6907

Магматические породы могут выдерживать очень большие давления и являются хорошими основаниями для зданий.

Оказавшись на поверхности земли, магматические породы подвергаются действию ветра, тепла и холода, воды и льда. Эти силы точат, разъедают и растворяют твёрдые породы, превращая их в обломки, мелкие и тончайшие частицы.

Такое механическое и химическое разрушение пород геологи называют выветриванием. Образовавшиеся обломки переносятся ветром и водой и накапливаются в разных местах, образуя рыхлые скопления. Из них формируются породы, носящие название осадочных. Осадочные породы образуют вторую большую группу. Среди осадочных пород можно выделить обломочные (механические осадки), химического происхождения (химические осадки) и органогенные (продукты жизнедеятельности организмов).

Из обломочных пород наибольшее значение в строительстве имеют песчаники.

В группу пород химического происхождения входят магнезит, доломит, гипс, ангидрит, известковые туфы.

Из остатков организмов образовались мел, известняк, ракушечник, торф и другие аналогичные породы.

Со временем осадочные породы уплотняются, в их среде появляются новые минералы, происходит перекристаллизация и образование нового типа пород — метаморфических. Из метаморфических пород в строительстве применяются гнейсы, глинистые сланцы, мраморы, кварциты.

Метаморфические породы являются хорошими основаниями для зданий и сооружений.

Ответьте на вопросы

1. На какие группы делятся горные породы? 2. Как образовались магматические породы? 3. Как образовались осадочные породы? 4. Как

образовались метаморфические породы? 5. Какие метаморфические породы находят применение в строительстве?

ПРИРОДНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Природные каменные материалы широко используются в строительстве в виде строительных материалов и в качестве сырья для производства других материалов.

Для наружной облицовки зданий и сооружений используют породы высокой твёрдости: граниты, сиениты, диориты, габбро, лабрадорит, кварцит, а также породы средней твёрдости: плотные известняки, доломиты, песчаники, некоторые кристаллические сланцы, иногда мраморы. Наружная облицовка должна надёжно защищать сооружения от внешних воздействий, не разрушаться и не растрескиваться под влиянием температурных колебаний. Породы для наружной облицовки должны быть атмосферостойкими, без трещин и следов выветривания, иметь красивую и прочную окраску, не содержать глинистых и других видов примесей, в том числе пирита.

Для внутренней облицовки применяют мраморы, некоторые кристаллические сланцы и мягкие гипсы.

Для кладки фундаментов, стен зданий, колодцев водопроводной сети

идругих сооружений используется бутовый камень. В камнях, применяемых в строительстве, недопустимы прослойки глины и мергеля, включения пирита и следы выветривания; после 50 циклов насыщения водой и высыхания в них не должны образовываться трещины и отслоения.

Прочные и вязкие горные породы, хорошо сопротивляющиеся удару

иистиранию, используют в качестве материала для дорожных покрытий (диорит, габбро, диабаз, базальт, песчаник).

Гравий и песок широко применяются в качестве заполнителей при изготовлении искусственных каменных материалов (бетонов, растворов), а

также для строительства железнодорожных путей (как балласт), шоссейных дорог и для других целей. Эти рыхлые породы используются также в качестве фильтрующих материалов в водоснабжении и канализации.

Лёгкие пористые породы (ракушечники, туфы) применяют главным образом в виде штучных камней и плит для кладки стен, для устройства перегородок и перекрытий, а в раздробленном виде — в качестве заполнителей лёгких бетонов.

В производстве портландцемента используют известняк, глину, мел, мергель, из известняка получают известь, из природного гипсового камня

— строительный гипс, из глины — кирпич и т. д.

Некоторые особо лёгкие породы и материалы — диатомит, трепел, асбест и др. — служат для изготовления теплоизоляционных материалов.

В строительстве таких гидротехнических сооружений, как дамбы, водохранилища, применяют водонепроницаемую глину.

В качестве сырья для каменного литья используются диабаз и базальт. Плавленый базальт имеет большую прочность и применяется для изготовления кислотоупорных труб, электроизоляторов сильного тока, облицовочных материалов и т. д.

Ответьте на вопросы.

1. Где используются природные строительные материалы? 2. С какой целью используют породы высокой и средней плотности? 3. Какими качествами должны обладать породы, используемые для наружной облицовки? 4. Какие природные строительные материалы используют для внутренней облицовки? 5. Какими качествами должны обладать породы, используемые для фундаментов и стен? 6. Какими качествами должны обладать породы, используемые для дорожных покрытий? 7. Где используются рыхлые породы? 8. Где используются пористые породы? 9. Где используются легкие породы и материалы?

СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Строителям очень нужны материалы с самыми различными свойствами. При возведении тех или иных сооружений они умело используют особенности каждого материала. Для конструкций, которые должны быть водонепроницаемыми, нужны материалы с высокой плотностью. Особо плотными материалами являются граниты, стекло, битумы, сталь. У гранита много достоинств: он прочен, водонепроницаем, твёрд, морозостоек. Он отлично защищает любое сооружение от механического износа и атмосферных воздействий. Но гранит очень дорог. Стекло кислотостойко и водостойко, но хрупко. Сталь прочна, но легко реагирует с кислородом воды и воздуха, поэтому нуждается в защите от воздействий внешней среды.

При выборе материалов, используемых при устройстве так называемых ограждающих конструкций зданий (наружных стен, верхних перекрытий, полов в нижнем этаже), важна степень их теплопроводности. Очень хорошим материалом для стен и перекрытий жилых и отапливаемых зданий являются лесные материалы. Дерево плохо проводит и хорошо поглощает тепло, т.е. у него высокий коэффициент теплоёмкости. Поэтому дерево можно назвать «тёплым» материалом. Однако дерево гниёт и легко горит, прочность его недостаточна для возведения высоких домов. Более стоек и прочен кирпич, из него можно строить довольно высокие здания. Но он холоднее дерева. Менее теплопроводен так называемый пустотный кирпич. Но эти материалы недостаточно прочны. Их вытесняет бетон. Бетон не горит в огне и не ржавеет, не боится воды, мороза, зноя, с годами становится прочнее, недорог. Но бетон имеет ряд недостатков: он тяжелее и холоднее кирпича. Поэтому бетонные стены утепляют различными теплоизоляционными материалами.

Хорошим природным теплоизоляционным материалом являются пемза, диатомиты и трепелы. Пемза — лёгкая пористая порода, она морозостойка, негигроскопична, очень плохо проводит тепло и звук.

Широко применяются в строительстве плотные известняки. Они бывают белого цвета или, в зависимости от примесей, желтоватого, сероватого, красноватого, бурого и других цветов. При большой примеси кремнезёма они тверды и прочны. Если в известняках более 3% глины, то они хорошо поглощают воду, поэтому недостаточно морозостойки.

Большая часть строительных материалов нестойка к действию кислот и щелочей, а также к действию высоких температур. Но кислотостойкие и огнеупорные материалы нужны, и человек создаёт их. Это специальные виды бетона и специальные керамические материалы.

ПОЧЕМУ МЕТАЛЛЫ РАЗРУШАЮТСЯ?

Коррозия металлов — это сложный процесс самопроизвольного разрушения металлических материалов в результате их взаимодействия с окружающей средой. В основе большинства разрушений металлов лежит электрохимический механизм: коррозия протекает в электролитической (токопроводящей) среде в несколько стадий, и скорость её зависит от потенциала металла в данной среде. Основной причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металла в данной среде при данных условиях. С помощью термодинамики и кинетики электрохимических коррозионных процессов разрабатываются научные основы для борьбы с коррозией.

Главная суть работы современных коррозионистов — обеспечение огромных и всё возрастающих потребностей хозяйства наиболее доступными, дешёвыми и коррозионностойкими металлическими материалами или поиски надёжных и дешёвых способов их защиты.

Во всём мире основным конструкционным материалом являются железо и его сплавы как самые доступные и дешёвые. Производство сплавов на основе железа намного превосходит производство других металлических сплавов. Количество выплавляемого металла неуклонно растет, ес-

тественно, что растут и потери металла, связанные с коррозией. Необходимо отметить, что за последнее время не просто резко увеличилось использование металлических материалов, но и сильно ужесточились условия их эксплуатации. Повысились механические нагрузки, температура, давление, агрессивность среды и скорость материальных потоков, то есть все факторы, увеличивающие коррозию. С бурным развитием техники убытки, наносимые коррозией, стали сопоставимыми с затратами на развитие крупнейших отраслей промышленности. Сейчас каждая шестая домна работает практически на восполнение металла, разрушенного коррозией.

В промышленных странах, где убытки от коррозии наиболее высоки, изменилась структура использования металлического фонда. Если раньше основными потребителями металла были станкостроение, железнодорожный транспорт, коммунальное хозяйство, то в последние годы это химия, нефтехимия, бумажно-целлюлозная промышленность, автомобильный транспорт, энергетика, авиация, где борьба с коррозией принимает особо важное значение; изменился и характер коррозийных разрушений. Большое количество новых конструкционных сплавов, ужесточение условий их эксплуатации привели к появлению ряда новых болезней металлических материалов, неизвестных ранее.

По характеру разрушений и причинам, их вызывающим, установлено несколько видов коррозии. Знакомое каждому ржавление металла, разрушение его по всей поверхности под воздействием агрессивной среды (морской воды, загрязнённой влажной атмосферы, кислых растворов) принято называть общей коррозией. Ржавление составляет 27—30% к общей потере металла.

До 25% потерь металла приходится на долю коррозионного растрескивания. Удивительно, что этот очень опасный вид коррозионного разрушения — образование трещин в теле металла — характерен главным образом для высокопрочных сплавов при одновременном воздействии аг-

рессивной среды и механических (растягивающих) напряжений. Причём, чем выше прочность сталей к механическим нагрузкам, тем больше их склонность к коррозионному растрескиванию. Значение борьбы с этим видом коррозии возросло с переходом химии, нефтехимии, транспорта и энергетической промышленности на высокопрочные стали. Установлено, что коррозионное растрескивание имеет также электрохимический механизм и наблюдается при достижении у металла в данной среде определённого потенциала. Значит, изменением потенциала металла можно добиться снижения этого вида коррозионного разрушения, хотя сдвинуть потенциал в желаемую сторону — задача далеко не простая. Интересна ещё одна деталь, свойственная данному виду разрушения. Сплавы титана с гладкой поверхностью вполне устойчивы в растворах хлоридов. Но при наличии на поверхности почти незаметных царапин, практически не сказывающихся на механической прочности, склонность сплавов к коррозионному растрескиванию резко повышается.

Большое количество разрушений (15—20%) падает на так называемую питтинговую (точечную) коррозию (куда можно отнести и «язвенную»), когда коррозия поражает не всю поверхность металла, а отдельные её точки или участки (раковины). Начавшись, коррозия протекает довольно интенсивно до сквозного разрушения стенки аппарата. Установлено, что питтинговой коррозии подвергаются в основном металлы, склонные к пассивации (пассивация — переход металла в коррозионностойкое состояние). Питтинг, как правило, возникает на пассивированной поверхности в участке, где нарушена пассивность. Это происходит при наличии в среде определённого вида анионов, прежде всего хлоридов. При этом потенциал металла должен быть положительнее некоторой критической величины. При потенциале отрицательнее критической величины для данного металла в данной среде питтинговая коррозия обычно не наблюдается.

Межкристаллическая коррозия (МКК) доходит до 15—20%. МКК — разрушение металла на границе кристаллов. Этот вид коррозии характерен для хромоникелевых сплавов. Он особо опасен, так как приводит к резкому ухудшению механической прочности и пластичности металлического материала без заметного изменения его внешнего вида. Появление МКК связано с характером термической обработки металла. Если последняя приводит к выделению на границе его зёрен карбидов хрома, то близлежащие соседние участки обедняются хромом и коррозийная стойкость их снижается. При введении в сталь специальных добавок, легко связывающих углерод (титан, ниобий), заметно понижается их склонность к МКК. Но более действенной мерой является резкое снижение содержания углерода в стали.

Другие виды коррозии встречаются реже, но в сумме составляют

10—15%.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К материалу, из которого изготовляют режущие инструменты, предъявляются особые требования. Чтобы режущая часть инструмента могла врезаться в поверхность заготовки (скалывать элементы стружки), твёрдость режущей части должна быть выше твёрдости обрабатываемого металла.

Обрабатываемый металл, сопротивляясь внедрению режущей части инструмента в срезаемый слой, давит на переднюю поверхность инструмента. Эта сила давления стремится изогнуть, сломать инструмент, поэтому материал, из которого он сделан, должен быть очень прочен.

Режущая часть инструмента при работе испытывает ударные нагрузки, но она должна работать без выкрашивания. Чтобы инструмент не выкрашивался, материал режущей части должен быть достаточно вязким. Рабочие поверхности режущей части инструмента, которые соприкасаются

при резании с обрабатываемой заготовкой и со сходящей стружкой, изнашиваются, истираются и нагреваются до высокой температуры. Следовательно, инструментальные материалы должны обладать высокой износостойкостью и сохранять режущие свойства при высокой температуре.

Широко применяемым инструментальным материалом является быстрорежущая сталь, которую предварительно термически обрабатывают — подвергают закалке и отпуску. Она тверда, теплостойка, прочна, износостойка. Важной особенностью быстрорежущей стали является способность в случае перегрева восстанавливать режущую способность после охлаждения на воздухе. Эти качества придаёт стали легирование вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием, кобальтом.

Режущие свойства металлокерамических твёрдых сплавов выше, чем режущие свойства быстрорежущих сталей: они более тверды, теплостойки, износостойки. Сырьём для изготовления металлокерамических твёрдых сплавов являются порошки карбидов (соединения с углеродом) вольфрама

ититана вместе с порошком кобальта. Порошки прессуют в пресс-формах, получая при этом пластинки различных форм и размеров. Эти пластинки затем спекают при температуре до 1600° С в водородной среде. Металлокерамические твёрдые сплавы не пластичны; наоборот, они хрупки. В зависимости от содержания карбида вольфрама, карбида титана и кобальта твёрдые сплавы обладают различными свойствами. Чем больше кобальта, тем сплав более вязок, лучше сопротивляется ударной нагрузке. Поэтому сплавы с большим содержанием кобальта применяются для инструментов, которыми выполняют обдирочные работы.

Стальная стружка «прилипает» к передней поверхности инструмента

ивыносит за собой частички металла инструмента. Твёрдый сплав с карбидом титана допускает такое «прилипание» (адгезию) только при очень высокой температуре (выше 700° С). Но эта температура соответствует та-

ким скоростям резания, на которых работы практически не ведутся. Поэтому для обработки стали применяют твёрдые сплавы с карбидом титана.

При обработке чугуна стружка надлома давит на переднюю поверхность резца близко к режущей кромке, что может вызвать поломку режущей кромки. Наличие большого количества карбида вольфрама делает твёрже режущую кромку, т.е. увеличивает работоспособность резца именно при обработке чугуна.

Области применения твёрдых сплавов для режущих инструментов рекомендованы ГОСТом. На державках резцов указана марка твёрдого сплава.

Для оснащения режущей части резца применяется также синтетический материал — минералокерамика. Он изготовляется из дешёвого сырья: глинозёма и кремнезёма. Пластинки минералокерамики белого цвета очень тверды, теплостойки и износостойки. Однако повышенная хрупкость этого материала ограничивает его применение.

Самыми твёрдыми из инструментальных материалов являются алмазы. Применение инструментов из природных и синтетических алмазов позволяет производительно и высококачественно обрабатывать любые материалы.

Для высокопроизводительной обработки сталей, в том числе легированной и закалённой, применяют синтетический материал — кубический нитрид бора, который имеют следующие торговые марки: «эльбор-р», «композит», «кубонит», «гексанит».

ЛЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Древесина обладает сравнительно высокой прочностью при небольшой объёмной массе, упругостью, малой теплопроводностью. Древесина оказывает большое сопротивление статическому изгибу, поэтому ее широко применяют в конструкциях, работающих на изгиб: в балках, на-