Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология конструкционных материалов. Учебное пособие
.pdf
51
2 - точечную или язвенную коррозию. Это неравномерная коррозия,
при которой относительно небольшая потеря в массе может вызвать
очень глубокие повреждения;
3 - межкристаллитную коррозию, при которой разрушение происходит по границам зерен металла и распространяется вглубь металла.
Межкристаллитная коррозия, при воздействии на металлическую конструкцию знакопеременных нагрузок, вызывает коррозионную усталость металла;
4 - контактную коррозию, при которой происходит преимущественное разрушение одного из металлов пары.
Для предотвращения коррозии металлов применяют различные способы защиты. Наиболее известны защитные лакокрасочные покрытия.
Образующаяся при их нанесении пленка изолирует металл от действия
внешней среды. К более эффективным способам защиты от коррозии
относят легирование, воронение, металлическое покрытие. Легирование
состоит в сплавлении металла с легирующими веществами. Воронение
способствует образованию на поверхности изделия защитного слоя, состоящего из оксидов данного металла. Металлические покрытия производят осаждением на поверхности изделия металла из раствора (гальванические покрытия), обрызгиванием или погружением в ванну с другим
расплавленным металлом. При этом возникает плотный контакт двух
металлов – основного и защитного. Из двух металлов, находящихся в
контакте, коррозии будет подвергаться металл, у которого электродный
потенциал в данном растворе более электроотрицателен. Этот металл в
паре металлов будет являться анодом. Второй металл будет более электроположительным электродом – катодом. Электроны с анода будут
перемещаться на катод по внешней цепи. Ионы водорода из электролита
будут присоединять электроны, переходить в состояние молекул и выделяться из раствора электролита.
Бельгийская кампания Zinga Metall разработала покрытие, сочетающее преимущества активного и пассивного способа защиты. Это антикоррозионный состав Zinga для холодной гальванизации. Состав представляет собой однородное соединение, состоящее на 96 % из электролитического цинка с чистотой 99,995 % с размерами частиц 3…5 мкм,
затворенного полимерным связующим. Покрытие толщиной 40 мкм
гарантирует защиту стальных конструкций на 10 лет, а при толщине
120 мкм, соответственно, более чем на 25 лет. Защита оказалась лучше,
чем горячая оцинковка. Возможно проведение противокоррозионных
52
работ при высокой влажности в широком диапазоне температур. Холодная гальванизция - одно из лучших защитных покрытий в мире.
К числу основных мероприятий по предупреждению коррозии арматуры в железобетонных конструкциях относят понижение проницаемости бетона интенсивным уплотнением при укладке, введением уплотняющих добавок и увеличением толщины защитного слоя. При влажности
среды более 70 % регламентируется предельное значение водоцементного отношения. Устраивается наружная защита бетона покраской поверхности, покрытием цементосодержащими составами проникающего
действия, повышающими водонепроницаемость, или устройством оклеечной изоляции с применением стеклоткани на эпоксидной смоле. Вводят в бетон ингибиторы коррозии, например, нитрид натрия в количестве до 2 % от массы цемента.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое строение имеют металлы?
2. В чем состоит полиморфизм металлов?
3. Какое строение имеют сплавы?
4. Изобразите наиболее распространенные виды кристаллических
решеток металлов.
5. Опишите процесс получения чугуна в доменной печи.
6. Опишите процесс производства стали в кислородном конвертере.
7. Опишите процесс производства стали в мартеновской печи.
8. Опишите процесс производства стали в электрической печи.
9. Приведите достоинства и недостатки стальных и алюминиевых
конструкций.
10. Приведите основные исторические этапы применения металлов в
строительстве.
11. В чем проявляется полиморфизм железа?
12. Как влияют примеси марганца и кремния на свойства железо-
углеродистых сплавов?
13. Что собой представляют аустенит, феррит, цементит?
14. Как влияет углерод на свойства чугуна и в каком виде углерод
может в нем присутствовать?
15. Как влияют примеси серы и фосфора на свойства железоуглеро-
дистых сплавов?
53
16. Что собой представляют белый и серый чугуны?
17. Какое строение имеют высокопрочный и ковкий чугуны и как их
получают?
18. Как влияют примеси кислорода и азота на свойства стали?
19. Какое строение имеют заэвтектоидная и доэвтектоидная стали?
20. Что собой представляют перлит, ледебурит?
21. Поясните общие принципы и приведите примеры получения
сварного шва плавлением.
22. Поясните общие принципы и приведите примеры получения
сварного шва давлением.
23. Поясните классификацию сварных швов и сварных соединений.
24. Как влияют примеси марганца, кремния, углерода, кислорода,
азота на свариваемость стали?
25. Какими методами повышают качество сварного шва?
26. Почему вызывает затруднение сварка чугуна?
27. Поясните виды термической и химико-термической обработки
стали.
28. Почему малоуглеродистые стали плохо закаливаются?
29. Приведите основные виды обработки металлов давлением.
30. Поясните технологию литейного производства.
31. В чем состоит легирование металлов и сплавов?
32. Как классифицируют арматурную сталь?
33. Какие металлы относят к цветным?
34. Приведите наиболее распространенные виды алюминиевых
сплавов. Поясните методы их получения, свойства и область применения.
35. Приведите наиболее распространенные виды медных сплавов.
Поясните методы их получения, свойства и область применения.
36. Приведите наиболее распространенные виды металлических
строительных изделий.
37. Поясните сущность процессов химической и электрохимический
коррозии.
38. Как классифицируют виды коррозии по характеру распространения?
39. Какие методы используют для защиты металлов и сплавов от
коррозии?
40. Как защищают арматуру в бетоне от коррозии?
54
Раздел 2
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
2.1. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Горные породы – это огромные скопления минеральных масс, пред-
ставляющие собой продукты природных физико-химических процессов
или жизнедеятельности растительных или животных организмов. Горные породы состоят из одного или нескольких минералов - природных
веществ, отличающихся более или менее однородным химическим составом и постоянными физическими свойствами. Все горные породы,
применяемые в строительстве, принято называть природными каменными материалами. Природные каменные материалы отличаются высокой прочностью, долговечностью, исключительной архитектурной выразительностью. Большая группа горных пород используется в производстве строительных материалов как сырье.
2.1.1. Важнейшие породообразующие минералы
Минералы группы кварца состоят из свободного оксида кремния -
SiO2. Оксид кремния содержится в земной коре в наибольшем количе-
стве. В природе встречается в виде молочного, дымчатого кварца, а
также других его разновидностей – горного хрусталя, аметиста, халцедона, агата, опала. Характерными признаками этих минералов являются
отсутствие спайности и стеклянный блеск. Минералы группы кварца
стойки к действию кислот, кроме плавиковой. Прочность кристаллов
кварца очень высока и достигает 2000 МПа. Твердость – 7 по шкале Мооса. При 575оС кварц из β-модификации переходит в α-модификацию,
увеличиваясь в объеме на 1,5 %. При 870оС переходит в тридимит, кристаллизуясь в виде шестигранных пластин. Кварц плавится при 1710оС и
при быстром охлаждении переходит в кварцевое стекло. В природе кварц
наиболее часто встречается в виде месторождений песка, а также содержится в составе кислых горных пород - гранита, порфира, гнейса и др.
К группе алюмосиликатов относят полевые шпаты, слюды, каоли-
нит. Известны две разновидности минералов полевого шпата: ортоклаз –
К2О.Аl2O
.
6SiO2 и плагиоклаз – Na2O.Al2O
3
.
6SiO2. Характерной особен-
3
55
ностью минералов полевого шпата является наличие двух плоскостей
спайности. У ортоклаза они располагаются под углом 90о. Ортоклаз
имеет твердость 6 по шкале Мооса. Под влиянием углекислого газа и
воды алюмосиликаты разрушаются с образованием глинистых минералов, водного кремнезема и поташа. Глинистые минералы и слюды представляют собой водные алюмосиликаты. К глинистым минералам относят каолинит Аl2O
.
2SiO
3
.
2H2O, который состоит из мельчайших тонких
2
чешуек, способных с водой образовывать пластичную массу. Твердость
минералов слюд (мусковита, биотита, вермикулита) находится в пределах
2…3 по Моосу. Слюды присутствуют в составе гранитов и его аналогов.
Характерной особенностью группы железисто-магнезиальных си-
ликатов является темная окраска. Твердость минералов этой группы
составляет 5,5…7,7 по шкале Мооса. Минерал оливин имеет зеленоватую окраску. Под влиянием кислорода, углекислого газа и воды он переходит в серпентин (змеевик). Одной из разновидностей серпентина
является асбестовый слоистый минерал хризотил Mg
.
.
.
Si
O
4
10
(OH)8, со-
6
стоящий из тонких прочных волокон. Встречается он в составе темноокрашенных изверженных горных пород, таких как габбро, базальт, диабаз.
К группе карбонатов относят минералы: кальцит СаСО3 , магнезит
MgCO3, доломит СаСО
.
МgСО3. Кальцит отличается ярко выраженной
3
спайностью в трех плоскостях, твердость – 3, слабо растворим в воде.
Кальцит содержится в таких горных породах, как мрамор, известняк,
известковый туф. Магнезит - мономинеральная горная порода с твердостью 4…5. Доломит по свойствам близок к кальциту, но более тверд и
прочен, менее растворим в воде.
Из группы сульфатов в строительной индустрии применяют моно-
минеральные горные породы – природный гипс и ангидрит. Природный
гипс встречается в виде минералов алебастра, селенита и пластинчатого гипса - СаSO
.
2H2O, с твердостью 2 по шкале Мооса. Ангидрит –
4
безводная форма сульфата кальция, твердость ангидрита несколько выше, чем у природного гипса. Природный гипс и ангидрит слабо растворимы в воде.
2.1.2. Классификация горных пород по происхождению
По условиям образования горные породы делят на три группы: из-
верженные, осадочные и метаморфические.
Изверженные (магматические) горные породы образовались в ре-
зультате вулканической деятельности из расплавленной магмы. Те из-
56
верженные горные породы, которые формировались на большой глубине от поверхности земли при медленном остывании магмы, называют
глубинными. Они обладают крупнокристаллическим строением, прочными межкристаллитными связями, высокой механической прочностью
при сжатии, которая составляет 100…300 МПа, долговечностью, высокими плотностью и морозостойкостью, низким водопоглощением. Те
изверженные породы, которые возникли из магмы на поверхности или в
слоях, прилегающих к поверхности земной коры, при быстром остывании и без внешнего давления, называют излившимися. В зависимости
от степени пористости их делят на две подгруппы: пористые и плотные. Излившиеся породы имеют, как правило, скрытокристаллическую
порфировую структуру с вкраплением отдельных крупных кристаллов.
К плотным излившимся породам относят базальт, состоящий из полевого шпата и авгита, кварцевый порфир – аналог гранита по минералогическому составу, обсидиан – вулканическое стекло. Плотные излившиеся породы также, как и глубинные, имеют высокую механическую
прочность. Часть излившихся пород имеет пористую структуру. Относительная пористость таких излившихся пород, как вулканическая пемза
и вулканический туф, достигает 40…80 %.
Осадочные породы по условиям образования делят на механиче-
ские, химические и органогенные. Химические осадочные породы формировались в процессе осаждения минеральных солей из природных
водных растворов с последующим уплотнением, цементацией и кристаллизацией. Так образовались гипс, ангидрит, известковые туфы,
магнезит, доломит. Механические осадочные породы являются продуктом выветривания изверженных пород. Различают рыхлые и сцементи-
рованные механические осадочные породы. К рыхлым породам относят
природный песок, гравий, глину. Конгломераты, брекчии, песчаники сцементированные породы. В зависимости от цементирующего природного вещества они могут иметь как низкую, так и достаточно высокую
механическую прочность. Органогенные осадочные породы представляют собой минеральные остатки простейших организмов. К органогенным породам относят раковистые известняки, мел, сложенные в основном из раковин, сцементированных под влиянием давления воды.
Трепел, диатомит, опока – разновозрастные породы, образовавшиеся из
минеральных остатков диатомовых водорослей. Характерной особенностью осадочных пород является слоистость залегания, с различными
плотностью и составом в отдельных слоях.
Метаморфические породы образовались вследствие перекристал-
лизации изверженных или осадочных пород под действием высоких
57
температур и давления в глубинах земной коры. Гнейс сформировался
из гранита, мрамор - из известняка, кварцит – из кремнистого песчаника. Мрамор имеет высокую плотность и прочность, хорошо пилится,
шлифуется и полируется.
2.1.3. Конструкционные материалы из природного камня
Природные каменные материалы классифицируют по средней плотности на тяжелые с показателем не менее 1800 кг/м3 и легкие со средней плотностью менее 1800 кг/м3. По пределу прочности при сжатии
тяжелые материалы делят на марки М100…М1000, легкие соответственно – М4…М200. Тяжелые материалы имеют марки по морозостойкости F15…F500, а легкие – F10…F25.
Стеновые блоки и камни из горных пород изготавливают главным
образом из доломита, песчаников, вулканического туфа, известняков.
Они должны иметь плотность в пределах 900…2200 кг/м3, предел прочности при сжатии 0,4…50 МПа и морозостойкость не ниже марки F15.
Облицовочные архитектурные детали применяют в виде облицовочных плит для стен, цоколей, элементов лестниц, парапетов, ограждений. Для наружной облицовки используют гранит, габбро, базальт,
кварцит. Для внутренней облицовки чаще применяют мрамор, вулканический туф, известковый туф, гипсовый камень. Облицовка из природного камня долговечна, отличается низким уровнем затрат на эксплуатацию, исключительной архитектурной выразительностью.
Каменные изделия для дорожного строительства изготавливаются в
виде бортовых камней, брусчатки и колотого камня. Бортовые камни
изготавливают в виде бруса длиной 700…2000 мм, шириной 100…200 мм
и высотой 300…400 мм. Верхняя часть бортового камня обтесывается
чисто, а нижняя, находящаяся при эксплуатации в грунте, – грубо. Брусчатка для мощения дорог имеет форму прямоугольного параллелепипеда
с размерами сторон – по длине – 150…250 мм, по высоте – 100…160 мм,
по ширине – 120…150 мм. Для дорожных материалов применяют изверженные породы с прочностью при сжатии не ниже 100 МПа и осадочные
породы с прочностью не менее 60 МПа. Они должны иметь водопоглощение не более 1 % и среднюю плотность не менее 2100 кг/м3.
Каменные плиты для подземных сооружений и мостов изготавливают из гранита, базальта, диабаза, габбро с прочностью при сжатии не
ниже 100 МПа и морозостойкостью не менее F100.
Бутовый камень представляет собой камни неправильной формы с
размером в поперечнике 150…500 мм. Бутовый камень используют при
58
возведении стен, в том числе стен фундаментов. Осадочные породы слоистой структуры при разрушении образуют так называемый постелистый
бут, имеющий две параллельные грани, облегчающие процесс возведения стен на кладочном растворе. Для приготовления бетонов применяют
щебень и гравий. Предельный размер частиц щебня и гравия 5…150 мм.
Щебень является продуктом дробления горных пород. В отличие от
щебня, гравий – продукт естественного разрушения горных пород, частицы гравия имеют округлую, окатанную форму. Песок – рыхлая смесь
частиц горных пород крупностью 5…0,14 мм. Применяется как мелкий
заполнитель для бетонов и строительных смесей.
2.1.4. Защита материалов из природного камня
от выветривания
Защита природных каменных материалов от выветривания состоит
в изоляции их от действия влаги. Замерзание воды в порах материала
способно привести к развитию трещин. Присутствие в воде органических кислот, углекислоты, сернистых соединений действует как агрессивный фактор. К конструктивным мерам защиты относят меры, обеспечивающие хороший сток воды с поверхности камня, придание камню
гладкой поверхности. Защита может быть осуществлена гидрофобизацией поверхности камня гидрофобными составами ГКЖ-11, ГКЖ-94, а
также поверхностной пропиткой водными эмульсиями полимеров.
Для карбонатных пород применяют химический метод защиты, известный под названием флюатирование:
2CaCO3 + MgSiF6 = 2CaF2 + MgF2 + SiO2 + 2CO2.
При обработке карбонатных пород водным раствором магниевой
соли кремнефтористоводородной кислоты, концентрацией до 15 %, образуются нерастворимые соединения, уплотняющие поверхностный
слой камня.
2.1.5. Технология переработки природного камня
Открытые горные разработки начинаются со вскрытия месторождений, а подземные – с устройства шахт, наклонных ходов и штолен. Месторождение, подготовленное к разработке, называется карьером. Технология разработки камня зависит от вида продукции и качества горных пород. Вскрышные работы состоят в удалении пустой породы. Для
этого на небольших карьерах вскрыша из мягких пород с мощьностью
59
слоя до 0,5 м удаляется бульдозерами перемещением на 80…100 м. На
бутощебеночных карьерах вскрыша удаляется экскаваторами с емкостью ковша 0,5…2 м3 с отгрузкой в автосамосвалы грузоподъемностью
5…25 т. На песчаных и песчано-гравийных карьерах рекомендуется использовать скреперы. При разработке вскрыши большой мощности
применяют роторные, шагающие экскаваторы, драглайны. Перевалка
вскрыши может производиться в выработанное пространство карьера.
Добыча нерудных материалов осуществляется одним или несколькими уступами высотой 8…15 м. Для скальных пород, разрабатываемых
взрывом, высота уступа может составлять 20 м. На каждом уступе
устраивается 1 или несколько забоев. Забоем называют рабочую площадку добывающего механизма. Разработку плотных скальных пород
производят с применением буровзрывных работ. Для отделения скальной породы от горного массива в шпурах диаметром 75 мм и глубиной
до 5 м или в скважинах диаметром до 300 мм и глубиной более 5 м размещают взрывчатые вещества. Для разрыхления полускальных пород
применяют тракторные рыхлители с глубиной рыхления 0,3…0,7 м. Разрыхленный слой сгребается бульдозерами и грузится экскаваторами в
транспортные средства. Рыхлые породы разрабатывают экскаваторами.
Обводненные песчаные и песчано-гравийные месторождения удобно
разрабатывать драглайнами. При добыче рыхлых нерудных материалов
используется гидромеханизация. Разрабатываемая порода отделяется,
рыхлится и транспортируется динамическим действием воды, подаваемой к забою гидромониторами под напором 1,1 МПа со скоростью 90
м/с. Вода размывает породу, образует пульпу, которая по лоткам или
напорным трубопроводам транспортируется к месту складирования.
Практика показывает, что за счет непрерывности процесса, сокращения
численности персонала, гидромеханизация способствует снижению себестоимости продукции на 30…40 %. Удельные капитальные вложения
понижаются на 20…25 %.
Большой объем нерудных материалов, добытый в карьерах, в дальнейшем используется как заполнитель в бетонах. По крупности и зерновому составу материал, добытый в карьерах, не соответствует требованиям стандартов, которые предъявляют к заполнителям для бетонов.
Переработка каменных пород в щебень производится на дробильносортировочных заводах. Для дробления используют щековые и конусные дробилки с периодическим нажатием дробящих поверхностей, а
также валковые и молотковые дробилки с непрерывным нажатием дробящих поверхностей. Щековые дробилки имеют степень измельчения
5…6, они используются для крупного, реже - среднего дробления. Ко-
60
нусные дробилки со степенью измельчения 5…10 используют для
крупного, среднего и мелкого дробления. Молотковые дробилки обеспечивают 20-кратную степень измельчения пород. Валковые дробилки используют для вторичного дробления каменных материалов. Продукт, полученный в результате дробления, подлежит сортировке на
фракции. Сортировка может производиться на машинах для механической сортировки, называемых грохотами. Грохоты предназначены для
просеивания кусков материала на ситах с применением вибрации. После дробления и грохочения в материале остаются загрязняющие примеси - глина, ил, пыль, ухудшающие качество заполнителей. Для промывки заполнителей применяют промывочные барабаны, в которых промывка происходит при вращении барабана за счет оттирания примесей
лопастями, расположенными на внутренней поверхности корпуса и в
процессе соударения кусков. Применение мытых и фракционированных
заполнителей способствует экономии до 15 % цемента в бетонах.
Для придания изделиям из природного камня требуемых размеров
используют распиловочные станки, снабженные пильными полотнами
или стальными канатами. Под пилы непрерывно подают абразив из корунда и карборунда. Гладкую поверхность облицовочным изделиям
придают шлифовкой и полировкой. Рельефная фактура поверхности
создается с помощью скалывающих инструментов: пневмоинструмента
и термогазоструйного аппарата, образующего тепловой ударный импульс. Скальную фактуру поверхности камня можно придать с помощью
закольников. Бугристую фактуру типа «шуба» получают с помощью
прямых и фигурных шпунтов. Рифленая поверхность образуется при
обработке поверхности камня троянкой или бучардой.
2.2. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
2.2.1. Общие принципы технологии
керамических изделий
Основным сырьем для производства керамических изделий являются глины. При смешивании с водой глины образуют пластичное тесто,
которое при высыхании способно сохранять приданную ему форму, а при
обжиге оно приобретает прочность и водостойкость. Пластичные свойства
глинам придают глинистые минералы: каолинит – Аl2O
монтмориллонит – Al2O
.
.
4SiO
nH2O, галлуазит – Al2O
3
2
.
2SiO
3
.
.
2SiO
3
2H2O,
2
.
4H2O. Они
2
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]