Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Архитектурно-дизайнерское материаловедение. В 3 частях. Ч. 2. Строительные материалы. Керамические материалы. Материалы на основе стеклянных расплавов
.pdf
31
Принципиальное значение для светопрозрачных стеклянных материалов имеют оптические свойства. Именно они отличают оконное, витринное и другие стекла от большинства материалов в твёрдом
состоянии. Эти свойства характеризуются, в основном, светопропусканием, поглощением и отражением.
Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. По
этому показателю стекло толщиной 1 см соответствует стене в
полкирпича – 12 см.
В целом оптические свойства зависят от их химического состава.
Так, при необходимости изготовления теплозащитных стёкол (поглощающих инфракрасные лучи) в их состав вводят значительное количество закиси железа, что приводит к возрастанию поглощения коротковолновых излучений – рентгеновских, ультрафиолетовых, гамма-лучей.
Эстетические характеристики материалов из стекла регулиру-
ются в достаточно широких пределах. Замечательные декоративные
свойства стекла обусловили существование особой группы изделий,
объединенных одним общим названием «художественное стекло».
Наряду с художественной стеклянной посудой из стекла сюда можно
отнести очень широкий спектр изделий, используемых в строительстве, скульптуре, архитектуре:
декоративные отделочные и облицовочные материалы и изде-
лия – плитки и листовое стекло для стен, потолков и полов;
элементы декоративной отделки зданий – карнизы, детали ко-
лонн, вентиляционные решётки, балясины для перил;
особенно эффективно применение стекла в витражах;
большая группа изделий применяется в архитектурно-
декоративном убранстве парадных интерьеров общественных зданий
– монументальные вазы, светильники (люстры метро, театров, др.);
художественная мозаичная живопись из стекла в обществен-
ных зданиях и сооружениях.
У стекла счастливая судьба в строительстве. Более 2 тыс. лет
зодчие применяют стекло при возведении зданий различных архитектурных стилей. А сейчас оно заняло исключительное положение
среди материалов для ограждающих конструкций. Стеклянные поверхности стали одним из основных средств выразительности в современной архитектуре, при этом речь идет не столько о форме,
размерах, количестве и расположении окон, сколько о соотношении
глухих и остекленных участков зданий.
31
32
Растет общий объем применения строительного стекла, светопрозрачные ограждения в современных зданиях достигают порой 80
и более процентов площади фасада. Однако для стекла наступил новый этап развития, главной характерной чертой которого является
интенсивное использование строительных стекол с заданными свойствами. Нет сомнения, что в самом ближайшем будущем мы станем
свидетелями появления новых разновидностей стекла с удивительными сочетаниями свойств.
Материаловедение последних десятилетий сделало в этой области большие успехи. Появился ряд специальных стекол: теплозащитные, солнцезащитные, увиолевые, фотохромные, токопроводящие,
упрочненные, безопасные, ситаллы, шлакоситаллы.
Разработаны новые технологические процессы обработки стекла: электрохимическое нанесение покрытий, термическое полирование, пайка, сварка и склеивание стекол, новые методы варки, формования, декорирования стекла, а также многое другое.
С развитием стекольной промышленности и исследовательской
работы в области создания новых видов стекла этот строительный
материал приобретает исключительную роль среди других материалов.
Итак, стекло имеет тысячелетний опыт применения в строительстве. Основным сырьём для производства стекла служат кварцевый песок, сода, мел и известняк. Немаловажную роль в процессе
получения стекла играют и вспомогательные компоненты: осветлители, обесцвечиватели и красители. Производство стекла состоит
из следующих технологических процессов: варка, формование, отжиг
и отделка лицевой поверхности стекла. Основные термины, рассмотренные в данной главе: «стекло», «осветлители», «обесцвечиватели», «флоат-способ», «шлакоситаллы», «марблит», «стемалит», «стеклопакеты» и др.
В этой главе автором был рассмотрен широкий спектр применения строительных материалов на основе стеклянных и других минеральных расплавов. Кроме того, сотрудничество с компаниями,
подобно «Сатурну», помогает воспитывать у студентов осознание
значимости своей будущей профессии и мотивацию к выполнению
профессиональной деятельности.
На территории древнеславянского государства при изготовлении ли-
стового стекла получали стеклянные круги диаметром 200–250 мм. Выдувался
сосуд, похожий на конусообразный графин. Дно этого «графина» обрезалось,
кромка заворачивалась, и получалось круглое стекло.
32
33
В конце средневекового периода в Европе начали применять «лунный»
способ изготовления листового стекла. Вначале выдувался шар, к его дну припаивалась ось. Получалось подобие вазы с припаянной ножкой-осью. Раскалённая «ваза» вращалась на большой скорости вокруг своей оси и превращалась в
плоский диск. Толщина диска была 2–3 мм, а диаметр доходил до 1,5 м! Такое
стекло было гладким и прозрачным. «Лунный» способ производства сделал листовое стекло доступным для населения. Но уже в начале XVIII века пришёл
другой способ, получивший название «холявного». «Холявой» называли формируемую массу стекла на конце выдувной трубки. Она доходила до 15–20 кг, а в
итоге из неё получали листы стекла площадью до 2–2,5 м2. «Холява» – выдуваемый трубкой стеклянный цилиндр, который затем расправляют в листы для
оконного стекла (в стекольном производстве). (Толковый словарь русского языка под редакцией Т. Ф. Ефремовой).
Некоторые виды стекла так же легки, как алюминий, а другие так же
тяжелы, как чугун; есть стекла, по прочности превосходящие сталь. Из них изготавливаются волокна в 10 раз тоньше человеческого волоса и листы, столь
же тонкие, как бумага. Стеклянные изделия могут быть крошечными, хрупкими и легкими или такими массивными, как сплошное 508-сантиметровое, 20тонное зеркало Паломарского телескопа.
Пеностекло – еще один продукт изобретательности стеклоделов – по
структуре похоже на хлеб и может распиливаться на куски нужного размера.
Разработанное в 1940 году, это стекло так мало весит, что не тонет в воде, и
все же является жестким, не горит и не выделяет запахов. Такая аномалия
свойств создается после смешения тонко измельченных кокса и стекла и нагрева смеси до высокой температуры. Смесь мучнистого вида расплавляется, превращаясь в черную пену, которая заполняет объем формы и потом застывает.
В результате получается твердый ячеистый материал с сотнями тысяч заполненных воздухом изолированных ячеек на 1 дм3. После снятия форм блоки пеностекла разрезаются до нужных размеров. Этот замечательный продукт весит примерно столько же, сколько весит пробка, и во время Второй мировой
войны использовался в качестве заменителя пробки, а также пробковой древесины и пористой резины. Как и пробка, пеностекло – отличный изолятор. Однако в отличие от пробки на него не влияют сырость и конденсация влаги, так
что оно очень подходит для обкладки холодильных камер и бытовых холодильников. Пеностекло в равной мере успешно может применяться и для высокотемпературной теплоизоляции вплоть до 425 °С, поскольку оно не только не
горит, но и заглушает огонь. Новый сорт пеностекла содержит 99 % кремнезема и может использоваться при температуре до 1200 °С.
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите виды «безопасных» стёкол.
2. Что служит основным сырьём для получения стекла?
3. С какой целью в стекло вводят обесцвечиватели, осветлители?
33
34
4. В каком году в России был открыт первый стекольный завод и для каких
нужд он выпускал стекло?
5. Найдите в литературных источниках или электронных ресурсах информа-
цию о том, какой вид стекла был самым дорогим в Римской империи.
6. От чего зависит окраска стекла?
7. Подготовьте презентацию на одну из тем: «Вклад М. В. Ломоносова в рус-
ское стеклоделие», «Стекло: художественные промыслы», «Искусство витража»,
«Русский фарфор», «Стеклянные дома в архитектуре», «Архитектура Нормана
Фостера».
8. Пользуясь таблицей П.3.1, перечислите виды строительного стекла и худо-
жественных стёкол.
9. Во Владимирской области есть город Гусь-Хрустальный. Почему он так
называется?
10. Чем хрусталь отличается от обычного стекла?
11. Какие виды витражей существуют?
12. Почему закалённое стекло выпускают по заранее установленным разме-
рам?
13. Подготовьте подборку фотоматериалов по остеклению фасадов различных
зданий и сооружений в г. Омске и других городах нашего региона.
14. Почему колбы и реторты для различных химических опытов изготавли-
вают из стекла?
15. Перечислите теплоизоляционные и звукоизоляционные материалы полу-
чаемые на основе стеклянных и других минеральных расплавов.
16. Расскажите об устройстве стеклопакетов, перечислите виды стеклопаке-
тов.
17. Пользуясь литературой, средствами Интернета, узнайте, как отходы стек-
лянной промышленности используют у нас в России, в нашем регионе.
18. В строительстве сейчас широко используют жидкое и растворимое стекло.
Узнайте о них подробнее.
19. Объясните смысл поговорок: «Свой глаз – алмаз, чужой глаз – стекло»,
«Дружба, что стекло: разобьешь – не сложишь».
20. О чём говорится в загадке: «Поля стеклянны, рамы деревянны»?
21. Посуду из какого стекла можно использовать в микроволновых СВЧ-
печах?
22. Посуда из какого стекла не должна использоваться в посудомоечных ма-
шинах и почему?
23. Русский фольклор является бесценным богатством, которое хранит в себе
информацию о любых вещах и предметах, обыденных и привычных для нас.
Вспомните детские сказки, – в каких встречаются волшебные предметы, выполненные на основе стекла?
24. В чём преимущество флоат-стекла перед другими видами стёкол?
25. Что такое тонированное стекло? Какие виды тонировки стекла применяют
в производстве?
34
35
3. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
«...Веками стоят они, не разрушаемые
ни дождем, ни огнем, более прочные,
чем сделанные из бутового камня ...».
( о бетонных зданиях)
Плиний Старший, 23–79 гг. н. э.
«Естественная история»
Вяжущие вещества – основа современного строительства. Их
широко применяют для изготовления штукатурных и кладочных растворов, а также разнообразных бетонов (тяжелых и легких). Из бетонов изготовляют всевозможные строительные изделия и конструкции,
в том числе и армированные сталью (железобетонные, армосиликатные и др.). Из бетонов на вяжущих веществах возводят отдельные части зданий и целые сооружения – мосты, плотины и т.п. (рис. П.1.9–
П.1.12). В Вавилоне впервые были применены материалы, которые
впоследствии получили название «органические вяжущие вещества».
Это была смола деревьев. Одним из первых вяжущих, которым пользовался человек, была необожженная глина. Этот материал применяется и до сих пор для возведения простейших сооружений, когда от
изделий и конструкции не требуется высокой прочности. Вследствие
слабых вяжущих свойств, а главное, вследствие малой стойкости во
влажных условиях необожженная глина со временем перестала соответствовать возросшим требованиям строительной техники. За 2500–
3000 лет до н. э. были найдены искусственные способы изготовления
вяжущих веществ, в первую очередь гипса и извести, получаемых
обжигом соответствующих горных пород.
3.1. Значение вяжущих материалов
в истории архитектурного строительства
Минеральные вяжущие вещества представляют собой порошко-
образные материалы, способные при смешивании их с водой образовывать пластическое тесто, которое в результате физико-химических
процессов постепенно затвердевает в камневидное тело.
Из минеральных вяжущих веществ производят растворы для
кладки стен, фундаментов, печей, труб, а также изготавливают искус-
35
36
ственные безобжиговые изделия, бетон, железобетон, детали и конструкции из них.
Минеральные вяжущие вещества делятся на воздушные и гид-
равлические.
Вяжущие материалы – материалы, предназначенные для связы-
вания разнородных компонентов в искусственные конгломераты (бетоны, растворы, мастики и т. д.). По составу их можно разделить на
две большие группы: минеральные (неорганические) и органические.
Минеральные вяжущие – это тонко измельчённые минеральные
порошки, образующие при смешивании с водой пластичную массу,
которая с течением времени под влиянием физико-химических процессов переходит в камневидное состояние. Соответственно – материалы на их основе – искусственные камни. В данном случае механические процессы обработки природного сырья (например, природного
камня) в большей мере заменены химическими – более простыми,
производительными и экономически выгодными. Определённые минеральные вяжущие используют и для изготовления минеральных
красок.
Различают две группы минеральных вяжущих: воздушные, кото-
рые после перемешивания с водой способны твердеть, сохранять и
повышать свою прочность только на воздухе (гипсовые, воздушная
известь, магнезиальные), и гидравлические, которые после затворения с водой способны твердеть, сохраняя и повышая свою прочность
не только на воздухе, но и в воде. К гидравлическим вяжущим относятся цементы, гидравлическая известь.
В отличие от минеральных органические вяжущие состоят из орга-
нических веществ, к ним относятся: битумные и дёгтевые вяжущие
и синтетические полимеры. Основными представителями битумных
вяжущих являются нефтяные битумы – остаточные продукты перегонки нефти. Природные битумы встречаются в природе как пропитка
некоторых горных пород (известняков, песчаников, доломитов). Извлечение битума очень сложный процесс, т. к. содержание его в горной породе должно составлять не менее 10–15 %. Тогда после измельчения горной породы и сложных производственных процессов
получают «битумную вытяжку». Если битума в породе недостаточное
количество, то их перерабатывают в порошок и используют для получения асфальтовых мастик и бетонов. Для достижения более высоких
эксплуатационных характеристик используют рациональные смеси
битумных и дёгтевых вяжущих, т. н. дёгтебитумные вяжущие.
36
37
Иногда их совмещают с полимерными добавками, что повышает
упругость и растяжимость вяжущих. Композиционные битумные вяжущие используют для получения асфальтовых материалов, дорожных, кровельных и гидроизоляционных материалов.
Уже в глубокой древности использовали такие воздушные вяжу-
щие, как гипс и известь. Пять тысяч лет тому назад в Египте гипс широко применялся для кладочных и штукатурных растворов при строительстве, например Большого Сфинкса – гигантской скульптуры, закреплённой на основании с помощью гипсового раствора. Гипсовая
штукатурка получила распространение и при строительстве храмов и
дворцов. Впервые известь стала использоваться сравнительно широко
в Греции, прежде всего для штукатурных и облицовочных работ и в
качестве грунта стенной росписи. Римляне, переняв у греков принципы возведения прекрасной архитектуры, развили строительное искусство и начали массовое применение извести для кладочных растворов. Римские архитекторы и строители оставили после себя не только
памятники зодчества, но и трактаты, где говорилось о технологии изготовления известковых растворов. К одному из самых значимых
изобретений в Древнем Риме относится создание искусственного каменного конгломерата – бетона на основе минерального вяжущего
(воздушной извести). Сводами из бетона перекрывались термы, акведуки, мосты.
Русские зодчие творчески осваивали опыт древних. В Киевской
Руси, начиная с Х века, известковые растворы с успехом применяли
при строительстве каменных сооружений. Известь готовили заранее и
начинали с её гашения в специальных ямах, которые устраивали на
месте работ. Большое значение имело качество песка, т. к. он наряду с
другими активными минеральными добавками – гипсом, золой и
шлаками повышает водостойкость и улучшает другие свойства известковых растворов. Иногда при реставрации кладки сводов и т.д.
для большей прочности применяется известковый раствор с добавкой
портландцемента. Пропорция компонентов зависит от назначения
раствора и качества извести. Известковая обмазка (по кирпичной
кладке) представляет собой раствор чистой, жирной и хорошо выдержанной извести. Перед обмазкой необходима тщательная подготовка
поверхности.
Декоративные штукатурные растворы на фасадах исторических
зданий отличались своеобразием с эстетической точки зрения. Древнерусские мастера практиковали введение куриных яиц, коровьего
37
38
молока, ячменной мякины, отвара еловой коры и других природных
веществ для улучшения свойств растворов (т. н. гидрофобно-
пластифицирующие поверхностно-активные вещества). Имеющиеся
исторические сведения служат подтверждением долговечности эффекта гидрофобизации рассматриваемых материалов. Так, известково-карбонатный раствор, содержащий добавки природных органических веществ, был применён при строительстве в конце XII века
Дмитриевского собора во Владимире (рис. П.1.13). Собор выстоял во
времена татаро-монгольского ига, кровля была разрушена, в стенах
трещины, и даже через 750 лет после строительства раствор имел
сравнительно большую прочность – 8 МПа. Кроме того, исследованные образцы старинного известкового раствора из стен Дмитриевского собора обнаружили признаки гидрофобности – в измельчённом состоянии они плохо смачивались, а порошок плавал на поверхности
воды.
Природные органические добавки, применявшиеся зодчими в старину, впоследствии, когда появились гидравлические минеральные
вяжущие, были забыты. В наше время целесообразность гидрофобнопластифицирующих добавок для строительных растворов при реставрации не вызывает сомнений. Изобретение гидравлического вяжущего – цемента, близкого по своим характеристикам к современному, –
принадлежит русскому строителю Е. Г. Челищеву. После войны 1812
г. встал вопрос о строительстве в Москве каменных зданий взамен
многочисленных деревянных строений, уничтоженных пожаром. Соответственно, потребовалось значительное количество строительных
материалов на основе минеральных вяжущих высокого качества. Несколько лет спустя в Англии был изобретён портландцемент, разновидности которого можно отнести к основным при изготовлении современных искусственных каменных материалов. Среди последних
один из самых широко применяемых – бетон. Его массовое использование при строительстве зданий и сооружений различного функционального значения обусловлено трудами русских учёных конца XIX
века. В это же время начали применять армированный бетон (железобетон).
3.2. Сырьё и основы производства
Как любые строительные материалы минеральные вяжущие проходят все этапы так называемого жизненного цикла: от добычи и про-
38
39
изводства до эксплуатации в том или ином виде. У строительных материалов на основе минеральных вяжущих есть некоторые особенности технологических процессов. Ниже мы их рассмотрим.
3.2.1. Основное сырьё и заполнители
Для получения минеральных вяжущих используют следующие
основные горные породы: светлый, иногда окрашенный примесями в
серые или желтоватые тона минерал – природный гипс (гипсовый камень) – служит основным сырьём для производства гипсовых вяжущих. Реже применяют гипсосодержащие отходы химической промышленности. Для получения основного гидравлического вяжущего
– портландцемента – чаще всего используют известняки, глины и
корректирующие добавки. Обычно соотношение между известняком
и глиной составляет примерно 3:1 (в частях по массе).
Заполнители в искусственных каменных материалах различают
неорганические и органические. Неорганические разделяют на мелкие
(песок) и крупные (щебень и гравий). Количество мелких и крупных
заполнителей в искусственных каменных материалах достигает по
объёму и массе 80–90 %.
Органические заполнители представляют собой измельчённые отходы заготовки и обработки древесины и других растительных материалов (дроблёнка). Стружку, сучки, стебли хлопчатника и конопли,
льна подвергают обработке на рубильной машине, а затем измельчают в дробилке.
Упрочняющие волокнистые компоненты заметно повышают
прочность цементного камня. К ним относятся асбест – природный
материал волокнистого строения, щёлочестойкое стеклянное волокно
и др.
Арматура – стальные стержни диаметром 6–80 мм, проволока
диаметром 3–8 мм, сетки, каркасы – используются для получения же-
лезобетона.
Ниже мы рассмотрим основы производства строительных материалов на основе минеральных вяжущих веществ.
3.2.2. Основы производства
Технологические процессы на производстве материалов на основе
минеральных вяжущих – это дозирование и смешивание сырьевых
39
40
компонентов и различных заполнителей, формование, тепловая обработка и отделка лицевой поверхности.
Производство минеральных вяжущих сводится к двум главным
технологическим операциям: помолу и обжигу. Обычно стремятся
хорошо измельчить сырьё до обжига или полученный продукт после
обжига. Тонкость помола минеральных вяжущих влияет на свойства
искусственных каменных материалов, приготовленных с их помощью. С увеличением тонкости помола увеличивается клеящая способность пластичной массы, которая образуется после перемешивания вяжущего с водой. В результате плотность и прочность искусственного камня повышаются.
Важнейшая операция при производстве минеральных вяжущих –
обжиг сырьевых материалов. Именно после обжига получается продукт, способный при соединении с водой образовывать пластичную
массу, твердеющую с течением времени. Условия обжига различны
при получении воздушных или гидравлических вяжущих, как различны и реакции, происходящие при обжиге. Прежде всего, различна
температура обжига сырьевых материалов. При температуре 110–160 °С
в специальных варочных котлах обжигается природный гипсовый камень для получения строительного гипса. При этом происходит реакция дегидратации – отдачи части воды. Если повысить температуру
до 600–700 °С, то получится ангидритовый цемент, при температуре
до 1000 °С – высокообжиговый гипс (эстрих-гипс), отличающийся по
своим характеристикам от строительного гипса более высокими механическими характеристиками. При 900–1200 °С в различного рода
печах обжигаются известняковые породы для получения воздушной
извести. После обжига (когда масса камней уменьшается примерно в
2 раза) получаются лёгкие куски белого цвета, состоящие, в основном, из оксидов кальция и магния. Чем больше количество указанных
оксидов, тем выше качество воздушной извести. Полученный продукт
– комовую негашёную известь – подвергают помолу или гашению путём затворения водой.
Обжиг сырьевых материалов для получения портландцемента
производят чаще всего в крупных вращающихся печах. Температура в
начальной стадии 100–600 °С, в последней зоне печи достигает 1450 °С
(только при такой температуре образуется клинкер – спекшиеся куски
неправильной формы размером 4–70 мм). Клинкер не является химическим индивидуумом и представляет собой систему из нескольких
искусственных минералов, подобно тому, как гранит состоит из не-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]