Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология конструкционных материалов. Учебное пособие
.pdf
81
вращения структуры бетона в слитную. Полимербетонные смеси эффективно уплотняются вибрацией с повышенной амплитудой 3 мм и длительностью 2-3 мин. Целесообразно применение пригруза, обеспечивающего давление 0,05-0,15 МПа.
При комнатной температуре твердение полимербетона затягивается на 50…60 суток, но основная доля прочности нарастает за первые
7…10 суток. Рост прочности фуранового полимербетона на основе
ФАМ при 20оС происходит в основном в течение 20-25 суток, а при
30…35оС – в 2 раза быстрее. Для ускорения твердения применяют термообработку изделий. Температура разогрева полимербетонной смеси
при твердении поднимается до 45…50оС. Максимальный прирост
прочности наблюдается через 20…30 мин после внесения катализатора.
Затем в течение 2…3 часов происходит спад температуры, что свидетельствует о завершении в основном химического превращения смолы.
Начальное отверждение рекомендуется производить с использованием
подогрева при 30…45оС. Крупногабаритные изделия нагреваются за
счет экзотермии до 60…70оС. Для полимербетона ФАМ назначается
температура прогрева 60…70оС. Длительность изотермического прогрева может быть ограничена 6…10 часами. Снижать температуру надо
очень медленно, со скоростью 1 град/мин. Охлаждают изделия 2…3 часа. Термообработку проводят в камерах сухого прогрева с использованием электронагревателей, паровых регистров.
Органическое стекло представляет собой прозрачную стекловид-
ную пластмассу, изготовленную из высокомолекулярных сложных эфиров метакриловой кислоты.
Акриловое оргстекло более долговечно, чем поликарбонат, абсолютно устойчиво к ультрафиолетовому облучению, легко формуется в
изделия сложной конфигурации. Белое оргстекло применяют для изготовления ванн и раковин. Выпускается строительное конструкционное
стекло с красителями любого цвета, его рекомендуется использовать для
остекления зимних садов, витражей, ограждений, купольных сводов,
бассейнов, беседок, дверей, козырьков. Разработано и выпускается самозатухающее трудновоспламеняемое оргстекло с температурой эксплуатации -50…+70оС, с гарантией атмосферостойкости в течение
10…12 лет во всех климатических зонах.
Полиэфирные стеклопластики производятся на основе двух главных компонентов: смолы и стеклянных волокон. Стеклопластик – композиционный материал, с присущими только ему свойствами. Ни стеклянное волокно, ни отвержденная смола в отдельности не могут удовлетворить требованиям, которым отвечают стеклопластики.
82
Полиэфирные смолы состоят из раствора линейного полиэфира в
мономере типа стирола. В процессе сополимеризации полиэфира со
стиролом в присутствии инициатора полимеризации смола переходит в
твердую массу. Для отверждения смолы при комнатной температуре
добавляют ускоритель. Наиболее эффективный ускоритель полиэфирных смол – нафтанат кобальта и третичные амины. Концентрация ускорителя составляет 1…4 % от массы смолы. Рабочая жизнеспособность
смолы, в которую введен инициатор полимеризации для горячего отверждения, при комнатной температуре может составлять неделю, а
при температуре свыше 95…105оС отверждение происходит всего за
несколько минут. Чем выше температура, тем короче время отверждения. Отверждение крупногабаритных элементов происходит быстрее,
чем тонкостенных, так как реакция отверждения имеет экзотермический
характер.
Стеклоарматура, используемая в производстве стеклопластиков, состоит из очень тонких волокон, соединенных вместе в виде пучков, матов или тканей. Алюмоборатное стекловолокно с низким содержанием
оксидов натрия отличается высокой атмосферостойкостью и высокой
прочностью. Силикатное щелочное стекло имеет более высокую стойкость к действию кислот. Для полиэфирных стеклопластиков предпочтительнее алюмоборатное стекло. Стеклянную ровницу или жгут получают из прядей без кручения волокон. Ровница – наиболее дешевый
армирующий стекловолокнистый материал. С целью улучшения адгезии
между смолой и стекловолокном волокна обрабатывают специальными
препаратами – аппретами, на основе хрома или силанов. Ткани получают переплетением нитей из крученых волокон. Тканую ровницу получают простым переплетением некрученных ровниц. Использование ткани и тканевой ровницы позволяет получить стеклопластик с высоким
содержанием стеклоткани, что обеспечивает высокую прочность. Прочность стеклопластиков при изгибе в зависимости от типа и содержания
наполнителя находится в пределах 175-415 Н/мм2. Теплопроводность
зависит от рецептуры и находится в интервале от 0,25 до 1,0 Вт/мК. Стеклопластики в строительстве используются для изготовления тонких
стен, работающих по типу мембран.
Для стеклопластиков, как и для большей части пластмасс, свойственны ползучесть и снижение прочности при воздействии длительных
нагрузок. При более высокой температуре наблюдается более интенсивная ползучесть. В водной среде ползучесть тоже нарастает. Ползучесть
стеклопластиков на стеклоткани ниже, чем в случае применения рубленых прядей. При проектировании конструкций необходимо учитывать,
83
что их прочность уменьшается пропорционально логарифму времени в
условиях воздействия напряжений. Через 25 лет она составляет только
40 % от исходной кратковременной прочности. Прочность стеклопластиков снижается под воздействием циклических нагрузок. Стеклопластики относятся к горючим материалам, но классифицируются как
трудновоспламеняемые. Под влиянием ультрафиолетовых лучей смола
желтеет. Под воздействием атмосферных осадков светопропускающая
способность стеклопластиков снижается с 90 до 80 %. Тепловое излучение в пределах ожидаемой нормы не влияет на долговечность стеклопластиков. Но для предотвращения расслоения необходимо снимать
повторные температурные напряжения. При проектировании необходимо обеспечивать жесткость элементов конструкций, одновременно
решая задачи эстетики, функциональности и прочности.
2.5. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (КОМПОЗИТЫ)
Композиты представляют собой материалы, образующиеся при объемном сочетании разнородных компонентов. Компоненты в композиционных материалах взаимодействуют друг с другом через поверхности
раздела. Оптимальное сочетание компонентов в рецептуре материала
обеспечивает получение новых свойств. Отличительная особенность
многих композиционных материалов - это их ярко выраженная гетерогенность со значительным различием свойств и размеров отдельных
компонентов.
Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала,
называется матрицей. По виду материала матрицы различают полимерные композиты, металлические, неорганические и комбинированные.
Матрица придает материалу монолитность, обеспечивает перераспределение нагрузки по объему материала, защищает наполнитель от внешних воздействий.
Тип матрицы в значительной мере определяет технологию получения композита. Композиционные материалы на керамической матрице
по типу матрицы подразделяются на техническую оксидную керамику,
полученную на основе оксидов металлов – Al2O3, ZrO2, СаО, МgО, и
безоксидную из бескислородных соединений типа карбидов МеС, нитридов МеN, силицидов МеSi. Керамические композиционные материалы получают методами порошковой металлургии.
Наполнители вводят в матрицу с целью улучшения его свойств:
увеличения прочности, жесткости, пластичности. Принято различать
84
собственно наполнители, представляющие собой дисперсные вещества,
и армирующие элементы (волокнистые, листовые), повышающие прочность на растяжение и изгиб. Композиты могут содержать как армирующие, так и дисперсные наполнители.
Композиционные материалы на полимерной матрице по виду
наполнителя делят на наполненные и армированные пластики. Наполненные пластики в качестве дисперсной фазы содержат порошкообразные материалы в виде графита, кокса, сажи, кварцевого песка, древесной муки. Обычно их перерабатывают литьем под давлением или экструзией. Армированные пластики могут содержать в качестве упрочняющего наполнителя стеклянные и древесные волокна, древесный шпон,
стеклоткань. Армированные пластики с волокнистым наполнителем могут формоваться намоткой с последующей пропиткой полимером, а в
случае применения листовых армирующих элементов – методом прессования. К диперсно-наполненным керамическим копозиционным материалам относят керамико-металлические материалы – керметы. Из
наиболее распространенных керметов известны материалы на матрице
из оксидов алюминия и тугоплавких металлов – молибдена, ниобия,
вольфрама, тантала.
Композиционные материалы, имеющие одинаковые свойства по
всем направлениям, называют изотропными, это обычно материалы с
дисперсными или коротковолнистыми наполнителями. Анизотропные
композиты, как правило, содержат армирующие элементы. Они проявляют разные свойства в зависимости от направления.
На границах раздела компонентов композиционного материала
возникают тонкие переходные слои, образуя зону раздела фаз. В зоне
раздела фаз происходит механическое, физическое и химическое взаимодействие компонентов. Механические связи возникают под влиянием сил трения, механического зацепления компонентов с помощью специально созданных изгибов, выступов, впадин или естественных неровностей на поверхности частиц наполнителей. Физические связи являются следствием межмолекулярного взаимодействия на границах раздела.
Чем лучше смачивание, тем прочнее связь между компонентами. Химическое взаимодействие обеспечивает образование наиболее сильных
связей между компонентами. Оно возникает, как правило, между молекулами с ненасыщенными связями. Управлять свойствами композиционных материалов можно в широких пределах, оптимизируя их рецептуру и технологию.
85
Известны две области эффективного использования композитов: в
качестве заменителей дефицитных традиционных материалов и в качестве конструкционных материалов с уникальными характеристиками.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите основные группы породообразующих минералов.
2. Поясните строение, свойства и область применения изверженных
горных пород. Приведите примеры.
3. Поясните строение, свойства и область применения осадочных
горных пород. Приведите примеры.
4. Как образовались метаморфические горные породы? Приведите
примеры и область их применения.
5. Поясните технологию переработки природного камня при изго-
товлении строительных изделий.
6. Приведите основные виды конструкционных материалов из при-
родного камня.
7. Какие методы применяют для защиты природных каменных мате-
риалов от выветривания?
8. Приведите важнейшие свойства и классификацию керамического
сырья.
9. Какие добавки применяют для корректировки свойств керамиче-
ского сырья?
10. Какие процессы протекают при обжиге керамического сырья?
11. Поясните способы формовки керамических конструкционных
материалов.
12. Приведите основные виды конструкционной фасадной керамики.
13. Приведите важнейшие свойства и поясните технологию получе-
ния армированной керамики.
14. Перечислите достоинства и недостатки древесины как конструк-
ционного материала.
15. Микро- и макроструктуры древесины.
16. Химический состав древесины.
17. Вещественный состав древесины.
18. Поясните, в каком виде может присутствовать влага в древесине?
19. Какую влажность древесины называют стандартной?
20. Какую влажность древесины называют равновесной?
21. Как определяют прочность при сжатии и среднюю плотность дре-
весины при стандартной влажности?
86
22. Приведите формулы для определения объемной усушки и коэф-
фициента объемной усушки.
23. Каково строение ядровых, спелодревесных и заболонных пород?
Приведите примеры.
24. Что относят к порокам древесины?
25. Что собой представляет арболит?
26. Как защищают древесину от гниения и возгорания?
27. Какие материалы относят к пластмассам?
28. Перечислите достоинства и недостатки пластмасс.
29. Какие компоненты входят в состав пластмасс?
30. Какую функцию в пластмассах выполняют полимеры, пластифи-
каторы, отвердители, стабилизаторы, наполнители?
31. Какие полимеры относят к искусственным, синтетическим, тер-
мопластичным и термореактивным?
32. Какие полимеры называют органическими, неорганическими и
элементорганическими?
33. Какое строение цепей могут иметь полимеры?
34. Что собой представляет полиэтилен и какие конструкционные ма-
териалы изготавливают на его основе?
35. Что собой представляют полиэфирные стеклопластики и для ка-
ких целей они применяются?
36. Что собой представляет поливинилхлорид и какие конструкцион-
ные материалы изготавливают на его основе?
37. Что собой представляет полистирол и какие материалы изготав-
ливают на его основе?
38. Что собой представляет оргстекло и для каких целей его приме-
няют в строительстве?
39. Какие материалы относят к композиционным?
40. Какую функцию выполняет матрица в композиционном материале?
41. Какую функцию выполняет наполнитель в композиционном ма-
териале?
42. Какие типы наполнителей применяют в составе композиционных
материалов?
43. Как могут взаимодействовать матрица и наполнитель в составе
композиционного материала?
87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современное состояние технологии конструкционных материалов
представляется исключительно интересным. Очевиден быстрый переход от
привычных экстенсивных методов к интенсивным технологиям, обеспечивающим резкое ускорение процессов с существенной экономией материалов, энергии и трудозатрат. Внедрение новых технологий позволяет получать материалы с особыми свойствами.
Талантливый российский ученый П.А. Ребиндер утверждал, что путь к
управлению прочностью материалов лежит через разрушение, имея в виду
то обстоятельство, что любое реальное тело содержит ряд структурных дефектов. Если такое тело раздробить на мельчайшие частицы, которые не
содержат структурных дефектов, а затем вновь бездефектно соединить,
можно получить материалы с прочностью, близкой к теоретической.
Следует ожидать создания композиционных материалов с прочностью,
во много раз превышающей прочность существующих конструкционных
материалов. Развиваются технологии создания полимерных материалов
заданной микроструктуры с заданной ориентацией макромолекул. Разрабатываются технологии модифицирования и легирования металлических изделий с применением лазерного облучения поверхностных слоев. Ведутся
поиски методов регулирования микроструктуры керамических конструкционных материалов с целью снижения их склонности к хрупкому разрушению. Дальнейшее развитие технологии конструкционных материалов должно учитывать параллельное решение глобальных проблем, имеющих место
в современном мире: проблем истощения сырьевых ресурсов, энергетической и экологической. Совершенствование технологий предполагает усиление охраны окружающей среды, рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, создание замкнутых технологических циклов, безотходных технологий.
88
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Артемьева И.Н. Алюминий в строительстве. – Изд.2-е, перераб. и
доп. – Л.: Стройиздат, 1985. – 228 с.
2. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник.-М.: Металлургия, 1977. –
647 с.
3. Комар А.Г., Баженов Ю.М., Сулименко Л.М. Технология произ-
водства строительных материалов: Учебник.- М.: Высшая школа, 1990. –
446 с.
4. Кудрявцева Е.Г., Кононова О.В. Металлы в строительстве: Курс
лекций. – Йошкар-Ола: МарГУ, 1987. – 40 с.
5. Мельников Н.П. Металлические конструкции за рубежом. – М.:
Стройиздат, 1971. – 400 с.
6. Металлические решетчатые пространственные конструкции за ру-
бежом: Обзор / П.С. Песчанский, Л.М. Пугачевская. – М.: ЦНИИСиА,
1974. – 79 с.
7. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции.
8. Пинчук Л.С., Струк В.А., Мышкин Н.К., Свириденок А.И. Матери-
аловедение и конструкционные материалы / Под. ред. В.А. Белого. –
Минск: Вышэйшая школа, 1989. – 461 с.
9. Строительное материаловедение: Учебное пособие для строит.
спец. вузов / Под ред. И.А. Рыбьева. – М.: Высшая школа, 2003. – 701 с.
10. Строительные материалы: Учебник / Под общ. ред. В.Г. Микуль-
ского. – М.: Изд-во АСВ, 1996. – 448 с.
11. Технология конструкционных материалов: Учебник / Под общ.
ред. А.М. Дальского. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.
89
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................................................. 3
Введение ................................................................................................... 4
РАЗДЕЛ 1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ .......................................................................................... 5
1.1. Исторические сведения о применении металлических
конструкций в строительстве ............................................................... 5
1.2.Строение свойства металлов и сплавов .......................................... 7
1.2.1. Технологические пробы ........................................................ 10
1.3. Основы технологии черных металлов .......................................... 12
1.3.1. Получение чугуна ................................................................. 12
1.3.2. Получение стали ................................................................... 14
1.3.2.1. Кислородно-конвертерный способ получения стали ... 14
1.3.2.2. Получение стали в мартеновских печах ........................ 17
1.3.2.3. Получение стали в электропечах ................................... 19
1.3.3. Разливка стали ....................................................................... 19
1.3.4. Строение слитка ................................ ................................ ..... 21
1.4. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов .................. 22
1.5. Влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов .. 26
1.6. Термическая и химико-термическая обработка стали ................ 28
1.6.1. Закалка .................................................................................. 28
1.6.2. Отпуск .................................................................................. 29
1.6.3. Отжиг .................................................................................... 29
1.6.4. Химико-термическая обработка стали ............................... 30
1.7. Влияние легирования на свойства
железоуглеродистых сплавов................................................................ 32
1.8. Производство металлических изделий и конструкций ............... 33
1.8.1. Обработка металлов давлением ........................................... 33
1.8.2. Понятие о литейном производстве ................................ ..... 34
1.8.3. Технология сварочного производства .............................. 35
1.8.4. Понятие об обработке металлов резанием ......................... 40
1.8.5. Общие сведения о порошковой металлургии .................... 42
1.9. Основные виды и сортамент сталей, применяемых
в строительстве ...................................................................................... 42
90
1.10. Общие сведения о цветных металлах и сплавах ....................... 47
1.10.1. Алюминий и его сплавы ..................................................... 47
1.10.2. Медь и ее сплавы ................................................................ 48
1.11. Коррозия металлов и меры защиты от нее ................................ 49
Контрольные вопросы .......................................................................... 52
РАЗДЕЛ 2. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ ........................................................................................ 54
2.1. Природные каменные материалы ................................................. 54
2.1.1.Важнейшие породообразующие минералы ..................... 54
2.1.2. Классификация горных пород по происхождению ......... 55
2.1.3. Конструкционные материалы из природного камня ...... 57
2.1.4. Защита материалов из природного камня
от выветривания ............................................................................ 58
2.1.5. Технология переработки природного камня ................... .58
2.2. Керамические материалы ............................................................... 60
2.2.1. Общие принципы технологии керамических изделий ..... 60
2.2.2. Конструкционная фасадная керамика ............................... 63
2.2.3. Армированная керамика ..................................................... 64
2.3. Древесина ...................................................................................... 65
2.3.1. Строение и свойства древесины ....................................... 65
2.3.2. Пороки древесины .............................................................. 67
2.3.3. Меры защиты древесины от разрушения.......................... 68
2.3.4. Материалы и изделия из древесины .................................. 71
2.3.5. Арболит................................................................................ 72
2.4. Пластмассы ................................................................................... 74
2.4.1. Классификация и структура полимеров ............................ 74
2.4.2. Пластмассы на основе термопластичных
полимеров ...................................................................................... 76
2.4.3. Пластмассы на основе термореактивных
полимеров ...................................................................................... 79
2.5. Композиционные материалы (композиты) ................................... 83
Контрольные вопросы .......................................................................... 85
Заключение ............................................................................................. 87
Список литература ................................................................................. 88
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]