- •«Ухтинский государственный технический университет» (угту)
- •Строительные материалы
- •Ухта 2011
- •Оглавление
- •Вводная часть
- •1. Основы строительного материаловедения
- •1.1 Физические свойства: плотность, пористость, водопоглощение,
- •1.2 Механические свойства: пластичность, упругость, прочность,
- •2. Происхождение сырья и его классификация
- •2.1 Отходы промышленной продукции
- •3. Строительные материалы, полученные термической обработкой
- •3.1 Керамические материалы
- •3.2 Стекло
- •3.3 Металлы
- •4. Неорганические вяжущие материалы
- •4.1. Воздушные вяжущие вещества
- •4.2 Гидравлическая вяжущие вещества
- •4.3 Цементные растворы
- •4.4 Цементные бетоны
- •5. Строительные материалы на основе органического сырья
- •5.1 Древесные материалы
- •5.2 Битумы
- •5.3 Дёготь
- •5.4 Полимеры
- •5.5 Пластмассы
- •6. Строительные материалы специального функционального назначения
- •6.1 Гидроизоляционные материалы
- •6.2 Теплоизоляционные материалы
- •6.3 Акустические материалы (звукоизоляционные)
- •6.4 Кислотостойкие материалы
- •6.5 Жароупорные материалы
- •6.6 Радиационностойкие материалы
- •6.7 Отделочные материалы – красочные композиции
- •7. Строительные материалы в конструкциях зданий и сооружений
- •7.1 Алюминиевые изделия
- •7.2 Для стальных конструкций
- •7.3 Железобетонные конструкции
- •7.4 Деревянные конструкции
- •7.5 Полимерные конструкции
- •Строительное материаловедение
- •169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
- •169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
3.2 Стекло
Из расплавленного сырья получают такой необходимый для строительства материал как стекло. Сырьём для стекла служит кварцевый песок, сода, карбонатные добавки и сульфат натрия. Любое минеральное сырьё имеет непостоянный состав, поэтому при варке стекла в смесь вводят вспомогательные добавки – осветлители, глушители, красители и др. Из очищенного кварцевого песка, дроблёного известняка и соды готовят шихту и направляют массу в стеклоплавильные печи. При температуре 1100-1150ºС шихта становится жидким расплавом, называемым силикатным, который неоднороден и насыщен газовыми пузырьками. Для расплавления более тугоплавких компонентов – оксида кремния и алюминия, а также для гомогенизации и осветления расплава температуру стекломассы повышают до 1500-1600ºС. При этом снижается вязкость, газовые пузырьки свободно выходят, однородность расплава повышается, и после введения сульфата натрия он становится прозрачным. Чтобы формовать изделия или разливать сплав, его вязкость должна быть повышена. Поэтому стекломассу охлаждают (процесс называется студкой), она приобретает требуемую вязкость и из неё формуют стеклянные изделия способами: вытягиванием, литьём, прокатом, прессованием, выдуванием и флоат-способом. Последний из них является наиболее совершенным и производительным, когда стекломасса разливается тонким слоем на лист раскалённого олова. Поверхность получается очень ровной и гладкой, не требующей дальнейшей полировки. После этого лист с оловом быстро охлаждается и тонкий лист стекла приобретает аморфную структуру, благодаря чему становится прозрачным. Для снятия внутренних напряжений от быстрого охлаждения (растрескивание) готовое стекло подвергают отжигу и закалке по особому режиму. Переохлаждённый расплав называется стеклом. Большинство стёкол являются силикатными, т. е. в качестве основного стеклообразующего окисла в составе присутствует кремнезём – SiO2.
В стекле образующие его окислы соединяются в любых соотношениях и представляют собой аморфный сплав, свойства которого зависят от количества того или иного оксида. Так, оксид алюминия повышает термическую, химическую и механическую прочность. Оксид кальция придаёт стеклу химическую стойкость и нерастворимость в воде, борный ангидрит понижает вязкость расплава, делает стекло менее хрупким, окись бария улучшает оптические свойства и т. д.
Плотность силикатного стекла – 2,5 г/см3, прочность при сжатии составляет от 600 до 1000 МПа, ударная прочность – 0,2 МПа, теплопроводность λ = 0,5 – 1,0 Вт/(мºС), твёрдость плотного стекла составляет 5-7, модуль упругости – 70000 МПа.
Стеклянные материалы и изделия классифицируют по назначению: техническое стекло (ткани, волокна, оптика), бытовое стекло (зеркала, посуда), строительное стекло. К строительному относят листовое: оконное, витринное, декоративное. Они отличаются размерами и толщиной листа. В настоящее время производят разнообразные виды стёкол для нужд строительства: узорчатое, армированное бесцветное и цветное, многослойное (триплекс), теплоотражающее, теплопоглощающее, электропроводящее, а также отделочные материалы: облицовочное стекло (стемалит, марблит), смальта, стеклянная плитка, матовое стекло, увиолевое и т. д.
Кроме светопроницаемого стекла в строительстве всё больше применяют конструкционное стекло: стеклоблоки, профильное стекло, стеклопакеты, стеклянные трубы и стеклобетонные конструкции. Стеклопрофилит представляет собой погонажные длинномерные светопрозрачные изделия определённого профиля или открытого и замкнутого сечения. Их применяют для устройства светопрозрачных ограждений, стен, перегородок, кровель в зданиях разного типа с прозрачными ограждающими конструкциями.
Из силикатного расплава делают волокна, нити или поризуют жидкий расплав, получая ячеистое стекло (пеностекло). Сырьевые материалы те же: кварцевый песок, известняк, сода, сульфат натрия. Ячеистые изделия можно получить из расплавов других горных пород: сиенитов, обсидианов, нефелинов, а также из отходов – стекольного боя, шлаков, зол.
Вводят в сырьевую смесь газообразователи – известняк и кокс, при этом выделяется углекислый газ, образуя поры. Получают теплоизоляционный несгораемый материал с высокой температуростойкостью до 400-600ºС.
Стеклопор получают, гранулируя и вспучивая жидкое стекло с минеральными добавками. Чаще его используют в качестве наполнителя сотопластов.
Стеклянное волокно – это тонкие стеклянные волокна диаметром 5-15 мкм, получаемые из расплавов боя стекла, а также из легкоплавких горных пород и металлургических шлаков. Жидкий расплав под давлением пара или воздуха распыляется и собирается на непрерывно движущейся сетке, быстро охлаждаясь. Из такого волокна изготавливают нити для стеклотканей, стеклоарматуру, плиты, маты, изделия с гофрированной структурой для теплоизоляции.
Керамическая вата – огнестойкий, теплоизоляционный материал, сырьём для которого являются алюмосиликатные расплавы (из глин, мергелей).
Минеральная вата – подобным способом полученное волокно, сырьём для неё являются любые отходы камнедробления, металлургические и топливные шлаки, их смеси. Из минеральной ваты делают жёсткие и мягкие плиты, маты, штучные изделия в виде кирпича, сегментов, скорлуп для теплоизоляции трубопроводов, аппаратов, строений.
Базальтовое волокно имеет высокую температуростойкость – до 1000ºС, производится по той же технологии и используется для изготовления огнестойких матов и плит.
Каменное литье – способ получения штучных изделий разной структуры: плотные, ячеистые и волокнистые из естественного камня и каменных отходов. Камни дробят, добавляют технологические добавки и расплавляют при температуре 1500ºС в ванных печах или электропечах. Затем литьём в формы разливают плав и получают литые изделия нужной формы с последующей термической обработкой. Полученные каменные изделия превосходят по своим свойствам самые прочные природные камни. Плотные литые изделия (брусчатка для площадей, облицовочная плитка, стойкая к агрессивны средам) имеют плотность 2,9-3 г/см3, прочность при сжатии 200-240 МПа, высокую морозостойкость, низкую истираемость.
Термозит (шлаковая пемза) – каменное литьё ячеистой структуры получают с помощью вспучивания расплава и быстром его охлаждении холодной водой. Плотность такого камня становится 0,3-1,1 г/см3, используют его как дешёвый заполнитель для лёгких бетонов.
Каменное литьё волокнистой структуры – это та же минеральная вата, которую получают из отходов каменных материалов и металлургических шлаков. Такую вату ещё называют горной или шлаковой, если она получена из шлака, то содержит до 95% воздуха в своей структуре. Используют такую вату как теплоизоляционный и звукоизоляционный материал, коэффициент её теплопроводности равен 0,064-0,07 Вт/мºС.
Ситаллы, в отличие от керамики с кристаллической структурой и стекла с аморфной структурой, занимают промежуточное положение, их структура – стеклокристаллическая. Это композиционный материал с матрицей из стекла, наполненного кристалликами стекла размером 1-2 мкм. Они занимают объём в структуре до 90-95%. Образуют их искусственно с помощью катализаторов кристаллизации, они как бы армируют стеклянную матрицу, увеличивая её прочность. Обладая поликристаллическим строением, ситаллы, сохраняя положительные свойства стекла, лишены его недостатков: хрупкости, недостаточной прочности при изгибе и низкой теплостойкости. По своим свойства ситаллы сравнивают с металлами: твёрдость как у стали, прочность при сжатии – до 500 МПа, высокая термостойкость до – 1100ºС, стойкость к воздействию сильных кислот и щелочей, могут паяться даже со сталью.
Разновидностью их являются шлакоситаллы, расплав для которых получен из металлургических шлаков, песка и других добавок. По прочности они превосходят ситаллы – до 650 МПа при несколько меньшей плотности – 2,5-2,7 г/см3 и термостойкости 750ºС.
В строительстве ситаллы и шлакоситаллы используют для устройства пола в промышленных цехах, где могут быть большие нагрузки и проливы агрессивных жидкостей, расплавов металлов. Используют их для изготовления химической аппаратуры и труб, для теплообменников и других особо прочных изделий.