичный, тяжелый металл, добываемый из сульфидных руд. Плотность свинца – 11 400 кг/м3, температура плавления – 325 °С. Он хорошо льется и прокатывается, противостоит действию серной и соляной кислот. Предел прочности при растяжении – до 20 МПа, твердость НВ 5,9. Свинец непроницаем для рентгеновских лучей и частично не пропускает гамма-лучи. Применяется для изготовления специальных труб, антикоррозийных покрытий, звуко- и гидроизоляции и как составная часть некоторых легких сплавов.

Олово. Плотность олова – 7230 кг/м3, температура плавления – 232 °С. Это мягкий, стойкий к коррозии металл. Применяется для лужения стали и меди в качестве припоя и как составная часть цветных сплавов. Предел прочности при растяжении – 35…45 МПа, относительное удлинение – 40%, твердость НВ 12. Олово добывают из руды, называемой оловянным камнем.

84

7.6. Применение металлов в строительстве

Изделия из чугуна. В современном гражданском и промышленном строительстве широко используются различные чугунные изделия (рис. 7.2). Среди них в первую очередь следует назвать санитарно-технические изделия и оборудование, например отопительные радиаторы, ванны, мойки, вентили. Чугунные трубы применяют для стояков санитарно-техниче- ских кабин, канализационных сетей, для отвода промышленных вод и т.д.

Чугунные литые изделия изготавливают различными способами, среди которых наиболее простым является литье в формы. Прогрессивные способы литья чугуна – под давлением и центробежный. Из серого чугуна путем отливки получают элементы строительных конструкций, работающие на сжатие (колонны, опорные подушки, арки, своды, тюбинги метрополитена, плиты для полов промышленных зданий и т.п.). Его используют для литья труб печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники), а также архитектурно-художественных изделий.

в

Рис. 7.2. Чугунные строительные изделия:

а– опорная подушка колонны; б – колонна; в – отопительный радиатор;

г– труба; д – фасонные части к трубам

85

С целью повышения износостойкости полов в производственных помещениях, где их поверхность подвергается механическим воздействиям транспорта, верхнее покрытие выполняют из металлоцементного состава: в смесь цемента с водой вводят дробленую стальную стружку. В помещениях, где полы выдерживают большие ударные нагрузки, для их покрытия используют гладкие и рифленые чугунные дырчатые и стальные штампованные плиты. Чугунные плиты с опорными выступами предназначены для горячих цехов (кузнечных, сталеплавильных, литейных, прокатных). Их применяют в залах, где пол нагревается до температуры 1000…1400 °С (остывание на полу раскаленных металлических болванок и деталей, попадание расплавленного металла в виде брызг).

Металлообрабатывающая промышленность выпускает стальные изделия обширной номенклатуры.

Прокатная сталь. Ее применяют для изготовления путем сварки или клепки разнообразных стальных строительных конструкций (каркасы и фермы промышленных и гражданских зданий, пролетные строения мостов, опоры линий электропередачи, фонари освещения зданий и т.д.). Кроме того, из прокатной и штампованной стали специальных профилей выполняют оконные переплеты промышленных и общественных зданий.

Рис. 7.3. Сортамент прокатных сталей:

а– равнополочный уголок; б – неравнополочный уголок; в – швеллер; г – двутавр;

д– подкрановый рельс; е – круглая; ж – квадратная; з – полосовая; и – штампованная;

к– листовая; л – рифленая; м – волнистая

86

Стальные конструкции выполняют обычно из прокатных элементов различного профиля (трубчатых и гнутых), полосовой и листовой стали. Чаще всего применяют следующие гнутые и прокатные профили (рис. 7.3): уголки равно- и неравнополочные, швеллеры, двутавровые балки, подкрановые рельсы, прокатную листовую сталь (круглую, квадратную, полосовую, штампованную, листовую, рифленую, волнистую), прямоугольные и квадратные трубы.

Металлическая черепица. Она классифицируется по назначению, материалу исходной заготовки, наличию и виду за- щитно-декоративного покрытия.

П о н а з на ч е ни ю черепица подразделяется на следующие типы:

рядовая (Р) – плоская без отверстий для крепления (РПл-1)

иплоская с отверстиями для крепления (РПл-2); волнистая (РВл); чешуйчатая гладкая (РЧг); чешуйчатая ребристая (РЧр);

коньковая – плоская (КПл); полуцилиндрическая (КПц). П о м а т е р и а л у и с х од н о й з а г о т о в к и черепица под-

разделяется на изготавливаемую из проката:

тонколистового оцинкованного (О);

тонколистового с алюмоцинковым покрытием (АЦ);

тонколистового алюминированного с алюмокремниевым покрытием (АК);

тонколистового с электролитическим цинковым покрытием (ЭЦП);

листового из стали углеродистой качественной (У);

листового из алюминиевого сплава (Ал);

листового горячекатаного латунного (Л).

П о н а л и ч и ю з а щ и т но - д е к о р а т и в н о г о п о к р ы -

ти я черепица может изготавливаться:

без защитно-декоративного покрытия (без обозначения);

с односторонним защитно-декоративным покрытием по лицевой поверхности черепицы (С);

с двусторонним защитно-декоративным покрытием по лицевой и нелицевой поверхностям черепицы (Д).

Защитно-декоративное покрытие черепицы может быть лакокрасочным (Лк), полимерным (Пл – пластизол, Пэ – полиэстер, Ппу – пурал, Ппвфа – поливинилфторид и акрил), анодным для черепицы из алюминиевого сплава (Ан).

Предельные отклонения размеров черепицы всех типов: габаритная длина и ширина ±2 мм; кроющая ширина, расстояние

87

от кромок черепицы до центра крепежных отверстий и высота волны черепицы ± 1 мм.

Черепица должна иметь прямоугольную форму. Отклонение от перпендикулярности сторон и разность длин диагоналей не должны превышать 2 мм. Предельные отклонения черепицы по толщине должны соответствовать предельным отклонениям по толщине исходной заготовки. Предельные отклонения не распространяются на отклонения по толщине в местах изгибов.

Упакованные пачки черепицы формируются в транспортный пакет. Масса транспортного пакета не должна превышать 50 кг при ручной и 2500 кг при механизированной погрузке.

Большое количество стали используют в качестве арматуры

вжелезобетоне. В среднем для получения 1 м3 железобетона требуется 50…100 кг стали. Для армирования железобетона используют стальные стержни и проволоку как непосредственно, так и в виде сеток и каркасов, изготавливаемых в основном

взаводских условиях.

Арматура. Она подразделяется на ненапрягаемую, используемую для обычного армирования, и напрягаемую, используемую в предварительно напряженном железобетоне.

Стержневая арматурная сталь представляет собой горячекатаные стержни длиной 60…80 мм. В зависимости от марки стали и соответственно от физико-механических показателей стержневая арматура делится на шесть классов. С повышением класса увеличивается предел прочности и снижается относительное удлинение при разрыве арматурной стали.

П о м е х а н и ч е с к и м с в о й с т в ам стержневую арматуру разделяют на классы с условным обозначением А (СНиП 2.03.04–84). Классы горячекатаной арматурной стали: А-1, А-2, А-3, А-4 и т.д. При обозначении класса термически упрочненной арматурной стали к индексу «А» добавляют букву «т», например Ат-3. Сталь, упрочненную вытяжкой, обозначают по классу исходной горячекатаной стали, но при этом добавляют еще букву «в», например Ав-3.

Арматурные стержни класса А-1 – гладкие, А-2…А-6 – периодического профиля (рис. 7.4, а, б), что улучшает их сцепление с бетоном. Стержневую арматуру диаметром более 10 мм поставляют в виде прутков длиной 6…18 м, а арматуру диаметром 6…9 мм (называемую ка′танкой) – в бухтах и выпрямляют в стержни на месте применения.

88

Рис. 7.4. Стальная арматура для железобетона:

а, б – горячекатаные стержни периодического профиля; в – холоднотянутая профилированная проволока; г – арматурная сетка; д – арматурный каркас

Стальную арматурную проволоку изготавливают двух классов: В-1 – из низкоуглеродистой стали (предел прочности 550…580 МПа); В-2 – из высокоуглеродистой или легированной стали (предел прочности 1300…1900 МПа).

Проволока класса В-1 предназначена для армирования бетона без предварительного напряжения, В-2 – для предварительного напряженного армирования. Если на проволоке делают рифления для улучшения сцепления с бетоном (рис. 7.4, в), то в обозначении добавляют букву «р» (например, Вр-1 или Вр-2).

Указанные условные обозначения стержневой арматурной стали действовали в Республике Беларусь до 2002 г. Согласно принятым нормам проектирования (СНБ 5.03.01–02) стержневую арматуру разделяют на классы с условным обозначением «S» и числом, указывающим нормативное сопротивление стали в мегапикселях.

Классы ненапрягаемой арматуры: S240 (А-1 – гладкая поверхность); S400 (А-3 – периодический профиль); S500 (Вр-1 – гладкий и периодический профили).

89