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
51
3.4. Свойства материалов
на основе минеральных вяжущих веществ
Основное свойство минеральных вяжущих – способность твердеть
после перемешивания с определённым количеством воды. При твердении воздушных вяжущих образуются соединения, которые растворимы в воде, поэтому материалы на основе гипса, воздушной извести
и магнезиальных вяжущих требуется защищать от влаги: эксплуатировать в сравнительно сухой среде, применять специальные добавки
для повышения их водостойкости. Гидратные соединения, образующиеся при твердении гидравлических вяжущих (на основе цемента),
водонерастворимы. Поэтому гидравлические вяжущие с успехом
твердеют как на воздухе, так и в воде. Этот факт очень важен и позволяет относить материалы на основе гидравлических вяжущих и,
прежде всего на основе цементов, к более высокой качественной категории, чем материалы на основе воздушных вяжущих.
Скорость схватывания и твердения минеральных вяжущих различна в зависимости от вида рассматриваемого продукта. Так, гипсовое тесто начинает твердеть уже через 4–5 минут, а 90 минут достаточно, чтобы масса превратилась в прочный искусственный камень.
Начало схватывания портландцемента не ранее чем через 45 минут,
конец отвердевания – не позднее 10 часов после затворения с водой.
Водопотребность материалов определяет непосредственное влияние
на свойства материалов. Если воды недостаточно, то смесь получится
рыхлой, рассыпчатой; избыток воды приведёт к получению растекающейся массы, с которой тоже затруднительно работать. Так, при изготовлении бетонов добавляют 40–55 % воды от массы цемента (при
условии, что бетонную смесь достаточно интенсивно уплотняют), при
изготовлении строительных растворов – 60–70 % и даже больше. Такое количество воды необходимо, чтобы получить смесь, удобную в
работе. Однако увеличение расхода воды отрицательно сказывается
на свойствах искусственного камня. Вода, не участвующая в химической реакции с вяжущим, испаряется из искусственного камня, вызывая усадку и оставляя поры. При этом часто образуются крупные открытые поры, наличие которых ослабляет структуру отвердевшего
материала. Прочность искусственного камня понижается, повышается
способность впитывать воду и агрессивные жидкости. В итоге снижается долговечность конструкций из искусственного камня, например,
из бетона. Таким образом, в технологии получения строительных ис-
51
52
кусственных материалов на основе минеральных вяжущих наблюдается противоречие между тем количеством воды, которое необходимо
для реакции и твердения материала и количеством воды для получения раствора, удобного в работе. Необходимо найти «золотую середину».
Искусственный камень на основе гидравлических вяжущих, прежде всего на основе цемента, обладает существенным недостатком –
способностью к коррозии. Известны сотни веществ, которые могут
разрушать его, оказавшись вредными для цементного камня. Даже
обычная чистая вода может являться агрессивной средой для цементного камня, растворяя и вымывая образующийся при этом и уже ранее имеющийся гидроксид кальция. К основным мерам защиты цементного камня от коррозии относятся: соответствующий подбор состава цемента; применение специальных добавок, повышающих
плотность и однородность цементного камня и придающих ему гидрофобные (водоотталкивающие) свойства; применение защитных покрытий и пропитки (прежде всего, водоотталкивающими составами).
Если говорить о каждом материале в отдельности, то все они
имеют какие-либо особенности в зависимости от сырьевых компонентов, добавок и заполнителей. Бетон, т. е. все его качества – водонепроницаемость, морозостойкость, коррозийная стойкость, прочность, связаны с его плотностью. Асбестоцементные материалы обладают высокой морозостойкостью и коррозийной стойкостью. Недостатки – хрупкость и повышенная деформативность (склонность к покоробленности). Свойства красок в большей мере зависят от вида
минеральных вяжущих. Гораздо долговечнее цементные и силикатные краски (более 10 лет).
Эстетические свойства и характеристики материалов на основе
минеральных вяжущих зависят от многих факторов, в частности отделку лицевых поверхностей осуществляют дроблеными природными
и искусственными материалами. К природным дроблёным материалам относят гранит, габбро, мрамор, песчаник, известняк (плотный),
доломит, кварцит. К искусственным дроблёным камням относятся
прежде всего отходы промышленности: шлаки, керамический или
стеклянный бой, а также специально изготовленные искусственные
камни, например, на основе цементно-песчаной смеси.
Также можно применять различные способы нанесения дроблёных материалов на лицевую поверхность. При формовании панелей
«лицом вверх» дроблёный материал наносят на свежесформованную
52
53
и выровненную поверхность бетона. После термовлажностной обработки лицевую поверхность изделия промывают водой и очищают
металлической щёткой или струёй воздуха. При формовании панелей
«лицом вниз» на дно формы наносят слой песка, в который вдавливаются зёрна дроблёного материала. Дроблёный материал может также укладываться на предварительно смазанное дно формы в виде
подстилающего слоя или вдавливаться на определённую глубину в
слой специального быстротвердеющего состава. Возможно изготовление панелей рельефообразующими валами и различными приспособлениями (воздушной струёй, капроновыми или металлическими
щетками), сравнительно сложные рельефные рисунки получают способом выцарапывания при помощи ножей, скальпелей, набора резцов.
Значение вяжущих веществ в современном строительстве иллюстрируется следующими данными: при возведении жилых домов из
кирпича или бетонных и железобетонных изделий на 1 м2 жилой
площади в среднем расходуется до 300 кг вяжущих веществ (цемента, извести, гипса). Только на жилищное строительство в России
ежегодно требуется до 35–40 млн т вяжущих веществ, а на промышленное, гидротехническое, сельскохозяйственное и другие его виды – значительно больше.
Многообразие строительных материалов на основе минеральных
вяжущих веществ представлено следующими видами: бетон (с его
широкой классификацией), цемент, портландцемент, а также материалы на основе асбеста и гипса. Термины и определения главы:
«фибробетон», «портландцемент», «гипсобетон» и др.
Глава знакомит с многообразием строительных материалов на
основе минеральных вяжущих веществ, их свойствами и применением. Автор посчитал необходимым включить материал об открытии
учёными омского вуза (СибАДИ) – применении органоминеральных и
золоминеральных смесей для дорожных покрытий, т. к. это (по мнению автора) должно воспитать в будущих студентах не только
гордость за наш скромный сибирский город с его замечательными
людьми, но и подвести к выводу о том, что труд дизайнера, который
занимается наполнением средового пространства – очень ответственный и серьёзный, где нельзя обойтись без анализа и синтеза
всевозможных решений и задач.
Асбест (от греч. «асбестон» – несгораемая ткань) входит в состав
множества видов изделий в самых различных областях техники. Из волокнистого асбеста изготовляют ткани, картон, фильтры, брезенты, огнеупорные
костюмы (для пожарных), бумагу, асбестоцементные строительные материа-
53
54
лы (например, шифер) и др. Крупнейшие месторождения минерала находятся в
Канаде, ЮАР и России (на Урале). Асбест практически инертен и не растворяется в жидких средах организма, но обладает заметным канцерогенным эффектом. У людей, занятых на добыче и переработке асбеста, вероятность возникновения опухолей в несколько раз больше, чем у основного населения. С конца
XX века была начата кампания по замене асбеста на более безопасные материалы. На основе результатов всесторонних научных исследований канцерогенных
веществ, Международное агентство по изучению рака отнесло асбест к первой, наиболее опасной категории списка канцерогенов, для которых существуют достоверные сведения о канцерогенности их для человека. Потребление асбеста в Европе в последнее время быстро сокращается. Всего в мире 60 стран
полностью или частично запретили использование асбеста. 1 января 1997 года
использование асбеста было запрещено во Франции. C 2005 года применение асбеста в Европейском союзе полностью запрещено. Южная Корея в 2009 году
ввела запрет на использование асбеста. Турция запретила использование асбеста с 2011 г. С 1 марта 2012 г. использование асбеста запрещено в Японии.
Действию асбеста в зданиях, построенных с применением асбеста, могут быть
подвержены все люди, которые находятся в этом здании, работают там или
живут. В группу риска попадают преподаватели, студенты, школьники и учителя, а также люди, живущие в домах, построенных с применением асбеста.
Волокнистая разновидность гипса называется селенитом, а зернистая —
алебастром. В почвах формируются различные новообразования гипса: одиночные кристаллы, двойники («ласточкины хвосты»), друзы («гипсовые розы») и т.
д. Волокнистый гипс (селенит) используют для недорогих ювелирных изделий.
Из алебастра издревле вытачивали крупные ювелирные изделия — предметы
интерьера (вазы, столешницы, чернильницы и т. д.). В «сыром» виде гипс используется как удобрение и в целлюлозно-бумажной промышленности, в химической для получения красок, эмали, глазури. Обожжённый гипс применяют для
отливок и слепков (барельефы, карнизы и т. д.), как вяжущий материал в строительном деле, в медицине.
Контрольные вопросы и задания
1. В чём отличие воздушных и гидравлических минеральных вяжущих?
2. Перечислите виды бетона.
3. Назовите основные сырьевые компоненты, используемые в производстве
материалов на основе минеральных вяжущих.
4. Перечислите виды заполнителей для материалов на основе минеральных
вяжущих.
5. От чего зависит скорость схватывания материалов на основе минеральных
вяжущих?
6. Какой строительный материал получают обжигом смеси глины и известня-
ка?
7. Известь иногда называют «кипелка», иногда «пушонка». Объясните, поче-
му?
54
55
8. Почему в некоторых городах воду из крана называют «жёсткой»? В чём
причина этой «жёсткости»?
9. Почему говорят, что известняк и жемчуг – родственники?
10. Почему древесная зола и известь – родные сёстры?
11. Что такое предварительно напряжённый железобетон? В каких целях его
применяют в строительстве?
12. С какой целью применяют поверхностно-активные добавки?
13. Выполните серию фотографий различных фактур экстерьеров омских зда-
ний из строительных материалов на основе минеральных вяжущих веществ. Используйте фотоматериалы для подготовки к занятиям по дисциплинам «Рисунок» и «Дизайн-проектирование»:
а) серию эскизов с передачей фактуры материала;
б) клаузуру на тему «Архитектура г. Омска».
14. Подготовьте презентацию по одной из предложенных тем: «Бетон в архи-
тектуре», «Виды бетона», «Применение железобетонных конструкций в строительстве».
15. Бетонные блоки бывают двух видов – сплошные и пустотелые. Какие из
них, на ваш взгляд, применяют для фундамента? Почему?
16. Вследствие чего возникает коррозия бетона и как с ней бороться?
17. Какие добавки в процессе производства применяют для материалов на ос-
нове минеральных вяжущих веществ, чтобы повысить их прочность?
18. В чём преимущество гипсоволокнистых листов перед гипсокартонными?
19. Как отличить по окраске наружной поверхности листы ГКЛ и ГКЛВ?
20. Какой вид цемента применяют для строительства спортивных объектов,
подводных и подземных напорных сооружений?
21. Что такое гидрофобный портландцемент? Какими средствами достигается
его гидрофобность?
22. Назовите разновидности фибробетонов. С какой целью их используют в
строительстве?
23. Какой из видов бетона используют для возведения защитных конструкций
на ядерных реакторах?
55
56
4. МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРОВ
В современном строительстве полимерные строительные материалы (их насчитывается свыше 100 наименований) находят все более
широкое применение. Это объясняется их ценными эксплуатационными свойствами и, прежде всего, сочетанием достаточной для практического использования прочности и легкости. Полимерные строительные материалы, обладающие высокой прочностью, малой плотностью, стойкостью к действию кислот и щелочей, а также высокими
декоративными свойствами, широко применяют в качестве конструкционных и отделочных материалов. Причем одни из них, например
стеклопластики и древесностружечные плиты, являются конструкционно-отделочными материалами, другие, например полистирольные
облицовочные плитки, – только отделочными.
Полимеры – высокомолекулярные соединения, важнейшая со-
ставная часть пластмасс. Исходным сырьем для получения полимеров
служит природный газ, а также «попутный» газ, сопровождающий
выходы нефти и каменноугольный деготь, получаемый при коксовании угля.
4.1. Значение строительных материалов
на основе полимеров
Впервые промышленное производство полимеров началось в 20–
30-е гг. ХХ века, когда в массовом порядке стали производить мочевиноформальдегидные и некоторые другие виды полимеров. С внедрением методов полимеризации (начиная с 30-х гг.) были получены
новые их виды: поливинилхлорид, полистирол, поливинилацетат и др.
Еще позднее появились поликонденсационные пластики: полиуретановые, полиамидные и др. Крупномасштабное производство полимерных материалов и широкое их использование в строительстве
началось в 60-е гг. ХХ века. В настоящее время в мире производится
более 100 млн т полимеров, значительная часть их используется в строительстве. Например, в СIIIА и Германии более 25 % полимеров идет
на изготовление строительных и отделочных материалов. В последнее
десятилетие резко возрос выпуск таких важнейших полимеров, как
полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и полистирол. Полимеры все чаще используют как важнейшую составную часть компози-
56
57
ционных материалов, Например, полимербетонов, полимерцементных
бетонов и т. д.
Природные полимеры – сложные смеси высокомолекулярных уг-
леводородов и их неметаллических производных. Для производства
строительных материалов (как правило, специального назначения)
используют битумы и дёгти.
Искусственные полимеры – высокомолекулярные соединения
(молекулы из нескольких тысяч или сотен тысяч атомов, построенных
путём многократного повторения одинаковых групп или звеньев одинаковой структуры), полученные человеком из природных веществ в
процессе оригинальных реакций.
Материалы на основе полимеров – твёрдые, пластично-вязкие
(мастики) или жидкотекучие (лаки, краски) составы, в которых, кроме
полимеров, содержится ещё ряд компонентов, влияющих на их свойства. Полимерные композиции способны в процессе формования
принимать требуемую форму и сохранять её после снятия формующих нагрузок. Учитывая эту способность, материалы на основе полимеров называют также пластическими массами.
Первые искусственные полимеры, в том числе фенолформальде-
гид, были получены во второй половине XIX века. С 1907 года на их
основе в США было освоено промышленное производство пластмасс,
и уже в 1916 году в больших объёмах стала производиться первая
пластмасса горячего формования.
4.2. Различные виды полимеров,
применяемых в строительстве
Полимерные вещества существуют в природе (крахмал, белки,
целлюлоза и др.). Однако большинство полимеров, используемых в
строительстве, – синтетические.
Наиболее распространёнными полимерами (получаемыми поли-
меризацией) в строительной практике являются нижеперечисленные
виды.
Полиэтилен – продукт полимеризации этилена. Основным источ-
ником получения этилена являются продукты высокотемпературной
обработки нефти. Выпускается в виде гранул или белого порошка. Он
хорошо противостоит действию большинства кислот, щелочей и растворителей. Горит и плавится с характерным запахом парафина. Обладает высокой химической стойкостью и биологической инертно-
57
58
стью. Сохраняет эластичность до –70 °С. Недостатки: низкая теплостойкость и твёрдость, горючесть и слабая адгезия к минеральным
материалам, способность к быстрому старению. Из него изготавливают плёнки, трубы для холодного водоснабжения и транспортировки
агрессивных жидкостей, а также трубы для скрытой электропроводки
и некоторые виды сантехники.
Полипропилен – продукт полимеризации газа пропилена, являю-
щегося продуктом нефтепереработки. Отличается от полиэтилена
большей твёрдостью и прочностью. Обладает хорошей прозрачностью и блеском. По морозоустойчивости уступает полиэтилену. Применяется для изготовления плёнки, труб, листовых отделочных материалов, вентиляционных решёток и санитарно-технического оборудования.
Полиизобутилен – каучукоподобный эластичный полимер, про-
дукт полимеризации изобутилена. Стойкий к действию кислот и щелочей. Может эксплуатироваться при t –50 °С. Используется в производстве герметиков, гидроизоляционных, коррозиестойких материалов, клеев и мастик.
Поливинилхлорид – один из самых распространённых полимеров,
применяемых в строительстве, полимер винилхлорида. В виде белого
или желтоватого порошка. Это прозрачный, жёсткий и прочный при
комнатной температуре полимер. При нагревании до 60–100 °С размягчается, а при 160–200 °С плавится. Из него получают различные
материалы: линолеум, трубы, плинтусы, отделочные плёнки, искусственную кожу.
Из непластифицированного поливинилхлорида (винипласта) изготавливают трубы, профильные погонажные изделия, упаковочную
тару. Поливинилхлоридные профили получили широкое применение
при изготовлении металлопластиковых изделий. На основе поливинилхлоридных профилей и армирующих металлических каркасов
производят, в основном, окна и двери. Такие изделия имеют ряд преимуществ перед деревянными: устойчивость к гниению, огнестойкость, долговечность, срок продолжительности эксплуатации составляет 40 лет и характерны повышенные тепло- и звукоизоляционные
свойства.
Полистирол – полимер стирола. Твёрдый, упругий, бесцветный,
прозрачный материал, но хрупкий полимер, хорошо окрашивается и
легко перерабатывается в изделия. Выпускается в виде прозрачных
листов, гранул или белого порошка. При комнатной температуре –
58
59
хрупкий, размягчается при 80–100 °С. Используется при изготовлении облицовочной плитки и листов, теплоизоляционных пенопластов.
Полиметилметакрилат – полимер, известный под названием
«органическое стекло». Он представляет собой прозрачный материал
(пропускает не только видимые лучи, но и ультрафиолетовое излучение). Применяют для устройства светопрозрачных ограждений, изготовления труб и т.д. Полиметилметакрилат – (органическое стекло)
– высокая прозрачность, бесцветность, способность пропускать ультрафиолетовые лучи, свето- и атмосферостойкость, легко окрашивается в различные цвета. Используют для изготовления дверей и окон,
применяют как отделочный и кровельный материал. Органические
стёкла – прозрачные полимерные материалы. Акриловое стекло
устойчиво к атмосферным воздействиям, не разрушается под действием ультрафиолетовых лучей, ударопрочно и морозостойко. В зависимости от назначения выпускают бесцветное прозрачное, цветное
прозрачное и цветное непрозрачное стекло.
В строительстве всё большее применение находит экструзион-
ный акриловый пластик, имеющий улучшенные свойства для формования и повышенную прочность.
К органическим стёклам относится поликарбонат – материал, являющийся полиэфиром угольной кислоты и фенолов. Характеризуется термостойкостью в широком диапазоне температур и самой высокой среди полимеров ударопрочностью (рис. П.1.14). Высокая газо- и
паропроницаемость приводит к впитыванию влаги из атмосферы, а
при снижении относительной влажности – к выпариванию этой влаги
на поверхность.
Для придания полимерам комплекса желаемых свойств применяют поликонденсацию – совместную полимеризацию нескольких
полимеров. При этом образуются вещества с видоизменёнными свойствами, например, ударопрочный полистирол.
К термореактивным относятся следующие виды полимеров. Фе-
нолформальдегидные полимеры – первые синтетические полимеры,
получившие практическое применение (1906–1910 гг.). Для получения этой группы полимеров используется фенол и формальдегид. В
результате получается продукт в виде вязкой жидкости или легкоплавкой смолы, способный необратимо твердеть при нагревании. Такие полимеры применяют для получения слоистых пластиков (бумпласт, текстолит), минераловатных изделий, для электромонтажных
работ, водостойких лаков, клеев для склеивания древесины.
59
60
Полиэфирные полимеры – обширная группа полимеров, получаемых поликонденсацией многоатомных спиртов и органических кислот. Полиэфиры широко используются в производстве лаков и красок,
как связующие в стеклопластиках и полимербетонах.
4.3. Основы производства
Синтетические (искусственные) полимеры получают двумя раз-
личными способами – полимеризацией и поликонденсацией. Полимеризацией получают такие широко распространенные полимеры, как
полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, а поликонденсацией –
фенолформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные и другие полимеры.
Характерной особенностью полимеризационных полимеров яв-
ляется способность многократно размягчаться и отвердевать при попеременном нагревании и охлаждении и они называются термопла-
стичными. Большинство из них хорошо растворимы в органических
растворителях. Характерная особенность многих термопластичных
полимеров – быстрое снижение механических свойств при повышении температуры. Это происходит в результате линейного строении
молекул полимера и их малой связью друг с другом, снижающейся
при нагревании. Термореактивные полимеры (получаемые поликон-
денсацией), в отличие от термопластичных, отвердевают необратимо.
Одним из важнейших компонентов при получении пластмасс является наполнитель. Различают следующие группы наполнителей:
1) порошкообразные вещества (мука древесная, мел, тальк, са-
жа);
2) волокнистые вещества (стекловолокно, асбест, органическое
волокно);
3) листовые материалы (бумага, древесный шпон, ткани и т.д.).
К числу наполнителей можно отнести и воздушные поры в газонаполненных пластмассах – сото-, пено- и поропласты (рис. 4).
Наполнители играют весьма важную роль в формировании желаемых
свойств материалов. Они снижают усадку и деформативность, увеличивают тепло- и атмосферостойкость. При использовании минеральных наполнителей резко повышается прочность и снижается горючесть. Листовые и волокнистые наполнители значительно повышают
прочность пластмасс на изгиб и растяжение. Некоторые наполнители
придают пластмассам специальные свойства. Так, воздушные поры,
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]