КРАСОВСКИЙ_УП
.PDF
Особенностью асбеста является способность его минеральных агрегатов распушаться на тончайшие мягкие волокна диаметром в доли микрона. Благодаря этому свойству асбест получил название «горный лен». В природе встречаются два вида асбеста: амфиболовый (кислотостойкий) и хризотиловый (щелочестойкий). Из асбестового волокна изготовляют ткани, картон, бумагу, шнуры, которые благодаря огнестойкости асбеста используют для высокотемпературной тепловой изоляции.
В качестве альтернативы природному асбесту предлагаются искусственные минеральные волокна, стоимость которых в несколько раз превышает стоимость асбеста, а безопасность для человека практически не изучена. Асбестовое волокно – природный материал, не требующий для своего производства энергоемких технологий, благодаря чему асбест намного экологичнее искусственных материалов.
Волокнистые кровельные листы (шифер) основной вид листовых асбоце-
ментных изделий. Около 50 % всего объема выпускаемых листов используется для устройства кровли. Кровельные листы выпускают 6 типоразмеров (1,2…2,5 × × 0,69…1,15 м) и толщиной 5,5…7,5 мм. Кроме обычных листов, выпускаются окрашенные атмосферостойкими красками как по массе, так и с поверхности обычные листы и с фигурной кромкой, имитирующие мелкоштучную черепицу, а также плоские облицовочные листы 2,8 × 1,6 × 0,4…1 см для устройства стен и перегородок по деревянному каркасу, для изготовления санитарно-техничес- ких кабин, облицовки балконов и коридоров (рис. 14.5).
Асбестоцементные трубы – пер-
спективный вид труб, обладающих комплексом ценных свойств. Они не подвержены коррозии, значительно легче и
не склонны к обрастанию. При низкой теплопроводности их меньше затрагивают проблемы промерзания. Их все чаще применяют для безнапорных и напорных водоводов и в водопроводных сетях.
Безнапорные трубы длиной от 3 до 6м и диаметром 100, 150 мм применяют для ненапорной канализации, прокладки кабелей, дренажных коллекторов и дымоходов, а также для столбов оград.
Напорные трубы диаметром от 100 до 500 мм, длиной от 4 до 6 м (рабочее давление от 0,6 до 1,5 МПа) используют для водо- и газоснабжения. Хороши они и для прокладки теплотрасс.
В экструзионных изделиях в отличие от получаемых по традиционной технологии, в которых волокна ориентированы в плоскости изделия, волокна расположены беспорядочно. Это требует при обеспечении равной прочности более
181
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
высокого расхода асбеста (до 20 % вместо 15 %). Поверхность экструзионных изделий гладкая, при резком нагреве до 400…600 °С они не «взрываются» как обычные, имеющие слоистую структуру, морозостойкость изделий не менее F50. Экструзией получают подоконные доски, профильные погонажные изделия и многопустотные панели и настилы.
14.4. Деревоцементные материалы
Для нейтрализации экстрагируемых из древесины органических веществ, замедляющих твердение вяжущего, древесный заполнитель (особенно лиственных пород) обрабатывают специальными растворами, содержащими жидкое стекло, хлорид кальция, сульфат аммония, известь и др. Эти же компоненты можно добавлять непосредственно в бетонную смесь. В случае использования магнезиального вяжущего или гипса такая обработка не требуется.
Арболит – легкий бетон, получаемый из смеси дробленых древесных отходов и портландцемента. По прочности при сжатии арболит делится на классы от В0,35 до В3,5, плотность арболита колеблется от 400 до 800 кг/м3, теплопроводность – 0,08 …0,17 Вт/(мК), морозостойкость 25…30 циклов.
Поскольку по средней плотности арболит делится на теплоизоляционный (ρ до 500 кг/м3) и конструкционно-теплоизоляционный (ρ = 500…800 кг/м3), его применяют в виде блоков и панелей для стен, перегородок, теплоизоляционных покрытий жилых и общественных зданий.
Ксилолит – разновидность арболита, приготавливаемого из опилок, древесной муки и магнезиального вяжущего. Он отличается высокой прочностью, твердостью и небольшой теплопроводностью. Широко применяется для устройства бесшовных монолитных полов, близких к паркетным.
Фибролит получают из тонких длинных древесных стружек длиной 50…200 мм и толщиной 0,3…0,5 мм, называемых «древесной шерстью» и портландцемента или магнезиального вяжущего. Смесь из стружек и вяжущего формуется в виде плит, подпрессовывается и выдерживается до затвердевания выжущего.
Фибролитовые плиты применяют в качестве конструктивно-изоляционного (марок 400 и 500) и теплоизоляционного (марка 300) материала для заполнения стен, перегородок, утепления перекрытий с обязательной защитой материала от продувания.
Благодаря развитой системе открытых пор фибролит обладает хорошими акустическими свойствами и может использоваться как звукопоглощающий материал.
Цементно-стружечные плиты (ЦСП) получают прессованием древесных стружек с цементным вяжущим и минеральными добавками. Готовую смесь из стружки разных пород древесины укладывают в поддоны и прессуют при давлении 1,8…2 МПа, затем проводят термообработку при 80…90 °С в течение
182
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
8 ч. Окончательное твердение плит протекает в нормальных условиях в течение 14 дней.
Плотность плит достигает 1100…1400 кг/м3, теплопроводность в сухом состоянии 0,3…0,4 Вт/(мК). Цементно-стружечные плиты используются для устройства перегородок, подшивки потолков, ограждений лоджий, а также для изготовления сборных щитовых зданий.
Контрольные вопросы
1.Охарактеризуйте искусственные каменные материалы. Силикатный кирпич.
2.Расскажите о гипсовых и гипсобетонных изделиях.
3.Опишите асбоцемент и изделия из него.
15. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Важное значение металлов и сплавов в современной технике и строительстве объясняется ценными свойствами, выгодно отличающими их от других материалов – это высокая прочность; способность к значительным упругим и пластическим деформациям, что дает возможность обрабатывать их давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение); хорошие литейные свойства; свариваемость; способность работать при низких и высоких температурах и т. д. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую объемную массу, при действии различных газов и влаги коррозируют, а при высоких температурах значительно деформируются.
Основы металлографии – науки о строении металлов и сплавов заложили П.П. Аносов и Д.К. Чернов еще на пороге 20 века. Развитию производства и применению металлов способствовали работы других русских ученых – М.А. Павлова, А.А. Бочвара, А.А. Байкова, И.П. Бардина, Е.О. Патона и др., благодаря чему наша металлургия занимает в настоящее время ведущее положение в мире.
В строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы на основе черных металлов ( ≈ 94 %) и значительно меньшее – сплавы цветных металлов.
15.1. Производство чугуна
Основным способом производства чугуна из руд в настоящее время является доменный процесс, заключающийся в восстановлении железа из руд (окислов) при высокой температуре и отделении его от пустой породы. Производство чугуна осуществляется в шахтных доменных печах. Исходными материалами для его получения служат железные руды, флюсы и топливо.
183
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Железные руды для выплавки чугуна должны содержать железо в таком количестве и такого качества, чтобы обеспечить экономическую целесообразность их использования.
Различают следующие виды железных руд: магнитный железняк Fe3O4, красный железняк (гематит) Fe2O3 и бурый железняк 2Fe2O33H2O. Содержание железа в этих рудах колеблется от 30 до 60 %. Назначение флюсов при доменном процессе – понизить температуру плавления пустой породы и тем самым способствовать ее ошлакованию. Обычно пустая порода содержит избыток кремнезема, и для образования шлака добавляют как основной флюс известняк (СаСО3) или доломит (CaCO3 MgCO3). Флюс способствует также удалению золы и серы, являющейся вредной примесью.
Топливо подразделяют на жидкое, газообразное и твердое. Основным топливом для доменной печи является кокс. Кокс получают в коксовых печах пу-
|
тем сухой перегонки коксующихся углей |
|
|
без доступа воздуха при температуре |
|
|
1000…1100 °С. Древесный уголь, обла- |
|
|
дающий малой механической прочностью, |
|
|
в условиях высоких температур доменных |
|
|
печей как топливо не применяют. |
|
|
Доменный процесс. Сырые материалы – |
|
|
железную руду, топливо и флюсы – загру- |
|
|
жают отдельными слоями в верхнюю часть |
|
|
печи. Эти материалы, опускаясь вниз и со- |
|
|
прикасаясь с газами, в различных зонах пре- |
|
|
терпевают физические и химические изме- |
|
|
нения. В результате этих процессов расплав- |
|
|
ленный чугун, стекая каплями вниз, собира- |
|
|
ется в горне, откуда его выпускают через |
|
|
летку. Шлак, сплавляющийся из пустой по- |
|
|
роды, имеет меньшую плотность, поэтому он |
|
|
собирается на поверхности чугуна и выпус- |
|
|
кается через специальную летку (рис. 15.1). |
|
|
При выплавке чугуна происходят сле- |
|
|
дующие процессы: разложение плавильных |
|
Рис. 15.1. Схема устройства доменной |
материалов, восстановление железа и дру- |
|
гих элементов и науглероживание железа. |
||
печи: 1 – колошник; 2 – шахта; 3 – |
Процесс разложения материалов после |
|
распор; 4 – заплечики; 5 – горн; 6 – |
||
испарения воды заключается в разложении |
||
летка чугуна; 7 – флюс; 8 – топливо; |
||
9 – руда; 10 – капли чугуна; 11 – капли |
гидратов окислов горючего с выделением |
|
шлака; 12 – фурмы; 13 – шлаковая |
летучих веществ и разложении углекислых |
|
летка; 14 – желоб для выпуска шлака; |
солей СаСО3. |
|
15 – жидкий чугун |
|
|
|
184 |
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Восстановление железа и других элементов из окислов – главный процесс в плавке чугуна. Химически он выражается следующими уравнениями:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 ,
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 ,
FeO + CO = Fe + CO2 .
После восстановления железа образуется его карбид (цементит) по реакции: 3Fe + 2CO = Fe2C + CO2 .
Науглероживание железа происходит при температуре выше 900 °С. После плавления при температуре выше 1130 °С образуется жидкий чугун; плавленые пустые породы и флюсы образуют шлак.
Чугун выпускают из доменных печей по 4…6 раз в сутки. Все выплавляемые чугуны разделяют на две группы: передельные (80–90 %), применяемые для производства стали, и литейные чугуны – для литья чугунных деталей и изделий.
В зависимости от состояния углерода различают несколько видов передельного чугуна: белые, серые, ковкие и высокопрочные.
15.2. Производство стали
Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2 %), а также других примесей (марганец, кремний, фосфор, сера). Сталь обладает высокой пластичностью и вязкостью. Её выплавляют в конверторах, мартеновских и электрических печах. Передел чугуна в сталь заключается в удалении из него излишнего количества углерода и других примесей в пределах требований, предъявляемых к марке стали.
Конверторный процесс получения стали заключается в том, что через жидкий чугун, залитый в грушеобразный конвертор, подают дутьем воздух (при 2…5 ат) или технически чистый кислород под давлением 4…9 ат. При
этом происходит окисление примесей и |
|
||
превращение чугуна в сталь. |
|
|
|
Конвертор |
представляет |
собой |
|
стальной кожух, выложенный огне- |
|
||
упорным материалом. Емкость конвер- |
|
||
тора 25 т и более; новейшие конверторы |
|
||
имеют емкость до 130 т. Все реакции |
|
||
окисления в конверторе, за исключени- |
|
||
ем реакции окисления углерода, проте- |
|
||
кают со значительным выделением теп- |
|
||
ла. При этом температура залитого в |
|
||
конвертор чугуна повышается от 1200 |
Рис. 15.2. Схема конвертора для выплавки |
||
до 1650 °С (температура готовой стали, |
стали: 1 – кожух; 2 – пояс; 3 – цапфа; 4 – |
||
рис. 15.2). |
|
|
сопло; 5 – воздушная коробка |
|
|
185 |
|
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Внедрение в производство стали конверторным способом кислородного дутья улучшило качество стали и приблизило его к качеству мартеновской.
Производство стали в мартеновских печах стало самым распространенным способом. Он позволяет из скрапа (металлического лома) и чугуна различного состава получать сталь высокого качества. Длительность плавки зависит от состава шихты, требований к химическому составу стали, емкости печи и колеблется в пределах 6…15 ч. Емкость мартеновских печей составляет 185…220 т; имеются также печи емкостью 400 т.
Для получения высококачественных и специальных сталей чугун плавят в электроплавильных печах. Возможность получения в этих печах более высоких температур, чем в конверторах и мартеновских печах, позволяет получать специальные стали с большим содержанием тугоплавких легирующих элементов (вольфрам).
При этом способе можно применять шихтовые материалы с вредными примесями, так как в этих печах они уничтожаются. Электропечи можно в короткие сроки привести в рабочее состояние. Основными типами печей являются дуговые и индукционные высокой частоты.
В дуговых электропечах металл расплавляется за счет тепла электрической дуги между металлом и угольными (графитовыми) электродами, находящимися внутри печи. Емкость печей меняется от 30 до 70 т, однако встречаются печи емкостью 200 т. Для сокращения времени плавки на 20…30 % и расхода электроэнергии в электропечах применяют кислородное дутье.
Разливка стали. Из конверторов и печей сталь выпускается в разливочные ковши. Для получения фасонных отливок сталь из ковша заливается в формы, а для получения слитков, предназначенных для прокатки или поковок, – в изложницы. В настоящее время в металлургии производится непрерывный розлив стали.
15.3. Обработка металлов
Для изготовления металлических строительных конструкций используют наиболее прогрессивные методы обработки металла давлением, обеспечивающие их изготовление.
Сущность обработки металлов давлением основана на использовании пластических свойств металла, т. е. способности в определенных условиях принимать под воздействием внешних сил остаточные деформации без нарушения целостности и придания заготовке требуемой формы. Обработка металлов давлением существенно изменяет не только форму заготовки, но и структуру и свойства металла, так как при этом изменяются размеры и форма зерен.
При холодной обработке давлением вызывается изменение формы зерен – вытягивание их в направлении наибольшей деформации с ориентацией в одном направлении. Одновременно повышаются механические свойства (пределы прочности и текучести, твердость) и снижаются деформативные свойства (от-
186
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
носительное удлинение и сужение, ударное сопротивление), изменяются также и физические свойства.
При горячей обработке заготовку стали нагревают до 900…1000 °С в зависимости от состава стали и вида обработки и затем подвергают давлению, в результате чего она легко деформируется в известных пределах без нарушения цельности и связи между зернами.
Для получения изделий металлы обрабатывают давлением различными способами: прокаткой, волочением, прессованием, ковкой, штамповкой и литьем
(рис. 15.3).
Рис. 15.3. Схема основных способов обработки металлов давлением: а – прокатка; б – волочение; в – прессование; г – ковка; д – объемная штамповка; е – листовая штамповка
Прокатка – самый распространенный вид горячей обработки стали, до 90 % всей выплавляемой стали перерабатывают этим методом. При прокатке металл обжимают между двумя валиками прокатного стана, вращающимися в разные стороны, в результате происходит обжатие заготовки и увеличение ее длины и ширины (рис. 15.3, а).
После такой обработки можно получить прокат различной формы и разме-
ров (рис. 15.4).
Если необходима значительная деформация сечения, то повторяют прокатку изделия до 10…15 раз, а во избежание холостых пробегов слитка применяют дополнительные валки, обеспечивающие прокатку и при обратном ходе слитка. Станы, в которых при обратном направлении движения валков заготовка движется в обратном направлении, называются реверсивными. Наиболее совершенными станами являются непрерывные, в которых рабочие клети с обжимными валками устанавливают последовательно одну за другой, и прокатываемая полоса попадает из одной клети в другую.
На станах прокатывают также арматурную сталь, применяемую при производстве железобетона (рис. 15.5).
187
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Рис. 15.4. Некоторые виды профилей проката: 1 – блюмс; 2 – квадратный с закругленными углами; 3 – квадратный; 4 – круглый; 5 – полосовой; 6 – треугольный; 7 – овальный; 8 – полукруглый; 9 – сегментовый; 10 – ромбовидный; 11, 12 – угловой неравнобокий и равнобокий; 13 – швеллерный; 14,15 – двутавровый и тавровый; 16 – рельсовый; 17 – зетовый; 18 – колонный
Рис. 15.5. Виды арматуры: 1 – гладкая арматура; 2 – гладкая проволочная; 3 – горячекатаная периодического профиля; 4, 5 – пряди из проволок; 6 – холодноплющенная
Волочением называют процесс протягивания прутка или проволоки через отверстие в волоке (матрице), размеры поперечного сечения которого меньше размеров исходной заготовки (рис. 15.3, б). Волочение проводят на волочильных станах для получения тончайшей проволоки, калибрования прутков и труб круглого и фасонного сечения из стали и цветных металлов.
Прессование – это процесс, в результате которого металл выдавливают через круглое или фасонное очко в матрице (рис. 15.3, в). Форма и размеры очка определяют форму и сечение прессуемого изделия – прутков, труб и фасонных профилей из цветных металлов и их сплавов, а также сталей. Прессование производят на гидравлических или механических прессах.
Ковка металла заключается в обжатии заготовки между верхним и нижним бойками (рис. 15.3, г) с применением разнообразного кузнечного инструмента. Различают свободную ковку (металл течет в стороны) и ковку в штампах (металл принудительно должен заполнять форму штампа). При ковке происходит изменение микроструктуры металла с образованием измельченного зерна или волокнистой структуры. В строительстве ковку применяют для изготовления болтов, тяжей, анкеров, хомутов, скоб, башмаков, бугелей и т. д. Путем ковки производится неразъемное соединение отдельных листов и фасонных профилей (клепка), осуществляемое пневматическими клепальными молотками или машинами.
188
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Штамповкой изготовляют значительное количество строительных конструкций. Это процесс деформации металла в штампах, при котором обеспечивается однородность и точность ковочных поверхностей, не требующих дополнительной обработки. Различают объемную и листовую штамповку.
При объемной штамповке (рис.15.3, д) предварительно нагретую заготовку деформируют в замкнутой полости штампа на молотах, прессах или горизон- тально-ковочных машинах.
Для строительных конструкций, толщина стенок которых мало отличается от толщины исходных заготовок, используют листовую штамповку, которая состоит в деформации в холодном состоянии листовой исходной заготовки в штампе, имеющем матрицы с прижимным кольцом и пуансон (рис. 15.3, е). Металл для штамповок должен обладать высокой пластичностью, чаще это малоуглеродистые или легированные стали. В отдельных случаях возможно совмещение штамповки и сварки, что обеспечивает возможность получения конструкций сложной формы.
Для облегчения массы конструкций и экономии металла производят тонкостенные штампованные строительные профили из специальной высокопластичной, антикоррозионной листовой стали толщиной 2…3 мм. В конструкциях эти профили сваривают точечной или электродуговой сваркой.
Литьё широко применяют в производстве различного вида изделий или заготовок из металла. Литые детали изготовляют путем отливки расплавленного металла в формы. Примерно 4/5 всех отливок получают в разовых песчаных формах и 1/5 – специальными видами литья.
Чугун плавится в вагранках, которые обеспечивают расплавление жидкого чугуна при минимальном угаре и экономном расходе топлива.
Получение стальной отливки значительно сложнее, чем чугунной, так как у стали большая усадка (сталь – 2 %, чугун – 1 %), необходима высокая температура (до 1600 °С), выше растворимость газов, что способствует пузыристости стальной отливки. Для получения стальной отливки следует пользоваться только полностью раскисленным металлом и применять последующую термическую обработку. Отливку можно производить также из цветных металлов.
Литье деталей в песчаных формах имеет существенные недостатки, а именно: форма изготовляется только на одну отливку, точность отливки недостаточна. Имеется более 50 способов специальных видов литья, основными из которых являются: литье в металлические формы (кокильное литье), литье под давлением, центробежное литье, литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы (корковое литье) и др.
Литье в металлические формы обеспечивает многократную оборачиваемость форм (100…50000 раз) и высокую производительность. Формы изготовляют из чугуна, стали и других сплавов. Металл заполняет формы под действием силы тяжести.
189
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Литье под давлением, осуществляемое в металлических формах, чаще всего применяют для цветных металлов. Металл заполняет формы под давлением, создаваемым поршневой системой.
Центробежное литье, осуществляемое путем заливки жидкого металла во вращающуюся форму (250…1500 об/мин) с последующим охлаждением, чаще всего применяют для изделий, имеющих форму тел вращения (трубы, втулки и т. д.). Особенностями этого метода являются большая плотность отливок и возможность получения тонких стенок.
Литье по выплавляемым моделям (прецизионное) рекомендуется производить при изготовлении мелких деталей сложной формы и с высокой степенью точности.
При корковом литье подогретая металлическая модель обсыпается специальной смесью песка и пульвербакелитовой смолы. При спекании этой смеси на модели образуется корка прочностью до 7,5 МПа. Две приготовленные таким образом полуформы соединяются и образуют литейную форму для отливки изделия. Особенностями этого вида литья являются высокая точность и возможность автоматизации процесса отливки.
15.4. Строение металлов
Все металлы и сплавы имеют кристаллическую структуру с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки. Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга на расстоянии 2,88 Å (α − Fe ) и 3,63 Å ( γ − Fe ). Большинство металлов имеют пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы-зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства.
Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1…2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью и теплопроводностью.
Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку (рис. 15.6).
Ряд металлов (железо, олово, титан и др.) обладают свойствами аллотропии, т. е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру (рис. 15.7). Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением тепла. Железо имеет четыре аллотропические формы: α − Fe ; β − Fe ; γ − Fe ; δ − Fe . Практическое значение имеют α − Fe и γ − Fe , так как δ − Fe и β − Fe отличаются от
190
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com