опорные конспекты по материаловедению


















КРАТКИЕ КОНСПЕКТЫ

по дисциплине «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

для специальности 070602 ДИЗАЙН
(по отраслям)













Преподаватель ___________Е.Н. Батухова



ВВЕДЕНИЕ. Общие определения и понятия. Ассортимент материалов

Цель изучения материаловедения
Задачи учебной дисциплины
Место учебной дисциплины
Требования к уровню освоения содержания

получение необходимых знаний о многогранной взаимосвязи архитектуры, дизайна, реставрации и их материальной палитры; классификации, физической сущности свойств, основах производства, номенклатуре и характеристиках строительных материалов, опыте их применения в практике.
изучение теории и применение ее на практике. При этом предусматривается уделять внимание темам, связанным с номенклатурой, свойствами и примерами применяемых материалов
в профессиональной подготовке дизайнеров связано с созданием теоретической и практической базы для понимания физической сущности архитектурного, дизайнерского, реставрационного проектов, изучение конструкций зданий и сооружений.
включают представления о роли материалов на стадиях проектирования, строительства, эксплуатации и реставрации зданий и сооружений, умение оценить возможность применения определенных материалов для конкретных условий с учетом эксплуатационно-технических, эстетических и экологических требований.

Свою внешнюю форму архитектура обретает с помощью материалов – основы развития новых конструктивных структур. Материалы как одно из главных средств решения задач, выдвигаемых архитектурой, в современных условиях не только определяют осуществление творческого замысла и реальность новых архитектурных форм и конструктивных систем, но и в большей, чем когда-либо прежде, степени обуславливают характер и эстетическую выразительность формы, экономическую и функциональную целесообразность сооружения и, наконец, являются мощным объективным стимулом развития современной архитектуры.
Виды и свойства строительных материалов и изделий связаны с процессами создания, развития и восприятия архитектурной формы (собирательный образ, информирующий о функциональном, структурном содержании и эстетических характеристиках сооружения).
Тяжелые, массивные формы из природного материала придают сооружению монументальность, величие, подавляя размерами и массой. В ХХ в. в строительство были широко внедрены материалы, обладающие высокими прочностными характеристиками при изгибе и растяжении. Создание новых строительных материалов привело к изменению традиционных архитектурных форм. Использование металла или железобетона для современных каркасных конструкций позволяет строить здания и сооружения практически любых заданных форм и размеров.
Сложный процесс восприятия архитектурной среды связан, прежде всего, с восприятием архитектурной формы. Огромное значение при этом имеют виды используемых материалов и их свойства. Эмоциональное воздействие архитектурной формы в большей мере связано с фактурой, цветом, характером рисунка лицевой поверхности материалов. Именно эти характеристики оказывают большое влияние на соответствующий зрительный образ. Впечатление тяжести или легкости, пластичности, плотности архитектурной формы связано с характером лицевой поверхности материала. Несущая способность стеновой конструкции, нарастание напряжений в нижних частях стены хорошо выражаются при облицовке цоколя природным камнем с груборельефной фактурой. В этом случае характер обработки лицевой поверхности материала показывает, что нижние плиты природного камня словно раздались под тяжестью сооружения и выдерживают значительную нагрузку, которая убывает снизу вверх. С психологической точки зрения, вне зависимости от эстетических характеристик материала, заметную роль играют сложившиеся представления человека о таких его эксплуатационно-технических свойств, как прочность и долговечность. Эстетические характеристики материалов для внутренней отделки зданий и сооружений часто могут быть решающими при восприятии внутренней архитектурной среды. Выбор цвета, фактуры, рисунка поверхности отделочного материала должен быть непосредственно связан с функциональным назначением помещения, его размерами и композицией. Качество осуществленных проектов непосредственно связано с качеством используемых материалов, которое представляет собой совокупность эксплуатационно-технических и эстетических характеристик. Понятие «комплексное или интегральное качество» к указанной совокупности добавляет экономические характеристики.
Экономические показатели связаны с применяемыми материалами.

Литература: [1], с. 7 – 14; [2], с. 13 – 18.


Тема 1.1 Связь состава, строения и свойств материалов
Свойства – характеристики, проявляющиеся в процессе применения и эксплуатации материалов, исключая их экономические показатели. Свойства можно разделить на две группы: эксплуатационно-технические и эстетические.
Эксплуатационно-технические свойства обеспечивают необходимые защиту, прочность, долговечность здания, сооружения. Эстетические свойства материалов влияют на восприятие среды жизнедеятельности человека, в том числе внешнего вида зданий, сооружений и их интерьеров.
С этими характеристиками структуры связаны показатели всех свойств материалов. Различают три уровня структуры материалов:
макроструктура
микроструктура
молекулярно-ионное

строение, видимое невооруженным глазом
видимое в оптический микроскоп


Виды микроструктуры:
Конгломератная
Ячеистая
Волокнистая
Слоистая
Рыхлозернистые

соединение разнородных веществ, обычно в виде зерен, кусков различных форм и размеров
характеризуется наличием макропор, у мелкопористых большинство ячеек гораздо меньше размеров (менее 1 мм).
присуща материалам с природными или искусственными волокнами, расположенными в одном определенном направлении.
предполагает наличие нескольких, в том числе разнородных, слоев
(порошкообразные) структуры состоят из большого количества не связанных зерен или мелких частиц.

По микроструктуре выделяют кристаллические и аморфные материалы. Особенностью кристаллической структуры является определенная геометрическая форма модификаций кристаллов и известная температура плавления при постоянном давлении.
Подавляющее большинство современных материалов, кроме жестко-вязкого (твердого) вещества, содержат в структуре поры – промежутки, полости, ячейки. Их количество и характер (размеры, распределение, открытые или закрытые) влияют на другие эксплуатационно-технические свойства. Поэтому пористость – важный и определяющий показатель структуры. Экспериментальный метод определения величины пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или другой средой. Экспериментально-расчетный метод определения пористости, %, связан с известными значениями плотности p и средней плотности pср материала:
П = (1 – p/pср) х 100 (%). (1)
В зависимости от показателя пористости различают низкопористые (менее 30%), среднепористые (от 30 до 50%) и высокопористые (более 50%) материалы. Большое значение для практической службы материала имеет характер пористости, для определения которого используются следующие методы. При проведении оптических измерений фиксируют линейные размеры сечений частиц и пор в плоскости среза материала и вычисляют параметры структуры (метод микроскопического количественного анализа). Фотометрические оптические измерения связаны с определением величины отраженного светового потока (который с помощью фотоэлемента преобразуется в электрические импульсы) от поверхности образца материала. Для определения характера пористости применяют также метод ртутной порометрии, который основан на вдавливании ртути в поры образцов материалов. В основу метода десорбции жидкостей положена определенная зависимость между кинетикой испарения (десорбции) жидкости и размером капилляров образца материала, насыщенного данной жидкостью. Принцип определения характера пористости по методу молекулярных щупов связан со способностью известных веществ, называемых молекулярными щупами, адсорбироваться в порах материала. Щуп проникает в те поры, диаметр которых больше размера его молекулы. В основу метода просасывания воздуха положено определение удельной поверхности образцов исследуемого материала и пересчет полученной величины на средний диаметр пор. Между упомянутой поверхностью, объемом и диаметром пор существует определенная зависимость. Определение сквозной пористости заключается в измерении электропроводности образцов материала, насыщенных электролитом. Для определения наименьшего сечения капилляров применяют метод, основанный на продавливании жидкости через образец материала, насыщенного другой жидкостью, не смешивающейся с первой. Расчеты производят на основании определенной зависимости: чем меньше радиус капилляра, тем больше давление необходимо приложить для выдавливания из него жидкости. Механический метод основан на дроблении образцов материала до определенных фракций и последующем определении их удельных объемов. При этом основываются на следующих предпосылках: частицы не могут иметь поры, по размеру превышающие частицу; возможно, что частицы будут содержать некоторые поры малых размеров.

Литература: [1], с. 14 – 34; [4], с. 4 – 13; [9], с. 41 – 42.

Тема 1.2 Химические и физико-химические свойства материалов

К физическим свойствам материалов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.
Химические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др.
Весовые характеристики. Вес – это сила, с который материал притягивается землей. Этот показатель измеряется в ньютонах. Основная весовая характеристика материала – масса, являющаяся неизменным его свойством и измеряемая в граммах и килограммах, тоннах.
Для характеристики различий в массе материалов, имеющих одинаковый объем, служит плотность – истинная и средняя.
Истинная плотность p (г/см3, кг/м3) – отношение массы к объему материала в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор и пустот:
р = т/V, (2)
где т – масса материалов (г, кг); V – объем в плотном состоянии (см3, м3).
Средняя плотность рср (г/см3, кг/м3) – отношение массы материала к его объему в естественном состоянии вместе с возможными порами и пустотами:
Рср = т/V. (3)
Массу материала определяют путем взвешивания на весах различного типа.
Для сыпучих материалов определяют насыпную плотность.
Сущность радиоизотопного метода определения средней плотности ряда материалов, например бетона, заключается в измерении величины ослабления или рассеяния гамма-излучения, взаимодействующего с материалом. Этот метод пригоден для определения средней плотности материала в конструкции.
Плотность материала в большой мере влияет на его долговечность. Характерным признаком материалов, у которых средняя плотность равна истинной плотности, является непроницаемость для жидкостей и газов. По современным представлениям, тяжелыми считают материалы со средней плотностью более 2000, легкими – менее 1000 кг/м3.
Средняя плотность материалов непосредственно влияет на эффективность строительства, в том числе на трудоемкость транспортирования и монтажа.
Свойства материалов при действии влаги, воды, замораживания-оттаивания.
Влажность – содержание влаги в материале, отнесенное к массе материала в сухом состоянии, измеряемое в %. Сравнительно простой метод определения влажности связан с высушиванием образцов материала и определением разности массы образца до и после сушки.
Для оперативного контроля влажности материала пользуются кондуктометрическим методом, основанным на зависимости электропроводности от содержания влаги в материале, и более точным емкостным и нейтронными методами. С помощью электронного емкостного влагомера измеряют диэлектрическую проницаемость – электрическую емкость датчика, заполняемого материалом. Нейтронный метод основан на эффекте замещения нейтронов атомами водорода, содержащимися в воде.
Гигроскопичность – способность материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их вследствие капиллярной конденсации.
Водопоглощение – способность материала при непосредственном контакте с водой впитывать ее и удерживать. При определении водопоглощения образцы материалов помещают в сосуд, куда постепенно наливают воду через определенные промежутки времени, в зависимости от вида материала. Когда уровень воды будет выше уровня образцов на 10 – 30 мм. Их выдерживают в воде некоторое время и периодически взвешивают. Насыщение образцов водой прекращают через 1, 24, 48 или 56 часов, в зависимости от вида материала или после того, как прекратится прирост массы. Водопоглощение (по массе) в % вычисляют с погрешностью 0,1%:
Вт = [(т1 – т) / т] х 100, (4)
где т – масса образца материала в воздушно-сухом состоянии, т1 – масса в водонасыщенном состоянии.
Водостойкость материала характеризуется коэффициентом размягчения Кр – отношением предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии.
Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Величина водопроницаемости характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 см2 площади испытуемого материала при постоянном давлении. При определении водопроницаемости измеряется время, в течение которого образец не пропускает воду при постоянном давлении воды, или измеряется гидростатическое давление, которое выдерживает образец материала в течение определенного времени.
Способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий при разности температур на поверхностях, ограничивающих материал, называется теплопроводностью. Это свойство оценивается количеством теплоты, прошедшей в течение 1ч через испытуемый материал толщиной 1м при разнице температур на его противоположных поверхностях в 1оС. Теплопроводность измеряется коэффициентом ( в Вт/(м х оС). Теплопроводность материала в конструкциях можно определять методом цилиндрического зонда, основанным на зависимости изменения температуры помещенного в материал нагреваемого зонда от теплопроводности окружающего материала. С известной степенью приближения о теплопроводности каменных материалов можно судить по их плотности, используя формулу В.П. Некрасова:
( = 1,16 0, 0196 + 0,22d2 – 0,16, (5)
где d – плотность материала по отношению к плотности воды.
Свойства материалов при действии агрессивных веществ.
Коррозионная стойкость – способность материалов сопротивляться действию агрессивных веществ. По механизму коррозионного процесса можно выделить основные виды коррозии: физическая (приводящая к физическому разрушению материала без изменения его химического состава), химическая (определяющая необратимые изменения химического состава материала), физико-химическая (в результате которой происходят физические разрушения материала и изменение его химического состава), электрохимическая (сопровождающаяся изменением химического состава материала в результате возникновения электрического тока на границе его фаз).

Литература: [1], с. 14-34; [4], с. 14-16; [7], с. 10-21;



























Тема 1.3 Технологические, эксплуатационные, гигиенические и эстетические
требования, предъявляемые к материалам

Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и соответственно без значительных потерь массы и прочности. Морозостойкими считают материалы, которые после заданного числа циклов замораживания и оттаивания не имеют выкрошиваний, трещин, расслаивания и теряют не более допускаемых значений прочности и массы по сравнению с аналогичными образцами, не подвергавшимися испытанию.
Огнестойкость – способность материалов сохранять физико-механические свойства при воздействии огня и высоких температур, развивающихся в условиях пожара. Она определяется по степени возгораемости с помощью метода огневой трубы и калориметрии.
Метод огневой трубы основывается на оценке возгораемости в течение определенного времени образца материала, расположенного вертикально в металлической трубе. По более точному, но более трудоемкому методу калориметрии образец материала испытывают в герметически закрытой огневой камере, окруженной водяной рубашкой.
По степени горючести материалы делят на три группы: несгораемые (не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются), трудносгораемые (обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращается) и сгораемые (горят или тлеют и продолжают гореть после устранения огня). К сгораемым относятся материалы, состоящие из органических веществ (например, древесина, пластмасса).
Звукопоглощение – способность материалов поглощать звуковые волны.
Звукопоглощение материала характеризуется коэффициентом звукопоглощения, показывающим, какое количество звуковой энергии поглотил материал в единицу времени по сравнению с общим количеством падающей звуковой энергии. Коэффициент поглощения ( определяется после испытания материала в реверберационной камере, где образец помещают на жесткой стенке (без воздушной прослойки). Звукоизолирующая поверхность материала прямо пропорциональна логарифму его массы. Следовательно, с увеличением массы материала повышается его звукоизолирующая способность.
Свойства материалов при действии статических и динамических сил. Прочность – способность материалов сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами. Прочность материала оценивается пределом прочности – напряжением, соответствующим нагрузке, при которой фиксируется начало разрушения. Наиболее распространенные нагрузки – сжатие, растяжение, изгиб и удар. Среди методов определения прочностных характеристик выделяются разрушающие и неразрушающие.
Твердость – способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим при местном внедрении другого, более твердого тела. Твердость материала в большей степени зависит от его плотности. Определенными показателями твердости должны обладать материалы, которые часто подвергаются действию значительных сосредоточенных нагрузок.
Истираемость – способность материала уменьшаться в объеме и массе вследствие разрушения поверхностного слоя под действием истирающих усилий. Ее оценивают по потере массы после истирания, отнесенной к единице площади истирания, - г/см2
Упругость – способность материала деформироваться под влиянием нагрузки и самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней среды. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия нагрузки, поэтому ее принято называть обратимой. Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию ( и одноосное напряжение ( соотношением, выражающим закон Гука:
( = ( / Е. (6)
Пластичность – способность материала изменять форму, размеры под действием внешних сил, не разрушаясь. После прекращения действия силы материал не может самопроизвольно восстановить форму и размеры. Остаточная деформация называется пластической.
Хрупкость – способность твердого материала разрушаться при механических воздействиях без сколько-нибудь значительной пластической деформации.
По характеру деформаций материалы условно разделяют на пластичные и хрупкие. К пластичным относятся, например металлические материалы (кроме чугунных). Способность материала пластически деформироваться используют при его обработке. Хрупкие материалы – природный камень, бетон, стекло оконное – плохо сопротивляются растяжению, изгибу, удару.
К эстетическим характеристикам относятся форма, цвет, фактура, рисунок (природный – текстура).
Форма материалов, лицевая поверхность (или поверхности) которых воспринимается визуально в процессе эксплуатации, непосредственно влияет на своеобразие фасада или интерьера здания.
Цвет материала – зрительное ощущение, возникающее в результате воздействия на сетчатку глаза человека электромагнитных колебаний, отраженных от лицевой поверхности в результате действия света. Все цвета материалов можно разделить на две группы – ахроматические (белый, черный и серые всех оттенков) и хроматические (красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие, фиолетовые со всеми промежуточными оттенками). Человеческий глаз способен различать до трехсот оттенков ахроматических и десятки тысяч хроматических цветов. Цвет определяют инструментальным (количественный) и визуальным (качественный) методами. Характеристика цвета может быть представлена графически – на соответствующем графике положение любого цвета определяют координаторы цветности. Координаты цвета получают расчетным путем, используя данные замеров с помощью специальных приборов: спектрофотометров (измерение спектральных коэффициентов отражения образца материала в видимой области спектра (400 – 750 мм) относительно стандартного образца белой поверхности и определить координаты цвета расчетным путем), компараторов (измеряют отношение координат цвета образца цвета материала и образца с известными значениями упомянутых координат при стандартном источнике света), колориметров (указанные приборы обеспечивают измерения в автоматизированной форме). Основные характеристики цвета – цветовая тональность (показывает, к какому участку видимого спектра относится цвет материала; количественно цветовые тона измеряются длинами волн), светлота (характеризуется относительной яркостью поверхности материала, определяемой коэффициентом отражения, который представляет соответственно отношение отраженного светового потока к падающему) и насыщенность (степень отличия хроматического цвета от ахроматического той же светлоты).
Фактура – видимое строение лицевой поверхности материала, характеризуемое степенью рельефа и блеска. По степени рельефа выделяют гладкие, шероховатые (высота рельефа до 0,5 см) и рельефные (высота рельефа более 0,5 см) фактуры. По степени блеска различают блестящие и матовые фактуры. Как и цвет, фактуру определяют инструментальным и визуальным методами. Первый, представляющий количественную оценку, предполагает использование измерительных инструментов и приборов: металлических линеек, рулеток, угломеров, поверочных угольников, наборов щупов, индикаторных толщиномеров, микрометров, блескомеров. Принцип действия фотоэлектрического блескомера основан на измерении фототока, возникающего под действием света, падающего на поверхность материала под углом 45о и отраженного от нее.
Рисунок – различные по форме, размерам, расположению, сочетанию, цвету линии, полосы, пятна и другие элементы на лицевой поверхности материала. Если упомянутые элементы создала природа, рисунок называют текстурой (например, текстура древесины, природного камня).
Стандартизацией называется процесс установления и применения стандартов – комплекса нормативно-технических требований, норм и правил на продукцию массового применения, утвержденных в качестве обязательных для предприятий и организаций-изготовителей и потребителей указанной продукции. В государственных стандартах (ГОСТах) приведены требования к свойствам материалов, методам их испытаний, правилам приемки, транспортирования и хранения. ГОСТы обязательны для применения на всей территории России, имеют соответствующие номера с указанием года утверждения (две цифры после тире), например, ГОСТ 862.1 – 85 «Штучный паркет». Технические условия (ТУ) или временные технические условия (ВТУ) содержат комплекс требований к показателям качества, методам испытаний, правилам приемки, к определенным видам материалов, которые не стандартизированы или ограниченно применяются. ТУ действуют в пределах ведомства, министерства. Кроме стандартов, в строительстве и производстве материалов действует система нормативных документов – строительные нормы и правила (СНиП) – свод нормативных документов по проектированию, строительству и материалам, обязательных для всех организаций и предприятий. Требования, нормы и правила, содержащиеся в СНиПах, основаны на передовом опыте и в основном соответствуют современному уровню архитектурно-строительной науки и техники. ГОСТы и СНиПы имеют ряд общих положений и различий. ГОСТы разрабатываются преимущественно на материалы и изделия массового изготовления, СНиПы устанавливают требования ко всей строительной продукции. В СНиПах отсутствуют методы определения показателей свойств материалов, для этого имеются соответствующие ссылки на действующие стандарты. В СНиПах содержатся почти все нормы строительного проектирования, между тем как стандартов на такие нормы нет. Оба комплекса нормативных документов взаимно дополняют друг друга.
К методам стандартизации относятся унификация и типизация материалов.
Под унификацией следует понимать приведение различных видов материалов к технически и экономически рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т.п. При этом объединяются технические требования к нескольким материалам одинакового функционального назначения таким образом, чтобы была возможна замена одного материала другим без ухудшения качества строительного объекта. Типизация предполагает разработку типовых материалов или конструкций на основе общих технических характеристик. Эти требования определяют выпуск материалов, размеры которых связываются с модулем – условной единицей измерения. Модуль применяется для координации размеров не только материалов, но и частей зданий, элементов оборудования. Единая модульная система в нашей стране была создана на базе основного модуля 100 мм. Установлен ряд произвольных укрупненных (3М, 6М, 12М, 15М, 30М, 60М) и дробных (1/2М, 1/5М, 1/10М, 1/20М, 1/50М, 1/100М) модулей. Укрупненные и дробные модули (1/2М и 1/5М) определяют, в основном, размеры элементов и материалов для несущих и ограждающих конструкций, а более мелкие дробные модули – толщину плитных и листовых материалов. Типизация и унификация при массовом индустриальном строительстве регламентируют строительные параметры зданий. Стандартизация непосредственно связана с процессом управления качеством материалов, а ее методы (унификация и типизация) не являются тормозом на творческом пути современного зодчего.
Для удобства изучения и применения материалы целесообразно разделить на определенные группы по единому классификационному признаку. Если считать единым классификационным признаком основное сырье для получения или производства материалов, можно выделить следующие основные группы: древесные, из природного камня, керамические (на основе глин), из стеклянных и других минеральных (неметаллических) расплавов, из металлов и их сплавов, на основе минеральных вяжущих (например, на основе строительного гипса, цементов), на основе искусственных полимеров.
При применении строительные материалы разделяют на группы в зависимости от назначения: конструкционные, конструкционно-отделочные и отделочные. Конструкционные материалы обеспечивают защиту от различных физических воздействий (климатических факторов, шума и др.), а также прочность и долговечность зданий, сооружений. Эти материалы скрыты в «теле» конструкции (например, кирпич керамический обыкновенный, теплоизоляционные материалы). Конструкционно-отделочные материалы также обеспечивают определенные защиту, прочность, но одна или несколько поверхностей, которые называют лицевыми, воспринимаются визуально в процессе эксплуатации, например, кирпич керамический лицевой, линолеум. Отделочные материалы, как и материалы предыдущей группы, влияют на восприятие среды жизнедеятельности человека. Функция защиты им также присуща, но их основная функция – визуальное восприятие и непосредственное влияние на эстетический облик фасада, интерьера здания, сооружения. К таким материалам относятся, например, плитки керамические для фасада или внутренней облицовки стен, те же обои и др.

Литература: [1], с. 39-44; [2], с. 223-237; [7], с. 60-71













Тема 1.4 Методы испытаний и оценка качества материалов, применяемых при
изготовлении изделий

Методы рентгеноструктурного анализа основаны на явлении дифракции рентгеновских лучей кристаллической решеткой вещества. Для исследования применяют метод Дебая-Шеррера (метод порошков), учитывая, что все кристаллические вещества характеризуются определенными, только им присущими рентгенограммами.
Методы термического анализа связаны со способностью большинства физических и химических процессов выделять или поглощать теплоту и соответствующим изучением превращений вещества.
Сущность хроматографического анализа состоит в сорбции компонентов смеси твердым или жидким носителем и последующем извлечении вещества из носителя путем вымывания подходящим растворителем.
Применение люминесцентного анализа основывается на способности ряда компонентов строительных материалов и изделий (бетона, гипса и др.) флуоресцировать (светиться) при облучении ультрафиолетовым спектром. После удаления источника возбуждения свечение прекращается.
Метод люминофоров предполагает использование специальных люминесцирующих веществ, способных ярко светиться при облучении ультрафиолетовыми лучами. Применяя этот метод, оценивают гомогенность многокомпонентных строительных материалов.
Спектральный анализ позволяет определять упорядоченные по длинам волн изучения различных элементов (спектры).
При определении глубины диффузии агрессивных веществ в материал применяют радиоактивные изотопы или люминесцирующие индикаторы.
Акустическим способом фиксируют образование макроразрушений в материале в процессе испытания. Задавшись допустимым числом макроразрушений (импульсов) в течение определенного срока испытания, можно определять и прогнозировать коррозионную стойкость материала.
Степень разрушения материала определяют при водонасыщении под вакуумом.
Фотометрический метод основан на определении степени разрушения поверхностных слоев образцов материалов. Для соответствующих испытания одну или несколько граней образца материала доводят до заданного блеска, величину которого измеряют с помощью блескомеров. В ходе испытания замеряют потерю блеска и по ее величине оценивают коррозию.
Среди методов определения прочностных характеристик выделяются разрушающие и неразрушающие.
При разрушающих методах испытания нагрузку, вызывающую начало разрушения образца материала, определяют на гидравлических прессах, разрывных машинах и др. специальном оборудовании различного типа. Это оборудование должно обеспечивать возможность регулирования скорости приложения нагрузки к образцу, погрешность при измерении усилия должна быть не более ( 1%. Нагрузка на образец по заданной программе может производиться автоматически.
При качественной оценке цвета используется визуальный метод.
Предел прочности при сжатии Rсж или растяжении Rр (МПа) определяют по формуле:
R = Р / А, (7)
где Р – нагрузка, вызывающая начало разрушения, Н; А – площадь поперечного сечения образца до испытания, м2.
Предел прочности при изгибе Rи (МПа) определяют по формуле сопротивления материалов, используемых для определения напряжения при изгибе:
Rи = М / W, (8)
где М – изгибающий момент; W – момент сопротивления.
При испытании балки прямоугольного сечения, в случае если нагрузка сосредоточена в центре,
Rи = 3 Plо / 2 bh2, (9)
где Р – нагрузка, вызывающая начало разрушений, Н; lо – расстояние (пролет) между нижними опорами, м; b и h – соответственно ширина и высота поперечного сечения образца до испытания, м.
При двух равных грузах, расположено симметрично оси балки,
Rи = Р (lо – а) / bh2, (10)
где а – расстояние между грузами, м.
В зависимости от вида материала применяют различные методы оценки твердости. Для металлов, некоторых материалов на основе полимеров, бетона, древесины и других определение твердости основано на вдавливании в образец малодеформирующихся тел в виде шарика, конуса или пирамиды. В этом случае единицы измерения рассматриваемого показателя – МПа. При определении твердости природных каменных материалов поверхность испытываемого камня последовательно царапают минералами, входящими в шкалу твердости Мооса.

Литература: [1], с. 39-44; [4], с. 24-26;


Тема 2.1 Определение и краткие исторические сведения. Основы производства
древесных материалов
Древесные материалы получают путем обработки древесины различных пород деревьев, а также на основе отходов упомянутой обработки. Еще в первобытном обществе древесина после примитивной обработки играла в строительстве огромную роль. Эпоха неолита – четко выраженная геометричность плана; Центральная и Восточная Европа Vв до н.э. – города из древесных материалов с крепостными стенами и храмами; Центральная Европа І в. н.э. – фахверковое строительство; Древний Рим – рациональные конструкции ; Средняя Европа – каркасное строительство. История освоения древесины позволяет проследить диалектический закон развития техники по спирали, в которой каждый виток открывает в материале новые возможности. Использование древесины как строительного материала стало возможным с изобретением каменного рубила, а затем и каменного топора с рукояткой. Однако расцвет бревенчатой архитектуры начался после создания металлического топора и изобретения врубки – надежного способа соединения бревен. Рубленая бревенчатая архитектура развивалась в районах, богатых лесом, в том числе на Русском Севере. Жемчужиной мировой деревянной архитектуры является Кижский погост (22-главая Преображенская церковь 1714 г.). Подлинной революцией в обработке древесины стало применение пилы, изобретенной еще в каменном веке. Еще одной революцией в области производства древесных материалов в ХХ в. можно считать возможность склеивания прочными водо- и биостойкими полимерными клеями крупноразмерных пиломатериалов (досок) и получение элементов деревянных клееных конструкций.
Сырье. Растущее дерево состоит из корня, ствола и кроны. Древесину, используемую в качестве строительного материала, в основном дает ствол, который составляет до 90% объема дерева. Различают макро- и микроструктуру дерева. Макроструктура – строение, видимое невоору- женным глазом или при небольшом увеличении. Основные части ствола дерева: сердцевина, сердцевинные лучи, ядро, заболонь, годичные слои, сосуды или смоляные ходы. Сердцевина представляет собой рыхлую ткань, состоящую из клеток с тонкими, слабо связанными друг с другом стенками. У всех пород есть сердцевинные лучи – светлые, часто отличающиеся блеском линии, которые направлены от сердцевины к коре. Ядро – внутренняя часть ствола, образующаяся по мере роста дерева. Заболонь состоит из колец более молодой древесины, окружающих ядро. Смоляные ходы (или сосуды) представляют собой трубки, каналы различной величины. Микроструктуру древесины наблюдают при сильном увеличении. Под микроскопом видно, что древесина слагается из большого количества живых и отмерших клеток различных формы и размеров. По функциональному назначению живые клетки делят на проводящие, механические и запасающие. Клетка имеет оболочку, внутри нее находится растительный белок – протоплазма и ядро. Микроскопическое строение древесины различных пород весьма разнообразно.
Дефекты древесины. Древесина может иметь пороки – недостатки ее отдельных участков, снижающие качество и ограничивающие возможности использования материала. Пороки механического происхождения, возникающие в древесине в процессе ее добычи и обработки, называют дефектами. К характерным порокам относятся: различные сучки (сросшиеся и несросшиеся, роговые и т.д.); трещины различного расположения и размеров (метиковые, морозные, усушки, отлупные); пороки строения (наклон волокон, тяговая древесина, свилеватость, завиток, глазки, смоляной кармашек, пасынок, сухобокость, прорость, рак, засмолок, ложное ядро, внутренняя заболонь, водослой, пятнистость); отклонения от нормальной формы ствола (сбежистость, закомелистость, нарост и кривизна); грибные поражения (ядровые пятна и полосы, заболонные грибные окраски, заболонная и наружная гниль); повреждения насекомыми (червоточина); дефекты, образующиеся в процессе обработки; инородные включения (камни, гвозди и т.д.); деформации (покоробленность, образующаяся при сушке, хранении, выпиливании). При этом используют измерительные инструменты, наборы щупов.
Группы древесных пород – хвойные и лиственные. Породу растущего дерева сравнительно легко определить, оценивая внешний вид кроны, коры, листьев и хвои. Породу деревьев определяют по макроструктуре и по микроскопическим признакам (более точно). При изучении микроскопического строения хвойной породы на тонких срезах с торцевого и тангенциального разрезов отмечают ранние и поздние трахеиды (вытянутые клетки с косо срезанными концами), вертикальные и горизонтальные сердцевинные лучи на тангенциальном разрезе, смоляные ходы. Среди наиболее распространенных хвойных пород, используемых в России для производства строительных материалов, - сосна, ель, лиственница, пихта, кедр. Лиственные породы, в зависимости от расположения сосудов в годичных слоях, бывают кольцесосудистые и рассеянно-сосудистые. Лиственные породы делят на мягкие и твердые (кольцесосудистые – твердые; рассеянно-сосудистые – и твердые, и мягкие). Микроструктура лиственных кольцесосудистых пород характеризуется наличием крупных сосудов в ранней древесине и мелких сосудов в поздней древесине годичного слоя (например, у дуба). Самые распространенные лиственные породы – дуб, бук, ясень, береза, осина, ольха, липа, клен.
Основы технологии. К основным технологическим операциям при производстве древесных материалов относятся добыча и обработка. Добыча древесины предполагает валку, раскряжевку и окорку деревьев. Раскряжевка – процесс поперечного деления хлыстов – стволов поваленного дерева, опиленных от корневой части и очищенных от сучьев. Распиловка – групповой или индивидуальный раскрой бревен. Строгание, лущение – снятие специальными ножами тонких срезов древесины, лущение – резание по спирали. Фрезерование – резание специальными ножами и получение требуемого профиля древесных материалов. Сборка полуфабрикатов (соединение заготовок), полученных после упомянутых видов механической обработки, - это их склеивание. Обработка отходов предусматривает их сортировку, перемешивание со связующим и формование (часто спрессование под давлением). Сушка повышает прочность древесины и значительно удлиняет сроки ее эксплуатации. Принципиальное значение имеет защитная обработка древесины. Эффективные способы защиты материала – антисептирование и антипирирование. Антисептики – вещества, ядовитые для грибков, являющихся основной причиной загнивания древесины. Антипирены представляют собой огнезащитные составы. Обработка материала антипиренами может быть поверхностная и объемная (метод глубокой пропитки). Формирование эстетических характеристик древесных материалов связано, прежде всего, с характером отделки их лицевой поверхности. Прозрачная отделка поверхности позволяет сохранить или еще более проявить текстуру древесины. Основные этапы такой отделки включают подготовку поверхности древесины, создание покрытия и его облагораживание. При непрозрачной отделке учитывают, что цвет и текстура древесины скрываются. Основные этапы технологии непрозрачной отделки в основном те же, что и при прозрачной отделке, однако процесс отделочной подготовки в данном случае включает операции обессмоливания, подмазывания, грунтования, сплошного и местного шпатлевания поверхности. Известен метод раздела слоя масляной краски для имитации текстуры твердолиственных и ценных пород древесины или создания оригинального рисунка. Непрозрачную отделку древесины производят также с помощью пленочных и листовых материалов. К листовым материалам для непрозрачной отделки относятся декоративный бумажно-слоистый пластик (ДБСП) и декоративная фанера (ДФ). ДБСП получают горячим прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанных смолами. Бумага для лицевого слоя ДБСП может иметь разнообразные эстетические характеристики (цвет, рисунок). ДФ изготовляют горячим прессованием шпона, текстурной и кроющей бумаги, отделочной прозрачной пленки на основе бумаги. При имитационной отделке материалам из древесины обычных пород, не отличающихся выразительными эстетическими характеристиками, придается внешний вид древесины более ценных и редких пород (красное дерево, орех, палисандр, лимонное дерево, ясень и др.) или других материалов. Основные виды имитационной отделки – крашение, нанесение рисунка текстуры ценных пород непосредственно на поверхность древесных материалов и изделий, облицовки древесных материалов текстурированной бумаги. При имитационной отделке путем нанесения рисунка непосредственно на поверхность древесных материалов и изделий применяют, в частности, аэрографию – нанесение краски распылением с помощью сжатого воздуха. Текстура имитируемой породы может также создаваться с помощью печатных форм – фотошаблонов или печатных форм – клише. Печатание – наиболее совершенный, производительный метод, он позволяет получать одноцветные и многоцветные рисунки сравнительно высокого качества. К оригинальным, но трудоемким видам отделки из древесины следует отнести мозаику (орнаментальное или сюжетное изображение, выполненное из однородных или различных по материалу частиц) и резьбу. Наиболее распространенные виды мозаики по древесине – инкрустация, интарсия, маркетри, блочная мозаика. При инкрустации на одном уровне с поверхностью изделия врезаются пластинки определенной формы из материалов, отличающихся по структуре и цвету от древесины (металл, слоновая кость, перламутр и др.). Инкрустация древесиной по древесине называется интарсией. Мозаичный набор из кусочков шпона различных пород древесины называют маркетри. Основы технологии блочной мозаики сводятся к склеиванию блоков по заданному рисунку из разноцветных брусочков или пластинок древесины. Весьма разнообразны виды резьбы по дереву (плоскорельефная, прорезная, скульптурная или объемная, крупномасштабная домовая и др.).
Литература: [1], с. 44-46; [10], с. 6 – 21.
Тема 2.2 Номенклатура, свойства, методы испытаний и оценка качества
древесных материалов
Номенклатура. Основная номенклатура древесных материалов включает круглые лесоматериалы, пиломатериалы, шпон, фрезерованные, в том числе погонажные, изделия, изделия из склеенных полуфабрикатов (заготовок), из отходов, обои бумажные, древесные пластики. В основной номенклатуре выделяют материалы специального назначения: фрезерованные кровельные плитки, гонт, из отходов – теплоизоляционные (разновидности древесно-стружечных и волокнистых плит и др.). Круглые лесоматериалы – отрезки стволов деревьев. В зависимости от толщины (диаметра) бревна в узкой части (верхнем отрубе) их могут подразделять на мелкие, с толщиной для хвойных пород 6-13 см, для лиственных – 8-13 см; средние, толщиной 14-24 см для всех пород и крупные, толщиной 26 см и более.
Пиломатериалы получают при продольном раскрое пиловочных бревен. В зависимости от направления раскроя различают пиломатериалы радиальной, тангенциальной и смешанной распиловки. Материалы с опиленными кромками называют обрезными, с неопиленными – необрезными. Пиломатериалы, у которых с одной из двух боковых кромок не снята круглая поверхность бревна – обзол, называют полуобрезными. Некоторые пиломатериалы, используемые как в целом виде, так и для выработки заготовок материалов. По размерам пиломатериалы общего назначения разделяются на сравнительно тонкие, толщиной до 32 мм включительно, и толстые – толщиной 35 мм и более (лиственные), 40 мм и более (хвойные). По длине лиственные пиломатериалы делятся на короткие – 0,5-0,9 м; средние – 1-1,9 м; длинные – 2-6,5 м. Длина хвойных пиломатериалов может быть 1-6,5 м с градацией 0,25 м.
Шпон – тонкие срезы древесины заданной толщины (0,35-4 мм). В зависимости от технологии получения различают шпон строганый и лущеный. Строганый шпон отличается более оригинальной и разнообразной текстурой.
К фрезерованным, в том числе погонажным, материалам относятся различные профильные: поручни, плинтусы, наличники, доски для облицовки, кровельные плитки, паркет штучный. Плинтусы служат для оформления углов между полом и стенами, наличники применяют для оформления дверных и оконных коробок, поручни – для перил лестниц.
К материалам из склеенных полуфабрикатов (заготовок) относятся, прежде всего, элементы деревянных клееных конструкций (ДКК), паркетные доски, паркет щитовой, оконные и дверные блоки, щиты, фанера. Элементы ДКК – балки, рамы, арки, фермы. Пролеты таких конструкций до 100 м и более. Паркетные доски могут состоять из тонких лицевых планок твердых древесных пород, наклеенных на реечное основание из низкосортной древесины хвойных пород. Разнообразные конструкции досок делят на два типа: двухслойные и многослойные. Паркетные щиты, или щитовой паркет, изготовляют различной конструкции и размеров. Щиты состоят из листовых планок, наклеенных на основание. Лицевой слой такой же, как у паркетных досок, а основание может быть из низкосортных реек хвойных пород, строительной фанеры, древесностружечной плиты и др. Для предотвращения коробления применяют компенсирующие нижние слои шпона или армирующие рейки, закладываемые в основание. Основание может быть в виде рамной обвязки с брусковым заполнением из низкосортной древесины и отходов. При сборке полов щиты соединяют друг с другом фанерными или иными шпонками, вставляемыми в пазы с четырех кромок щита. К щитовому относится и художественный мозаичный паркет, его выполняют по специальным чертежам в заводских условиях. Дверные блоки для различных типов зданий разделяют по назначению на наружные и внутренние, а также по многочисленным типам конструкций дверных полотен, в том числе на щитовые. При устройстве щитовых деревянных дверей деревянный брусковый каркас облицовывают с обеих сторон сверхтвердыми или твердыми древесно-волокнистыми плитами, фанерой, листовыми полимерными материалами. Заполнение дверных полотен может быть реечным (сплошным и решетчатым), из различных материалов. Фанера – слоистый материал, состоящий из трех и более листов лущеного шпона, иногда в композиции с другими материалами. По числу слоев шпона различают трехслойную, пятислойную и многослойную (в т.ч. в виде плит) фанеру толщиной до 18 мм и более. Бакелизированную фанеру получают из березового лущеного шпона, пропитанного и склеенного фенолформальдегидными клеями. Бакелизированная фанера имеет высокие конструктивные качества: ее предел прочности при растяжении 60-80 МПа, при этом они почти так же легка, как и древесина. Эта фанера обладает повышенной водостойкостью, атмосферостойкостью и прочностью. Декоративную клееную фанеру изготовляют из березового, ольхового или липового шпона и облицовывают с одной или двух сторон строганым шпоном из ценных пород дерева, например дуба или груши, с красивой текстурой либо полимерными пленками. Древесные материалы на основе отходов – плиты древесно-стружечные (ДСП), древесно-волокнистые (ДВП) и другие, в том числе специального назначения. ДСП по конструкции классифицируют на одно-, трех- и многослойные плоского прессования, а также на сплошные и с внутренними каналами экструзионные однослойные. Выделяют ДСП на полимерном (чаще фенольном) и минеральном (цементном) связующих. При использовании цемента плиты (ЦСП) являются экологически чистыми. ДВП бывают сверхтвердые толщиной 3 и 4 мм, твердые – 3-5, полутвердые – 4-8, теплоизоляционные – 8-25 мм. Фибролит – плитный материал, получаемый в результате твердения неорганического вяжущего с наполнителем из спрессованной массы древесной «шерсти» (тонких длинных стружек). Арболит изготовляют из цементов и древесных опилок, дробленой стружки или щепы. Обои бумажные получают путем нанесения рисунка на обойную бумагу (негрунтованные) или на цветной фон (грунт), предварительно наносимый на бумагу (грунтованные). Негрунтованные обои выпускают на белой и цветной бумаге с рельефным печатным рисунком. Грунтованные обои – материал с более разнообразными эстетическими характеристиками. Древесные пластики – пиломатериалы, например доски, брусья, обработанные при высоком давлении и температуре, или крупноразмерные листы и плиты, получаемые при горячем прессовании листов лущеного шпона, пропитанных полимерным раствором.
Свойства. К положительным эксплуатационно-техническим свойствам уникальной природной структуры древесины относится сравнительно низкая средняя плотность при прочности, обеспечивающей функциональную надежность разнообразных конструкций жилых, общественных, промышленных зданий. Показатели прочности древесины различных пород определяют разрушающими методами на универсальной испытательной машине. Для испытаний используют малые чистые образцы (без пороков). Полученные показатели, характеризующие механические свойства различных пород древесины, пересчитывают на стандартную влажность (12%). Оценку механических свойств ДСП, ДВП, фанеры проводят с учетом прочности материала. При этом важным критерием является предел прочности при статическом изгибе (для ДСП, ДВП, фанеры) и предел прочности при растяжении (для ДСП, фанеры). При оценке качества фанеры и ряда других материалов (оконные и дверные коробки, паркет) определяют прочность клеевых соединений. Механические свойства фанеры характеризует также предел прочности при скалывании по клеевому слою. К отрицательным характеристикам древесины относят возможность образования пороков, сравнительно высокие гигроскопичность и водопоглощение, низкую биостойкость, в том числе возможность загнивания. При изменении влажности происходит усадка или набухание древесины. При этом они различны в тангенциальном и радиальном направлениях, высыхание происходит неравномерно. В результате внутренние напряжения в материале могут вызвать коробление и растрескивание. Наличие в древесине определенного количества влаги (обычно более 18-20%), изменение ее количества и перемена температуры создают условия для развития дереворазрушающих грибков. В соответствии с требованиями ГОСТа, влажность конкретных древесных материалов должна находиться в определенных пределах. Влажность древесных строительных материалов, в соответствии с ГОСТом, определяют путем высушивания образцов в специальных сушильных шкафах и взвешивания образцов до и после высушивания. Для ускорения испытаний рационально использовать современные нейтронные, электро- и электромагнитные влагомеры. В ряде случаев необходимо принимать во внимание анизотропность свойств древесины – различное сопротивление физико-механическим воздействиям вдоль и поперек волокон материала. Теплопроводность, прочность при сжатии и растяжении вдоль волокон древесины заметно превышают аналогические показатели поперек волокон. Оценивая эксплуатационно-технические свойства древесных материалов, архитектор должен учитывать, что сравнительно крупные элементы конструкций из древесины, например клееные балки, арки, фермы, рамы, могут достаточно длительное время сохранять прочность в условиях пожара. Эстетические характеристики многих материалов связаны с цветом, блеском и текстурой соответствующей породы дерева. Указанные эстетические свойства зависят от комплекса различных факторов, среди которых следует выделить климат и место роста дерева, его возраст, время и условия хранения древесины. Более яркая окраска характерна для древесных пород, которые растут в южных районах. Цвет свежего разреза или раскола большинства пород древесины постепенно под влиянием воздуха и света изменяется – становится менее ярким, приобретает более темный оттенок. Блеск различных пород древесины связан с их плотностью и видом разреза или раскола (сердцевинные лучи направленно отражают световой поток). Текстура древесины целиком определяется характером макроструктуры на конкретном разрезе, а также различием в цвете определенных его участков. У лиственных пород более разнообразная текстура, чем у хвойных пород. Цвет древесины различных пород определяют на свежих разрезах или расколах, пользуясь атласом цветов или опорной шкалой цветов. Визуально оценивают текстуру и блеск древесины. При оценке эстетических характеристик конкретных материалов из древесины обращают внимание на возможные пороки и дефекты на лицевой поверхности. К характерным дефектам материалов из древесины относится шероховатость поверхности, которая образуется в результате ее неровностей, наличия ворсистости отдельных волокон и мшистости. Шероховатость определяется среднеарифметическими максимальными высотами неровностей – от вершины гребня до дна впадины и визуальной оценкой ворсистости и мшистости. Установлено 12 классов шероховатости поверхности древесных материалов и изделий (первая цифра обозначает № класса, после тире дана среднеарифметическая величина высот неровностей, мкм, не более): 1 – 1600, 2 – 1200, 3 – 800, 4 – 500, 5 – 320, 6 – 200, 7 – 100, 8 – 60, 9 – 32, 10 – 16, 11 – 8, 12 – 4. Шероховатость поверхности определяют индикаторными глубиномерами, для более точных измерений пользуются микроскопами и другими приборами. Способ отделки, внешний вид и размеры древесных строительных материалов оценивают визуально и с помощью металлических линеек, рулеток, набора щупов, угломеров, поверочных угольников, индикаторных толщиномеров, микрометров.
Области применения. Древесные материалы применяют в современной архитектуре как конструкционные, но чаще как конструкционно-отделочные и отделочные.
Весьма популярны малоэтажные жилые дома из бревен или бруса (север России, средняя полоса, Скандинавские страны и др.); пиломатериалы для производства сборных (в Финляндии, Швеции, Норвегии, США, Канаде, а также в странах с ограниченными запасами сырья – Германии, Англии, Франции и даже Японии); брус для каркасов сборных элементов малоэтажных зданий, древесно-волокнистые, цементно-стружечные плиты, фанеру и тонкие листы из стали, алюминия, меди для обшивки (в Скандинавских странах, США, Венгрии); пиломатериалы применяют и для возведения каркасов малоэтажных зданий, где соединения вертикально и горизонтально расположенных балок, стен и перекрытий (заполнение каркаса) обеспечивают необходимую прочность и жесткость конструкции. В отечественном деревянном городском и сельском строительстве можно выделить два типа конструкций: стоечно-балочная система с обшивкой и заполнением пустот теплоизоляционным материалом и соединение каркаса со щитами определенных размеров. Деревянный каркас четырех основных типов – штутгартский, лейпцигский, фрайбургский и «решетчатый» - преобладающая конструкция соответствующих зданий в Германии. Многочисленные разновидности каркасных конструкций популярны в европейских странах и США. Известны примеры изготовления и применения сборных элементов жилых зданий из материалов на основе отходов деревообработки. В российской архитектурно-строительной практике применяли панели из арболита - смеси минерального вяжущего (портландцемента), различных древесных и растительных частиц (опилок, стружек, дробленки, костры льна и др.). Для отделки лицевой поверхности панелей использовали различные способы. Значительной технико-экономической эффективностью обладает производство и применение элементов деревянных клееных конструкций (ДКК) – балок, рам, арок, ферм, пространственных структур. В настоящее время во многих странах соответствующее производство представляет самостоятельную отрасль промышленности, включающую научные центры, проектные мастерские, специализированные заводы. В практике строительства выделяют прямолинейные и пространственные типы конструкций из индустриальных деревянных клееных изделий. Для перекрытий в зданиях промышленного и общественного назначения применяют балки с прямоугольной, тавровой и коробчатой формой сечения. Их изготовляют склеивая доски или клеефанерными (с брусчатой обвязкой). Форма и вид балок, как и их расположение, непосредственно влияют на эстетические характеристики сооружения. Своеобразная пластика здания при использовании перекрытия из неразрезных ломаных балок, например в здании ратуши в Нюртингене, Германия. При жестком соединении балок, расположенных горизонтально, вертикально или с наклоном, получают рамные конструкции. Их форма, в том числе с прямыми и ломаными ригелями, влияет на восприятие эстетики здания и интерьера. Г-образная форма рамы использована при строительстве трибун велотрека в Мюнхене (Германия). При высоте консольного покрытия 37 м по контуру сооружения (110х150 м) расположены 56 таких рам. Не менее оригинальны гнутые рамы и ригели плавательного бассейна в г. Берке, Франция. Большими формообразующими возможностями обладают деревянные арки разнообразной конфигурации, перекрывающие пространство до 100 м и более. При строительстве катка в Архангельске применялись трехшарнирные арки пролетом 63 м, в Ржеве рынок перекрыт треугольными арками пролетом 47 м. Арки определенных типов использованы для покрытия плавательного бассейна в Крезо, Франция, спортивной арены в Турку, Финляндия; для моста через реку Неккар в Ротенбурге, Германия. Фермы производят с не менее разнообразными конструкциями. Например, треугольная открытая во внутреннее пространство ферма с нижней затяжкой перекрывает 53-метровый пролет стадиона в г. Лаппеэнранта, Финляндия; фермы пролетом 56,1 м разнообразной формы перекрывают каток в Нюрнберге, Германия. Формообразующие возможности элементов ДКК хорошо проявились при создании пространственных покрытий: различных типов оболочек, кружально-сетчатых сводов, складчатых элементов, куполов. Волнистая оболочка использована при устройстве покрытия бассейна «Чайка» в Москве. Оболочки гипара применены для перекрытия коттеджа в г. Хегенхейме, Франция, павильона информации на центральной площади Брюсселя, Бельгия. Пять оболочек коноидов использованы в Доме архитектора в Ламбертвилле, США. Кружально-сетчатые своды изготовляли, как правило, из отдельных цельных косяков пролетом до 100 м. Перекрытия с разнообразными формами получали при использовании складчатых элементов в виде ромба, согнутого по большей диагонали. Весьма разнообразны планы зданий, покрытых по контуру куполами из элементов ДКК: квадратные, круглые, овальные, многогранные. Выставочный дворец на городской ярмарке в Авиньоне, Франция, покрыт ребристым куполом пролетом 102 м. Ребристый конический купол диаметром 47,7 м построен для цирка в Мюнхене, Германия. Современные зодчие, используя древесные материалы для наружной отделки, уделяют внимание членению фасада на отдельные объемы или плоскости, простенки и проемы, балконы, лоджии, выделению элементов конструкции. Они предусматривают, например, расположение обшивки из пиломатериалов в разных направлениях на фасаде детского сада в Сандвикене, Швеция. Своеобразен фасад церкви в г. Лафейетте, США, где для отделки использован гонт. Часто при создании образа интерьера общественного или жилого здания композиционный акцент связан с открытыми элементами конструкций из древесных материалов. Например, эстетика ресторана «Мерепинга» около Таллинна в большой мере определяется легкими стропилами и ригелями, интерьера культового здания в г. Либрамон, Бельгия, - ритмичной, раскладкой конструктивных элементов. В плавательном бассейне в г. Корбей-Эссон, Франция, открытые элементы ДКК сочетаются с контрфорсами из бетона. Не случайно в современных коттеджах, загородных домах, в интерьерах жилых комнат часто предусматривают устройство фальшбалок из склеенных досок (как правило, с имитационной отделкой лицевой поверхности) на длину или ширину потолка. Традиционный характер отечественного жилища, формировавшийся на протяжении многих веков, предполагает широкое применение материалов из древесины для покрытия полов. Использование этих материалов заметно увеличивается и в зарубежных странах, особенно в Скандинавских, где древесина издавна, как и на Руси, применялась для покрытий полов. Нередко в отечественной практике используют дощатый настил из массивной древесины. Однако его высокая материалоемкость (доски делают толщиной 28 и даже 36 мм), необходимость обязательной построечной доводки и окраски, возможность коробления досок и расстройства стыков между ними, не позволяет его перспективным. Большой популярностью в современной архитектурно-строительной практике для покрытия полов в жилых и общественных зданиях пользуются паркетные щиты и доски. Многочисленные фирмы выпускают разнообразные виды этих индустриальных изделий. Вместе с тем для покрытий полов применяют материалы на основе древесных отходов – ДСП, ДВП и экологически чистые ЦСП. Из них устраивают сборные стяжки под рулонные покрытия, но их можно использовать и непосредственно для лицевого покрытия пола с последующей окраской или с заводским отделочным слоем.
Литература: [1], с. 59-71; [2], с. 27-30, 222-227; [6], с. 4-23; [9], с. 20-29














.
Тема 3.1 Определение и краткие исторические сведения. Основы производства
материалов из природного камня

Определение, краткие исторические сведения. Материалы из природного камня получают путем добычи и обработки горных пород. Наиболее древние сооружения, сохранившееся до наших дней, построены из природного камня. Мегалитические культовые сооружения – менгиры, состоящие, как правило, из одного блока; дольмены и кромлехи – явились первыми зданиями, имеющими внутреннее пространство, масштаб, ритм. Знаменитый кромлех Стоунхендж в Великобритании у г. Солсбери построен от 1900 до 1400 г. до н.э. и включает три сооружения. Чаще всего для известных мегалитических построек использовали примитивно обработанные блоки из известняка или песчаника. На протяжении тысяч лет основными зданиями из природных каменных материалов были монументальные культовые сооружения, где масса преобладала над внутренним пространством. В Древнем Египте каменоломни находились по всей Нильской долине. В них добывали гранит, диорит, базальт, порфиры, известняк, песчаник, которые использовали для строительства. И интерьер, и внешний облик египетских храмов и гробниц предельно лаконичны, массивны и монументальны. Массивные культовые каменные сооружения (ступы, храмы) Древней Индии, древних майя (пирамиды, дворцы) украшены разнообразной резьбой. В каменной архитектуре Древней Греции храмы господствуют над окружающим пространством, они имеют четкое разделение несущих и несомых элементов. Размеры и пропорции ордера связывались со свойствами природного камня. Древние греки разработали архитектонику каменной стены, расчленив ее на блоки и подчеркивая швы. Размеры блоков из природного камня зависели от размеров сооружения и места их размещения (более крупные блоки укладывали в основание стен). Стоечно-балочные конструкции античной Греции нашли применение в архитектуре последующих столетий. В Древнем Риме строили монументальные общественные здания – термы, амфитеатры, базилики. Решая задачу перекрытия больших пространств, древнеримские зодчие стали применять искусственный камень – бетон, а природный камень использовали как отделочный облицовочный материал. Среди отдельных ярких мазков на огромной картине древней мировой архитектуры из природного камня отметим творения мастеров Византии, Сирии, Армении, Грузии и Руси. Дмитриевский собор в г. Владимире – яркий пример самобытного русского каменного храма с великолепной резьбой. Многие специалисты в области архитектуры считают готику вершиной зодчества из природного камня. Желание средневековых зодчих преодолеть недостатки природного камня как конструкционного материала привело к созданию очень сложных конструкций и объемных решений. Так, вертикальная направленность готических соборов явилась не только отражением религиозного стремления к небу, но и требованием учитывать свойства материала, причем строительство этих соборов длилось многие годы. Дальнейшее развитие архитектуры из природного камня, в том числе в эпоху Ренессанса, связано с переходом к более простым формам.
Основы производства. Сырье. Для производства материалов из природного камня используют горные породы, состоящие из одного природного материала (вещества, примерно однородного по химическому составу и свойствам) – мономинеральные или, как правило) включающие в свой состав несколько минералов – полиминеральные.
Генетическая классификация горных пород
Изверженные
Осадочные
Метаморфические

массивные
обломочные
механич.
отложения
химич.
осадки
органо-генные
измененные изверженные
измененные осадочные

глубинные (интрузивные)
( гранит, сиенит, габбро)
изливающиеся (эффузивные)
(базальт, диабаз, порфир)
рыхлые
(вулканический пепел)
цементированные
(вулканический туф)
рыхлые
(глина, песок, гравий)
цементированные
(песчаник, брекчия, конгломерат)

гипс
доломит
ангидрит

известняк
диатомит
мел

гнейс

мрамор
кварцит
сланец


Основы технологии. Блоки камня, полученные на карьере, поступают на камнеобрабатывающие предприятия для переработки. Процесс, в результате которого камню придают требуемую форму, размер и фактуру лицевой поверхности, включает ряд операций, выполняемых в строгой последовательности разнообразными камнеобрабатывающими станками. На современных предприятиях камень обрабатывают механизированным способом. В зависимости от характера используемого инструмента различают три вида обработки: резание, шлифование и скалывание. Каждый из этих видов, в свою очередь, делится на две стадии: придание камню формы и размеров выпускаемого изделия и обработку фактурную. Для этого лицевой поверхности изделия придают заданную степень рельефа. Обработка резанием – наиболее современный процесс обработки камня: этот способ высокопроизводителен, дает меньше отходов и в наибольшей степени допускает автоматизацию производства. Обработка скалыванием – также широко используемый способ, однако в большинстве случаев он сопряжен с постоянным участием оператора и поэтому более трудоемок. Ударная обработка камня механизирована и автоматизирована не полностью.
При получении требуемой фактуры абразивную обработку производят, как правило, на шлифовально-полировальных станках.
Шлифование поверхности камня позволяет достичь высокой степени ее гладкости, вплоть до зеркального блеска (для этого используют войлочный круг, под который подают полировальный порошок). Процесс шлифования останавливают при получении поверхности с заданной степенью шероховатости. В практике фактурной обработки шлифованную фактуру с рельефом 0,2-0,5 мм получают при распиловке природного камня алмазными инструментами.
Фактура камня, обрабатываемого с помощью скалывающих инструментов, может характеризоваться наличием глубокого (до 50 мм и более) рельефа, создающего четкую светотень, повышающую декоративный эффект. Наиболее выразительный вид рельефа облицовочного камня – чередующиеся бугры и впадины. Более сложна фактура неглубокого рельефа, которая достигается последовательной обработкой поверхности специальными инструментами.
К достижениям камнеобрабатывающей промышленности относится получение тонкопиленых плит природного камня для облицовки, толщиной не более 10 мм, внедрение ультразвуковой, плазменной, лазерной обработки материала, что позволяет увеличить выпуск материалов при одновременном снижении их себестоимости и повышении качества.

Литература: [1], с. 80-83; [6], с. 24-27; [10], с. 108-130.
























Тема 3.2 Номенклатура, свойства, методы испытаний и оценка качества
материалов из природного камня

Номенклатура материалов из природного камня включает блоки, камни, плиты, архитектурно-строительные изделия (плоскостные и профильные), в том числе специального назначения: для гидротехнических сооружений (морских и речных), подземных сооружений и мостов (тоннелей, подводных и надводных частей мостов), для дорожного строительства.
Архитектурно-строительные изделия служат для наружной и внутренней облицовки, устройства лестниц, парапетов площадок, ограждений. К этой группе изделий относятся плиты цокольные пиленые и колотые, накрывочные пиленые и колотые, подоконные пиленые, ступени цельные пиленые и колотые, проступи пиленые, парапеты прямоугольные, колонны, балясины, порталы, детали карниза, пояса, камень кордонный, шары декоративные. Балясина – сравнительно невысокий фигурный столбик в форме тела вращения. Это элемент ограждения лестниц, террас, балконов, верхняя часть которого покрыта перилами. Изготовляют балясины в основном из мрамора. Порталы – профильные изделия для обрамления дверных проемов, выполняемых, как правило, из гранита, габбро, лабрадорита и др. изверженных пород. Деталь карниза – профильное изделие в виде декоративного выступа на верхней части наружной облицовки поля стены, защищающего ее от стекающей с кровли воды. Получают при соответствующей обработке изверженных прочных горных пород. Деталь пояса – горизонтальный выступающий элемент наружной облицовки, отделяющий цокольную часть от вышележащей стены. Для изготовления используют достаточно плотные и прочные горные породы. Камень кордонный – профильное изделие верхней части массивного цоколя из плотных и прочных пород. Декоративный шар – профильное изделие сферической формы. Шары (цельные, но чаще составные) используют при оформлении фасадов зданий, фонтанов, набережных, в ландшафтной архитектуре. Изготовляют обычно из гранита.
К материалам специального назначения относят бутовый камень (куски неправильной формы не более 50 мм по наибольшему измерению), щебень (куски до 150 мм из дробленого бута), плиты для гидротехнических сооружений, изготовляемые из изверженных и осадочных горных пород; брусчатку в форме бруска, слегка суживающегося книзу, из однородных мелко- и среднезернистых изверженных пород, используют для мощения дорог; бортовые камни высотой до 400 мм из плотных изверженных пород для отделения дороги от тротуара; плиты для тротуаров (часто из гнейса) толщиной не менее 40 мм.
Свойства. Представления о свойствах природных каменных материалов связано, как правило, с высокой прочностью и долговечностью. Однако природный камень – материал весьма разнообразный по структуре, часто сложенный из различных минералов, нередко подвергающийся в процессе образования и последующего залегания в земной коре воздействию значительных напряжений. Влияние на свойства природных каменных материалов оказывают также способы его добычи и обработки. Эксплуатационно-технические свойства природных каменных материалов (как и эстетические) определяются структурой горной породы. При ее оценке учитывают непосредственную связь с составом и свойствами породообразующих минералов, отличающихся разнообразными характеристиками.
Характеристика некоторых породообразующих минералов

Минерал
Природный камень,
в состав которого
входит минерал
Плотность
минерала,
г/ см3
Твердость
минерала по
шкале Мооса

Кварц
Гранит, гнейс
2,65
7

Полевые шпаты:
- ортоклаз, микроклин
(калиевый полевой шпат)
- плагиоклаз
(натриевый шпат)

То же

Гранит, гнейс, диорит, габбро и др.

2,56

2,68

6

6

Слюды:
- мусковит

- биотит

Большинство изверженных природных камней, кроме карбонатных
То же

2,9

3

2

2 - 3

Пироксены:
- авгит

- роговая обманка

Гранит, габбро, диабаз, базальт, андезит, трахит и др.
То же

3,3

3,35

5 – 6

7

Учитывая характеристики минералов, их количество и характер расположения, а также вид и расположение цементирующего вещества, выделяют кристаллические, пегматитовые, стекловатые, порфировые и другие структуры горных пород. При определении характера кристаллической структуры горной породы устанавливают, в частности, крупность зерен. В зависимости от их размеров у твердых горных пород (гранит и др.) выделяют крупнозернистые структуры – более 40 мм; среднезернистые – от 2 до 10 мм; мелкозернистые – до 2 мм. У природных камней средней твердости (мрамор и др.) структура с размером зерен более 1 мм считается крупнозернистой; от 25 до 1 мм – среднезернистой; до 0,25 мм – мелкозернистой. Образцы для оценки структуры и других физико-механических испытаний получают из природного камня, добываемого из массива на этапах геологической разведки. При оценке структуры природного камня отбирают куски возможно больших размеров с характерным для данной горной породы расколом. Учитывают размеры, форму образцов, характер раскола, фактуру поверхности раскола, стойкость минералов (способность при ударе раскалываться по определенным плоскостям), трещины, включения, секреции, а также звук от удара молотком.
Способы добычи и обработки природного камня, его рациональное применение в строительстве связывают, прежде всего, с твердостью материала. При определении твердости природных камней пользуются шкалой Мооса, сравнивая их твердость с твердостью определенных минералов, расположенных в характерном порядке по мере нарастания твердости: тальк, гипс, кальцит, плавиковый шпат, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз. Более точные данные о показателе рассматриваемого свойства получают, определяя микротвердость горной породы с помощью специального прибора (ПМТ-3), принцип действия которого основан на вдавливании в образец алмазной пирамиды.
Соотношение между твердостью минералов по шкале Мооса и твердостью, определяемой на приборе ПМТ-3

Минерал

Структура
Твердость по шкале Мооса
Твердость по ПМТ-3, МПа

Тальк
Чешуйчато-кристаллическая, совершенная спайность в одной плоскости
1
24

Гипс
Зернисто- или волокнисто-кристаллическая, совершенная спайность в одной плоскости
2
360

Кальцит
Кристаллическая, совершенная спайность в трех плоскостях
3
1090

Плавиковый шпат
Зернисто-кристаллическая, совершенная спайность в трех плоскостях
4
1890

Апатит
Зернисто-кристаллическая, совершенная спайность
5
5360

Ортоклаз
Призматическая, совершенная спайность в двух плоскостях
6
7950

Кварц
Кристаллическая, спайность отсутствует
7
11 200

Топаз
Кристаллическая, совершенная спайность в одной плоскости
8
14 270

Корунд
Мелкокристаллическая, спайность отсутствует
9
20 600

Алмаз
Кристаллическая, спайность по граням октаэдра
10
106 000

В зависимости от твердости природные камни делятся на три группы: твердые (6-7), средней плотности (3-5) и мягкие (1-2). Средняя плотность природных каменных материалов, в зависимости от их вида, обычно находится в пределах 800 – 3100 кг/м3.
Действие воды, замораживания-оттаивания, в также механических нагрузок на свойства природных каменных материалов в большей мере зависит от пористости, которая меняется в весьма широких пределах. Водопоглощение твердых природных камней, как правило, находится в пределах 0,01-5%; у природных камней средней твердости – в пределах 0,1 – 40%. Коэффициент размягчения указанных природных материалов средней твердости, как правило, не менее 0,6. Морозостойкость каменных материалов сравнительно высока. Твердые природные камни (гранит, диорит, сиенит, габбро) выдерживают 300 и более циклов лабораторных испытаний; диабаз, базальт – 50 и более. Природные камни средней твердости – более 25 циклов, мягкие – 15 циклов и более.
Предел прочности при сжатии природных каменных материалов зависит от их твердости. Для определения предела прочности при сжатии обычно испытывают образцы в виде куба или цилиндра, выпиленные или высверленные из целого изделия. Для испытания сравнительно крупных блоков, высота которых более чем в 1,5 раза превышает толщину, приготовляют (выпиливают, высверливают) два образца: со стороны верхней и со стороны нижней грани.
Истираемость имеет большое значение, прежде всего, для природных каменных материалов, которые используют для покрытий полов в различных общественных сооружениях. Весьма мала истираемость у твердых материалов – не более 0,5 г/см2. У большинства природных камней средней твердости истираемость в пределах 1 – 5 г/см2.
Долговечность природных камней, как правило, связана с их твердостью. К весьма долговечным природным камням относятся мелкозернистые граниты. Первые признаки их разрушения при наружной облицовке зданий в городах средней полосы России могут наблюдаться только через 500 лет. Крупнозернистый гранит, сиенит, габбро, лабрадорит – 200 лет; песчаник -100 лет; мрамор, пористый известняк, гипсовый камень – первые признаки разрушения наблюдаются через 25 лет и менее.
Эстетические характеристики природного камня высоко оцениваются специалистами. Богатство расцветок природных каменных материалов исключительно велико. В большей мере это объясняется тем, что 85% минералов окрашено природой. Так, 40% минералов зеленые, 20% - желтые, 10% - красные и коричневые, 7% - черные, 5% - синие, 3% - фиолетовые и пурпурные. Трудно назвать какой-либо участок цветного спектра, который не был бы повторен в природном камне. Это обстоятельство часто заставляет при оценке цвета природного камня прибегать к усложненным определениям. Например, желая подчеркнуть колористические особенности полупрозрачного белого мрамора, его называют «опалово-белым». Уточняя оттенок цвета рассматриваемых материалов, часто применяют двойную характеристику цвета – кирпично-красный, лимонно-желтый и т.д. Объективная колористическая оценка природного камня связана с определением известных параметров цвета. Прежде всего, целесообразно природные камни разделить на одноцветные (или равномерно окрашенные), например песчаник или белый мрамор, и многоцветные – из различно окрашенных породообразующих минералов. Для многоцветных природных камней важен «средний» преобладающий цвет. Четкость восприятия этого «среднего» цвета зависит от степени зернистости породы и контрастности расцветки, входящих в нее минералов. Например, в мелкозернистых породах расцветка сливается в свой «средний» цвет уже на расстоянии 2-3 м. Одноцветные и многоцветные природные камни разделяются на ахроматические и хроматические. Для ахроматических природных каменных материалов один из основных критериев декоративности – светлота, которая может меняться от 3,5 до 89%. Наиболее декоративны природные камни со светлотой не менее 56% (белые известняки и мрамор) или не более 6% (черные габбро и лабрадорит). Хроматические твердые природные камни более декоративны, чем ахроматические, но встречаются в природе гораздо реже. Например, из многих месторождений гранита около 75% относятся к серым и лишь 25% - к красным и красноватым. При оценке цвета природных каменных материалов следует также учитывать блеск минералов. Различают тусклый, жирный, перламутровый и яркий блеск. Некоторые разновидности минералов, например, лабрадор, обладают свойствами ирризации (отблеск в изломе или на полированной поверхности обычно синего, зеленовато-синего цвета).
Объективная колористическая характеристика природного камня связана с определением известных параметров цвета и количественным определением блеска с помощью фотоэлектрического блескомера. При оценке цвета светлых пород со сравнительно высокой пористостью, например, известняков, учитывают, что при эксплуатации они могут изменять цвет под влиянием атмосферных и других воздействий, в том числе запыления. Оценку цвета конкретного материала из природного камня производят также визуально по принятому заказчиком образцу-эталону с полированной поверхностью.
По характеру обработки фактуры природного камня делят на две основные группы: абразивные (пиленая, грубо- и тонкошлифованная, лощеная, полированная) и ударные («скала», крупно- и мелкобугристая, крупно- и мелкорифленая, бороздчатая, точечная или кованая). Кроме того, выделяют вскрытую (очищенную) фактуру и получаемую после обработки поверхности природного камня высокой температурой – термообработанную.
Пиленая фактура характеризуется сравнительно ровной с тонкими штрихами поверхностью и высотой рельефа до 3 мм. Грубошлифованная фактура отличается высотой рельефа 0,2-0,5 мм, повышенным светорассеянием, имеет следы обрабатывающего инструмента. Тонкошлифованная фактура – гладкая бархатистая. Лощеная фактура представляет собой последнюю грань шлифования и имеет слабый блеск. Полированная фактура получается на конечной стадии абразивной обработки и характеризуется зеркальным блеском. При этом предельно выявляются цветовой тон и текстура камня. Качество полировки можно оценивать по интенсивности отражения света, определяя соответствующий показатель (, %:
( = а · 100/b, (11)
где а и b – интенсивность отражения света в единицах шкалы блескомера соответственно обработанной и эталонной поверхности.
Вскрытая (очищенная) фактура характеризуется матовой поверхностью с хорошо выявленной текстурой, получается после ультразвуковой обработки природного камня в водной среде.
Термообработанная фактура отличается шероховатостью, следами шелушения. Для ее получения лицевую поверхность природного камня обрабатывают высокотемпературной струей, выходящей из реактивной горелки термоинструмента. При этом от породы отделяются мелкие чешуйчатые частицы.
При оценке абразивных фактур учитывают, что они наиболее явно обнаруживают все дефекты природного камня. Большая часть природных дефектов неустранима. Но каверны, местные сколы и трещины можно заполнить специальной мастикой (горячей или холодной).
У фактуры «скала» грубый рельеф высотой 50 мм и более, который получают с помощью закольника или колочного станка. Такую фактуру рекомендуют, в основном, для твердых природных камней (гранита, габбро, лабрадорита), но она допустима и для плотных камней средней твердости. Бугристые фактуры характеризуются наличием на поверхности равномерно распределенных бугров и впадин. Выполняют их скалывающими инструментами (шпунтами, узкой скарпелью), которыми наносят удары под углом в 45-60о к обрабатываемой поверхности. Высота рельефа для мелкобугристых фактур 3-6 мм, для крупнобугристых – 7-15 мм. Бугристую фактуру рекомендуют для гранита, ряда пород средней твердости, например, песчаников или плотных известняков. Рифленые фактуры отличаются наличием непрерывных параллельных борозд, располагаемых без строгой прямолинейности и получаемых с помощью строгальных станков или ручного инструмента (троянки). У крупнорифленых фактур высота рельефа 1-2 мм, у мелкорифленых – 0,5-0,7 мм. Эти фактуры рекомендуются для пород средней твердости. Бороздчатая фактура имеет прерывистые борозды, получаемые пластинчатой бучардой или катучей фрезой. Высота рельефа до 3 мм. Обычно эта фактура применяется на граните, габбро, лабрадорите. Точечная, или кованая, фактура представляет собой незначительные углубления, равномерно распределенные на предварительно выровненной поверхности. Обработку поверхности производят бучардой с различным количеством зубьев. Удары наносят перпендикулярно к обрабатываемой поверхности. Высота рельефа 0,5-2 мм. Кованая фактура рекомендуется только для твердых природных камней. При оценке ударных фактур учитывают, что при наружной облицовке под влиянием атмосферных воздействий материалы и изделия из темноокрашенных горных пород с рассматриваемой фактурой (например, из гранита, габбро) запыляются, несколько теряют насыщенность цветового тона и осветляются.
Насыщенность цветового тона особенно заметно выделяется при полированной фактуре, но существенно снижается при лощеной или шлифованной. Светлота ахроматического природного камня может меняться, в зависимости от принятой фактуры, от 5 до 42%, то есть в 8 раз. Светлота поверхности увеличивается при переходе от зеркальной к кованой фактуре, но снижается при переходе от кованой к фактуре «скалы». Соответствие поверхности материалов из природного камня заданной фактуре устанавливают сопоставлением с образцом-эталоном размером не менее 250х400 мм, изготовленным камнеобрабатывающим предприятием и согласованным с заказчиком.
Текстура природных каменных материалов связана с неоднородностью их структуры, которая, в свою очередь, определяется условиями образования горной породы. Гораздо богаче текстура у изверженных излившихся, метаморфических и некоторых осадочных пород, обладающих средней твердостью. Характер рисунка таких природных каменных материалов может быть облачным или подчеркнуто контурным. В облачном рисунке основной цвет природного камня остается, меняются лишь оттенки. Контурный рисунок образуется после заполнения трещин в горных породах материалом, отличающимся по цвету от общей массы. Следует учитывать, что чем богаче, разнообразнее текстура природного камня, тем он менее долговечен.
Эстетические свойства природных каменных материалов связаны также с оценкой их размеров и возможных дефектов внешнего вида. Грани облицовочных плит из природного камня не должны отклоняться от прямого угла (просвет под угольником) более 1 мм на 1 м длины плиты. Отклонения от номинальных размеров плит не должны превышать, мм: по длине и ширине (1 для плит до 600 мм и (2 для плит свыше 600 мм; по толщине (1 для плит от 8 до 15 мм, (2 для плит из мрамора свыше 15 мм и (3 для плит из других горных пород. Плиты с полированной, лощеной и тонкошлифованной фактурой в зависимости от качества лицевой поверхности разделяют на два класса. Плиты 1-го класса не должны иметь на лицевой поверхности видимых повреждений. У плит 2-го класса допускаются повреждения углов длиной по ребру не более 5 мм – не более 2 шт., скалы длиной не более 5 мм по ребрам периметра – не более 3 шт. для плит из твердых пород и не более 2 шт. для плит из пород средней твердости. Трещины не допускаются (на плитах из цветного мрамора может быть одна несквозная трещина тектонического происхождения шириной не более 0,05 мм и длиной 1/3 ширины плит).
Размеры, форму и дефекты внешнего вида материалов из природного камня контролируют с помощью металлических измерительных инструментов (линеек, угольников). Для профильных изделий используют шаблоны.
Области применения. В архитектурно-строительной практике природные каменные материалы используют как конструкционные (блоки для фундаментов, стен), конструкционно-отделочные (плиты для пола, лестница), отделочные (плиты, профильные изделия для наружной и внутренней облицовки). Блоки из природного камня для фундаментов и кладки наружных стен применяются, как правило, как местный строительный материал для двух-, трех- и пятиэтажных жилых, общественных и промышленных зданий. Например, из известняковых блоков построен дом в г. Судак в Крыму, из туфа – многочисленные здания в Ереване. Из природного камня возведены в США провинциальные школы, ратуши, машиностроительный завод в г. Литлтоне и др. В Греции, Италии, Турции и других странах для кладки стен применяются каменные блоки правильной формы, рваный бут. Блоки для кладки стен из песчаника светло-коричневые, желтые, красные; из известняка – серые, светло-серые, желтые, розовые; из туфа – красные, фиолетовые, розовые, светло-коричневые, оранжевые. Эти цвета, причем различных оттенков, оказывают большое влияние на эстетическую выразительность зданий и сооружений.
Отделочные материалы из природного камня для наружной и внутренней облицовки отличаются, прежде всего, более высокой долговечностью по сравнению с другими материалами аналогичного назначения. Это подтверждается многолетней эксплуатацией многочисленных зданий различного функционального назначения в нашей стране и за рубежом. Так, в России ХХ в. ведущим потребителем облицовочных материалов из природного камня являлась Москва. Многие жилые, общественные и административные здания, набережные р. Москвы, мосты облицованы материалами из гранита (месторождения Украины), мрамора (месторождения Урала, Грузии) и других горных пород различных месторождений. Музей изобразительных искусств имени А.С. Пушкина, главный корпус гуманитарных факультетов МГУ, хореографическое училище ГАБТ, библиотека Академии медицинских наук, жилые дома на Люсиновской улице, здание Государственной думы, гостиница «Россия», здание ЦУМА, Дом Правительства на Краснопресненской набережной – лишь отдельные примеры применения наружной облицовки из природных каменных материалов в столице России.
И в зарубежной архитектурно-строительной практике материалы из природного камня применяются в значительных количествах для наружной облицовки общественных и административных зданий. Весь огромный фасад здания Фонда Форда в Нью-Йорке облицован плитами из гранита с полированной фактурой.
Белый мрамор и детали из темного гранита украшают фасад Дома концертов и конгрессов «Финляндия» в Хельсинки. Плитами из песчаника со шлифованной фактурой и из полированного гранита облицовано здание банка «Сого» в г. Фукуока в Японии, а здание Верховного суда в Токио – горизонтальными плитами (полосами) из светлого гранита с бугристой фактурой. Вид фактуры, как уже было сказано, в значительной мере определяет эстетическую выразительность отделки. Отметим, что в современной японской архитектуре для облицовки зданий используют также гальку, булыжник, рваный камень, валуны.
Гораздо более значительны объемы применения в зарубежной практике, по сравнению с отечественной, природных каменных материалов для отделки интерьеров. До 90-х гг. ХХ в. материалы из природного камня в России использовали в основном для отделки интерьеров уникальных общественных, административных и некоторых промышленных зданий. Так, на отделку станций Московского метрополитена были израсходованы сотни тысяч квадратных метров мрамора, лабрадорита, известняка, кварцита и других горных пород. В облицовке интерьеров Дворца съездов в Кремле использован природный камень из 18 месторождений Урала, Украины, Армении и др. Интерьеры высотных зданий и олимпийских объектов в Москве, театров в столице и других городах, Братской и Саратовской гидроэлектростанций – далеко не полный перечень примеров применения природных каменных материалов. В настоящее время все ограничения на использование материалов из природного камня в интерьерах зданий и сооружений в нашей стране отменены. Обычно восприятие природных каменных материалов в интерьере связывают с ощущением торжественности, чистоты и даже холода (при лощеной и полированной фактурах). С экологической точки зрения горные породы, и, прежде всего твердые (гранит и др.), требуют предварительных исследований, позволяющих определить количество природных газообразных радионуклидов (радон), большая концентрация которых небезопасна для здоровья человека.

Литература: [1], с. 83-97; [2], с. 95-98; [7], с. 90-95; [9], с. 57-59.
Тема 4.1 Определение и краткие исторические сведения. Основы производства
керамических материалов
Краткие исторические сведения. Наряду с древесиной и природным камнем, керамические материалы применялись еще в глубокой древности. Известно, что за 12 тыс. лет до н.э. в Древнем Египте возводились глинобитные сооружения из сырцового кирпича (без специальной тепловой обработки, чему способствовал сухой климат) и изготовлялись керамические изделия для облицовки (ХХVІІІ в. до н.э.). В Месопотамии, в долине рек Тигра и Евфрата, самым распространенным материалом в архитектуре был керамический кирпич, который широко использовался при строительстве дворцов, каналов, мостов и культовых сооружений – зиккуратов. Так, на строительство знаменитой Вавилонской башни высотой 90 м было израсходовано не менее 40 млн. шт. кирпича. Приемы украшения фасадов зданий керамическим кирпичом с глазурованной лицевой поверхностью и другими керамическими изделиями (ХХІІ – ХХІ вв. до н.э.) оказали впоследствии большое влияние на искусство зодчих Востока. В Древней Индии также широко применялись керамические материалы. Археологические раскопки в Пенджабе показали, что за 3 тыс. лет до н.э. строились двух- и трехэтажные здания из керамического кирпича. Еще в период неолита в Древнем Китае изготовлялись керамические изделия. К шедеврам древней культуры (4-3-е тыс. лет до н.э.) относятся найденные в раскопках расписные керамические сосуды. Всемирно известным памятником середины 1-го тысячелетия до н.э. является Великая Китайская стена, построенная из керамического кирпича и камня с засыпкой землей. Длина стены со всеми ответвлениями 4247 км, высота до 10 м, ширина от 5 до 8 м. Облицовка некоторых секций состоит из трех – четырех плотных слоев кирпича. Зодчие Древней Греции высоко ценили керамические изделия, в том числе терракотовые (VІ – ІІІ вв. до н.э.). Достижения архитектуры Древнего Рима во многом связаны и с керамическими материалами. Изобретение и широкое применение искусственного камня – бетона не привело к отказу от использования керамического кирпича, например, при строительстве Колизея, Пантеона и других известных сооружений. Архитектура зданий из керамического кирпича, созданная на основе античных традиций, приобрела ведущую роль в Византии – наследнице Восточной Римской империи (образовалась в 395 г.). Известные памятники архитектуры Среднего Востока, в том числе эпохи правления Тимура (ХІV – ХV вв.), возведены из керамических материалов. Монументальные культовые сооружения Самарканда, Бухары и других городов (мечеть Биби-Ханым, ансамбль Шахи-Зинда, мавзолей Туман-Ака, усыпальница Гур-Эмир и др.) до сих пор поражают воображение богатством цветового орнамента. Ведущее место керамические кирпич и черепица заняли в строительстве эпохи Возрождения, их использовали при возведении стен, сводов, сферических куполов большинства флорентийских и сиенских дворцов. На протяжении многих сотен лет керамические материалы широко применяли и в Древней Руси. В то время, когда в странах Западной Европы изготовляли лишь двухцветные керамические плитки, в великокняжеских мастерских Киева уже с Х в. получали многоцветные плитки для облицовки стен и пола. В одном из выдающихся памятников древнерусского зодчества – соборе в центре Новгородского Кремля (1045г.) – из керамического кирпича выложены арки, порталы, оконные проемы. Полоцкие и смоленские мастера с Х в. использовали керамический кирпич для возведения цилиндрических сводов в церквах. При строительстве многочисленных церквей на Севере и во Владимире, Духовской церкви (1476 – 1477 гг.) в Троице-Сергиевском монастыре, Благовещенского храма в Московском Кремле (1484 – 1489 гг.), церкви Вознесения в Коломенском под Москвой (1532 г.), церкви Иоанна Предтечи в с. Дьякове (1547 г.) и многих других выдающихся памятников архитектуры русские зодчие широко и умело применяли керамические материалы. Бесконечное разнообразие форм Покровского собора (храма Василия Блаженного, 1555 – 1560 гг.) на Красной площади в Москве связано с применением 18 типоразмеров керамических кирпичей, в том числе лицевых профильных. В русской каменной архитектуре такой кирпич применялся с ХV в. не только в уникальных сооружениях, но и во многих жилых зданиях Москвы и Ярославля, а также в Белозерском монастыре под Вологдой, который отличается уникальной старорусской узорно-рельефной кирпичной кладкой.
Основы производства. Сырье. Основным сырьевым компонентом керамических строительных материалов является глина - осадочная горная порода, состоящая из природных водных алюмосиликатов с различными примесями. Глина, замешанная с определенным количеством воды, образует глиняное тесто, обладающее связностью и пластичностью, способное в процессе обжига образовывать прочный искусственный камень.
Технология производства керамических материалов в большей мере связана с характеристиками используемых глин Воздушная линейная усадка глин для производства архитектурной терракоты не должна превышать 5%, общая – 8,5%; содержание растворимых солей не должно быть выше 1,2%. Глиняные массы содержат кроме глины различные добавки, оказывающие влияние на свойства керамического материала. Отощающие добавки (шамот, дегидратированная глина, песок, зола, гранулированный шлак) вводятся в состав керамической массы для понижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. Порообразующие добавки вводят в сырьевую массу для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью. Для этого используют вещества, которые при обжиге диссоциируют с выделением газа. В процессе производства используют также добавки для повышения дисперсности, пластичности и связности глиняных масс, так как осуществлять «вылеживание» глин в современных условиях (высокие температуры, ограниченные производственные площади) весьма сложно.
Основы технологии. Основные технологические переделы при получении керамических материалов: подготовка сырья, дозировка, перемешивание, формование, сушка, обжиг.
Выделяют три способа формования керамических масс: пластический, полусухой, литье. Способ полусухого формования предполагает использование керамических пресс-порошков с влажностью 8-10%, которые уплотняются при давлении 15-40 МПа в специальных формах. Способ литья применяют обычно при получении сравнительно тонких керамических материалов (мозаичных плиток толщиной 2 мм и др.). Жидкая керамическая масса (шликер) поступает в специальные поддоны на автоматизированной конвейерной линии. Цель процесса сушки – снизить усадочные деформации и предотвратить возможное растрескивание материала при последующем обжиге. Наиболее распространены конвективный и радиационный способы сушки. При конвективной сушке теплоноситель (дымовые газы, горячий воздух) омывает изделия и передает им теплоту; при радиационной – изделия воспринимают теплоту от нагретых поверхностей. На заводах для сушки изделий используют туннельные и камерные сушилки. В процессе обжига образуется структура керамического материала, определяющая его свойства, в том числе прочность. Возможные дефекты при обжиге необратимы. Например, при отклонении от оптимальной для данного материала температуры обжига может быть пережог. При пережоге происходят потеря формы, оплавление поверхности. При недожоге ухудшаются основные показатели эксплуатационно-технических свойств.
Обработка лицевой поверхности керамических материалов связана с их видом и проводится различными технологическими способами, среди которых выделяют: механическую обработку, ангобирование, глазурование, сериографию, шелкографию. Механическая обработка предполагает использование специальных приспособлений, позволяющих получать рельефный рисунок в процессе формования материала или после него. Ангобирование – нанесение механическим способом на лицевую поверхность белых или цветных жидких глиняных масс толщиной 0,25-0,4 мм. Ангобы разделяют на глинопесчанистые, флюсные и «античные лаки». Глинопесчанистые ангобы содержат обычно глину, песок и иногда в небольших количествах мел. В состав флюсных ангобов, кроме глины и песка, вводят различные вещества, которые снижают температуру обжига, способствуют уплотнению и спеканию. «Античные лаки» отличаются от глинопесчанистых добавкой красящих оксидов. Ангобные покрытия должны быть однотонны, морозостойки (не менее 25 циклов), на них не должно быть волосяных трещин (цека), отколов, вздутий, натеков. Глазурование – покрытие различными способами слоем жидкой глазури толщиной 0,15-0,3 мм. Глазури, состоящие из кварца, полевого шпата, каолина и других компонентов, образуют после обжига стекловидный слой, отличающийся блеском. Реже применяют глазури, позволяющие получать матовую фактуру – со слабым блеском. При глазуровании стекловидная пленка может образоваться в результате стеклообразования на самом изделии (при политом обжиге) из исходных тонкоизмельченных составных частей глазури или в результате сплавления частиц стекла, ранее сваренного и затем размолотого в порошок для удобства нанесения на лицевую поверхность. В первом случае получают нефриттованную, а во втором – фриттованную глазурь. Способ сериографии предполагает изготовление по фотоснимку рисунка сетки-трафарета, с помощью которой красящий состав наносят на материал, затем изделие глазуруют и обжигают. Шелкография – нанесение орнаментированного рельефа глубиной до 1 мм при прессовании материала металлическим штампом с рисунком. Рельефный рисунок может быть получен также при пульверизации глазури на металлический трафарет, который устанавливают на высушенный материал.
Литература: [1], с. 101-122; [2], с. 194-203; [10], с. 191, 224.


Тема 4.2 Номенклатура, свойства, методы испытаний и оценка качества
керамических материалов
Номенклатура. Среди керамических материалов, выпускаемых промышленностью, - стеновые материалы (кирпичи, камни, блоки), плитки и плиты, черепица, санитарно-технические, архитектурно-художественные изделия, а также материалы специального назначения: трубы, дорожный кирпич, кислото- и огнеупорный кирпич, теплоизоляционные, краски.
Кирпичи, камни и блоки отличаются размерами: камень больше кирпича по толщине, как правило, в 2 раза и более, блоки значительно крупнее камней. Кирпичи и камни разделяют на полнотелые (керамическая масса заполняет весь объем изделия) и пустотелые (с технологическими пустотами, полученными в процессе формования). Пустотелые изделия называют эффективными (при средней плотности не более 1400 кг/м3) – наличие технологических пустот позволяет снизить теплопроводность кирпичной кладки, что приводит к экономии энергетических затрат на отопление здания или к уменьшению толщины наружных стен. Блоки выпускают только пустотелые. В зависимости от назначения выделяют обыкновенные (скрытые в «теле» конструкции) и лицевые (одна или две грани в процессе эксплуатации воспринимаются визуально) кирпичи, камни и блоки. Плитки (длина и ширина до 150 мм) и плиты (более крупных размеров) используют для фасадов, внутренней облицовки стен, для покрытия полов. Эти изделия производят более 16 типов в зависимости от размеров. Их форма весьма разнообразна: квадратные, прямоугольные, четырех-, пяти-, шести- и восьмигранные, фигурные, фасонные (угловые, карнизные, плинтусные и др.). Черепица для кровли производится из легкоплавких глин различных размеров и типов – рядовая, коньковая, разжелобочная, концевая, специальная и др. Санитарно-технические керамические изделия (ванны, раковины, унитазы, умывальники и др.) изготовляют из фаянса, полуфарфора и фарфора. Различный рельеф, в том числе рельеф сложного профиля, имеют изделия архитектурно-художественной керамики, используемые для внешней и внутренней художественной отделки. Эти изделия бывают одно- и многоцветными. В качестве красителей используют различные цветные глины, хромистый железняк, марганцевую руду. Для интенсификации цвета в глиняную массу вводят до 3% силикат-глыбы. Неглазурованные изделия называют архитектурной терракотой. Ее эстетические характеристики связаны со способами формования: пластического штампования (на фрикционных, гидравлических прессах), пластического формования (на шнековых прессах). Способ ручного формования (в гипсовых формах) предполагает получение индивидуальных изделий со сравнительно сложным и глубоким рельефом. Керамические трубы применяют для дренажных (мелиоративных) систем и отвода сточных и щелочных вод. Их выпускают различных диаметров и длины из достаточно пластичных глин. Например, размер канализационных труб по длине может быть 800 – 1200, внутренний диаметр 150 – 600 мм. Для изготовления дорожного кирпича (клинкерного) применяют тугоплавкие глины. Характерный размер такого кирпича 200х110х65 или 220х110х75 мм. Кроме дорожного строительства, его применяют для устройства тротуаров, полов промышленных зданий. Кислотоупорные керамические материалы (кирпич, плитки, трубы и фасонные части к ним) получают из глин, которые не содержат примеси, понижающие химическую стойкость (например, гипс, карбонаты). Огнеупорные керамические материалы применяют при строительстве промышленных печей, топок и оборудования, работающих при температуре 1580-1770оС. Применяют в основном кремнеземистые, алюмосиликатные, шамотные (из смеси огнеупорной глины и порошка обожженной и размолотой такой же глины) и легковесные огнеупоры. Последние отличаются сравнительно высокой пористостью – до 83% и низкой средней плотностью 400-1300 кг/м3. Большая пористость керамических теплоизоляционных материалов создается путем введения в глиняную массу пенообразователей и выгорающих добавок. Для теплоизоляции при более высоких температурах используют алюмосиликатные и другие волокнистые материалы. Керамические краски – смеси жаростойких минеральных пигментов с легкоплавкими стеклами (надглазурные краски) или с керамическими массами и глазурями (подглазурные краски).
Свойства и методы испытаний. Эксплуатационно-технические свойства керамических материалов непосредственно связаны с характером их структуры, образующейся в процессе обжига. Выделяют материалы с пористым и плотным черепком. Большинство керамических материалов имеют пористую структуру (кирпич, черепица, плиты и плитки для облицовки стен и др.). Пористость их обычно более 30%.
Водопоглощение пористых материалов по массе обычно не менее 8-20%, по плотным гораздо меньше – 1-6%. Соответственно морозостойкость плотных керамических материалов заметно выше. Теплопроводность плотных керамических материалов превосходит аналогичную величину пористых в 2 раза и более. Для определения водопоглощения кирпича керамического обыкновенного, кирпича пустотелого, керамических камней, плит фасадных от партии отбирают три наиболее типичных образца (целые или их половинки). При испытании керамических плит, архитектурных деталей, имеющих значительные размеры, выпиливают образцы длиной и высотой 100 мм, толщиной, равной толщине изделия. Образец, выпиленный из пустотелого изделия, должен содержать не менее одной полной пустоты. Образцы очищают от пыли и грязи войлочной щеткой, высушивают до постоянной массы, взвешивая с погрешностью 1г. образцы насыщают водой при температуре 20(5оС, при кипячении или под вакуумом в соответствии с указаниями ГОСТа. Так плиты керамические для внутренней облицовки стен (3 образца) после высушивания насыщают водой в ванне в течение 48 ч. при температуре 20(5оС. Плитки для полов (5 образцов) промывают дистиллированной водой, высушивают после остывания и кипятят в ванне с водой в течение 1 ч.
Морозостойкость кирпича, камней, плиток, черепицы оценивают, используя целые изделия. Из фасадных плит и архитектурных деталей предварительно готовят образцы, размеры которых аналогичны размерам образцов для определения водопоглощения. От каждой партии отбирают не менее 5 изделий для испытаний, а 5 изделий являются контрольными – после насыщения водой в течение 48 ч. их испытывают на сжатие. Испытуемые образцы после насыщения водой в течение 48 ч. помещают в морозильную камеру с температурой -17оС. Расстояние между образцами должно быть не менее 20 мм, чтобы был обеспечен доступ холодного воздуха. Морозильную камеру загружают не более чем на 50%. Время выдержки образцов в морозильной камере зависит от толщины их стенки: при соответствующей толщине не более 50 мм их выдерживают 4 ч.; при толщине стенок 70,7 мм – не менее 6 ч.; при толщине стенки 100 мм – не менее 8 ч. Продолжительность одного замораживания кирпича различных видов не менее 5 ч. Длительность оттаивания образцов в ванне с водой при температуре 15-20оС не менее 4 ч. После каждых пяти или десяти циклов замораживания-оттаивания оценивают степень разрушения или повреждения материала. При необходимости определяют потерю прочности образцов, сравнивая предел прочности при сжатии после определенного количества циклов замораживания-оттаивания с аналогичной величиной после насыщения водой в течение 48 ч. О функциональной надежности лицевого слоя плиток и плит судят по показателю термостойкости – способности выдерживать резкую смену температуры (нагрев в воздушной бане до 100оС и погружение в воду с температурой +18+20оС). При этом целостность лицевого слоя должна сохраняться. Прочность керамических материалов также связана с пористостью их структуры. Так, различают следующие марки кирпича керамического в зависимости от предела прочности при сжатии в кгс/см2 (с учетом предела прочности при изгибе – материал подвергается в кладке и изгибу): 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300. Но кирпич дорожный – материал с плотным черепком – имеет более высокие марки – 400, 700 и 1000. Указанные цифры означают, что предел прочности материала при сжатии не ниже данной величины в кгс/см2.
Фарфоровые изделия с плотным черепком имеют предел прочности при сжатии до 5000 (500 МПа). Для определения предела прочности при сжатии кирпича и камней керамических их укладывают постельными гранями один на другой. Предварительно отобранные для испытания образцы полнотелых изделий распиливают (дисковой пилой на станке) на две равные части по ширине и, направляя поверхности распила в противоположные стороны, склеивают цементным тестом. Тесто готовят на основе портландцемента не выше М400, толщина слоя не более 5 мм. Аналогичным цементным тестом выравнивают внешние поверхности. Толщина слоя в этом случае 3 мм. Полученные образцы, близкие по форме к кубу, выдерживают до испытания 3-4 сут. во влажных условиях. Допускается определять предел прочности при сжатии полнотелого кирпича, испытывая целые изделия, склеивая и выравнивания их поверхности аналогичным образом. Целые изделия испытывают и при определении предела прочности при сжатии кирпича и камней керамических пустотелых. Предел прочности при изгибе устанавливают, испытывая целое изделие, уложенное постельной гранью на две опоры (с закруглением радиусом 10-15 мм), находящиеся на расстоянии 200 мм. Сосредоточенную нагрузку прилагают к аналогичной опоре в середине пролета. Для выравнивания постели кирпича в местах приложения нагрузки наносят слои цементного теста шириной 20-30 и толщиной 3 мм. Перед испытанием образцы выдерживают во влажных условиях 3-4 суток. Предел прочности при сжатии фасадных плит определяют, используя изделия или образцы, выпиленные из плит, с учетом следующих требований: размеры образцов из верхней части по длине и высоте должны быть не менее 120 мм при натуральной толщине образца; из хвостовой части плиты выпиливают два равных куска и соединяют их (налагая друг на друга) слоем цементного теста не более 5 мм. Верхние и нижние поверхности образцов из верхней и хвостовой частей плит выравнивают слоем цементного теста не более 3 мм по толщине. Перед испытанием образцы выдерживают 3 суток при температуре 15(5оС в закрытом помещении. Предел прочности при изгибе определяют, используя целые фасадные плиты. При этом одна из цилиндрических опор должна быть подвижной, расстояние между опорами 200 мм. Нагрузка прикладывается к опоре в середине пролета. Прочность черепицы на излом измеряют, прикладывая сосредоточенную нагрузку к образцам, расположенным также на двух цилиндрических опорах. При испытании пазовой штампованной черепицы расстояние между осями опор 300 мм, при испытании ленточной плоской – 180 мм. Для равномерного распределения нагрузки на опоры наносят слой гипсового раствора шириной 20-30 мм.
Эстетические свойства керамических материалов связаны с видом и составом используемого сырья (в первую очередь глины), параметрами различных технологических переделов и могут регулироваться в процессе производства. Большинство месторождений глин содержит оксиды железа в количестве, обеспечивающем керамическим стеновым материалам различные оттенки красного цвета. При наличии в глинах большого количества известковых включений изделия приобретают светло-коричневые и бежевые тона. Добавляя в глиняную массу из светложгущихся глин минеральные красители, можно получить керамические изделия разных цветов и оттенков. Красные тона получаются при наличии оксидов железа, коричневые – марганцевых руд, серые – хромистых. Цвет изделия заметно изменяется при добавлении к светложгущейся глине обычного легкоплавкого суглинка. При содержании оксида железа в пределах 0,8-1,3% цвет меняется от чисто-белого до молочного, в диапазоне 2,7-4,2% от светло-желтого, охристого переходит к темно-желтому; при 5,5% изделие становится светло-красным, а при 8,5-10% - цвет плавно переходит от ярко-красного к темно-красному. При обжиге изделия могут приобретать также темно-серый или даже черный цвет. Рельефный рисунок получают при обработке лицевой поверхности керамических стеновых материалов в процессе формования специальными валиками, щетками, гребенками или горизонтальными струнами. Керамические стеновые материалы отделывают также методом торкретирования сухой минеральной крошки на лицевую поверхность. Минеральная крошка вдавливается в тело глиняного бруса, образуя оригинальные зернистую фактуру и цвет. Для торкретирования можно использовать кварцевый песок, шамот, бой стекла, различные фритты, отходы производства фарфора и фаянса, керамических плиток. Цветной лицевой слой на керамических стеновых материалах образуется после подачи в формующее устройство (мундштук) двух пластичных глиняных масс. Одна из них обычно представляет цветную глину различных месторождений или с добавкой природных красителей (железных, марганцевых, гематитовых руд, охры), а также пигментов, вырабатываемых на заводах керамических красок. Кроме указанных компонентов, в состав цветной массы входит кварцевый песок. Содержание глины обычно не менее 50%, песка не менее 27%. Декоративный слой с гладкой матовой или блестящей фактурой на стеновой керамике получают путем соответственно ангобирования или глазурования.
Плитки различного функционального назначения, санитарно-технические изделия могут иметь разнообразные цвет, фактуру и рисунок лицевой поверхности. Так, фактура плиток для внутренней облицовки стен может быть гладкой или рельефной (в том числе пирамидальной), блестящей или матовой. При использовании цветных прозрачных или глухих глазурей получают цветные однотонные плитки. Методом набрызгивания различных по цвету глазурей изготовляют плитки с мраморовидным рисунком. Одно- и многоцветный рисунок наносят на плитки методом сериографии или шелкографии. Одноцветный рисунок можно получать с помощью порошковых керамических красок, содержащих смолы, в электростатическом поле. Рельефный рисунок наносят на лицевую поверхность плитки в процессе прессования. Плитки для полов выпускают одно- и многоцветные, мраморо- и порфировидные, коврово-мозаичные, глазурованные рельефно-орнаментированные, орнаментированные шелкографическим способом. При изготовлении порфировидных плиток используют глинистое сырье различной природной окраски. Лицевой слой мраморовидных плиток получают напылением цветного порошка в распылительной сушилке. Санитарно-технические изделия покрывают прозрачной или глухой (белой или цветной) глазурью. Их эстетические характеристики связывают, в частности, с белизной, вызываемой рассеянным отраженным светом. Количественно белизна определяется как отраженной поверхностью изделия световой поток (в %), сравниваемый с белизной баритовой пластинки (ВаSО4), принятой за эталон.
Эстетические характеристики фарфоровых изделий связаны с просвечиваемостью – отношением интенсивности прошедшего через изделие диффузно рассеянного света к интенсивности света, падающего на изделие. Просвечиваемость зависит от состава структуры, толщины стенки фарфорового изделия и находится в пределах 0,2-2%. Снижение в определенных пределах содержания кварца, глинистых компонентов, регулирование состава глазури повышают просвечиваемость фарфоровых изделий. При оценке внешнего вида керамических материалов фиксируют размеры и возможные дефекты. На лицевой поверхности кирпича и камня лицевого не допускаются отколы, в том числе от известковых включений, пятна, выцветы и другие дефекты, видимые в расстоянии 10 м на открытой площадке при дневном освещении. Существуют допускаемые отклонения от номинальных размеров показателей внешнего вида лицевой поверхности. Плитки для внутренней облицовки стен в зависимости от качества лицевой поверхности делят на два сорта. Для глазурованных плиток 1-го сорта на лицевой поверхности не допускаются: отбитости, щербины или зазубрины на ребрах, плешины, пятна, мушки и наколы, видимые с расстояния 1 м, засорка, пузыри, волнистость и углубления, слипыш, просвет вдоль краев (у цветных), следы от зачистки вдоль ребер, нарушения декора (разрыв краски, смещение, нарушение интенсивности окраски), видимые с расстояния 1 м. На их лицевой поверхности не допускаются трещины, в том числе волосяные (цек), щербины, выплавки (выгорки), засорка, слипыш, мушки, пузыри, пятна, наколы, видимые с расстояния 1 м, сухость, сборка и волнистость глазури, неравномерность окраски, нечеткость контура рисунка, разрыв или смещение декора, недожог красок, видимые с расстояния 2 м. Санитарно-технические изделия не должны иметь отклонений от заданной формы. В зависимости от вида дефектов изделия оценивают с помощью металлических измерительных инструментов, контрольных шаблонов, мерного увеличительного стекла и визуально.
Области применения. К конструкционным и конструкционно-отделочным керамическим материалам относятся, прежде всего, кирпичи, камни и блоки. Из керамического кирпича возводится около половины всех жилых, общественных и промышленных зданий. В 30-х гг. ХХ в. керамический кирпич, как правило, использовали ненесущий теплоизоляционный и огнестойкий материал (одно из самых высоких зданий в мире «Эмпайр стэйт билдинг» (высота 378 м) в 1931 г. в США). В настоящее время часто возводятся весьма экономичные несущие кирпичные стены в зданиях различного функционального назначения, в том числе, в жилых домах. Конструкцию стены рассчитывают на работу совместно с перекрытиями на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Многоэтажные кирпичные здания повсеместно строятся и в нашей стране, и за рубежом (16-этажный жилой дом на Беговой улице, 14-этажный на Чонгарском бульваре в Москве, 18-этажное здание около Цюриха, 16-этажное в Биле, 13-этажное в Берне (Швейцария), многочисленные здания в Германии, Великобритании, США, Канаде). В ряде стран популярны крупноразмерные керамические стеновые материалы (камни, блоки), например, театр в Оренбурге, здания в Киеве и др. В современных многоэтажных зданиях кирпичные стены могут быть не только несущими, но и самонесущими, навесными. При создании образа фасада кирпичного здания часто используют лицевые изделия. Жилые дома в г. Пушкине (Ленинградской обл.), в г. Шевченко (Казахстан), здания Международного молодежного лагеря в Шереметьеве под Москвой – лишь единичные примеры применения рассматриваемых изделий. При этом лицевые поверхности кирпича весьма разнообразны по цвету и фактуре. Очень выразительно применение керамического кирпича в отделке интерьеров общественных зданий (зал в общежитии студентов Института им. Гнесиных в Москве, пивной бар в г. Калинине, средняя школа в жилом районе «Лаздинай» в Вильнюсе, зал Университета в Ювяскюле (Финляндия)). В странах Западной Европы широко используют керамическую черепицу для кровельных покрытий малоэтажных зданий, отдавая дань архитектурной выразительности этого материала и высокой долговечности (например, кровля зданий современной Венеции в Италии). Керамические плитки и плиты применяют для облицовки фасадов зданий, как правило, общественных и административных. Часто предпочитают плиты сравнительно крупных размеров, например, в Москве и Минске применяли прямоугольные плиты размером 292х142(92)х10(7) мм. Керамическими плитками облицованы фасады школ в Санкт-Петербурге и Киеве, здания Муниципалитета в Сейняйоки (Финляндия), производственного здания в Вене, гостиницы «Виру» в Таллинне и др. Архитектурная терракота использована при облицовке фасадов ряда зданий на Котельнической набережной и Смоленской площади в Москве, многоэтажных домов на Крещатике в Киеве и др. Значительны объемы применения керамических плиток и плит для внутренней облицовки стен и полов ванных комнат, туалетов, бассейнов. Изготовление полов с лицевым слоем из керамических плит даже в жилых комнатах переживает своеобразный бум в целом ряде стран. Расширение номенклатуры помещений объясняется созданием и распространением устройств для обогрева плит (кабельных или водных). При этом теплоноситель равномерно и быстро нагревает всю толщину пола. Керамические плиты, обладающие высокой теплопроводностью, всегда относились к «холодным» покрытиям полов, но в этом случае они становятся «теплыми», что обеспечивает более комфортные ощущения, чем при традиционном обогреве помещений.
Большое значение в современной лаконичной архитектуре имеет декоративно-художественная керамика для настенных панно, декоративных вставок, объемных композиций, решеток, элементов малых форм. Многочисленные примеры использования декоративно-художественной керамики можно увидеть в наружной (Дом архитектора в Москве, музей Леже в Бьо во Франции) и внутренней (интерьеры общественных зданий в странах Средней Азии, Украины, Эстонии, некоторых станций Московского и Ташкентского метрополитена) отделке.
Керамические производства Ростовской области.

Литература: [1], с. 105-118; [9], с. 63-70.
Тема 5.1 Определение и краткие исторические сведения. Основы производства
материалов из стеклянных и других минеральных сплавов
В глубокой древности в странах Ближнего Востока (Сирии, Египте) стекло применяли для имитирования драгоценных камней, изготовления украшений, декорирования изделий из природного камня или керамики. Не случайно и в древней архитектуре учитывали декоративные характеристики стекла. Зодчие Древнего Рима в І в. до н.э., отдавая дань оригинальным свойствам стекла, украшали стеклянными пластинками полы, стены, потолки и колонны общественных зданий. Еще ранее, с ІV в. до н.э., в Месопотамии широко применялась стеклянная мозаика. Мозаика и смальта использовались и в Древней Греции с ІІІ в. до н.э. Великолепные мозаики создавались на территории Византийской империи в V – VІ вв. (во дворце императоров, соборе Св. Софии в Константинополе и др.). С ІХ в. стекло для декоративной мозаики применялось во многих странах. В Киевской Руси мозаика в ХІ в. украшала полы, стены, своды и колонны храмов в Киеве (Софийский собор, Михайловский монастырь), Новгороде, Полоцке, Чернигове и др. Большое значение для эстетики интерьеров в Венеции с ХVІ в. стало играть зеркальное стекло, производство которого стало массовым с ХVІІ в. С VІ в. до н.э. в Римской Республике стекло стало широко пользоваться для заполнения оконных проемов. Это было литое толстое стекло с оплавленными краями. В Византии качество оконного стекла достигло высокого уровня в ІV в. И вот уже на протяжении многих столетий, более 19 веков, стекло применяется для окон – проемов в несущей массивной стене. Особую роль в истории архитектуры с VІ в. играли декоративные витражи. Стекло для них производилось вначале литьем, а затем цилиндрическим способом – методом выдувания. Готический стиль в архитектуре Франции ХІІ в. характеризовался и расцветом витражного искусства – почти во всех городах храмы украшались витражами. Всемирно известны витражи собора Парижской Богоматери, соборов Лана, Шартра, Пуатье и др. Во второй половине ХІХ в. наступил принципиально новый этап в истории применения строительных материалов из стекла, которые стали оказывать огромное влияние на конструктивные особенности и архитектурный образ зданий. В это время коренным образом совершенствуется технология производства листового стекла. В ХХ в. широкое использование стекла, стали и железобетона позволило отказаться от традиционных форм, соотношений и размеров элементов архитектурных конструкций зданий. Оптические, тепло- и солнцезащитные свойства, высокие прочностные и эстетические характеристики строительных материалов из стекла представляют огромные возможности для выражения творческих замыслов архитектора. Большие остекленные поверхности современных общественных зданий в большой мере определили их архитектурный облик.
Основы производства. Сырье. Основные сырьевые компоненты для производства материалов из стекла – кварцевый песок, сода, мел, доломит, известняк. При этом в стекломассу вводятся кислотные, щелочные и щелочно-земельные оксиды. От их количества непосредственно зависят все основные эксплуатационно-технические свойства стекла. Большое влияние на свойства строительных стекол оказывают вспомогательные компоненты – осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, окислители, восстановители. Осветлители вводят в шихту для освобождения стекломассы от видимых пузырей, т.е. для ее осветления. Этим ускоряется процесс стекловарения. Действие осветителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого количества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломассы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей). Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах. Стекло обесцвечивают химическим и физическим способами. Красители служат для окрашивания стекла в тот или иной цвет. Обычно в качестве красителей используют соединения металлов. По механизму их действия различают молекулярные и коллоидные красители. Молекулярные красители, введенные в стекломассу, растворяются в ней. Окраска таких стекол не изменяется при повторной тепловой обработке. К этой группе красителей относятся, главным образом, оксиды тяжелых металлов – марганца, кобальта, никеля, хрома, железа, урана. К коллоидным относятся те красители, которые при введении их в стекломассу равномерно распределяются в ней в виде мельчайших коллоидных частиц, например, соединения золото, меди, селена, серебра. Большинство светопрозрачных стекол варят в окислительной среде. Это делают в основном для перевода закисной формы железа (FeO), содержащейся в сырье и придающей стеклу зеленоватый оттенок, в оксидную (Fe2O3). Вместе с тем существует группа стекол (цветные), для варки которых требуется восстановительная среда. Для регулирования этих условий варки в стекломассу вводят окислители и восстановители. Сырьем для производства материалов из минеральных расплавов (каменных, шлаковых) служат соответственно базальтовые, диабазовые, базальто-доломитовые и другие породы, доменные металлургические шлаки.
Основы технологии. Основные технологические операции при производстве материалов из стекла – варка и формование. Варка стекла производится в печах различного типа. Листовое светопрозрачное стекло варят в ванных печах непрерывного действия. При этом выделяют пять стадий стекловарения: 1 - силикатообразование при температуре 800-900оС; 2 – стеклообразование (1100-1200оС); 3 – осветление (1100-1200оС); 4 – гомогенизация (1100-1200оС); 5 – студка (1100-1200оС). Формование стекломассы. При производстве материалов из стекла применяют следующие способы формования: прессование, прокат, вытягивание, на расплаве металла (флоат-способ). Последние два способа широко распространены в стекольной промышленности при производстве листового стекла. Способ вертикального вытягивания состоит в транспортировании снизу вверх с помощью валков машины ленты стекломассы (после студки) шириной до 3 м. Лента выдавливается из стекломассы погруженным в нее специальным приспособлением (шамотной лодочкой). Флоат-способ – наиболее производителен и эффективен. Поверхность ленты стекла получается гладкой и не требует дополнительной шлифовки и полировки, нижняя поверхность – за счет контакта с предельно ровной поверхностью расплавленного металла, а верхняя – поверхностного натяжения. После формования материал подвергают отжигу. В результате снижаются полученные при формовании внутренние температурные напряжения, возникающие вследствие более высокой скорости остывания наружных слоев стекла по сравнению с внутренними. Наружные слои стремятся к сжатию, а внутренние – более нагретые – препятствуют этому.
Отделку лицевой поверхности стекла производят механическим, химическим способами и путем нанесения различных покрытий. Механическая обработка включает резку, шлифование, гравирование, пескоструйную, ультразвуковую и др. При пескоструйной обработке на те места прозрачного гладкого стекла, которые должны остаться нетронутыми, наклеивают шаблон, например, из плотной бумаги. Огневая полировка поверхности шероховатого стекла производится при высокой температуре. Химическая обработка состоит из травления и матирования (обработка поверхности парами фтористого водорода, плавиковой кислотой, матирующими пастами или другими веществами), химического полирования, выщелачивания (для повышения светопроницания и получения «радужного» эффекта), декорирования цветными протравами (диффузия) и др. При обработке плавиковой кислотой на поверхность стекла с помощью трафарета наносят расплавленный парафин или воск. Кислота разрушает незащищенную поверхность стекла. Через определенное время кислоту смывают, а после подогрева стекла парафин или воск стирают ветошью. Покрытия на поверхности стекол наносят в виде слоев керамических и других красок, эмалей, фактурных посыпок, солей и оксидов металлов и др. В результате воздействия нагревом ниже температуры размягчения стекла происходит сплавление поверхностного слоя с нанесенным покрытием.
Технологический процесс производства материалов из других минеральных расплавов включает следующие операции: 1) подготовка сырьевых компонентов; 2) плавка шихты в пламенных шахтных, ванных, вращающихся или дуговых электрических печах при 1400-1450оС; 3) охлаждение расплава до 1250оС для стабилизации структуры и уменьшения усадочных дефектов в готовой продукции; 4) литье в подогретые постоянные формы из чугуна или жароупорной стали или во временные силикатные формы; 5) медленное (до 1 сут. и более) охлаждение; 6) механическая обработка поверхности и кромок; 7) отжиг (частичная кристаллизация) в специальных печах при 800-900оС - для снижения возникающих при охлаждении внутренних напряжений отливки.
Формование материалов осуществляется методами статического или центробежного литья. В производстве волокон, например из базальтового расплава, используют метод раздува струи расплава сжатым воздухом или паром. При изготовлении минеральной ваты расплав обычно получают в вагранке или в другом печном агрегате. Волокна образуются при воздействии подаваемого под давлением пара или воздуха на непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава или при подаче пара на валки или диск центрифуги. Полученное минеральное волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке. В эту камеру вводят органические или минеральные связующие вещества для получения теплоизоляционных матов и плит.
Производство материалов из шлаковых расплавов, прежде всего, огненно-жидких шлаков металлургической промышленности, весьма выгодно и экономично: не требуется специальных плавильных печей и дополнительных затрат топлива.

Литература: [1], с. 120-122; [7], с. 122-128.
Тема 5.2 Номенклатура, свойства, методы испытаний и оценка качества
материалов из стеклянных и других минеральных сплавов

Номенклатура. Материалы из стекла и других минеральных расплавов можно разделить на две основные группы: светопрозрачные и непрозрачные (облицовочные, специального назначения: теплоизоляционные, звукопоглощающие и кислотоупорные).
Светопрозрачные материалы и изделия. Наиболее распространено в строительстве оконное стекло – бесцветное с гладкими поверхностями. Витринное стекло представляет собой крупногабаритные бесцветные листы, как правило, полированные. Оконное и витринное стекла основные по объему производства и применения, но ими не исчерпывается богатая и разнообразная палитра стеклянных листовых материалов. Узорчатое, матовое и матово-узорчатое стекла отличаются оригинальными эстетическими характеристиками. Узорчатое стекло может быть бесцветным и цветным, армированным, просвечивающим и непрозрачным. Хорошо просвечивающее узорчатое стекло благодаря сплошному рельефному рисунку является светорассеивающим. Применяют такое узорчатое стекло для остекленения дверей, перегородок и других ограждений для создания мягкого освещения и защиты от прямого солнечного света. Для облицовки используют непрозрачное стекло. Матовое стекло получают из оконного стекла толщиной 3-6 мм при помощи пескоструйной или химической обработки одной или обеих сторон. Матово-узорчатое стекло изготовляют аналогичной обработкой одной поверхности по трафарету с определенным рисунком. Если на поверхность матированного стекла нанести слой столярного клея и подвергнуть его термообработке, то после снятия клея образуется матово-узорчатое стекло «мороз», имитирующее рисунок замерзшего стекла. К матово-узорчатым стеклам относится и стекло «метелица» с оригинальным рельефным рисунком из произвольно чередующихся участков с матовой и обычной поверхностью. Цветное стекло может быть однослойным, окрашенным в массе, и двухслойным из бесцветной стекломассы с цветным накладным слоем толщиной 1 мм. Такое стекло обычно изготовляют десяти цветов: красное, синее, темно-синее, зеленое, лунно-белое, голубое, серое, молочное, желтое, лимонное. Его применяют для декоративного остекленения световых проемов, устройства перегородок, изготовления витражей. Армированное стекло имеет в середине параллельно поверхностям сварную светлую металлическую сетку из термообработанной стальной проволоки диаметром 0,35-0,45 мм. Стекломасса армируется в процессе формования способом проката. Прочность стекла при этом не увеличивается и даже снижается, но такое стекло безопасно – при разрушении от механических и тепловых воздействий осколки удерживаются металлической сеткой. Армированное стекло может иметь гладкую, кованую или узорчатую поверхность, быть плоским и волнистым, бесцветным и цветным. Армированное стекло служит для остекленения световых проемов и дверей (при повышенных требованиях к безопасности и огнестойкости остекленения), фонарей верхнего света, для ограждения балконов, лоджий, лестниц, лифтовых шахт, устройства перегородок и светопрозрачных кровель. Закаленное стекло имеет сравнительно высокую механическую прочность и термостойкость. Закаленное стекло используют для остекленения витрин и светопроемов общественных зданий, перегородок и других ограждающих конструкций, к которым предъявляются требования повышенной стойкости к возможным ударным воздействиям. В современной архитектурно-строительной практике часто применяют, в том числе при больших площадях остекленения, светопрозрачные стекла, позволяющие регулировать тепловые и световые потоки. К таким стеклянным материалам относятся теплопоглощающие (введение в состав стекломассы оксидов железа, кобальта, селена), теплоотражающие (нанесение на поверхность тонких пленок металлов и их оксидов) и др. Не менее популярны многослойные стекла, среди которых стекла повышенной безопасности – триплекс (из двух листов, склеенных полимерной пленкой); повышенной безопасности и прочности, в том числе пуленепробиваемые (из склеенных листов закаленного стекла); регулирующие тепловые и световые потоки за счет соответствующих характеристик склеивающих слоев.
Среди светопрозрачных изделий выделяют малогабаритные (блоки стеклянные пустотелые) и крупногабаритные (стеклополотна, стеклопакеты, профильные). Блоки стеклянные пустотелые получают сваркой по периметру двух прессованных полублоков, стекломасса которых может быть бесцветной или цветной. Внутренняя поверхность гладкая или с рельефным рисунком. В процессе герметической сварки в блоке создается частичное разрежение воздуха, повышающее теплоизоляционные свойства. Блоки имеют квадратную или прямоугольную форму, но могут быть и другой формы, в том числе криволинейной угловой. Стеклоблоки предназначены для кладки наружных ограждений, перегородок, заполнения светопроемов в жилых, общественных и промышленных зданиях.
Стеклополотна представляют собой листы закаленного утолщенного стекла для заполнения дверных проемов в общественных зданиях. Стеклополотно выпускают с обработанными кромками и необходимыми для крепления вырезами и отверстиями. Дверные полотна могут быть из полированного или неполированного стекла, прозрачного и светорассеивающего (узорчатого, кованого), бесцветного и окрашенного. Стеклопакеты получают при соединении по контуру с определенным зазором двух или более листов стекла. Между листами стекла образуются герметически замкнутые прослойки, заполненные воздухом или, например, аргоном. По конструктивным особенностям и способам изготовления выделяют стеклопакеты клееные, паяные и сварные. В зависимости от назначения для стеклопакетов используют оконное, витринное, закаленное, теплопоглощающее и другие стекла. Стеклопакеты отличаются пониженной теплопроводностью, хорошей звукоизолирующей способностью, не замерзают и не запотевают при температуре наружного воздуха -20оС (и ниже для двухкамерных). Применяют стеклопакеты для заполнения оконных проемов, витрин и т.д. Стекло строительное профильное формуют на прокатных установках из бесцветного или цветного стекла в виде непрерывного профильно-погонажного материала коробчатого или швеллерного сечения, с гладкой, рифленой или узорчатой поверхностью. Стеклопрофилит может быть армирован металлической сеткой. Максимальная длина стеклопрофилита коробчатого сечения 5, швеллерного 7 м. Размеры сечения могут быть разными, например 250х50 мм, толщина стекла 5,5 мм. Ограждающие конструкции из стеклопрофилита собирают, устанавливая его в вертикальном положении, с герметизацией швов нетвердеющими мастиками или эластичными прокладками. Стена из коробчатых профилей отличается сравнительно высокой звукоизоляцией, дает мягкий рассеянный свет. Профильное стекло используют для светопроницаемых ограждений (самонесущих стен, перегородок, кровель) в гражданском и промышленном строительстве.
К светопрозрачным облицовочным материалам из стекла относятся стемалит, марблит, эмалированные плитки, смальта, стекломозаичные плитки, зеркальные, стеклокристаллические. Стемалит – листы плоского стекла, внутренняя сторона которых окрашена керамической краской. Листы подвергают термообработке, при которой происходят закалка стекла и закрепление краски. Размер листов стемалита, как правило, не менее 900х400 и не более 2400х1200 мм, толщина 5-7,5 мм. Такое облицовочное стекло различных цветов применяют для отделки фасадов, интерьеров общественных и промышленных зданий, ограждений балконов, лоджий. Марблит – материал в виде плоских прямоугольных или квадратных плит с полированной лицевой и рифленой внутренней поверхностью. Его производят из глушенной цветной стекломассы. Выделяют две разновидности марблита – стекломрамор и декоративный марблит. Плиты стекломрамора различных размеров, часто не более 300 мм по длине и ширине, толщиной 8-25 мм, выпускают белого, голубого, синего, бежевого, зеленого цветов, однотонные или с мраморовидным рисунком. Толщина декоративного марблита 5-12 мм, цвет темно-зеленый или черный с кристаллическими вкраплениями в массе и на поверхности, которые блестят при определенном освещении и создают своеобразный декоративный эффект. Марблит служит для наружной и внутренней облицовки зданий различного функционального назначения. Эмалированные плитки часто изготовляют из отходов оконного или витринного стекла, разрезая его по заданным размерам и покрывая с одной стороны слоем эмали, закрепляемой при термообработке. Их основные размеры 100х100 и до 200х200 мм при толщине 4-6 мм. Смальта – куски глушенного цветного стекла неправильной формы толщиной до 10 мм, полученные из стекломассы отливкой или прессованием. Ранее из смальты изготовляли мозаичное панно, декоративные вставки при отделке фасадов и интерьеров. В современной лаконичной архитектуре смальта применяется сравнительно редко. Мозаичные плитки получают при прокате или прессовании стекломассы с разнообразными эстетическими характеристиками - позволяют создавать оригинальную отделку интерьеров. Не менее своеобразна отделка при использовании облицовки даже небольшого количества плиток и плит с зеркальной лицевой поверхностью.
Среди стеклокристаллических стеклянных материалов выделяют стеклокремнезит, стеклокристаллит, ситаллы, шлакоситаллы. Стеклокремнезит получают в огнеупорных формах из гранул стекла определенного состава в смеси с кремнеземом и другими добавками. Плиты стеклокремнезита квадратной и прямоугольной формы, разной длины и ширины, их толщина 15 и 20 мм. Лицевая поверхность материала полированная, различных цветов и оттенков, с оригинальным зернистым рисунком. Внутренняя поверхность отличается ярко выраженной шероховатостью. Стеклокремнезит используют для наружной и внутренней облицовки стен, колонн, покрытий полов, из него можно выполнять художественно-декоративные фрагменты, предназначенные не только для отделки, но и для архитектурно-художественных композиций, а также самостоятельные художественные произведения. Плиты стеклокристаллита производят путем сплавления гранул бесцветного или окрашенного стекла. Ситаллы получают путем полной или частичной кристаллизации стеклянных расплавов. Чаще используют шлакоситаллы – плотный тонкозернистый материал, получаемый при кристаллизации стекла на основе металлургических шлаков, кварцевого песка и специальных добавок. Листы и плиты из шлакоситалла выпускают квадратной и прямоугольной формы, длиной до 3000, шириной до 1500, толщиной 6-15 мм. Лицевая поверхность материала белого, черного и темно-серого цвета, с гладкой или рельефной фактурой. Цвет лицевой поверхности может регулироваться путем нанесения силикатных красок, которые закрепляются при термообработке. Шлакоситалл применяют для наружной и внутренней облицовки зданий, покрытий полов. Материалы из стекла и других минеральных расплавов могут быть теплоизоляционными, звукопоглощающими, кислотоупорными. Пеностекло – высокопористый материал (пористость до 94%), получаемый при спекании порошка стеклянного боя с газообразователями. Используется оно в виде плит и блоков в основном для теплоизоляции стен, покрытий, кровель, тепловых сетей при подземной бесканальной прокладке. Цветное пеностекло применяют в качестве акустического и облицовочного материала. Материалы из стеклянных волокон производят в основном в виде плит, а также многослойных холстов. Плиты, например, длиной до 1500, шириной до 1000 и толщиной 50-80 мм предназначены для теплоизоляции ограждающих конструкций жилых, общественных и промышленных зданий. Многослойные холсты толщиной 50 и 100 мм из супертонкого стеклянного волокна являются эффективным звукопоглощающим материалом. Тонкие волокна получают также из расплава горных пород (доломита, базальта и др.). Применяя органические или минеральные связующие, выпускают минераловатые плиты, маты для теплоизоляции. Из минеральной ваты и их гранул производят и звукопоглощающие материалы. Из каменных расплавов (базальта, диабаза) изготовляют плиты, плитки, литую брусчатку – материалы, отличающиеся высокой прочностью, долговечностью и большой коррозионной стойкостью в агрессивных средах. Из расплава доменного шлака (после его быстрого охлаждения) получают шлаковую пемзу (термозит), которая служит пористым заполнителем для легких бетонов.
Свойства. Эксплуатационно-технические свойства материалов из стекла зависят, прежде всего, от его состава и структуры, которая отличается отсутствием правильной пространственной решетки и изопрочностью. Плотность обычного оконного стекла – 2500, армированного – 2600 кг/м3. Пористость у стеклянных материалов (за исключением теплоизоляционных и звукопоглощающих) отсутствует. Теплопроводность стекла, в зависимости от состава, в пределах 0,5-1 Вт/м · оС). Вследствие сравнительно малой теплопроводности при нагревании или охлаждения стекла может возникнуть большой температурный градиент, обусловливающий большие растягивающие напряжения, которые приводят к его растрескиванию. Стеклянные светопрозрачные материалы обладают высокой стойкостью к агрессивным веществам, за исключением фосфорной и плавиковой кислот. Материалы из стекла могут обладать высоким пределом прочности при сжатии – 1000 МПа и более (у оконного стекла – 90 МПа), но предел прочности при изгибе и растяжении часто меньше в 6-10 раз в результате наличия в стекле микротрещин, внутренних напряжений, инородных включений и других микродефектов. Материалы из стекла относятся к хрупким, у них отсутствуют пластические деформации. Заметно повышается ударная прочность стекла после дополнительной тепловой обработки (закаливание) или нанесения на поверхность тонких пленок различного состава, в том числе полимерных. Предел прочности стекла при сжатии, растяжении, изгибе измеряют с помощью гидравлических прессов и разрывных машин. При определении предела прочности при сжатии, как правило, испытывают хорошо отожженные образцы без пороков, в форме кубиков с длиной ребра 4-5 мм или цилиндров с аналогичными размерами. Испытывают не менее 10 образцов. Скорость нагружения должна составлять 1-3 МПа/с. При испытании блоков стеклянных пустотелых для выравнивания торцевых стенок применяют цементно-песчаный раствор состава 1:3 по массе (портландцемент М400, водоцементное отношение 0,6). После установки блока в форме раствор укладывают по периметру образца и уплотняют вибрированием. До испытания блок с раствором выдерживают 7 суток. При определении предела прочности при растяжении используют образцы стекла в виде цилиндрических стержней длиной около 60 мм и диаметром около 6 мм (в средней части диаметр 3-3,5 мм). Испытания проводят на разрывной машине. С помощью специального приспособления определяют предел прочности при изгибе образцов стекла (цилиндрических стержней, пластинок) длиной 75-100 мм. Модуль упругости стекол статическими методами определяют по деформации образца круглого сечения при изгибе. Испытания проводят с помощью оптического длинномера или тензометрического анализа. Этот анализ основан на измерении сопротивления деформации нагруженного образца относительно ненагруженного образца-эталона. Также используют ультразвуковой метод, основанный на возбуждении в образце стекла ультразвуковых колебаний. Скорость их распространения зависит от упругости образца. Ударную прочность стекла определяют на приборах различного типа, которые позволяют фиксировать образец стекла и высоту подъема разрушающего груза – обычно стального шара определенной массы. Так, для измерения сопротивления удару стеклянных блоков используют стальной шар массой 0,12-0,15 кг. Плоское закаленное стекло должно выдерживать без разрушения удар свободно падающего стального шара массой 227(2 г с высоты 2; 2,5 и 3 м соответственно при толщине стекла 5,6 мм и более. Коррозионную стойкость стекла обычно оценивают зерновым методом порошка или методом формовых поверхностей. При первом методе после обработки образца стекла агрессивным веществом (вода, кислота, щелочь) измеряют потери в массе испытуемого образца в г, % или в мл 0,01 и раствора HCL, пошедшего на титрование щелочей, извлеченных из стекла. В зависимости от объема 0,01 и раствора HCL, израсходованного на титрование (в мл), различают пять гидролитических классов водоустойчивости стекол: І – не изменяемые водой стекла (0-0,32 мл); ІІ – устойчивые стекла (0,32-0,65 мл); ІІІ – твердые аппаратные стекла (0,65-2,8 мл); ІV – мягкие аппаратные стекла (2,8-6,5 мл); V – неудовлетворительные стекла (6,5 мл и более). Большинство промышленных стекол, в том числе оконное, относятся к ІІІ-ему гидравлическому классу. Метод формовых поверхностей заключается в измерении потерь массы образца (свободного от инородных включений с площадью поверхности 100-200 см2) после его обработки в агрессивных реагентах.
Определенное значение с эксплуатационно-технической точки зрения имеют термические свойства стеклянных материалов. При этом учитывают, что объемный коэффициент теплового расширения в 3 раза превосходит линейный. При определении термостойкости строительных материалов и изделий из стекла образцы нагревают в печи (термостате) при заданных температуре и времени, а затем сразу погружают в ванну с водой, имеющую температуру 20(1 оС. Термические свойства стекол связывают со степенью их отжига, цель которого – свести к минимуму остаточные напряжения и стабилизировать структуру стекол.
Степень отжига стекла определяют в зависимости от значения двойного лучепреломления, физическая сущность которого связана с разделением луча света, проходящего через образец, на два луча – обыкновенный и необыкновенный. Оба луча поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяются с разной скоростью (имеют разные показатели преломления). Разность хода этих лучей, зависящая от остаточных напряжений и длины хода луча в испытуемом образце стекла, измеряют в миллимикронах на 1 см длины хода луча. Остаточные напряжения в стекле измеряют с помощью специального прибора (полярископа-поляриметра).
Принципиальное значение для функционального назначения светопрозрачных стеклянных материалов имеют оптические свойства. Именно они отличают оконное, витринное и другие светопрозрачные стекла от большинства других материалов и изделий в жестко-вязком (твердом) состоянии. Эти свойства характеризуются в основном светопропусканием, поглощением и отражением. Если световой поток, падающий на поверхность стекла, обозначить tо, а те части светового потока, которые отразятся, поглотятся и пройдут через стекло, соответственно обозначить tотр, tпогл и tпроп, то справедливо равенство:
tо = tотр + tпогл + tпроп (11)

Светопропускание Т, поглощение А и отражение R выражаются в долях единицы или в % и определяются по следующим формулам:
Т = tпроп / tо (12)
А = tпогл / tо (13)
R = tотр / tо (14)
Каждый из упомянутых показателей оптических свойств зависит от длины волны. Оконное, витринное и ряд других бесцветных стекол отличаются значением Т, близким к 1, и сравнительно малыми значениями А и R. Пропускание стеклом видимых и невидимых лучей подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бэра и связано с коэффициентом поглощения и отражения, а также с толщиной материала и концентрацией красящих добавок. Коэффициент отражения в большей мере зависит от угла падения светового потока (увеличиваясь с увеличением последнего) и показателя преломления стекла.
Поглощение света определяется коэффициентом поглощения и оптической плотностью, а также связано с толщиной стекла и особенно наличием красящих добавок.
В целом оптические свойства стекол зависят от их химического состава. Так, при необходимости изготовления теплозащитных стекол (поглощающих инфракрасные лучи) в их состав вводят значительное количество закиси железа. С повышением атомной массы входящих в стекло элементов возрастает поглощение коротковолновых излучений – рентгеновских, ультрафиолетовых, (-лучей. Величина светопропускания определенных листовых стекол связывается с их толщиной и указывается в ГОСТах. Оптические свойства листовых стекол определяют с помощью различных спектрофотометров. Сущность метода измерения коэффициентов светопропускания и поглощения основана на измерении ослабления светового потока при прохождении через отшлифованный и отполированный образец стекла. Для рассматриваемых испытаний обычно используют образцы листового стекла размером 30х30х1 мм. При определении величины светопропускания стеклоблоков используют специальный прибор (шаровой диффузометр).
Эстетические характеристики материалов из стекла регулируются в достаточно широких пределах. Пропускание, поглощение и отражение света стеклом зависят от длины волны света. Эта зависимость, а также различие оптических характеристик стекла обусловливают возможность разнообразных цветовых эффектов при освещении стекла.
При использовании молекулярных и коллоидных красителей изготовляют светопрозрачные окрашенные стекла различных цветов и оттенков. Цветные листовые стекла получают также наложением в процессе формования на слой обычного оконного стекла прозрачного или глушенного цветного слоя, нанесением на поверхность цветных оксидно-металлических пленок, препятствующих проникновению тепловых и световых лучей. В процессе формования и при дальнейшей обработке производят листовые и другие стекла с различными фактурой и характером рисунка.
При оценке внешнего вида материалов из стекла учитывают требования ГОСТа к возможным отклонениям от номинальных размеров и дефектам лицевой поверхности. Так, у листового светопрозрачного стекла на 1 м2 не допускаются или ограничиваются (для марок М4 – М8) пузыри внутренние и поверхностные различных размеров, инородные неразрушающие включения, свиль узловая и нитевидная, царапины волосные или грубые, пороки поверхности слабые или грубые площадью до 10 см2.
Полосность – порок листового светопрозрачного стекла – связан с получением участков (полос) различной толщины при формовании вытягиванием. При наличии этого дефекта изображение картины, рассматриваемой сквозь стекло, оказывается искаженным: возле полосы изображение кажется растянутым, а на самой полосе – сжатым. Степень полосности определяют по размеру угла, при котором становится незаметным искажение предметов, просматриваемых через стекло. Угол образуется направлением луча зрения наблюдателя и плоскостью листа. Чем меньше угол, при котором видна полосность стекла, тем выше его качество. При визуальном просматривании линии эталонного экрана «кирпичная стена» сквозь лист оконного стекла под углом 90о не допускаются оптические искажения, а сквозь стекло высшей категории качества – под углом 60о.
Эстетические характеристики материалов из стекла оценивают с помощью известных измерительных инструментов (микрометры, линейки, угольники, щупы) и визуально – путем сравнения с образцами-эталонами с определенного расстояния.
Технология. При оценке внешнего вида витражей или стекломозаики учитывают способ их получения. При изготовлении декоративного остекленения в свинцовой пайке используют специально приготовленные куски светопрозрачного стекла различных форм и цвета. Обычно архитектор или художник изготовляют в натуральную величину картон с учетом пайки (оправы) и крепления. Каждая деталь рисунка получает свой номер (одинаковые по форме и цвету детали имеют одинаковые номера). С картона снимается калька, и по ней нарезают картонные шаблоны. Нож для вырезки шаблонов имеет два параллельных лезвия, расстояние между которыми соответствует ширине вертикальной стенки оправы плюс толщина оправы стеклореза. По нумерованным шаблонам нарезают куски цветного стекла. Монтаж витража производят на столе с прозрачной крышкой, оборудованном подсветкой. После расположения в нужном порядке кусков стекла между ними раскладывают участок оправы, тщательно разглаживают черенком ножа и паяют. Стыки пропаивают с обеих сторон витража. Края стеклянных деталей вдоль свинцовой ленты промазывают специальной мастикой. Контур витража обрамляют стальным швеллером и сваривают углы. Для витражей больших размеров необходимы стержни жесткости – полосы стали, поставленные на ребро. Несущую раму витража крепят в стене или перегородке. Иногда вместо свинцовой применяют медную оправу в форме двутавра, получаемую в результате прокатки медной трубки. Около мест крепления одну или обе стороны стекла шлифуют, делая определенный уклон (фацет). Стекло закрепляют с помощью гипса. Места стыков и пересечений оправы пропаивают и зачищают.
Оригинальные витражи выполняют, располагая мозаику из цветных стекол между двумя бесцветными листами стекла, которые скрепляют по периметру металлической или деревянной оправой. Клееные витражи изготовляют с помощью синтетических клеев – на стеклянную подложку приклеивают куски цветного стекла. Витражи из листового светопрозрачного стекла получают после «горячей» или «холодной» росписи. При «горячей» росписи пользуются силикатными красками, после росписи листы стекла обжигают в электропечи. В результате красочный слой становится прочным, ярким и прозрачным. При «холодной» росписи используют анилиновые красители (их можно заменить акварельными красками, цветными тушью или чернилами с добавкой разбавленного желатина) или тонкотертые масляные краски. Эскиз витража выполняют в цвете. Контурный рисунок переносят на лист ватмана соответствующего размера, который располагают с тыльной стороны стекла. Перед нанесением краски стекло обезжиривают, например, раствором питьевой соды. Чтобы роспись была влагостойкой, ее покрывают лаком или раствором квасцов.
Для изготовления стеклянной мозаики используют смальту, которую в соответствии с определенным рисунком закрепляют на основании из гипсового или цементного раствора.
Области применения. Если конструкционные материалы из стекла (пеностекло, стекловатые для теплоизоляции) используются в сравнительно ограниченном объеме, то практически в любом современном здании, сооружении применяются конструкционно-отделочные стеклянные материалы. Архитектурный образ современных зданий и сооружений в большой мере определяется структурой несущих элементов, выявленных на фасаде, и плоскостями из стекла. В основном для них характерны геометрически четкие формы и значительные поверхности из стекла с оригинальными свойствами. Глухие участки навесных стен, влияющие на архитектурный облик зданий, могут быть расположены выше перекрытий или в пределах их примыкания, но часто предусматривается полное остекленение этих стен. Здания с ограждениями из стеклянных материалов могут иметь гладкий фасад (здание ООН) или фасад с развитой пластикой – выступами, углублениями (здание Министерства образования в Рио-де-Жанейро). Соотношение глухих и светопрозрачных участков фасада, пропорции членения, цвет стекла – это те параметры, которые позволяют создавать навесные стены с разнообразным внешним видом. Оригинальный внешний вид фасада получают сочетанием светопрозрачных и светонепрозрачных материалов из стекла, как это сделано, например, на фасадах зданий мэрии и института «Гидропроект» в Москве. Индивидуальность городскому аэровокзалу в Москве придает сочетание светопрозрачных стекол, стемалита и алюминиевых переплетов. Непрерывные ряды стеклянных эркеров определяют пластику фасада крупнейшей в Москве гостиницы «Россия». Ритмичные белокаменные пилоны и стеклянные плоскости подчеркивают архитектурную выразительность Кремлевского Дворца съездов, а светопрозрачные материалы из стекла связывают его интерьеры с исторической застройкой Кремля.
Связать воедино вестибюли и фойе с окружающей средой за пределами здания – с улицей, с природой, создать впечатление легкости – характерное стремление архитекторов при проектировании ряда общественных зданий. В этом им помогают прозрачные стеклянные стены (кинотеатры «Октябрь» и «Россия» в Москве, «Беларусь» в Бресте и др.). Поверхности из стекла часто используются для выявления пластики фасада вне зависимости от функционального назначения здания (Библиотека Академии Наук РФ, ТАСС в Москве и др.). Материалы из стекла широко применяют, в том числе, и для придания своеобразного архитектурного облика в зданиях жилого и промышленного назначения, детских садов, школ и вузов. Широкое применение зеркальных стекол, т.е стекла с высоким отражением в видимой части спектра (нанесение пленок из оксидов металлов и др.), существенно меняет внешний облик зданий, сооружений. Оригинальность «зеркальной архитектуры» привлекает многих современных зодчих.
Узорчатые, матово-узорчатые, рельефные и цветовые листовые стекла для перегородок, дверных полотен оказывают огромное влияние на эстетику интерьеров различного назначения. Не меньшую значимость имеют цветные художественные витражи, которые могут изготовляться не только традиционным способом, но и по новой технологии в сочетании с современными материалами, в том числе с железобетоном, металлическими профилями.
Литература: [1], с. 122-128.






Тема 6.1 Определение и краткие исторические сведения. Основы производства
минеральных вяжущих и материалов на их основе

Определения и кратки исторические сведения. Минеральные вяжущие – это тонко измельченные минеральные порошки, образующие при смешивании с водой пластичную массу, которая с течением времени под влиянием физико-химических процессов переходит в камневидное состояние. Это свойство вяжущих используют для получения искусственных каменных материалов (бетонов и др.). В данном случае механические процессы обработки природного сырья (например, природного камня) в большей мере заменены химическими – более простыми, производительными и экономически выгодны. Определенные минеральные вяжущие используют и для изготовления минеральных красок. Различают две группы минеральных вяжущих: воздушные (которые после перемешивания с водой способны твердеть, сохранять и повышать свою прочность только на воздухе (гипсовые, воздушная известь, магнезиальные)), и гидравлические (которые после затворения водой способны твердеть, сохранять и повышать свою прочность не только на воздухе, но и в воде (цементы, гидравлическая известь)).
Воздушные вяжущие – гипс и известь – употребляли уже в глубокой древности.
Пять тысяч лет назад в Египте гипс широко применяли для кладочных и штукатурных растворов при строительстве пирамид, например при возведении пирамиды Хеопса или Великой пирамиды близ Гизы. Это величественное сооружение высотой более 140 м со стороной квадратного основания 233 м. Рядом с пирамидой покоится Большой сфинкс – гигантская скульптура фараона с туловищем льва, закрепленная на основании с помощью гипсового раствора. Гипсовая штукатурка получила распространение и при строительстве домов и храмов. Впервые известь стала использоваться сравнительно широко в Греции, прежде всего, для штукатурных и облицовочных работ и в качестве грунта для стенной росписи. Римляне, переняв у греков прекрасную архитектуру, развили строительное искусство и начали массовое применение извести для кладочных растворов. Римские архитекторы и строители оставили после себя не только памятники своего гениального труда, но и трактаты, где говорилось о технологии изготовления известковых растворов. К одному из самых значимых изобретений в Древнем Риме относится создание искусственного каменного конгломерата – бетона на основе минерального вяжущего (воздушной извести). Сводами из бетона перекрывались термы, акведуки, мосты. Для стен и купола диаметром 43,5 м здания Пантеона в Риме (115-125 гг. н.э.) применен бетон с легкими заполнителями из пемзы и туфа. Русские зодчие творчески осваивали опыт древних. В Киевской Руси, начиная с Х в., известковые растворы с успехом применяли при строительстве каменных сооружений. Изобретение гидравлического вяжущего – цемента, близкого по своим характеристикам к современному, принадлежит русскому строителю Е.Г. Челиеву. Промышленное получение гидравлических вяжущих в России началось в первой половине ХІХ в. После войны 1812 г. в Москве необходимо было построить каменные здания взамен многочисленных деревянных строений, уничтоженных пожаром. Соответственно потребовалось значительное количество вяжущих высокого качества. Несколько лет спустя в Англии был получен патент на изготовление гидравлического вяжущего – портландцемента, разновидности которого можно отнести к основным для изготов
·ления современных искусственных материалов, и в первую очередь бетона. Массовое использование бетона при строительстве зданий и сооружений различного функционального назначения обусловлено трудами русских ученых в конце ХІХ в. К этому времени относится и начало применения армированного бетона.
Основы производства. Сырье. Для получения минеральных вяжущих используют следующие основные горные породы. Природный гипс (гипсовый камень) – светлый, иногда окрашенный примесями в серые или желтоватые цвета минерал, основное сырье для производства гипсовых вяжущих. По химическому составу он представляет собой двуводный сульфат кальция CaSO4·2H2O. Реже применяют безводный гипс – ангидрит, а также гипсосодержащие отходы химической промышленности. В нашей стране имеются сотни месторождений гипсового камня промышленной значимости. При производстве извести используют горные породы, состоящие в основном из карбоната кальция СаСО3. Цвет известковых пород зависит от примесей: чистые известняки обычно белого цвета, примеси окрашивают их в желтоватые, бурые, серые и даже черные тона. Природные магнезиты MgCO3 и доломиты CaMg(CO3)2 – основное сырье для производства минеральных вяжущих. Для получения портландцемента – основного гидравлического вяжущего – чаще всего используют известняки, глины и корректирующие добавки (с которыми вводится тот или иной недостающий компонент). Обычно соотношение между известняком и глиной составляет примерно 3:1 (в частях по массе). Производство минеральных вяжущих сводится к двум главным технологическим операциям: помол и обжиг. Тонкость помола минеральных вяжущих влияет на свойства искусственных каменных материалов, приготовленных на их основе. С увеличением тонкости помола увеличивается связывающая, клеящая способность пластичной массы, которая образуется после перемешивания вяжущего с водой. В результате выше плотность и прочность искусственного камня. Важнейшая операция при производстве минеральных вяжущих – обжиг сырьевых материалов. Именно после обжига получается продукт, способный при соединении с водой образовывать пластичную массу, твердеющую с течением времени. Условия обжига различны при получении воздушных или гидравлических вяжущих, как различны и реакции, происходящие при обжиге. Прежде всего, различна температура обжига сырьевых материалов. При температуре 110-160оС, обжигается (часто в специальных варочных котлах) природный гипсовый камень для получения строительного гипса. При этом происходит реакция дегидратации – отдача части воды, в результате химический состав строительного гипса выражается формулой CaSO4 · 0,5H2O. Если повысить температуру до 600-700оС, то получится ангидритовый цемент, при температуре до 1000оС – высокообжиговый гипс (эстрих-гипс), отличающиеся по своим свойствам от строительного гипса (искусственный камень на основе обладает, в частности, более высокими механическими характеристиками). При 900-1200оС различного рода печах обжигаются известняковые породы для получения воздушной извести. После диссоциации карбонатов и удаления углекислого газа объем кусков известняка не меняется, а их масса уменьшается примерно в 2 раза. После обжига получаются легкие пористые куски белого цвета, состоящие в основном из оксидов кальция и магния (СаО, MgO). Чем больше количество указанных оксидов, тем выше качество воздушной извести. Полученный продукт – комовую негашеную известь подвергают помолу или гашению путем затворения водой. Важно определить оптимальную температуру обжига известняковых пород. Иначе может образоваться большое количество примесей: при недожоге – необожженные частицы карбоната кальция; при пережоге на частицах оксида кальция образуется «заплавленная» оболочка из силикатов и алюминатов кальция. Влага проникает через такую оболочку очень медленно, часто происходит своего рода запоздалое гашение оксида кальция (после того как материал на основе воздушной извести – строительный раствор – уже применили в дело). Увеличиваясь при гашении в объеме, частицы оксида кальция вызывают нарушение целостности материала. Отделочники часто называют место такого разрушения «дутиком».
Обжиг сырьевых материалов для получения портландцемента производят чаще всего в крупных вращающихся печах. В России в 70-е годы ХХ века основным печным агрегатом стала печь диаметром 5 м и длиной 185 м, производительностью 1800 т продукта в сутки. Внедрены в производство еще более мощные печи размером 7х230 м, производительностью 3000 т в сутки. Смесь сырьевых материалов, перемещаясь вдоль барабана вращающейся печи, соприкасается с горячими газами, идущими навстречу. Температура обжига в начальной стадии 100-600оС, а в последней зоне печи достигает 1450оС. Следовательно, температура более высока, нежели при обжиге сырьевых материалов для получения воздушных вяжущих. Более сложны и физико-химические превращения сырья, происходящие при такой температуре. Основные реакции происходят между сырьевыми компонентами в твердом состоянии, когда механически и химически связанная вода удалена. Оксид кальция, образовавшийся при разложении известняка, при температуре около 1000оС начинает связываться с оксидами глины. Если не производить дальнейший обжиг, то полученный продукт будет являться гидравлическим вяжущим типа хорошей гидравлической извести. При более интенсивной тепловой обработке свободная известь полностью связывается с оксидами глины, что необходимо для получения цемента. Это достигается при температуре 1450оС. Образуется клинкер – спекшиеся куски неправильной формы размером 4-70 мм. Клинкер не является химическим индивидуумом по составу, он характеризуется, прежде всего, наличием силикатов и алюминатов кальция и представляет собой систему из нескольких искусственных минералов подобно тому, как, например, гранит состоит из нескольких природных минералов. Но в отличие от гранит отдельные составные части клинкера нельзя различить невооруженным глазом, так как клинкер состоит из тонкозернистых аморфных фаз. Далее клинкер подвергают помолу, например в многокамерных шаровых мельницах, и получают готовый продукт. При помоле к клинкеру обычно добавляют гипс (1,5-3,5% от массы клинкера) и другие активные минеральные компоненты. Самый распространенный вид цемента – портландцемента может содержать до 15% от массы клинкера активных минеральных добавок.
Основное свойство минеральных вяжущих – способность твердеть после перемешивания с определенным количеством воды. Реакции, происходящие при твердении минеральных вяжущих, - это, главным образом, реакции гидратации, присоединения части воды. В самом общем случае эти реакции можно представить следующим образом:
х + Н2О = х · пН2О (15)
Твердение смеси воздушной извести с водой происходит в большей мере в результате карбонизации под действием углекислого газа воздуха. При твердении воздушных вяжущих образуются соединения, растворимые в воде. Поэтому материалы на основе гипса, воздушной извести, магнезиальных вяжущих требуется защищать от действия влаги: эксплуатировать в сравнительно сухой среде, применять специальные добавки для повышения водостойкости таких материалов. Гидратные соединения, образуются при твердении гидравлических вяжущих (например, гидросиликаты, гидроалюминаты при твердении цемента), водонерастворимы (за исключением образующегося при твердении цемента гидрооксида кальция). 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 (потери пластичности и достижение минимальной структурной прочности) и твердения минеральных вяжущих после перемешивания с водой различна, в зависимости от вида рассматриваемых продуктов. Так, гипсовое тесто начинает схватываться уже через 4-5 мин, конец схватывания наступает через 10-15 мин, а 90 мин. достаточно, чтобы гипсовое тесто превратилось в прочный искусственный камень. Начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее 45 мин., конец – не позднее 10 ч. с момента затворения водой. Прочность цементного камня растет весьма интенсивно почти до месячного возраста.
Водопотребность минеральных вяжущих оказывает непосредственное влияние на свойства получаемых на их основе искусственных каменных материалов. В данном случае водопотребность определяет то количество воды, которое необходимо перемешать с минеральным вяжущим, чтобы получить удобоукладываемую смесь, т.е смесь, с которой удобно работать и которая будет твердеть с течением времени. Если воды недостаточно, то смесь будет рыхлой, рассыпчатой; избыток воды приведет к получению растекающейся массы, работать с которой также затруднительно.
Минеральные вяжущие способны в процессе твердения химически связывать воду в количестве примерно 20% по массе. Между тем при приготовлении материалов на их основе мы вынуждены расходовать воды гораздо больше. Например, при изготовлении бетонов добавляют 40-55% воды по массе цемента (причем при условии, что бетонную смесь достаточно интенсивно уплотняют), при изготовлении строительных растворов – 60-70% воды, а иногда и больше. Такое значительное количество воды нужно не для протекания химических процессов твердения, а только для того, чтобы получить смесь, удобную в работе при данном методе укладки и уплотнения. Однако такое увеличение расхода воды отрицательно сказывается на свойствах искусственного камня на основе минерального вяжущего. Так, вода, которая не участвует в химической реакции с вяжущим, испаряется из искусственного камня при твердении, вызывая его усадку и оставляя поры. При этом часто образуются крупные открытые поры, наличие которых ослабляет структуру отвердевшего материала. Понижается прочность искусственного камня, особенно при изгибе и растяжении, повышается способность впитывать воду и агрессивные жидкости. В итоге снижается долговечность конструкций из искусственного камня, например из бетона.
Искусственный камень на основе гидравлических вяжущих, прежде всего на основе цемента, обладает существенным недостатком – способностью к коррозии. Известны сотни веществ, которые могут оказаться вредными для цементного камня, разрушать его. Даже обычная чистая вода может являться агрессивной средой для цементного камня, растворяя и вымывая образующийся при этом и уже ранее имеющийся гидрооксид кальция. На выделение свободной извести при твердении цемента впервые указал русский ученый Лямин в начале ХХ в. Но не только наличие свободной извести может стать причиной коррозии цементного камня. Одни вещества могут образовывать при взаимодействии с составляющими цементного камня легко растворимые соли, которые затем вымываются и разрушают структуру материала. Другие вещества, проникая в цементный камень, образуют такие соединения, которые имеют больший объем, чем исходные продукты реакции, что приводит к внутренним напряжениям и образованию трещин. К основным мерам защиты цементного камня от коррозии относятся: соответствующий подбор состава цемента; применение специальных добавок, связывающих свободную известь, повышающих плотность и однородность цементного камня, придающих ему гидрофобные (т.е. водоотталкивающие) свойства; применение защитных покрытий или пропитки (прежде всего водоотталкивающими составами).
Прочность отвердевшей системы «минеральное вяжущее + вода» оценивается в определенном возрасте (в зависимости от вида вяжущего). Так как цементы применяются в основном для изготовления материалов, содержащих заполнители, стандарты различных стран предусматривают определение прочностных характеристик не цементного камня, а образцов цементно-песчаного раствора состава цемент: песок = 1:3 (в частях по массе) с известным количеством воды и определенными характеристиками кварцевого песка. Пределы прочности при сжатии, изгибе и растяжении указанных систем существенно отличаются в зависимости от вида и характеристик минерального вяжущего. Предел прочности при сжатии образцов гипсового камня гораздо ниже (в зависимости от марки 2-25 МПа). Наименее прочен искусственный камень, полученный из смеси с водой воздушной извести, которая твердеет сравнительно медленно. К месячному возрасту предел прочности образцов известкового раствора может составлять лишь 0,4-0,8 МПа.
Деформированность системы «минеральное вяжущее + вода» при твердении и изменении влажностных условий среды весьма характерна. Искусственный камень на основе рассматриваемых вяжущих, как правило, не обладает постоянством объема при твердении. При высокой влажности он набухает, а, высыхая, дает усадку. Особо опасна высокая влажность окружающей среды для материалов из воздушных вяжущих. Во всех случаях состав минеральных вяжущих и материалов с их применением подбирают таким образом, чтобы эти деформации были минимальными.
Кроме обычного портландцемента, выпускается быстротвердеющий портландцемент (БТЦ), который отличается от обычного более интенсивным нарастанием прочности в начальные периоды твердения. В некоторых зарубежных странах аналогичный продукт называется «цемент с высокой прочностью». Уже в 3-суточном возрасте предел прочности при сжатии искусственного камня на основе БТЦ почти равен соответствующему показателю искусственного камня на основе обычного портландцемента в возрасте 28 сут. БТЦ имеет большое значение для современного индустриального строительства, позволяя интенсифицировать процессы производства изделий из бетона в заводских условиях. Все большую значимость приобретают портландцементы с поверхностно-активными добавками (пластифицированный, гидрофобный). Эти добавки вводят в малых дозах (0,05-0,2% по массе) при помоле клинкера, они осаждаются на цементных частицах. Хотя такой адсорбированный слой весьма тонок (его толщина относится к толщине цементной частицы, как толщина спички к высоте тридцатиэтажного дома), он существенно улучшает свойства материалов на основе цемента. Малые дозы добавок позволяют снизить водопотребность цемента, повысить морозостойкость, прочность и в целом долговечность искусственных каменных материалов. Портландцементы с минеральными добавками (пуццолановый, шлакопортландцемент) позволяют получать камни более высокой водо- и солестойкости. Сульфатостойкий портландцемент применяют для получения материалов, обладающих коррозионной стойкостью в сульфатных средах. Разнообразить цветовую гамму искусственных каменных материалов позволяет внедрение декоративных портландцементов. Серый цвет обычного портландцемента и отвердевшего цементного камня обусловлен наличием красящих оксидов в сырьевых материалах, и, прежде всего, оксида железа. Белый портландцемент получают при использовании сырьевых материалов с ничтожно малым количеством оксида железа и закиси марганца. Цветные портландцементы (желтый, красный, розовый и другие цвета) изготовляют совместным помолом клинкера белого цемента и различных красящих присадок – минеральных пигментов (охра, железный сурик и др.). Эффективен способ производства цветных цементов путем добавления в безжелезистую сырьевую смесь микроприсадок (десятые доли процента массы смеси) – оксидов хрома, марганца и некоторых других металлов. При этом получают цементы разнообразных цветов и оттенков. При использовании разновидностей портландцемента для изготовления искусственных каменных материалов учитывают не только их преимущества, но и возможные недостатки. Так, портландцементы с поверхностно-активными и минеральными добавками медленнее схватываются, материалы на основе декоративных портландцементов менее морозостойки.
Глиноземистый цемент – быстротвердеющее и высокопрочное (т.е. образующее высокопрочный искусственный камень) гидравлическое вяжущее, отличающееся по составу от портландцемента. В состав глиноземистого цемента входят преимущественно не силикаты, а алюминаты кальция, получаемые после обработки бокситов и известняков. Главный и наиболее дорогой вид сырья для получения такого цемента – бокситы (алюминиевая руда). Применение расширяющегося цемента позволяет в ряде случаев успешно бороться с усадочными деформациями цементного камня. У нас в стране и за рубежом предложены расширяющееся цементы, содержащие различные компоненты, способные в процессе твердения равномерно увеличивать свой объем. Напрягающий цемент применяют для получения материалов с повышенной трещиностойкостью и плотностью, предназначенных для спортивных объектов, подводных и подземных напорных сооружений.
Заполнители различают органические и неорганические. Неорганические заполнители разделяют на мелкие (песок) и крупные (щебень, гравий). Количество мелких и крупных заполнителей в искусственных каменных материалах достигает 90% по объему и 80% по массе. Понятно, что свойства материалов в большей мере зависят от свойств заполнителей. Их качество оценивают следующими основными показателями: степень чистоты, физико-механические свойства (прежде всего плотность, водопоглощение, морозостойкость, прочность), геометрические характеристики. Для некоторых веществ в определенной области их реализации примеси полезны или даже необходимы. Но в данном случае примеси вредны, ибо ослабляют контакт, прочность сцепления заполнителей с цементным камнем и в результате прочность материала. Ряд показателей физико-механических свойств заполнителей, например, морозостойкость, выше, чем у цементного камня. Сказываются на свойствах материала и крупность зерен заполнителей, соотношение между зернами различной крупности (зерновой состав), форма зерен. Так, при равной прочности цементного камня прочность материала с гравием нередко ниже, чем при использовании щебня, - при более гладкой поверхности гравия не обеспечивается достаточно прочное сцепление заполнителя с цементным камнем. Органические заполнители представляют собой измельченные отходы заготовки и обработки древесины, растительных материалов (дробленка). Сучки, горбыль, стружку, стебли хлопчатника, костру конопли, льна подвергают обработке на рубильной машине и затем измельчают в дробилке.
Уплотняющие волокнистые компоненты заметно повышают прочность цементного камня. К ним относятся: асбест – природный материал волокнистого строения, его волокна даже после механической обработки (распушки) обладают очень высокой прочностью при растяжении 600-800 МПа; щелочестойкое стеклянное волокно и др. Арматуру – стальные стержни диаметром 6-80 мм, проволоку 3-8 мм, сетки, каркасы используют для получения железобетона.
Основы технологии. Основные технологические операции при изготовлении материалов на основе минеральных вяжущих – дозирование, смешивание компонентов смеси, формование, армирование, твердение (в том числе тепловая или автоклавная обработка), отделка лицевой поверхности. Весьма важным условием приготовления материалов с заданными показателями свойств, а также обеспечения стабильности этих свойств является точность дозирования компонентов. Для соответствующей операции применяют дозаторы периодического и непрерывного действия с полуавтоматическим или автоматическим управлением. Цель процесса перемешивания – получение однородной смеси сырьевых компонентов. От однородности смеси в большей мере зависят свойства материалов: большая однородность смеси определяет более высокие эксплуатационные характеристики. В зависимости от вида и характеристик смеси сырьевых компонентов применяют различное оборудование для перемешивания. Так, для приготовления смеси, содержащей цемент, мелкий и крупный заполнители, большое распространение получили гравитационные бетоносмесители. Перемешивание в них достигается при вращении барабана определенной формы с лопастями на внутренней поверхности. При вращении барабана лопасти захватывают составляющие бетонной смеси и поднимают их на некоторую высоту при падении компоненты смеси перемешиваются. Некоторые гравитационные смесители устанавливаются на автомашинах – автобетоносмесители. На крупных централизованных растворобетонных узлах используются турбулентные смесители. В таких аппаратах сырьевые компоненты перемешиваются в различных направлениях с большой скоростью, что позволяет получать однородные смеси за сравнительно короткий промежуток времени. Производительность турбулентного смесителя, предназначенного для получения достаточно подвижных смесей, более 30 м3 в час при объеме замеса 0,6 м3. Качество и долговечность материалов на основе минеральных вяжущих ы значительной мере определяются качеством формования (укладки) смеси. Формование относят к трудоемким и энергоемким процессам. Например, бетонная смесь, особенно жесткой консистенции, представляет собой рыхлую массу с большим количеством пустот. Поэтому недостаточно правильно подобрать состав смеси и равномерно перемешать ее составляющие – необходимо произвести укладку с учетом равномерного распределения в соответствующих формах. Для формования, в том числе уплотнения смеси сырьевых компонентов, используются различные способы, в зависимости от ее состава и характеристик: вибрирование, трамбование, прессование, прокат.
Тепловая обработка материалов после формования производится для ускорения процесса твердения. Так, при температуре 20(2оС цементные смеси твердеют интенсивно до месячного возраста (затем процесс твердения существенно замедляется). Через 7-14 сут. прочность материала достигает 60-80% прочности в возрасте 28 сут. Но выдерживание материалов в течение 7 сут. и более потребовало бы на заводах огромного количества форм и большого увеличения производственных площадей. При повышении температуры до 70-100оС процесс твердения цементного камня ускоряется – через 6-15 ч. прочность бетона достигает 70% прочности бетона в возрасте 28 сут. при твердении в нормальных условиях. Большое значение на процесс твердения рассматриваемых материалов оказывает другой фактор – влажность среды. Не следует забывать, что прочность нарастает в результате физико-химических процессов взаимодействия минеральных вяжущих с водой. Эти процессы проходят нормально при определенном количестве воды. Если вода слишком быстро испаряется, т.е. материал высыхает, то твердение прекращается. Поэтому, например, при твердении бетона в летнее время на строительной площадке, особенно в начальный период, он нуждается в определенном уходе (полив, укрытие поверхности) для сохранения необходимого количества влаги. С этой же целью при тепловой обработке в заводских условиях используют насыщенный пар. Тепловая обработка производится, как правило, путем пропаривания в камерах при нормальном давлении и температуре до 100оС, а также при электропрогреве, контактном прогреве в обогреваемых формах, в бассейнах с горячей водой.
Автоклавная обработка осуществляется при повышенных давлениях и температуре водяного пара. Автоклав представляет собой герметичный цилиндрический горизонтальный сварной сосуд со сферическими крышками диаметром 2-3,6 м, длиной 19-40 м. В зависимости от вида строительного материала на основе минерального вяжущего давление в автоклаве 0,8-1,5 МПа, температура 174-200оС. В этих условиях резко ускоряются процессы твердения, а при обработке ряда материалов происходит – гидротермальный синтез – взаимодействие между гидрооксидом кальция, кремнеземом и водой с образованием прочного искусственного камня.
Отделка лицевой поверхности полученных материалов может предполагать механическую обработку, обнажение поверхности заполнителей химическим способом, облицовку плитками и плитами, нанесение разнообразных дробленных материалов, поверхностное или объемное окрашивание, металлизацию, огневую, высокотемпературную (плазма) обработку.
(Более подробно способы отделки лицевой поверхности см. «Эстетические характеристики».).

Литература: [1], с. 161-164.

























Тема 6.2 Номенклатура, свойства, методы испытаний и оценка качества
минеральных вяжущих и материалов на их основе
К основным видам материалов на основе минеральных вяжущих относят бетон, железобетон, строительные растворы, силикатные (на основе воздушной извести), асбестоцементные, гипсовые и краски. Есть еще материалы специального назначения, в том числе, теплоизоляционные, кровельные, для гидротехнических сооружений, дорог.
Бетон – искусственный камень, полученный в результате перемешивания, формования (укладки) и последующего твердения рационально подобранной смеси минерального вяжущего, воды и заполнителей. В основном бетоны классифицируют по средней плотности: особо тяжелые со средней плотностью выше 2500 кг/м3, содержащий плотные и тяжелые заполнители (чугунная дробь, стальные опилки и зерна, барит); тяжелый, содержащий плотные мелкие и крупные заполнители (песок, щебень или гравий) и имеющий среднюю плотность от 2200 до 2500 кг/м3; облегченный со средней плотностью от 1800 до 2200 кг/м3; легкий – от 500 до 1800 кг/м3; особо легкий, отличающийся средней плотностью менее 500 кг/м3, имеет ячеистую или крупнопористую структуру. Выделяют легкие бетоны, содержащие мелкий заполнитель и крупные пористые природные или искусственные заполнители. Искусственные заполнители получают путем термической обработки вспучивающихся глин (керамзитовые гравий и песок), вулканических пород (вспученный перлит), водосодержащихся слюд (вермикулит); глиносодержащегося сырья и твердого топлива (аглопорит), шунгитовых пород (шунгизит), минерального сырья с газообразователем (азерит) и из отходов (шлаковая пемза, металлургические шлаки, зольный гравий), природные заполнители – из пемзы, туфов и т.п. Крупнопористую структуру имеет беспесчаный легкий бетон, ячеистые легкие бетоны (газобетон, пенобетон) не содержат крупных заполнителей. По функциональному назначению выделяют бетоны общего (для несущих и ограждающих конструкций жилых, общественных, промышленных зданий) и специального (теплоизоляционные, дорожные, гидротехнические, декоративные и др.) назначения.
Железобетон получают на строительной площадке или в заводских условиях, соединяя в единое целое бетон и стальную арматуру. Армирование предполагает установку стальной арматуры в тех местах материала (бетона), которые подвержены при эксплуатации растягивающим нагрузкам. Их воспринимает рабочая несущая арматура. Монтажную арматуру устанавливают в сжатых или ненапряженных участках материала. Применяют также закладные детали, петли и крюки. Непосредственно на месте строительства возводятся монолитные железобетонные конструкции. Для этого устанавливают опалубку из металла, древесины или других материалов, которая соответствует будущей форме сооружения. Затем ставят арматуру, производят подачу и укладку бетонной смеси. Распалубливание железобетонной конструкции производят после достижения бетоном необходимой прочности. Архитектурные формы зданий и сооружений из монолитного железобетона очень разнообразны и отличаются своеобразной пластикой. По виду армирования различают сборные железобетонные материалы с обычным армированием и предварительно напряженным. В последнем случае арматуру предварительно растягивают, а после формования и затвердения бетона ее освобождают от натяжения. Происходит сжатие массы бетона, увеличиваются предельная растяжимость материала при нагрузках, трещиностойкость и долговечность. Применение железобетонных материалов с предварительным напряжением постоянно расширяется. В настоящее время изготовляют сборные бетонные и железобетонные материалы для всех основных частей современных зданий и сооружений – фундаментов и каркасов, стен, перегородок, перекрытий, покрытий, лестниц, а также специальных видов строительства (подземного, дорожного, гидротехнического, мостостроения). С учетом возможностей транспортного и грузоподъемного оборудования длина таких материалов, как правило, не превышает 25 м, ширина 3 м и масса 25 т. Фундаментные блоки выполняют из тяжелого бетона прямоугольного или трапециевидного сечения, например, длиной 0,78-2,38 м; высотой 0,3-0,5 м и массой 0,5-4 т. Фундаментные элементы под железобетонные колонны изготовляют из тяжелого бетона, нижнюю поверхность делают плоской, а в верхней части устраивают специальное гнездо (стакан) для крепления колонны. Колонны – железобетонные линейные элементы прямоугольного сечения, например, размером 30х30 или 40х40 см. Длина колонн в многоэтажных здания до 840 см. Ригели каркасов выпускают обычного таврового сечения с полкой или приливами по боковым граням для опирания плит перекрытий. Например, ригели для пролета 6 м изготовляют длиной 5,5 м, высотой сечения 45 см с обычной или предварительно напряженной арматурой. Для пролета 9 м длина ригеля 8,5 м; высота сечения 60 см, арматуру обязательно предварительно напрягают. Панели наружных стен изготовляют из легкого бетона на пористом заполнителе или из ячеистого бетона с арматурой из сварных сеток, размером на жилую комнату, массой до 8 тонн. Рядом преимуществ обладают трехслойные панели толщиной до 25-30 см. Для строительства промышленных зданий выпускают панели толщиной 16-30 см и других размеров. Панели внутренних стен производят из тяжелого или легкого бетона сплошными или с дверными проемами. Их длина до 6 м, высота до 2,9 м, толщина до 20 см. Панели и плиты для перегородок могут быть сплошными, пустотелыми, с проемами для дверей. Толщина панелей и плит обычно 8-10 см. Для их изготовления применяют легкие и особо легкие бетоны, часто на гипсовом вяжущем (гипсобетон). Стеновые блоки изготовляют обычно сплошными или пустотелыми из легкого бетона с размерами, соответствующими конструктивной разрезке стен. Виды стеновых блоков: простеночные, перемычечные, карнизные, цокольные, угловые, подоконные. Плиты и панелей перекрытий также отличаются сплошным или пустотелым строением, могут быть ребристыми. Пустотелые плиты перекрытий для жилых и общественных зданий выпускают длиной до 6 м, шириной до 2,4 м и толщиной 22 см. При длине 9 или 12 м толщина плит 40 см. Выпускают также ребристые плиты длиной до 15, шириной до 3 м и высотой 40 и 60 см. Арматуру часть предварительно напрягают. Панели перекрытий также бывают сплошными, пустотелыми, ребристыми. Плиты покрытий обычно состоят из плоской полки толщиной 3 см, которая монолитно связана с системой продольных и поперечных ребер высотой 15 или 30 см. Размеры плит 3х6, 3х12, 3х18 и 3ъ24 м. Оболочки покрытий – армированные криволинейные плиты размером 10х10 м, толщиной 3-4 см, по периметру оболочки имеют ребра жесткости. Формы и балки изготовляют обычно из предварительно напряженного железобетона для зданий с пролетом соответственно 18, 24 м и 6, 12, 18 м. Лестничные марши из железобетона отличаются ступенчатым профилем, часто имеют плоские концевые участки, образующие лестничные площадки. Плиты для строительства дорог и аэродромов изготовляют на основе тяжелого предварительно напряженного бетона. Размер таких плит до 1,75х3 м, толщина 13-17 см и др. Плиты, блоки, сегменты теплоизоляционные производят в основном из особо легких, часто ячеистых бетонов на различных вяжущих (цементе, извести, гипсе).
Строительные растворы получают из различных минеральных вяжущих (цемента, извести, гипса и из смесей – цементно-известковых, известково-гипсовых и др.), мелкого заполнителя и добавок, улучшающих свойства материалов. В зависимости от назначения различают растворы кладочные, используемые при кладке стен, фундаментов, столбов и других частей конструкций; штукатурные – для внутренних и наружных стен, потолков и др.; монтажные – для заполнения швов между сборными элементами (панелями, блоками) при их монтаже; специальные – декоративные, гидроизоляционные и др. Растворы готовят на строительных площадках, но большое количество кладочных и монтажных растворов приготовляют на специализированных заводах, а затем доставляют на место строительства. Большое значение для архитектурной выразительности зданий может иметь применение декоративных растворов: искусственного мрамора (из смеси гипса и минеральных пигментов), сграффито (многослойного цветного рельефного раствора из смеси и известкового теста, песка и пигментов), цветных известково-песчаных и известково-мраморных (с использованием белого портландцемента, мраморных песка или муки, пигментов), терразитовых (на основе извести, цемента, мраморных муки и крошки, пигментов, слюды) и др.
К силикатным искусственным каменным материалам относят, прежде всего, кирпич и бетон. Силикатный кирпич изготовляют из смеси извести (6-8%, считая на активную СаО), кварцевого песка (92-94%) и воды (7-9%). После перемешивания и формования (прессования) материал твердеет в автоклаве. Выпускают сплошные и пустотелые кирпичи, размеры которых аналогичны керамическим. Вследствие сравнительно низкой водостойкости силикатные кирпичи в отличие от керамических нельзя применять для кладки фундаментов и цоколей зданий ниже гидроизоляционного слоя. Если материал применяется для стен зданий с влажным и мокрым режимом эксплуатации, то необходима специальная защита. Силикатный кирпич также не выдерживает длительного воздействия высоких температур и не употребляется для кладки печей, труб промышленных предприятий и др. Силикатные бетоны аналогичны обычным, различают по средней плотности – тяжелые, легкие (с искусственными пористыми заполнителями). Выделяют также ячеистые бетоны (легкие, особо легкие), получаемые смешиванием известково-песчаной смеси с технической пеной (пеносиликат) или с газообразными веществами (газосиликат).
Асбестоцементные материалы изготовляют из специального портландцемента марок 400 и 500 и волокон асбеста (10-20% от массы цемента), которые значительно упрочняют структуру цементного камня. Промышленностью выпускается более 40 видов асбестоцементных материалов. Листы асбестоцементные профилированные (волнистые, двоякой кривизны, фигурные) и плоские (прессованные и непрессованные) предназначены для стен, кровли, наружной и внутренней отделки, элементов конструкций. В отечественной практике в зависимости от разновидности профиля (унифицированный, обыкновенный, усиленный) волнистые асбестоцементные листы различны по высоте волны 28-32-40-45-50 мм, их толщина 5,5-8 мм, длина до 2,5 м и ширина до 1,13 м. Толщина плоских листов 4-12 мм, длина до 3,6 м, ширина до 1,5 м. Волнистые и плоские листы могут быть окрашены в массе, иметь различную отделку лицевой поверхности. Асбестоцементные акустические плиты изготовляют из перфорированных асбестоцементных листов и слоя пористо-волокнистого материала (минеральной или стеклянной ваты и др.). Размеры плит 600х600, 1200х800 мм при толщине 4-7 мм. Асбестоперлитоцементные листы получают из белого или цветного цемента, асбеста и перлитового песка. Длина листов 500, 600 и 1200, ширина 500 и 600, толщина 4,6 и 8 мм. Область применения таких листов, лицевая поверхность которых имеет различную декоративную отделку, - облицовка потолков, внутренних стен, перегородок. Листы огнестойки и применяются также для защиты ограждающих конструкций. Асбестоцементные панели представляют собой каркасную или бескаркасную конструкцию, где между асбестоцементными плоскими листами помещается теплоизоляционный материал.
Гипсовые материалы получают из гипсового теста (гипс с водой) и минеральных или органических тонкомолотых заполнителей. Искусственный гипсовый камень армируют также минеральными или органическими волокнистыми наполнителями. Гипсокартонные листы прямоугольной формы имеют длину 2,5-3,3 м, ширину 1,2-1,3 м, толщину 10-12 мм. Гипсовый сердечник листов оклеивается с двух сторон картоном. Материал применяется для отделки стен и устройства перегородок. Наряду с обычными, подлежащими отделке, выпускают гипсокартонные листы с декоративным покрытием на лицевой поверхности. Определенными преимуществами обладают гипсоволокнистые листы, в которых армирующими компонентами являются волокна из древесины, бумажной макулатуры и др. По прочности они не уступают гипсокартонным, а стоимость их ниже. Гипсобетон используют при изготовлении плит и панелей для перегородок, перекрытий. Гипсобетонные панели могут иметь толщину 80-120 мм, длину на комнату, ширину на высоту этажа. Более эффективными крупноразмерными изделиями считают гипсоволокнистые панели размерами 0,6-2,5 м и 1,2-3,3 м при толщине 50 мм. Такие изделия, в частности, более технологичны: легко пилятся и т.п.
Краски на основе минеральных вяжущих содержат щелочестойкие пигменты и небольшое количество добавок, улучшающих эксплуатационно-технические свойства. В известковых красках пленкообразующим (связующим) веществом является гашеная известь необходимой жидкой консистенции. Кроме щелочестойких пигментов (охра и др.), в состав краски вводят водоудерживающие добавки (хлористый кальций, поваренную соль и др.). Эти краски – одни из самых дешевых, но менее долговечны. Цементные краски образуют пленку на отделываемой поверхности с помощью белого портландцемента. Кроме него и щелочестойкого пигмента, красочный состав содержит водоудерживающую и гидрофобизующую добавки. Эти краски применяют для наружной и внутренней отделки, причем окрашивают преимущественно производственные помещения с влажным режимом эксплуатации. Краски силикатные, где связующим служит силикат калия в виде водного коллоидного раствора. Их используют для наружных и внутренних малярных работ, для огнезащитных покрытий на деревянных конструкциях.
Свойства. Эксплуатационно-технические свойства большинства материалов на основе минеральных вяжущих в значительной мере определяются характеристиками, соотношением сырьевых компонентов и формируются на стадиях перемешивания, укладки и твердения. Например, большое значение для свойств материалов из бетона, растворов имеют характеристики бетонной (растворной) смеси. Она должна быть удобоукладываемой, и тогда в дальнейшем обеспечиваются необходимые однородность и плотность бетона (раствора) и, как правило, прочность и долговечность. Следует подчеркнуть, что удобоукладываемость должна предполагать не только определенную подвижность, но и однородность бетонной (растворной) смеси. Это особенно важно для тех смесей, которые после приготовления транспортируют на место строительства. Частицы цемента и заполнители с плотностью соответственно 3,1 и 2,6 г/см3 стремятся осесть вниз, вода (плотность 1 г/см3) скапливается сверху смеси. В процессе транспортирования и возможного хранения на объекте бетонная (растворная) смесь должна сохранять удобоукладываемость, т.е. быть «жизнеспособной». Главные меры борьбы с расслоением бетонной смеси: уменьшение количества воды затворения с одновременным вводом пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности путем рационального подбора зернового состава заполнителей. Большое значение имеет однородность смеси сырьевых компонентов при изготовлении силикатного кирпича, гипсовых, асбестоцементных строительных материалов, красочных составов. Показатели эксплуатационно-технических свойств материалов на основе минеральных вяжущих в жестковязком (твердом) состоянии могут регулироваться в достаточно широком диапазоне. Важные физические и химические свойства бетона – водонепроницаемость, морозостойкость, коррозионная стойкость, а также прочность и Деформированность – связаны с плотностью структуры. Большая или меньшая плотность зависит, прежде всего, от расхода воды для приготовления материала. Если воды недостаточно – смесь получается рыхлой, несвязной, т.е. неудобоукладываемой. В результате в отвердевшем бетоне может быть большое количество пустот, каверн, что существенно снижает его долговечность. Избыток воды позволяет получить высокоподвижные смеси, но при испарении влаги в бетоне остаются поры, часто сравнительно крупные, также ослабляющие его структуру. Поэтому важно определить оптимальное количество воды, при котором обеспечивается наиболее высокая плотность материала. Бетон мелкопористой структуры и однородного состава практически водонепроницаем в массивных сооружениях. Весьма высока может быть водонепроницаемость легких бетонов. Керамзитобетон, например, не пропускает воду при давлении 2 МПа и более. Малая водопроницаемость легких бетонов подтверждается многолетней эксплуатацией гидротехнических сооружений на их основе в Армении и Грузии. Со временем водонепроницаемость легких бетонов повышается. Непосредственно с характером строения бетона связана и его морозостойкость. Мелкие поры, обычно размером менее 10-5 см, непроницаемы для воды. Однако в бетоне содержатся и более крупные поры, а материалы из него часто подвергаются действию воды, замораживанию и оттаиванию. Например, осенью наружная часть стены на основе может намокать от дождя. Зимой в стене устанавливается определенное распределение температур, наружная часть стены промерзает. В это время происходит миграция пара «от тепла к холоду». Пар стремится наружу, так как давление при отрицательной температуре ниже, чем при положительной. Стремясь выйти наружу, водяной пар попадает в зону низких температур и конденсируется в порах возле наружной грани стены. Таким образом, поры наружной, промерзающей части материала постоянно обводняются, причем вода прибывает сюда не только изнутри, но и снаружи (дождь с ветром). При наступлении даже небольших морозов (-5-8оС) вода в крупных порах замерзает и, как известно, при переходе в лед увеличивается в объеме на 9%, что может привести к опасным растягивающим напряжениям. Разрушение бетона начинается обычно с «шелушения» его поверхности, распространяясь вглубь. Тяжелый бетон – сравнительно плотный материал, и его морозостойкость, как правило, высока – он может выдерживать 500 циклов весьма жестких лабораторных испытаний (попеременное замораживание-оттаивание) без существенной потери прочности. Однако морозостойкость и легкого бетона достаточна для применения в ограждающих конструкциях. Кроме того, технологи и строители применяют различные способы повышения морозостойкости бетона (защита поверхности, введение специальных добавок). Аналогичными способами повышают и коррозионную стойкость бетона, точнее, цементного камня в бетоне, так как разрушаются, прежде всего, именно он – заполнители достаточно стойки. Проектирование конструкций с применением бетона обязательно предполагает учет его прочности. В соответствии с требованиями стандарта, прочность бетона определяют путем испытания образцов определенных размеров и возраста на сжатие. Проектные марки тяжелого бетона, в зависимости от величины предела прочности при сжатии (в кгс/см2, не менее), 50, 75, 100, 150, 200, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800. В зависимости от гарантированной (не менее чем в 95 случаях из 100) прочности предусмотрены также следующие классы бетона: В 1; В 1,5; В 2; В 2,5; В 3,5; В 5; В 7; В 10; В 12,5; В 15; В 20; В 25; В 30; В 35; В 40; В 45; В 50; В 55; В 60. Классы бетона и средняя прочность бетона R(ср связаны:
R(ср = В / 0, 778 (16)
Методы испытаний и оценки качества бетона. При определении прочностных показателей бетона разрушающими методами учитывают особенности и размеры образцов различных вдов (тяжелый, легкий, в том числе ячеистый) этого материала. Весьма популярны неразрушающие методы оценки прочности бетона, среди которых метод пластической деформации, упругого отскока и ультразвуковый импульсный.
Сущность метода пластической деформации (см. «Основные свойства материалов, их стандартизация и классификация») основан на связи значения предела прочности при сжатии и размера отпечатка при вдавливании индентора (штампа). С этой целью используют приборы динамического или статического действия. К приборам динамического действия относят, в частности, ударные молотки с эталонным стержнем, позволяющие отпечаток на поверхности бетона сравнивать с отпечатком на эталонном стержне. При использовании ударных молотков с заданной массой и энергией удара, дисковых и маятниковых приборов о прочности бетона судят непосредственно по отпечатку на его поверхности. К приборам статического действия относят гидравлические штампы, основной частью которых является сферический индентор (штамп). Плавное вдавливание индентора осуществляется с помощью гидравлического пресса. Оценка прочности бетона методом упругого отскока основана на зависимости между пределом прочности при сжатии и высотой отскока бойка от ударника, прижатого к бетону. Боёк имеет определенную массу и ударяет по концу металлического ударника с помощью пружины. Степень отскока бойка зависит от упругих, а следовательно, и от прочностных характеристик бетона и отмечается специальным указателем на шкале приборов, например молотков-склерометров. Оценка прочности бетона с помощью ультразвукового метода основана на измерении скорости распространения через бетон переднего фронта продольной ультразвуковой волны (скорости ультразвука). При сквозном прозвучивании предел прочности при сжатии определяют по предварительно полученной зависимости «скорость – предел прочности при сжатии», при поверхностном прозвучивании – по зависимости «время – предел прочности при сжатии». Поверхность бетона, на которую устанавливают ультразвуковые преобразователи, не должны иметь дефекты (вмятины, наплывы, раковины), воздушные прослойки глубиной более 3 и диаметром более 6 мм. Относительная погрешность измерения времени распространения ультразвука не должна превышать (0,01-0,1 мкс.
Деформативность бетона на основе цемента зависит в большей мере от условий начального твердения и последующей эксплуатации. При твердении на воздухе происходит определенная усадка материала. Главная причина усадки – испарение воды в процессе твердения. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Заполнители образуют своеобразный каркас, препятствующей усадке. Поэтому усадка бетона значительно меньше, чем цементного камня. Усадочную трещиностойкость бетона можно повысить при рациональном подборе состава бетона и используемого цемента, в том числе, при оправданном снижении его расхода. В воде бетон набухает, но величина набухания значительно меньше величины усадки и, как правило, не представляет опасности. Весьма нежелательны деформации бетона от действия повышенной температуры, а также от нагревания его теплотой, выделяющейся при экзотермических реакциях цемента с водой. Для предотвращения таких деформаций в массивных бетонных конструкциях устраивают температурные швы. Под нагрузкой бетон деформируется иначе, чем сталь или другие сравнительно упругие материалы. Существенный недостаток бетона (как и других каменных материалов) – хрупкость, определяемая структурой, строением цементного камня и материала в целом. Область условно-упругой работы бетона – от начала погружения до такой нагрузки, при которой образуются микротрещины по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем. При дальнейшем погружении микротрещины образуются уже в цементном камне и возникают пластические – неупругие – деформации бетона. Деформативность легких бетонов на пористых заполнителях может существенно отличаться от аналогичного показателя тяжелых бетонов. Легкие бетоны более трещиностойки, так как их предельная растяжимость в 2-4 раза выше, чем равнопрочного тяжелого бетона. Но легкий бетон дает большую усадку, чем тяжелый, величина его набухания в воде также больше. Деформации ячеистых бетонов в большей мере зависят от влажности изделий после тепловой обработки. После автоклавного твердения влажность бетона доходит до 25% по массе, а после пропаривания – до 50%. Усадка после высыхания достигает соответственно 1,2 и 2,5 мм/м. От усадочных деформаций могут появиться трещины, существенно снижающие долговечность материала. Усадка уменьшается при меньшем количестве воды при приготовлении такого бетона, введении крупного песка, объемной гидрофобизации материала. Железобетонные материалы обладают способностью выдерживать гораздо большие растягивающие и изгибающие нагрузки по сравнению с бетонными. Эти нагрузки воспринимает стальная арматура, предельная растяжимость которой выше, чем у бетона, в 3-6 раз и более. При оценке свойств строительных растворов учитывают особенности их применения по сравнению с бетоном: использование в сравнительно тонких слоях, нанесение на водоотсасывающее основание (кирпич, бетоны). В результате большое значение имеет водоудерживающая способность растворной смеси. В зависимости от состава и назначения строительные растворы должны выдерживать 10-300 циклов попеременного замораживания-оттаивания, обладать пределом прочности при сжатии не менее 0,4-20 МПа. Основные показатели эксплуатационно-технических свойств силикатного кирпича – водопоглощение, морозостойкость и предел прочности при сжатии. Водопоглощение материал по массе не менее 6%, обычно 8-16%; морозостойкость не менее 15-20 циклов. В зависимости от прочностных показателей при сжатии и изгибе (в кгс/см2) марки силикатного кирпича 100, 125, 150, 200, 250. Силикатный кирпич уступает керамическому по эксплуатационно-техническим характеристикам, но его себестоимость ниже. Асбестоцементные материалы отличаются достаточно высокими морозостойкостью (не менее 25-100 циклов при снижении прочности на 10%) и коррозионной стойкостью. Прочность материала в большей мере определяют волокна асбеста, армирующие структуру цементного камня. Предел прочности асбестоцементных изделий при изгибе определяют по известной схеме, разрушая образец сосредоточенной нагрузкой, прикладываемой посередине пролете. Размеры образцов, имеющих в плане прямоугольную форму, зависят от вида материала. Неразрушающий метод испытания асбестоцементных изделий основывается на приложении нагрузки в виде штампа к определенному участку. Штамп имеет рабочую поверхность 100х10 мм и изготавливается из древесины. Образцы, предназначенные для определения прочности, выдерживают в помещении лаборатории не менее суток. Недостатки асбестоцементных материалов – хрупкость и повышенная деформативность (склонность к короблению). Эксплуатационную надежность и долговечность гипсовых строительных материалов связывают, прежде всего, с их сравнительно высокими гигроскопичностью и водопоглощением. Предел прочности при сжатии таких материалов обычно 3-4 МПа, но их насыщение водой в количестве 2-8% приводит к резкому снижению прочности и разрушению. Эксплуатационно-технические свойства красок в большей мере зависят от вида минерального вяжущего. При расходе красочного состава (укрывистости) в пределах 400-700 г/м2 наименее долговечны известковые краски.
Эстетические характеристики материалов на основе минеральных вяжущих весьма разнообразны и должны назначаться с учетом комплекса факторов, в том числе, необходимой архитектурной выразительности, условий эксплуатации и технологических особенностей производства. Эстетические характеристики бетонных и железобетонных материалов следует связывать с их массовым применением при комплексно-механизированной сборке зданий и сооружений. Современные способы индустриальной отделки позволяют получить элементы зданий с декоративной и долговечной внешней фактурой при невысоких затратах труда и стоимости. В заводских условиях можно более четко управлять процессом отделочных работ, чем в построечных. Повышение архитектурной выразительности отдельных сооружений и застройки в целом достигается при умелом использовании возможностей заводской технологии. Оценивая различные способы заводской отделки бетонных и железобетонных элементов сборного строительства, следует отметить, в частности, отделку поверхности дроблеными природными или искусственными материалами, декоративными бетонами и растворами, плитами и плитками, долговечными красящими составами. Весьма разнообразна фактура и цветовая гамма дробленых каменных материалов (как природных, так и искусственных) и соответствующих лицевых поверхностей бетонных изделий. Природные дробленые каменные материалы – гранит, габбро, сиенит, диорит, доломит, плотные известняки, песчаник, кварцит, мрамор – могут применяться без дополнительной обработки. Кроме того, декоративная окраска таких материалов может быть получена путем термической обработки или нанесением на поверхность щебня цветных силикатных пленок, глазурей или эмалей. К искусственным дробленым материалам относятся, прежде всего, отходы промышленности: шлаки, керамический или стеклянный бой и т.д., а также специально изготовленные искусственные камни, например на основе цементно-песчаной смеси. Дробленые материалы активно участвуют в цветообразовании лицевой поверхности изделий в сочетании с цветными цементами. Но и при использовании ахроматических цементов возможно достижение интенсивной окраски поверхности. Способы подбора полихромных композиций, определение доминирующего (суммарного) цвета поверхности могут основываться на колориметрическом или визуальном методах. В зависимости от технологии изготовления индустриальных элементов применяются различные способы нанесения дробленых материалов на лицевую поверхность бетона. При формовании панелей «лицом вверх» дробленый материал наносится на свежесформованную и выровненную поверхность бетона. После термовлажностной обработки лицевую поверхность изделия промывают водой и очищают металлической щеткой или воздушной струей. При формовании изделий «лицом вниз» на дно формы насыпают слой песка, в который вдавливаются зерна дробленого материала. Дробленый материал может также укладываться на предварительно смазанное дно формы в виде подстилающего слоя или вдавливаться на определенную глубину в слой специального быстротвердеющего состава. Через некоторое время этот состав теряет прочность (не оказывая вредного влияния на цементный камень), и поверхность дробленого материала обнажается. Сравнительно ровная и гладкая декоративная поверхность получается при использовании ковриков из крафт-бумаги, на которые предварительно с помощью жидкого стекла накладываются зерна дробленого материала (цветная крошка). Отделка поверхности декоративным бетоном эффективна при использовании для его изготовления цветных цементов или заполнителей различного цвета. Одна из характерных операций при изготовлении декоративного бетона – обнажение поверхности заполнителя химическим или механическим способом. При этом использовании цветных заполнителей позволяет получить поверхность определенного цветового тона без применения цветных цементов. В зависимости от требуемых эстетических свойств лицевой поверхности реализуются различные цветовые сочетания компонентов бетона. При сочетании цветового заполнителя и ахроматического цемента (белого или обычного серого) обычно стремятся к достижению максимального «выхода» зерен заполнителя на поверхность, что может быть обеспечено соответствующим подбором состава бетона. При сочетании цветного цемента с ахроматическим заполнителем (белым, серым, черным) большое значение имеет цвет цемента. При сочетании цветного цемента с цветным крупным заполнителем открываются большие возможности для достижения заданного цвета бетона. Определить требуемые соотношения площадей цветных компонентов, выходящих на лицевую поверхность бетона, можно с помощью специальных таблиц, составленных на основании экспериментальных данных. Наряду с декоративными бетонами в отделке стеновых панелей, главным образом из легких бетонов, часто применяются цементно-песчаные растворы. Если их физико-механические свойства характеризуются пределом прочности при сжатии не менее 10 МПа, морозостойкостью не менее 50 циклов и водопоглощением менее 10%, то такие растворы достаточно долговечны. Вместе с тем следует учитывать склонность растворов к образованию высолов. Один из эффективных способов борьбы с этим недостатком – введение с водой затворения в растворную смесь гидрофобно-пластифицирующих поверхностно-активных добавок. Лицевой поверхности цементно-песчаного раствора придается декоративный рельеф различных глубины и характера рисунка. При оценке качества лицевой поверхности учитывают, что в зависимости от формования панелей «лицом вниз» или «лицом вверх» получают следующие виды декоративного рельефа: рельеф различной глубины при формовании на специально профилированных матрицах из пластмасс, резины или металла; рисунчатый рельеф, нанесенный путем прикатки поверхности свежесформованной панели рельефообразующим валом через резиновый коврик с рисунком; рельеф свободного рисунка путем обработки лицевой поверхности различными приспособлениями (воздушной струей, капроновой или металлической щеткой и др.); мелкошероховатая или мелкобугристая фактуры, получаемые присыпкой свежеуложенного раствора сухим или влажным песком. Различные фактуры лицевой поверхности монолитного железобетона получают, в частности, применяя оригинальные виды опалубки. При получении эстетических характеристик лицевой поверхности декоративных растворов: искусственного мрамора, сграффито, известково-песчаных и известково-мраморных растворов, терразитовых, каменных штукатурок и других – также учитывают особенности технологии их изготовления. Эти декоративные штукатурки весьма выразительны с архитектурной точки зрения, но такая отделка не относится к индустриальной. Эстетические характеристики искусственного мрамора регулируют с помощью пигментов, шлифования и полирования поверхности. При изготовлении сграффито после нанесения растворных слоев различного цвета (минимум двух) сравнительно сложный рельефный рисунок получают способом выцарапывания с помощью ножей, скальпелей, набора резцов. Более производителен и менее трудоемок способ получения рельефного рисунка при использовании шаблонов или трафаретов. Шаблоны изготовляют из картона, жести или фанеры двух видов для выпуклых (формы) и заглубленных (лекала) рисунков, а трафареты – из плотного картона толщиной 1 мм. Контуры рисунка переводят через копировальную бумагу или рисуют и вырезают острым концом ножа так, чтобы нужные узоры не вываливались. На каждый цвет многоцветного сграффито делают самостоятельный шаблон или трафарет. Различную фактуру цветных известково-песчаных растворов получают обработкой в пластично-вязком состоянии или набрызгиванием на отделываемую поверхность. Фактурная обработка терразитовых растворов производится обычно в полузатвердевшем состоянии с помощью цикли, реже бучарды, зубила, а также пескоструйного аппарата. Сравнительно дороги и трудоемки каменные штукатурки, имитирующие фактуру природного камня: гранита, мрамора, известняка, туфа. Вместе с тем такие декоративные растворы, которые изготовляют из цемента с добавкой до 5% известкового теста и дробленых (в виде крошки) горных пород, весьма прочны. Разнообразные фактуры получают, обрабатывая раствор в пластично-вязком состоянии циклеванием, но чаще в затвердевшем виде – оттиркой брусками или ударными инструментами, применяющимися при обработке природного камня. Через 3-4 дня лицевую поверхность каменной штукатурки, полученную с помощью штампа, можно обработать 10%-ным раствором соляной кислоты (ее наносят кистью или распылителем). Обработка считается законченной, когда кислота перестает кипеть. После травления лицевую поверхность каменной штукатурки промывают водой. В результате обнажения поверхность дробленого материала становится чистой и блестящей. Силикатный кирпич имеет сравнительно гладкую фактуру, но его цвет, как и бетона, можно регулировать путем объемного или, что менее долговечно, поверхностного окрашивания. На лицевую поверхность асбестоцементных материалов наносят различные декоративные слои, используя метод напрессовывания специальной текстурированной бумаги, пропитанной термореактивными смолами, или декоративные составы из минеральных и полимерных связующих, краски (эмалевые, силикатные и др.), пастовые составы. Отделка гипсовых строительных материалов связана с объемным или поверхностным окрашиванием, созданием разнообразных декоративных слоев. Объемное поверхностное окрашивание могут использоваться при отделке гипсовых листов. Соответственно в гипсовую массу вводят пигменты, пропитывают изделия лакокрасочными материалами или окрашивают поверхность водоэмульсионной краской. При создании оригинальных декоративных поверхностей используют специальные составы. Например, при имитации коры древесины поверхность плит обрабатывают смесью пигмента или кузбасслака со скипидаром и затем покрывают масляным лаком. При имитации текстуры древесины применяют смесь битумного лака и скипидара в соотношении 1:10 – 1:6, получая светлые или темные тона. Гипсокартонные листы отделывают также полимерной пленкой или обоями с различными цветами и рисунками на лицевой поверхности, а также специальной декоративной бумагой с последующим покрытием ее прозрачным лаком. При изучении эстетических характеристик материалов и изделий на основе минеральных вяжущих учитывают возможные дефекты их внешнего вида: искривление лицевой поверхности, трещины, отбитости, посторонние включения, выцветы, пятна и др. Например, при оценке внешнего вида бетонных и железобетонных материалов на их лицевой поверхности устанавливают размеры (диаметр, глубину) раковин, местных наплывов (высоту) и впадин (глубину), сколов (глубину и длину на 1 м ребра), ширину раскрытия усадочных и других поверхностных трещин. Для материалов с отделанной поверхностью определяют соответствие отделки утвержденному эталону. Оценку внешнего вида облицовочных плит, ступеней, накладных проступей, плит для полов и подоконников, лестничных маршей и площадок проводят с учетом количества раковин допустимых размеров на лицевых поверхностях. На основе результатов оценки, а также вида и способа возможной последующей отделки материалов были установлены восемь категорий бетонных поверхностей, условно обозначенных индексами от А 1 до А 8. При оценке эстетических характеристик декоративных бетонов и растворов учитывают, что на лицевой поверхности не допускаются выцветы и высолы, пятна (в том числе масляные), полосы от цементного молока и местные наплывы, видимые с расстояния 10 м, трещины около ребер по периметру глубиной более 10 мм и общей длиной более 20 см на 1 м. На гладкой лицевой поверхности не допускаются раковины с линейными размерами более 10 мм и глубиной более 3 мм. Допускается не более трех раковин меньших размеров на 1 м лицевой поверхности. Отклонение выступающих граней декоративного заполнителя по отношению к грани соседних зерен не должно превышать 5 мм на базовой длине замера 200 мм. На лицевой поверхности силикатного кирпича не допускаются трещины, дефекты от непогашенной извести, ограничиваются другие возможные дефекты. Для оценки цвета и интенсивности окраски образцы силикатного кирпича и образцы-эталоны укладывают на щит из древесины размером 1х1 м, установленный вертикально. Щит должен прямо освещаться дневным светом на открыто воздухе. Внешний вид материалов на основе минеральных вяжущих оценивают визуально и с помощью микроскопов, увеличительных стекол, металлических измерительных инструментов, приспособлений, шаблонов и трафаретов.
Области применения. Широкое применение искусственных каменных материалов на основе минеральных вяжущих – конструкционных, конструкционно-отделочных, отделочных – обусловливается наличием значительных запасов сравнительно дешевых сырьевых материалов; возможностью удовлетворять разнообразным требованиям всех видов строительства, в том числе при создании разнообразных форм, вариантов отделки лицевой поверхности; конструкционной совместимостью с другими материалами; сравнительной простотой, низкой энергоемкостью, возможностью механизации и автоматизации процесса производства; сравнительно низкой себестоимостью материалов и их эксплутационными характеристиками. Эти причины объясняют массовое применение бетона и железобетона в современной архитектурно-строительной практике для несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений. Причем возрастающая популярность легких бетонов по сравнению с тяжелыми связана с возможностью уменьшить толщину наружных стен в 1,5 раза и более, уменьшить общий тоннаж перевозимых и монтируемых материалов, сократить трудоемкость монтажа конструкций примерно в 2 раза, укрупнить сборные элементы зданий, изготовляемых в заводских условиях. Из железобетона изготавливаются элементы каркаса зданий, сборных конструкций (панели, блоки и др.), монолитных и сборно-монолитных конструкций. Элементы жесткого каркаса рамного типа с фахверковым заполнением стен использованы в домах, построенных еще в начале ХХ в. по проектам Ф. Шехтеля, А. Лолейта, А. Кузнецова и др. Железобетонные изделия (колонны, панели, ригели и др.) применяются для каркасов различных типов, например связевого (Институт хирургии им. А.В. Вишневского в Москве). Сравнительно крупные ячейки каркаса (12х12 м) применены при строительстве Волжского автозавода. Железобетонные панели используются и для бескаркасных зданий различных типов, разных композиционных и пластических решений, как, например, 16-22-этажные жилые дома в районе Тропарево в Москве и др. Большое количество одно- и двухэтажных жилых домов, а также общественных зданий высотой 9 и более этажей построено в различных странах из объемных железобетонных блоков. В зависимости от типа конструкции здания эти блоки применяют в сочетании с элементами каркаса, вантовыми и другими конструкциями. Железобетонные блоки размером 9,8х3,9х2,7 м использованы при строительстве 21-этажной гостиницы в Сан-Антонио, США, 24-этажный корпус пансионата «Ставрополье» в Сочи также построен из объемных блоков. Формообразующие возможности железобетона хорошо проявляются при строительстве монолитных сооружений. Их пластическая выразительность не вызывает сомнений. Яркие примеры использования монолитного железобетона – Останкинская телебашня, спортивные сооружения Олимпиады-80 в Москве, многоэтажные жилые дома во многих странах мира. Различные конструктивные системы из железобетона используются для строительства сборно-монолитных зданий. Оригинальны сборно-монолитные здания высотой 50 этажей в Сиднее и Монреале (архит. П.Л. Нерви), 70-этажный небоскреб «Лейк Пойнт» (архит. Д. Шипорейт) и 80-этажный «Вулф Пойнт» в Чикаго и многие другие здания с несущими наружными стенами, с подвесными перекрытиями и этажами. Разнообразные пространственные покрытия из железобетона – оболочки (призматические, цилиндрические, торовые, купола, пологие, коноиды, гиперболоиды) и висячие покрытия – позволяют архитектору создавать сооружения, практически не имеющие ограничений по форме. Среди характерных примеров складчатое покрытие конференц-зала ЮНЕСКО в Париже площадью 3300 м2, покрытия в виде ребристого купола рынка в Лейпциге, волнистого купола рынка в Руайане (Франция) и гладкого купола с опорной чашей цирка в Казани, покрытия аэровокзала в Борисполе, плавательного бассейна в Гамбурге, певческой трибуны в Таллинне, плавательного бассейна, спортивной арены Олимпийского комплекса в Токио, покрытия из оболочек типа гиперболического параболоида в Мехико и др. Формообразующие возможности железобетона используются архитекторами при создании оригинального пластического решения фасадов и интерьеров зданий.

Литература: [1], с. 164-196; [9], с. 84, 88-92;
Тема 7.1 Определение и краткие исторические сведения. Основы производства
материалов на основе полимеров
Определение, краткие исторические сведения.

Искусственные полимеры – высокомолекулярные соединения (молекулы из нескольких тысяч или сотни тысяч атомов, построенных путем многократного повторения одинаковых групп или звеньев одинаковой структуры), полученные человеком из природных веществ в процессе оригинальных реакций. Природные полимеры – сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Для производства строительных материалов (как правило, специального назначения) используют битумы, дегти. Материалы на основе полимеров – твердые, пластично-вязкие (мастики) или жидкотекучие (лаки, краски) составы, в которых, кроме полимеров, содержится еще ряд компонентов, влияющих на их свойства. Полимерные композиции способны в процессе формования принимать требуемую форму и сохранить ее после снятия формующих нагрузок. Учитывая эту способность, материалы на основе полимеров называют также пластическими массами.
Первые искусственные полимеры, в том числе фенолформальдегид, были получены во второй половине ХІХ в. С 1907 г. на их основе в США было освоено промышленное производство пластмасс, и уже в 1916 г. в больших объемах производилась первая пластмасса горячего формования – бакелит. Первые дома из пластмасс появились в конце 20-х – начале 30-х гг. ХХ в. в США. «Винилайтхаус», представленный на Чикагской выставке 1933 г., имел панели из поливинилхлорида толщиной 5 см, размером 240х70 см и полы из поливинилхлоридных плит. Для здания конторы фирмы «Васко» использовали трехслойные панели из полиметилметакрилата и пенопласта. Заметный количественный и качественный рост производства пластмасс отмечается с 1935 г., когда был изобретен самый прочный материал на основе полимеров – стеклопластик. С 1945 г. строительные пластмассы все чаще применяют для внутренней отделки зданий и для ограждающих конструкций. В отечественной архитектурно-строительной практике вопросами применения материалов на основе полимеров занимались архитекторы А. Буров, Б. Иофан, В. Мунц, А. Крипа и др. В середине 50-х гг. ХХ в. в США, Японии, Великобритании, Франции, Швейцарии освоен выпуск каркасных зданий с панелями из пластмассы. Формообразующие возможности последней были показаны при строительстве «Дома-улитки» из стеклопластика во Франции и «Дома будущего» в США. В Париже было построено многоэтажное административное здание с наружными стенами из стеклопластика, в США – бескаркасные дома с несущими стенами из пластмассы.
Основы производства. Сырье. Основные сырьевые компоненты для производства пластмасс – полимеры, пластификаторы, наполнители, катализаторы, стабилизаторы, красители. В зависимости от способа получения искусственные (синтетические) полимеры разделяют на две группы: полимеризационные и поликонденсационные.
При реакции полимеризации происходит процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества – мономера – без изменения его химического состава и выделения побочных продуктов. Поливинилхлорид получают различными методами из ацетилена и хлористого водорода. Из-за высокого содержания хлора полимер не воспламеняется и не горит. Однако при температуре 130-170оС поливинилхлорид разлагается с выделением хлористого водорода. Это один из самых популярных полимеров для производства различных материалов. Полистирол образуется в результате дегидрирования этилбензола в присутствии водяного пара. Полимер отличается высокой светопрозрачностью - до 90%, хрупок, может разрушаться при действии некоторых органических растворителей. Полиэтилен производят на основе газа этилена. Он имеет линейное строение молекул, отличается сравнительно высокой коррозионной стойкостью, прочностью, но обладает низкой теплостойкостью (80оС). Полиакрилаты представляют собой полимеры акриловой, метакриловой кислот и их производных. Эти полимеры светопрозрачны и способны пропускать ультрафиолетовые лучи. Полиметилметакрилат (органическое стекло) по светопрозрачности (свыше 90%) превосходит силикатные стекла. Синтетические каучуки получают полимеризацией различных углеводородов. Такие полимеры состоят из гибких макромолекул, обладают эластичностью. Их прочность и теплостойкость повышают вулканизацией.
При реакции поликонденсации образуются высокомолекулярные соединения с выделением побочных продуктов. Например, при поликонденсации фенола и формальдегида получаются фенолформальдегидная смола и вода. Химический состав таких полимеров отличается от исходных продуктов. Для производства материалов широко применяют, в частности, следующие поликонденсационные полимеры. Фенолальдегидные производят при поликонденсации фенолов с альдегидами. Они достаточно водостойки и прочны. Карбамидно- и меламиноформальдегидные получают в результате соответствующей реакции аминов с альдегидами. Эти полимеры отличаются тепло- и светостойкостью. Полиэфиры образуются при взаимодействии двух основных кислот, их ангидридов или эфиров с многоатомными спиртами. Полиуретаны получают в процессе реакций с участием полиэфиров, многоатомных спиртов. Они характеризуются сравнительно высокой химической стойкостью и прочностью. Эпоксидные полимеры отличают высокие коррозиеустойчивость, прочность, незначительная усадка. Кремнийорганические полимеры содержат в макромолекулах атомы кремния. Они обладают высокой теплостойкостью (более 400оС), водо- и морозостойкостью, гидрофобностью. Но механическая прочность этих полимеров невысока. Пластификаторы повышают гибкость и эластичность полимеров и тем самым облегчают условия их переработки. Их вводят в количестве 5-40% по массе полимера, в зависимости от его состава и свойств. Наполнители вводят для повышения теплостойкости, прочности, твердости, уменьшения усадочных деформаций, улучшения других эксплуатационно-технических свойств пластмасс. Применяют волокнистые (стеклянные, асбестовые, синтетические), листовые (древесный шпон, бумага, фольга), порошкообразные (древесная мука, тонкомолотые мел, известняк, тальк и др.) наполнители, а также ткани (асбестовые, стеклоткани, хлопчатобумажные). Катализаторы ускоряют процесс отверждения полимеров и образования их структуры. Стабилизаторы способствуют сохранению свойств пластмасс в процессе эксплуатации. Используют, в частности, термо- и светостабилизаторы, снижающие скорость окисления полимеров. Красители используют для объемного окрашивания пластмасс. Применяют минеральные или органические пигменты, синтетические окрашивающие составы.
Основы технологии. Основные технологические операции при производстве полимерных материалов – дозировка, перемешивание, формование, отделка лицевой поверхности. Формообразование пластмасс осуществляется разнообразными способами. Основные из них – экструзионный, литье под давлением, вакуумформование, каландрирование, прессование.
Экструзионный способ формования пластмасс осуществляется, как правило, с помощью шнековых экструзионных машин, куда смесь сырьевых компонентов подается в порошкообразном или гранулированном виде. Под действием нагревателей масса размягчается и выдавливается через экструзионную головку. Таким способом формуют длинномерные (погонажные) профилированные и рулонные материалы. Прессование производят с помощью гидравлических прессов. При этом сырьевая масса разогревается. Таким способом формуют материалы с большим количеством наполнителя. Литье под давлением осуществляется путем разогревания сырьевой массы до жидкотекучего состояния в литьевых машинах и впрыскивания ее под давлением через сопло в форму. После охлаждения и затвердения пластмассы форму раскрывают. Вакуум-формование производят в специальных формах. Листовая заготовка при действии теплоты от нагревателей размягчается. После создания вакуума в форме лист пластмассы приобретает конфигурацию, соответствующую форме. Таким образом, формуют сравнительно тонкие листовые и плитные материалы. Каландрирование (вальцевание) предполагает прохождение полимерной смеси через зазоры между каландрами (валками). Таким способом формуют рулонные и пленочные материалы.
Отделка лицевой поверхности пластмасс выполняется различными способами, среди которых окрашивание (объемное и поверхностное), печатание, тиснение, аппликация, декалькомания, металлизация. На практике, в основном, применяют объемное окрашивание и печатание на лицевой поверхности тонких рулонных материалов (пленок). Большое количество современных строительных пластмасс имеет после формования лицевую поверхность, готовую к применению. При выборе способа отделки обязательно учитывают адгезионную способность поверхности, стойкость к различным химическим реагентам, влагопроницаемость, термостойкость и другие физико-химические свойства пластмасс. В большей мере качество отделки определяется качеством подготовки поверхности материала. Механические, физические и химические методы подготовки поверхности связаны, главным образом, с ее обезжириванием, приданием ей шероховатости, химическим модифицированием, нанесением адгезионных поделоев. Адгезионная способность поверхности пластмасс после соответствующей подготовки к отделке оценивается различными методами, в том числе, путем измерения красного угла капли дистиллированной воды, нанесенной на поверхность; измерения угла наклона поверхности, при котором с нее начинает скатываться капля дистиллированной воды, а также измерением натяжения смачивания. В последнем случае фиксируют время (1 мин), в течение которого тонкий слой индикаторной жидкости на поверхности пластмассы не должен собираться в капли. Для испытаний используют набор индикаторных жидкостей, например, на основе смеси третичного бутилового спирта и дистиллированной воды, с известным поверхностным натяжением. В последнее время активно развивается отделка пленочных пластмасс способом печати. Из-за ряда свойств пластмасс не все способы печати в равной степени пригодны. Способ высокой (типографской) печати позволяет получать чистый и четкий оттиск рисунка. Но длительность высыхания используемых высоковязких красок приводит к тому, что этот способ печати почти не применяется. Разновидность высокой печати – флексографская основывается на применении маловязких быстросохнущих красок на летучих растворителях, но при этом заметно ухудшается четкость оттиска рисунка. Принцип офсетной печати связан со смачиванием печатной формы увлажняющим раствором и накатыванием жирной краски, которая при этом избирательно задерживается на несмачиваемых (печатных) элементах. С печатной формы красочный оттиск переходит на эластичный резиновый цилиндр, а с него – на запечатываемый материал. Преимущество такого способа печати – возможность получать мягкие и плавные переходы тонов рисунка при сравнительно высокой скорости. Целесообразно отметить высокое качество печати, которое достигается при четырехкрасочном методе печати триадными красками (желтый, пурпурный, голубой). Хорошим воспроизведением различных изображений отличается глубокая печать, основанная на применении цилиндра со специальными печатающими ячейками. Рядом преимуществ обладает способ трафаретной печати, который заключается в продавливании краски посредством ракеля на материал через трафарет, служащий печатной формой. Этот способ отличают простота конструкции, высокое качество изображения (возможность получения красочной пленки толщиной до 70 мкм), экономичность.
При отделке тиснением рисунок получают путем переноса оттиска с металлизированного или пигментированного слоя специальной пленки под давлением горячего штампа. Различают глубокий оттиск – запечатываются углубленные места рисунка, образуемые в результате вдавливания рельефной поверхности металлического штампа; плоский оттиск – тиснение гладкой эластичной поверхностью резинового штампа; рельефный оттиск – при контакте гладкой поверхности эластичной пластины с рельефной поверхностью материала. Преимущество этого способа – возможность применения высокопроизводительного оборудования, четкость рисунка и его разнообразие.
Интерес представляет аппликация – нанесение на поверхность отделываемого материала накладных элементов различных составов (бумага, полимерная пленка, ткань и др.). Такие элементы отделки наносятся на поверхность готового материала или закрепляются на изделии в процессе его формования. Соответственно различают накладную или заформованную аппликацию. В последнем случае отделка материалов отличается более высокими эксплуатационными характеристиками. Но по сравнению с накладной аппликацией технологический процесс заформования рисунка более сложен.
При декалькомании, в отличие от прямого запечатывания, изображение наносят предварительно на специальную подложку, а затем переводят на поверхность материала одним из трех способов – мокрым, сухим или термическим. Соответственно в качестве материалов для подложки используются загрунтованная клеевым слоем бумага, полимерная пленка, целлофан, металлическая фольга и др. С помощью декалькомании можно наносить рисунок на отделочные материалы весьма сложной формы и фактуры. К недостатку декалькомании относится сложность механизации этого процесса.
При металлизации поверхности пластмасс (нанесения тонкого слоя металла) она приобретает отражательную способность, большую твердость и абразивостойкость. Химическая металлизация основана на осаждении тонких слоев металла на поверхности материала при восстановлении из растворов солей или в газовой среде. При обработке материала таким способом учитывают, что покрытия в виде сплошной металлической оболочки толщиной около 100 мкм вызывают напряжения сжатия полимерного материала. Качество получаемого покрытия весьма низкое, а процесс металлизации проходит длительное время. Химико-гальваническая металлизация основана на наращивании электролитическим путем на электропроводящем подслое материала слоя металла. В этом случае для получения покрытия высокого качества применяют полимерные материалы с определенной механической прочностью. Металлизация напылением в вакууме связана с испарением нагреваемых металлов и конденсации их паров на поверхности материала. Не все пластмассы в равной степени пригодны для металлизации напылением в вакууме. Пластификаторы или растворители, содержащиеся в материале, испаряются при создании вакуума и препятствуют адгезии металла. Наиболее пригодны для металлизации в вакууме пластмассы на основе полиметилметакрилата и полистирола.
Металлизация пневмораспылителем заключается в покрытии поверхности полимерного материала тонким слоем металла путем распыления его в расплавленном виде с помощью сжатого воздуха. Рисунок может быть получен при изоляции поверхности трафаретным экраном. Толщина металлопокрытия 20 мкм и более. Фактура получается матовой, для получения блеска проводят дополнительную обработку. Металлическое покрытие получают также кратковременным погружением материала в псевдоожиженный слой дисперсного металла, нагретого до температуры, превышающей температуру плавления полимера. При этом частицы диспергированного и разогретого металла внедряются в поверхностный слой материала. Адгезию металлопокрытия к поверхности материала увеличивают путем предварительной ее обработки известными методами активирования (физическими или химическими).
Литература: [1], с. 201-204.
Тема 7.2 Номенклатура, свойства, методы испытаний и оценка качества
материалов на основе полимеров
Различают рулонные, погонажные, листовые и плитные, монолитные, мастичные и жидкотекучие (лакокрасочные) материалы на основе полимеров. Кроме того, выделяют материалы специального назначения – кровельные и гидроизоляционные, гидроизолирующие, теплоизоляционные. К рулонным материалам относятся линолеумы, ковровые, пленки, обои, кровельные и гидроизоляционные (на основе битумов и дегтей). Линолеумы – плотные рулонные материалы толщиной 2-6 мм для покрытия полов. Длина рулона не менее 12 м, ширина до 6 м. Линолеумы выпускают без подосновы, а также на тканевой, войлочной, синтетической подосновой, одно- и многослойные. В массовом количестве выпускают поливинилхлоридные линолеумы. Линолеумы поливинилхлоридные одно- и многослойные – безосновные материалы, изготовляемые экструзионным или вальцовокаландровым способом из смеси, составляемой на основе поливинилхлоридного полимера с наполнителем, пластификатором и красителем. Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе – материал из смеси, составленной на основе поливинилхлоридного полимера с наполнителями, пластификатором и красителем, наносимыми на тканевую подоснову промазным способом с полимеризацией в процессе тепловой обработки. Линолеум поливинилхлоридный на теплоизоляционной подоснове – двухслойный материал, состоящий из поливинилхлоридного верхнего слоя и синтетического или войлочного нетканововолокнистого (иглопробивного) либо вспененного синтетического – нижнего. Линолеумы применяют для покрытия полов общественных, жилых и некоторых промышленных зданий (без существенных механических воздействий). Вместе с тем название «линолеум» имеет отношение к рулонному материалу не на основе искусственных полимеров, а на основе натурального сырья – льняного масла, живицы, пробки, древесной и известняковой муки. Эти сырьевые компоненты используют, например, на предприятиях в Германии при выпуске «классического» линолеума, весьма привлекательного с экологической точки зрения.
Синтетические ковровые материалы, как правило, превосходят линолеумы с эстетической точки зрения. Их изготовляют на подоснове, обычно из поливинилхлорида, полиуретана, вспененного латекса. Верхний слой ковров представляет собой тканые и нетканые покрытия из синтетического волокна. Длина ковровых материалов в рулонах 6-50 м, ширина от 0,7 м. Ворсолин состоит из петельного ворса (смеси синтетических и хлопчатобумажных волокон) высотой 4 мм, закрепленного на слое поливинилхлоридной пасты, нанесенной на поливинилхлоридную пленку. Применяются для покрытия полов в помещениях общественных зданий. Ворсонит – одно- или двухслойный материал, изготовляемый путем пропитки холстов (из полимеров) жидким связующим, термообработки и отделки. Ковровое ворсовое покрытие на вспененной латексной подоснове производят путем нанесения на специальную синтетическую ворсовую ткань латексной пены, превращающейся в процессе вулканизации в губчатую резину толщиной 4 мм. Применяются для покрытия несгораемых оснований полов в гостиницах, библиотеках, театрах, ресторанах, детских садах и помещениях других общественных и жилых зданий с повышенными требованиями к акустическому и теплотехническому комфорту. Тафтинговые ворсовые ковровые покрытия изготовляют из ворсовых текстурированных нитей на вспененной латексной подоснове или без нее. Материал используют для покрытий полов общественных зданий – библиотек, комнат отдыха и др.
Пленки изготовляют из поливинилхлорида, полиэтилена и других полимеров. Пленки из пластицифицированного поливинилхлорида выпускают безосновные, на бумажной и тканевой основах. Безосновные поливинилхлоридные пленки выпускают шириной 50-75 см, толщиной 0,1-0,2 мм и др. На тыльную сторону пленки может быть нанесен невысыхающий клеевой слой, защищенный специальной, легко удаляемой перед применением бумагой. Безосновные пленки служат для отделки стен, встроенной мебели, дверных полотен, а также для лицевых поверхностей листовых и плитных облицовочных материалов (ДВП, ДСП, гипсокартонных и асбестоцементных листов и др.). Пленки на бумажной и тканевой основах изготовляют промазным способом путем нанесения пасты на соответствующую основу. Поливинилхлоридный пленочный слой может быть микропористым (вспененным), утолщенным, с тиснением поверхности или без него. Пленки на тканевой основе (разновидность таких пленок называют искусственной кожей) применяют в производстве мебели, для высококачественной акустической отделки стен, устройства раздвижных перегородок. Пленку поливинилхлорида толщиной около 0,2 мм используют также в качестве гидроизоляционного материала. Для повышения ее долговечности в состав пластмассы вводят стабилизатор, защищают ее от действия солнечного света. Полиэтиленовую пленку, выпускаемую в рулонах длиной не менее 40 м, шириной до 1,4 м, толщиной 0,1-0,2 мм, относят и к гидроизоляционным материалам. Она отличается незначительной массой, эластичностью, стойкостью к загниванию. Однако такая пленка склонна к старению, ее желательно защищать от действия солнечного света. В ряде случаев используют пленку с высокой светопрозрачностью при строительстве теплиц, оранжерей, соляриев и т.п. Определенный интерес представляют армированные пленки – с тканью из прочных полимерных волокон. Такие пленки сравнительно долговечны и могут использоваться для покрытий значительных площадей.
Обои влагостойкие (моющиеся) выпускают на бумажной подоснове, используя для лицевого слоя синтетические лаки, эмульсии полимеров, слюды, пластификаторы, кислоты и специальный клей. Длина обоев в рулоне обычно 7-12 м, ширина 50-75 см и др.
Кровельные и гидроизоляционные рулонные материалы на основе битумов и дегтей широко применяют в современном строительстве. Пергамин – кровельный картон, пропитанный нефтяными битумами, используемый для нижних слоев многослойных мягких кровель и для пароизоляции. Ширина рулона материала обычно 0,75 м, площадь до 20 м2. Рубероид получают путем пропитки кровельного картона мягкими нефтяными битумами и последующего нанесения на одну или обе стороны тугоплавкого битума. Верхний слой имеет минеральную посыпку, повышающую стабильность свойств материала при воздействии различных климатических факторов. Ширина полотна рулона рубероида 0,75-1,025 м, площадь 10-20 м2, масса рулона 22-27 кг. Стеклорубероид изготовляют двусторонним нанесением битумного (битумно-полимерного, битумно-резинового) вяжущего на стекловолокнистый холст, который является, в отличие от кровельного картона, биостойкой основой. Материал в рулоне имеет ширину до 1 м и площадь около 10 м2. Фольгорубероид – алюминиевая фольга различной толщины, покрытая с обеих сторон битумной мастикой. Фольгоизол получают из рифленой или гладкой алюминиевой фольги, покрывая ее нижний слой битумно-резиновым составом. Лицевая сторона материала может быть покрыта атмосферостойким лаком. Ширина рулона фольгоизола 1 м, длина 10 м. Гидроизол изготовляют путем пропитки асбестового картона нефтяным окисленным битумом. Стеклоизол – стеклохолст, покрытый с двух сторон битумно-резиновым составом. Изол – безосновный рулонный материал, получаемый при прокатке битумно-резиновой смеси, состоящей из девулканизированной резины, нефтяного битума, минерального наполнителя, антисептика и пластификатора. Ширина рулона изола 0,8 и 1 м, толщина материала 2 мм, общая площадь полотна 10-15 м2. Гидробутил также безосновный материал на основе бутилкаучука, отличающийся эластичностью в широком диапазоне температур от -60 до +120оС. Толь изготовляют путем пропитки и покрытия кровельного картона дегтями с последующей посыпкой песком или минеральной крошкой. Качество толя заметно ниже, чем у кровельных и гидроизоляционных материалов, перечисленных выше.
К рассматриваемой группе относятся и рулонные наплавляемые материалы, отличающиеся повышенной индустриальной готовностью. При изготовлении в заводских условиях на них наносят дополнительный битумный или битумно-каучуковый слой. В результате при использовании материала не требуется битумных мастик и других вяжущих – склеивание полотнищ с основанием и между собой происходит после расплавления или разжижения упомянутого слоя. К таким материалам относятся наплавляемый рубероид, экарбит (кровельный картон, пропитанный нефтяными битумами с покровными слоями из битума, бутилкаучука, стеклосетка или стеклохолст, пропитанные нефтяными битумами или битумно-каучуковой смесью с покровным слоем из этой же смеси и мелкозернистой посыпки), монобитэп (на основе полиэтиленовой пленки, покрытой с обеих сторон пропитанной мягким нефтяным битумом сульфатной бумаги и с покровным слоем из битумно-полимерной смеси с антисептиком и наполнителем в количестве 1-3 кг/м2), фольгобитэп (тонкая рифленая фольга с аналогичными покровными слоями), эластобит (безосновный материал из битумно-полимерной композиции с повышенным содержанием эластсмерных добавок; ширина рулона 0,8 и 1 м, толщина материала 4-20 мм и др.).
Погонажные материалы – изготовляемые методом экструзии цветные длинномерные, гибкие, эластичные, полужесткие и жесткие элементы различного назначения, имеющие постоянный по всей длине профиль поперечного сечения. Они отличаются достаточной эластичностью, теплостойкостью, малой горючестью, химической стойкостью, водонепроницаемостью, нетоксичностью, гигиеничностью, удобной функциональной формой. Применяют их внутри помещений для обработки стыков, швов и угловых соединений элементов облицовки и для монтажа скрытой проводки в жилых, общественных зданиях. Среди погонажных поливинилхлоридных материалов – раскладки для крепления листовых и рулонных отделочных материалов, рейки стеновые, вспомогательные профили для крепления наличников, нашельники, планки солнцезащитных жалюзи, плинтусы, порожки, уголки для обработки стыков облицовочных материалов, накладки для защиты выступающих углов, торцевые раскладки для дверных полотен и встроенного оборудования, поручни, прокладки для стеклопакетов и др.
К погонажным герметикам – материалам, обеспечивающим влаго- и воздухопроницаемость стыковых сопряжении конструкций и деталей, - относятся пористые или пустотелые элементы. Их изготовляют в виде жгутов различного сечения из резиновых смесей (пороизол, гернит и др.).
Листовые и плитные материалы на основе полимеров применяются в качестве конструкционных, конструкционно-отделочных, отделочных, теплоизоляционных и, реже, кровельных. Стеклопластики, используемые в виде листов различного профиля, представляют собой пластмассы, армированные стекловолокнистыми наполнителями. Применяют плоские и волнистые листы из стеклопластика для устройства светопрозрачной кровли промышленных зданий, теплиц, оранжерей, обшивок трехслойных светопрозрачных и глухих панелей для ограждений и покрытий. Из стеклопластика изготовляли также оболочки и купола, оконные и дверные блоки, санитарно-технические материалы, малые архитектурные формы. Листовые полиэфирные стеклопластики выпускают с наполнителем из рубленого стекловолокна длиной 40-50 мм. Стеклотекстолиты получают путем полимерной пропитки стеклоткани и последующей обработки. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) производят, склеивая стеклошпон с параллельным распределением волокон и прессуя на гидравлических прессах при повышенной температуре. Декоративные бумажно-слоистые пластики представляют собой листы из нескольких слоев специальной бумаги, пропитанной полимерами и подвергнутой горячему прессованию. Для внутренних слоев материала применяют крафт-бумагу, для лицевых – декоративную. Такие пластики выпускают трех марок – А, Б и В. Пластики марок А и Б обладают повышенной изностойкостью и служат для отделки горизонтальных и вертикальных поверхностей в нежестких условиях эксплуатации. Пластики марки В предназначены для поделочных работ. Длина листов может быть 1-3 м, ширина 0,6-1,6 м, толщина 1-5 мм. Область применения декоративных бумажно-слоистых пластиков весьма широка – в общественных и промышленных зданиях они служат для отделки стен, перегородок, дверных полотен, ограждений лестниц, санитарно-технических кабин, встроенной мебели. Полистирольные листы получают методом экструзии из ударопрочного полистирола длиной 1,4 м, шириной 0,6 м, толщиной 1,5 - 4 мм. «Полиформ» - плиты квадратной формы (например, 500х500х12 мм) из ударопрочного полистирола с добавлением вспенивающего компонента. Изготовляют их методом литья под давлением (на литьевых машинах с помощью специальных форм) с последующей окраской. Лицевая поверхность – с рельефным рисунком. Они служат для отделки потолков и стен вестибюлей, холлов, залов, ресторанов, баров и других помещений общественных зданий. «Полидекор» - листы, получаемые методом прессования жесткого поливинилхлорида в вакуум-формовочных машинах, дублированные декоративно-отделочной печатной поливинилхлоридной пленкой. Лицевая поверхность – с рельефным рисунком. Длина обычно 1850 или 1815 м при ширине соответственно 954 и 925 мм, толщиной 5-7 мм. Предназначены для отделки стен, перегородок, потолков в залах, холлах, кабинетах и в других помещениях общественных зданий. Плитки полистирольные изготовляют из полистирола с тонкомолотыми минеральными наполнителями методом литья под давлением. Обычно имеют квадратную форму, размер 100х100х1,25 или 150х150х1,35 мм. Область применения – облицовка внутренних стен и перегородок несгораемых материалов в жилых, общественных и промышленных зданиях. Плитки «Превинил» с рельефной лицевой поверхностью получают из поливинилхлорида. Размер плиток 490х490 мм при толщине 3-5 мм. Такие плитки используют для покрытия полов в различных помещениях общественных и некоторых промышленных зданиях. Плиты теплоизоляционные выполняют из поризованных газонаполненных пластмасс с ячеистой структурой – пенопластов. В строительстве в основном применяют три вида пенопластов – пенополистирол, пенополиуретан, фенольные. Пенополистирол – пенопласт белого цвета, выпускают его обычно в виде плит размером 1000х500х100 мм. Пенополиуретан – светло-коричневый с желтоватым оттенком. Фенопласт – темно-красного оттенка, более жесткий.
К монолитным материалам на основе полимеров относятся эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые, а также полимерцементы и полимербетоны. Обычно их используют для устройства различных монолитных покрытий, в том числе, полов. Жидкую, способную вспениваться композицию на основе полиуретана применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций. Полимербетоны получают на основе полимерного связующего и минеральных заполнителей – песка и щебня с размером зерен до 50 мм. Добавляют также тонкомолотые минеральные наполнители с размером частиц менее 0,15 мм.
Мастики различают гидроизоляционные и герметизирующие. К гидроизоляционным относятся битумно-полимерные, полиэтиленобитумные, эпоксидно-битумные и др. Мастичные герметики на основе различных полимеров могут быть нетвердеющими (эксплуатируются в таком виде, в каком уложены в конструкцию) или переходить из пастообразного состояния в эластичное резиноподобное, использоваться в горячем виде (битумно-полимерные).
Лакокрасочные материалы на основе полимеров широко используются в современном строительстве. Лаки содержат два основных компонента – полимер и летучий растворитель, а также специальные добавки, улучшающие качество материала. Полимеры являются связующими (пленкообразующими) компонентами. Синтетические (смоляные) лаки на основе мочевиноформальдегидного и полиэфирного полимеров используют для покрытия паркетных полов, отделки фанеры, древесностружечных плит, столярных изделий. Применение перхлорвинилового лака позволяет защищать материал от коррозии. Алкидный лак используют для покрытия древесины, цветных металлов. Масляно-смоляные лаки выпускают для наружных работ и покрытий древесных материалов в интерьерах. Нитролаки получают, растворяя производные целлюлозы в органических растворителях. Состав быстро высыхает и образует пленку коричневого или желтого цвета (этилцеллюлозный лак бесцветен). Эти лаки обычно используют для покрытия древесных материалов. Спиртовые лаки – растворы полимеров в спирте – отличаются коричневым или желтым цветом. Их применяют для покрытия древесных, металлических и стеклянных материалов. Битумные лаки – коллоидные растворы битумов в летучих растворителях. Пленка битумных лаков черного цвета. Они служат для антикоррозионного покрытия металлических материалов. Битумно-масляные лаки по составу аналогичны битумным, но с добавкой растительного масла, улучшающего эксплуатационные характеристики материала при наружной отделке металлических поверхностей. Краски состоят из растворов полимеров, пигментов и добавок (растворители, наполнители), улучшающих эксплуатационно-технические свойства. Можно выделить, прежде всего, водоразбавляемые и водонеразбавляемые краски (в жидкотекучем состоянии). К водоразбавляемым краскам относятся акрилатные, бутадиенстирольные, поливинилацетатные, смешанные (полимерцементные и др.). Водонеразбавляемые краски – масляные, эмалевые, летуче-смоляные (каучуковые и др.). В зависимости от условий эксплуатации краски делят на несколько групп: 1 – атмосферостойкие, 2 – ограниченно атмосферостойкие, 3 – консервационные, 4 – водостойкие, 5-9 – специальные, тои числе маслобензостойкие, термостойкие. Поливинилацетатные краски – водные пластифицированные дисперсии поливинилацетата с пигментом – используют для окраски материалов на основе минеральных вяжущих, из древесины. Акрилатные краски применяют преимущественно для отделки фасадов, а также влажных помещений; бутадиенстирольную краску – для отделки внутри зданий. Полимерцементные краски изготовляют на основе водной дисперсии полимера с пигментом, белого портландцемента и наполнителя. Эти составы применяют для окраски материалов из бетона и керамики. Эмалевые краски – перхлорвиниловые, эпоксидные, кремнийорганические, битумные – используют преимущественно для наружных малярных работ, а также для отделки материалов в помещениях. Эти краски представляют собой композицию из лака, пигмента и других составляющих; их пленка часто отличается блеском. Масляные краски представляют собой смесь олифы, пигментов и наполнителей. Олифы – связующие вещества, различают олифы натуральные (получаемые специальной обработкой растительных масел), полунатуральные (изготовляемые путем растворения уплотненного масла в летучем органическом растворителе) и синтетические (глифталевые, пентафталевые и др.). Применяя масляные краски, учитывают вид олифы. Краски на натуральной олифе используют для особо ответственных малярных работ – окраски стальных конструкций мостов, гидросооружений, а также для окраски оконных деревянных переплетов. Каучуковые краски представляют собой дисперсию хлоркаучука в летучем растворителе с пигментом. Они отличаются высокой водостойкостью. Применяют их для защиты от коррозии металлических и бетонных материалов. Пленка краски обладает высокой эластичностью и не разрушается при деформации конструкций.
Свойства материалов на основе полимеров. Эксплуатационно-технические свойства материалов на основе полимеров непосредственно связаны с их структурой, составом и могут регулироваться в широких пределах. Средняя плотность пенопластов 20-200 кг/м3, аналогичный показатель у стеклопластиков – до 2000 кг/м3 и более. Свойства пластмасс при действии воды (гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость) определяются характером пористости материала и степенью его гидрофильности. Водопоглощение плотных гидрофобных пластмасс 0,1-0,5%, высокопористых с гидрофильными наполнителями – 30-90%. Теплостойкость материалов на основе полимеров выражается температурой, при которой под действием определенной заданной нагрузки деформация образца пластмассы достигает известного значения. Большинство пластмасс можно эксплуатировать при температуре не выше 100оС, но материалы на основе кремнийорганических полимеров служат при температуре до 400оС. При определенной теплостойкости по Мартенсу стандартный образец пластмассы размером 120х15х10 мм при постепенном нагревании подвергают действию изгибающего усилия 5 МПа. Теплостойкость пластмасс по методу Вика определяют путем вдавливания в испытуемый образец цилиндрического наконечника под действием постоянной нагрузки. Пенопласты обладают самой низкой теплопроводностью по сравнению с другими материалами. Их коэффициент теплопроводности (0,028-0,04) приближается к соответствующей величине у воздуха. Огнестойкость полимерных материалов оценивают известными методами огневой трубы или калориметрии: те материалы, которые при нагревании до 750оС не горят, имеют потерю массы после испытания менее 10% и не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для воспламенения, считают несгораемыми. Большинство пластмасс относится к сгораемым материалам. Их огнестойкость повышают добавлением антипиренов и минеральных наполнителей. Ряд пластмасс обладает сравнительно невысокой прочностью, но пределы прочности при сжатии, изгибе и растяжении стеклопластиков могут превышать соответственно 400, 1000 и 900 МПа, т.е. быть выше, чем у материалов из стали. В результате один из важных показателей материалов, особенно для современного индустриального строительства, - коэффициент конструктивного качества (отношение предела прочности материала к его средней плотности) у стеклопластика весьма высок. Твердость пластмасс, как правило, ограничена и не находится в прямой зависимости от прочности, как, например, у металлических материалов. Этот важный показатель для листовых материалов определяют по Бринеллю – оценивают способность пластмассы сопротивляться проникновению стального шарика диаметром 5(0,1 мм при определенной нагрузке в течение 1 мин. Твердость рулонных, плиточных и мастичных материалов на основе полимеров для покрытия полов часто определяют на приборах ТШМ-2 и ПВ-2. Приборы позволяют измерить деформацию материала при вдавливании стального шарика (ТШМ-2) или индентора цилиндрической формы с плоским концом площадью 1 см2 (ПВ-2). При определении твердости на приборе ТШМ-2 размер образцов должен позволить провести измерения в трех точках, расположенных на расстоянии 10 мм одна от другой и от краев; на приборе ПВ-2 размер образца 50х50 мм. Истираемость ряда пластмасс, несмотря на пониженную твердость, сравнительно низкая. Так, если истираемость материалов из твердых горных пород в пределах 0,01-0,1 г/см2, то истираемость безосновного поливинилхлоридного линолеума 0,035-0,05, полимерцементных покрытий полов 0,3-0,4 г/см2. Деформативность пластмасс характеризуется склонностью к ползучести – необратимым деформациям при длительном действии нагрузок. При нормальной температуре модуль упругости пластмасс значительно меньше, чем у многих других материалов. С повышением температуры ползучесть пластмасс резко возрастает. Указанный недостаток ограничивает применение пластмасс в качестве конструкционного материала. Многие материалы на основе полимеров при действии растягивающих нагрузок способны к значительному относительному удлинению без нарушения целостности структуры. Это характерно для рулонных гидро- и герметизирующих материалов, их относительное удлинение может достигать 20% (пороизол), 100% (бутилкаучук) и 300% (пленки). Эксплуатационно-технические свойства лакокрасочных материалов на основе полимеров в жидкотекучем состоянии характеризуются, главным образом, вязкостью, укрывистостью, скоростью высыхания. Вязкость красок и лаков относится к реологическим свойствам и непосредственно связана со структурой материала. Этот показатель в большей мере влияет на технологию малярных работ. В соответствии с современными стандартами условная вязкость большинства красок и лаков определяется по скорости истечения определенного объема материала через калиброванное сопло определенного диаметра при известной температуре (обычно 20оС). Для соответствующих испытаний большинства красок используются вискозиметр ВЗ-4 – цилиндрический сосуд (пластмассовый или дюралевый) емкостью 100(0,5 мл, переходящий в полный конус. Укрывистость красочных составов связана с разновидностью показателей преломления среды и пигмента и зависит от комплекса факторов, в том числе от оптических свойств пигмента, его дисперсности, химического состава и цвета связующего (пленкообразующего). Укрывистость определяется визуальным методом с помощью стеклянной пластины с тремя полосами (две полосы нанесены черной и одна белой краской) или «шахматной доски» (с черными и белыми квадратами), инструментальным или инструментально-математическим методами. Сущность визуального метода связана с нанесением определенным образом на стеклянную пластину с цветными полосами или на «шахматную доску» испытуемой краски до тех пор, пока полосы или квадраты будут не видны. От массы пластины с непрозрачным слоем краски вычитают массу предварительно взвешенной пластмассы без упомянутого слоя. Укрывистость измеряется в г/м2. Степень высыхания лакокрасочных покрытий связана с комплексом физико-химических факторов, определяющих структуру и составные поверхности материалов с течением времени. Современные стандарты предусматривают определенные степени высыхания по специальной шкале. Этот метод связан с измерением способности лакокрасочного покрытия удерживать на своей поверхности инородные тела через определенное время после начала высыхания. Указанные свойства лакокрасочных полимерных материалов в жидкотекучем состоянии зависят от вида полимера, состава и многих других факторов. Вязкость их 20-80 с, укрывистость 60-200 г/м2 и более. Скорость высыхания некоторых эмалевых красок 0,5-2 ч, полимерцементных 1-2 ч, масляных 20-24 ч. Свойства лакокрасочного покрытия после высыхания характеризуются, в частности, степенью адгезии (прочностью сцепления с отделываемой поверхностью), твердостью при изгибе (изгибают металлическую пластину с лакокрасочным покрытием). Большое значение имеет долговечность лакокрасочного покрытия. Срок службы при наружной отделке в городских условиях часто весьма ограничен – у масляных красок 3-5, полимерцементных 8-10 лет.
Эстетические характеристики пластмасс весьма разнообразны. Они могут обладать практически неограниченной цветовой гаммой, включающей самые насыщенные тона. Лицевая поверхность может быть одноцветной или полихромной, цвет часто сочетается с блеском. Например, по степени блеска лакокрасочных полимерных покрытий, измеренной на блескомере, выделяют пять категорий фактур: высокоглянцевые (блеск выше 60%), глянцевые (59-40%), полуглянцевые (39-25%), полуматовые (24-10%), матовые (9-3%), глубокоматовые (менее 3%). Эстетические характеристики связаны со структурой, составом и функциональным назначением пластмасс. Так, в многослойных поливинилхлоридных линолеумах верхний слой – ненаполненная поливинилхлоридная прозрачная пленка толщиной около 0,6 мм, на тыльную сторону которой методом многоцветной печати нанесен рисунок, а нижний более толстый слой – пленка из высоконаполненного поливинилхлорида. Обе пленки, изготовленные методом экструзии, сдублированы (соединены друг с другом) на специальных каландрах. Цветной рисунок просвечивает через верхнюю износостойкую пленку, которая защищает его от истирания. Лицевой слой релина (резинового линолеума) толщиной 0,8-1 мм получают одноцветным или многоцветным. Из отходов линолеума можно изготовлять плитки различной формы. Ковровые материалы могут быть однотонными или иметь многоцветный рисунок. Рельефная поверхность ковров создается сочетанием ворса различной высоты, комбинаций разрезного и петельного ворса (в одном материале), тиснением и другими способами. Из иглопробивных и других ковров производят прямоугольные и фигурные плитки. Поливинилхлоридные пленки и обои могут быть одноцветными и полихромными, с различным рисунком, гладкими и тиснеными. Листы декоративного бумажно-слоистого пластика изготовляются одноцветными и многоцветными с односторонней и двухсторонней лицевой отделкой, с гладкой глянцевой или матовой, зернистой фактурой, с любым рисунком. На поверхности листового стеклопластика может быть отчетливо видно расположение наполнителя – хаотичное или ориентированное. По аналогии с природным камнем как бы выявляется «текстура» пластмасс. Разнообразны цвет и рельефный рисунок у полистирольных листов (панелей) и плиток. Пластмассы предоставляют возможность имитации фактуры и рисунка любого материала, в том числе природного камня или древесины. Но поиски эстетических характеристик должны исходить из структуры и свойств пластмассы как сравнительно нового искусственного материала. Учитывая разнообразные эстетические характеристики пластмасс их сочетают в отделке с другими отделочными материалами, например с металлическими. Качество отделки пластмасс оценивают визуально, обращая внимание на возможные дефекты лицевой поверхности, а также с помощью измерительных инструментов и специальных приспособлений. При отделке печатанием возможны непропечатки в отдельных местах оттиска, нечеткое изображение или пятна на пробельных местах, затекание краски по контуру элементов оттиска, полосы краски, отпаривание краски, несовмещение красок на оттиске. Необходима определенная степень адгезии оттиска с поверхностью. Отделка тиснением предполагает четкость краев изображения, достаточную адгезию переводной фольги. Возможные дефекты аппликации – отслаивание, вздутия, заусенцы, растекание краски. Качество металлопокрытий связано с величиной адгезии к поверхности пластмассы. Возможные дефекты – местные потери блеска, просветы, пробелы, трещины, бугры, неровности. Внешний вид пластмасс изучают с учетом цветоустойчивости отделки, равномерности окраски и светлоты. Соответствующие измерения основываются на определении координат цвета образцов-эталонов и испытуемых образцов. При оценке цветоустойчивости устанавливают цветовые различия между образцами до и после светового облучения, при оценке равномерности окраски – между различными участками материала или изделия. Светлоту пластмасс характеризуют коэффициентом отражения. Для указанных определений используют компараторы цвета. При оценке внешнего вида полимерных лакокрасочных покрытий после сравнительно длительной эксплуатации в атмосферных условиях фиксируют следующие возможные виды разрушений: потерю блеска, изменение цвета, белесоватость (появление белого налета), бронизоровку (появление побежалости на поверхности), загрязнения, меление (образование на поверхности пигментированного покрытия свободных частиц пигмента), выветривание (износ слоя покрытия вплоть до обнаружения грунта или подложки), растрескивание, отслаивание, пузыри, сыпь. В зависимости от внешнего вида лакокрасочного покрытия определяют его устойчивость при эксплуатации в атмосферных условиях по пятибалльной шкале: 5 – высший балл, 1 – низший балл. Изучение эстетических характеристик конструкционно-отделочных и отделочных материалов на основе полимеров предусматривает учет их размеров и возможных дефектов внешнего вида.
Оценку возможных дефектов внешнего вида и размеров материалов на основе полимеров производят визуально и с помощью измерительных инструментов.
Области применения. Строительные пластмассы в качестве конструкционно-отделочных и конструкционных материалов применяются для основных типов конструкций: линейно-плоскостных, стеновых панелей, жестких пространственных покрытий, пневматических сооружений. Два слоя стеклопластика и пенополиуретан использованы для коробчатых панелей перекрытия жилого дома «ФГ-2000», построенного в 1968 г. в Германии. Длина панелей 9,2 м, ширина 1,25 м. Ограждающие конструкции малоэтажных зданий – основная область применения пластмассовых панелей. Из них можно строить и бескаркасные здания. При этом прочность конструкции обеспечивается внутренним каркасом самих панелей, как, например, в трехслойных панелях жилого дома «Пети Шато» в Италии. Рельефная пластика панелей использована в экспериментальном жилом доме в Германии (арх. Д. Шмидт), где их волнистый рельеф обеспечил жесткость стеклопластиковых обшивок. Панели пространственного типа (складчатые, многогранные, оболочковые, мембранные) могут быть значительных размеров: так, стеклопластиковые панели здания склада в Великобритании имеют пролет 15 м. Объемную многогранную форму японскому павильону химии на «ЭКСПО-70» придали полупрозрачные панели с профилированными ребрами. На этой же выставке для павильона промышленности Италии были выполнены стеклопластиковые панели-мембраны, предварительно напряженные системой тросов. Стремление применить строительные пластмассы для жестких пространственных покрытий связано с возможностью свести к минимуму массу конструкции. Пластмассовые складчатые покрытия плавательных бассейнов в Великобритании имеют пролеты от 7 до 30,2 м. Покрытия с волнистым профилем использованы фирмой «Бакелит» при строительстве двухэтажного административного здания размером в плане 11,5х17,2 м и высотой 5,8 м. Ромбовидные элементы для сборно-разборных сводов предложены архит. Р. Пиано (Италия), а седловидные (1,2х1,2 м и толщиной 3 мм) – М. Вильямом и Д. Орром (США). Крупнейший пластиковый купол диаметром 45 м павильона на Ганноверской выставке смонтирован из 40 сегментных элементов. Известны примеры изготовления покрытий из пенопластов, причем сравнительно больших размеров, например диаметром 12 м. Лотковые элементы шириной от 0,3 до 2,1 м из стеклопластиковых обшивок и пенополивинилхлорида толщиной 70 мм применялись для жилых домов США. Полиэфирный стеклопластик с пенополистирольным утеплителем толщиной 25 мм использован для воронкообразных элементов (размером 4,8х4,8 м) покрытия школы в Лос-Анджелесе и (размером 19,4х19,4 м) покрытия аэровокзала в Дибае. Из аналогичных элементов других профилей и размеров сделаны покрытия рынка во Фресне (пригороде Парижа), павильона Национальной выставки в Лозанне и др. Пространственность, малая толщина ограждающих поверхностей, замкнутость контура – характерные черты сооружений из пластмассовых блок-оболочек с разнообразными геометрическими характеристиками. Горизонтально-цилиндрическая форма стеклопластиковых оболочек использована для жилого дома «Диоген», демонстрировавшегося на выставке в Ганновере. Сочетания прямоугольных и треугольных панелей применены в пластмассовых домах системы «Корнет», многогранники – в системе «ДО» (Германия) и др. Рулонные материалы из синтетических тканей с полимерными покрытиями применяют для пневматических сооружений. Волокна для тканей получают из различных полимеров: полипропилена, полиэфиров (дакрон, терилен, лавсан и др.), поливинилспирто-вых (куралон, винол и др.), полиамидных (найлон, капрон, делерон и др.). Применяют полимерные покрытия в виде пасты или пленок из синтетических каучуков или пластифицированного ПВХ. Полимерные оболочки применялись для воздухоопорных (подача воздуха под оболочку) и воздухонесомых (подача воздуха в несущие конструкции стержневого типа) сооружений. Сферическая оболочка спортивного зала в Форссе, Финляндия, диаметром 73 м и цилиндрическая оболочка ледового катка в Анегасаки, Япония, пролетом 53 м – примеры сравнительно крупных сооружений. Для увеличения их размеров использовались стальные тросы: павильон США на «ЭКСПО-70» эллиптического плана с осями 84х142 м, покрытие площади в 1 га под Парижем и др. Представляет интерес проект интернациональной бригады архитекторов и инженеров (автор идеи и руководитель Ф. Отто из Германии) двухслойного сферического купола из прозрачной пленки с подкрепляющими канатами из высокопрочного полиэфирного волокна. Под воздухоопорным куполом диаметром 2 км и высотой 240 м для жителей Арктики можно создать искусственный климат. Интересной областью применения армированных пленок явились шатровые покрытия, представляющие собой несущие конструкции из свободно висящих мембран. Один из таких шатров перекрывает старую улицу в центре Вупперталя, Германия. Возведение этого «городского шатра» вызвано стремлением оживить торговлю в центральном квартале города, которая все больше перемещается на окраины, в районы крупных жилых массивов. Светопрозрачный шатер, перекрывающий всю улицу, изготовлен из плотной сетевидной ткани, покрытой с двух сторон поливинилхлоридной пленкой. Ткань выполнена из прочных синтетических волокон (диолен). Жесткость этого восьмипролетного шатрового покрытия осуществляется натяжением параболически выгнутых тросов, обеспечивающих устойчивость полотен к ветровым нагрузкам. Высокая светопрозрачность материала, достигающая 75%, сочетается с достаточной огнестойкостью, прочностью на растяжение и разрыв, эластичностью при разных колебаниях температуры. Весьма многочисленны примеры применения в современной архитектурно-строительной практике отделочных материалов на основе полимеров: рулонных, листовых и плиточных, монолитных, погонажных.
Пленки для внутренней отделки использовали в Чехии, Словакии, Польше, Болгарии, США, Франции и других странах. В Германии различные фирмы выпускают пленки поливинилхлоридные, в том числе из жесткого непластифицированного поливинилхлорида, полиэтиленовые, полиэфирные, меламиновые. Декоративные пленки из мягкого поливинилхлорида устойчивы к истиранию, не царапаются, не подвержены действию влаги, трудно загораются и технологичны при использовании. Достоинства материала – повышенная стойкость к старению, отсутствие отслаивания или пузырения. Оригинальны пленки для обогрева больших поверхностей, состоящие из среднего электропроводящего слоя и двух наружных слоев из термореактивной пластмассы. Нагревательные пленки выпускают различного цвета, они отличаются хорошей износостойкостью, электрически полностью изолированы, химически стойки. Пленки на основе ПВХ изготовляют разной толщины, причем пленки толщиной более 1 мм используются преимущественно для помещений с высокой влажностью. Пленки меньшей толщины выпускают, как правило, на бумажной основе, причем прочность сцепления полимерного состава и бумаги очень высока.
Для покрытия полов в зданиях различного функционального назначения широко применяют линолеумы и ковровые покрытия. При выборе соответствующих материалов многие архитекторы и дизайнеры считают, что полы, особенно в коридоре и холлах, должны быть спокойного цвета и рисунка, нескользкие, эластичные, не требующие трудоемкого ухода. Светлые тона полов повышают их отражательную способность и непосредственно влияют на освещенность помещения. Увеличение коэффициента отражения цвета полов на 20% повышает освещенность всего помещения на 15%, например, при замене коричневого или синего цвета пола с коэффициентом отражения 10% на светло-бежевый или голубой цвет с коэффициентом отражения 30%. В спортивных зданиях и сооружениях часто используют специальные покрытия на основе полимеров, в том числе с использованием отходов резинотехнической промышленности и др.
Индустриализация работ по устройству полов в ряде общественных и промышленных зданий достигается при широком внедрении монолитных покрытий на основе эпоксидных, полиуретановых и полиэфирных полимеров заводского изготовления; пропитанных полимерными составами; эластичных мастик на основе полиуретанов. Снижение трудозатрат по сравнению с традиционными покрытиями полов (цементными, бетонными и асфальтовыми материалами) достигается также при использовании сборных плит из полимерцементных бетонов, армированных полимеррастворов и полимербетонов.

Литература:[1], с. 204-224; [9], с. 191-193.





Тема 8.1 Определение и краткие исторические сведение. Основы производства
металлических материалов

Определение, краткие исторические сведения.
Великий русский ученый М.В. Ломоносов определил металлы как тела твердые, ковкие и блестящие. Все металлы и их сплавы – тела кристаллические. Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также способность свариваться. Чистые химические элементы металлов (например, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называются металлическими сплавами. Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава.
Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве. Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК) - (-Fe, Cr, W; гранецентрированная кубическая (ГЦК) - (-Fе, Al, Сu; гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – Mg, Zn и др. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой. Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет для металлов 2,8-6 · 10-8 см. Металлы, применяемые для производства строительных материалов, разделяют на две группы: черные и цветные. Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом – чугун или сталь. К цветным металлам относят алюминий, медь, цинк, олово, никель, титан, магний и др. Металлургия меди, олова, свинца была известна уже в ІV в. до н.э., в ІІІ в. до н.э. плавили бронзу, во ІІ в. до н.э. – железо. Древнейшее сооружение из железа – колонна в Дели (Индия) относится к V в. до н.э. Но на протяжении многих сотен лет в строительстве применялись лишь малогабаритные изделия из железа (скобы, штыри, закрепы). В Средние века использовали затяжки для придания необходимой прочности распору каменных сводов, как, например, при строительстве Успенского собора во Владимире (ХІІ в.). К системе железных затяжек подвешены потолки Покровского собора (храм Василия Блаженного, ХVІ в.) в Москве. Тогда же из железа были изготовлены наклонные стропила Архангельского собора, каркасы куполов колокольни Ивана Великого в Москве. В конце ХІІ в. применяли различные изделия из чугуна. Но началом его внедрения в архитектурно-строительную практику считают использование пяти параллельно расположенных чугунных полуциркульных арок пролетом около 31 м при строительстве моста через реку Северн в Англии в ХVІІІ в. Строительные материалы из чугуна начинают все шире применяться в гражданской и промышленной архитектуре ХVІІІ–ХІХ вв. Массовое применение металлических строительных материалов относится к ХІХ в. и связано с развитием металлургии стали. В это время строятся сложные инженерные сооружения с применением стальных материалов – ребристых профилей для восьмигранной усеченной пирамиды с крестовыми связями шпиля Петропавловского собора в Санкт-Петербурге (высота 56,43 м, 1859 г.), профилей конструкции сомкнутого свода из четырех полуарок для купола церкви Екатерининского дворца в Царском Селе (высота 20,33 м, 1865 г.), для покрытий, перекрывающих сравнительно большие пространства в десятки метров, для висячих мостов и др.
Основы производства. Сырье. Основным сырьевым компонентом для получения металлов являются рудные горные породы. Содержание в рудах цветных металлов сравнительно мала. В железных рудах количество металла достигает 70%. Наиболее часто для производства металла используют красный, магнитный бурый и шпатовый железняк. В руде, кроме железа, имеется, так называемая, пустая порода, состоящая из различных природных химических соединений и в данном случае вредных примесей серы и фосфора. Алюминиевые руды, преимущественно бокситы, содержат 50-60% оксида алюминия (глинозема).
Основы технологии. Основные технологические операции при производстве металлических материалов: обработка сырья, дозировка, плавка и формование. При необходимости изменения эстетических характеристик лицевой поверхности применяют механические и химические способы ее отделки, лаки, краски, наносят тонкие металлические или полимерные пленки (см. описание свойств металлических материалов). Обработка сырья предполагает дробление, промывку и обогащение железных руд. В процессе плавки получают металлы, после формования – металлические материалы. При производстве чугуна, кроме железной руды, используют агломерат, получаемый спеканием руды с известняком, и флюсы – известняк или доломит. Эти компоненты повышают эффективность процесса производства в доменных печах – огромных вертикальных шахтах высотой до 30 м и объемом до 5000 м3. В качестве топлива используют кокс. Руду, агломерат, кокс и флюсы загружают в домну перемежающимися слоями, которые постепенно передвигаются вниз под влиянием собственной массы. Горение кокса поддерживается воздухом, предварительно подогретым до 600-900оС в воздухонагревателях. Образующийся при горении оксид углерода восстанавливает чистое железо; одновременно восстанавливаются, содержащиеся в руде, марганец, сера, фосфор и кремний. Частично взаимодействуя с оксидом углерода, восстановленное железо образует карбид железа; в результате процесса науглероживания железа содержание углерода в чугуне повышается до 3-4%. Образовавшийся чугун плавится и стекает в горн (нижнюю часть) печи. Выплавляют параллельные чугуну (80-90% выплавки), применяемые для производства стали, и литейные серые чугуны – для производства строительных изделий.
Основные способы производства стали – кислородно-конвертерный, мартеновский и электроплавильный. Конвертерную сталь получают в стальных футерованных сосудах (конвертерах) емкостью 100-350 т и мощностью до 4,5 млн. т стали в год, продувая жидкий чугун кислородом с углекислым газом или водяным паром. Одна из причин широкого распространения этого способа получения стали – высокая производительность. Процесс плавки длится не более 30 мин. В мартеновских печах сталь выплавляют из передельного чугуна и стального лома (скрапа). Топливом является предварительно подогретая воздушно-газовая смесь. Окисленные нежелательные примеси, содержащиеся в чугуне, переводятся в шлак; плавка стали в мартеновских печах емкостью 500-800 т, мощностью до 1 млн. т металла в год длится 4-8 часов. В электрических печах (дуговых, индукционных, электронно-лучевых) выплавляют, в основном, высококачественные специальные стали. Агрегаты объемом до 400 т перерабатывают твердую шихту, стальной лом, а также жидкие стали из мартеновских печей для конвертеров. В России в электропечах выплавляется около 80% металла повышенной прочности. Применение электроплавильного способа ограничено в связи со сравнительно большим расходом электроэнергии.
Основы технологии получения наиболее широко используемого в строительстве цветного металла – алюминия связаны с выделением оксида алюминия из алюминиевых руд щелочным, кислотным, электротермическим или комбинированным способом, получением первичного металла (чистого алюминия) электролизом оксида алюминия в специальных электролизных ваннах и очисткой металла от вредных примесей (рафинированием). Методом электролитического осаждения получают и рафинируют и другие цветные металлы: осаждением из расплава (аналогично алюминию) получают магний, а из водных растворов – медь, цинк, никель.
Металлы для материалов, как правило, представляют собой сплавы – железа с углеродом (чугун, сталь), алюминиевые, медные (бронза – с оловом, латунь – с цинком), магниевые, титановые и др. В процессе литья из расплавленного металла (чугун, сталь, сплавы меди, алюминия и др.) получают отливки, соответствующие по форме и размерам литейным формам. Способом проката (обжатия металла между вращающимися валками) изготовляют значительную часть строительных материалов из стали, листы и проволоку из цветных металлов.
Штамповкой и прессованием получают рельефные облицовочные материалы, элементы оборудования. Способом формования под давлением (экструдирования) изготовляют профильные материалы и трубы из цветных металлов. При этом металл выдавливается под давлением из замкнутого контейнера через отверстие матрицы, форма и размеры которого определяют сечение формуемого профиля. Термической, химико-термической и другой специальной обработкой достигается направленное изменение структуры и механических свойств металла – твердости, прочности, ударной вязкости, сопротивления износу и др. Такое улучшение необходимых свойств обеспечивается путем нагрева и последующего охлаждения металла в строго заданном режиме. Например, термообработка стали уменьшает ее структурную неоднородность, снижает возникшие при обработке литьем или давлением напряжения, повышает прочность, улучшает ее обрабатываемость.

Литература: [1], с. 140-141; [4], с. 24-26, 96-107.



Тема 8.2 Номенклатура, свойства, методы испытаний и оценка качества
металлических материалов
Номенклатура. Строительные материалы из чугуна – опорные части колонн (подушки), тюбинги – укрепляющие своды тоннелей, трубы, радиаторы, санитарно-технические изделия. Перечень материалов ограничен, так как чугун обладает существенными недостатками – высокой плотностью и хрупкостью. Весьма редко в современном строительстве используют архитектурно-художественные детали, полученные способом литья из чугуна: детали оград, решеток, кронштейнов, фонарей и др. Наиболее распространены в строительстве материалы из стали. В основном применяют углеродистую сталь обыкновенного качества (выделяют также качественные, высококачественные и особо высококачественные стали с соответствующим уменьшением вредных примесей), а также легированные стали. Легированные стали обладают повышенной прочностью за счет присадок легирующих (упрочняющих) элементов – никеля, кобальта, хрома, меди, ванадия и др. Для производства строительных материалов широко используют углеродистую сталь обыкновенного качества определенной группы (в зависимости от механических свойств), например, марок Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. По мере увеличения указанных цифр увеличивается содержание углерода, а также прочность, твердость, но снижается пластичность материала. Кроме того, учитывают группу стали, добавляя спереди букву А, что означает гарантированные механические характеристики, Б – химические, В – и те, и другие. После цифры, указывающей марку стали, добавляют буквы, связанные со степенью раскисления: сп – спокойные, пс – полуспокойные, кп – кипящие. Последние более пластичны, но менее долговечны – склонны к старению структуры, хладноломкости, а также хуже свариваются. Для современных материалов чаще используют сталь группы В – ВСт3сп (пс). Весьма перспективны легированные стали. Например, созданная в нашей стране сталь с карбонитридным упрочнением (легирующие присадки – ванадий, азот, алюминий в количестве 0,2% от массы стали) при сравнительно высокой прочности пластична, хорошо сваривается, не обладает повышенной хладноломкостью при низких отрицательных температурах. О характеристике легированной стали можно судить по сочетанию букв и цифр, которые обозначают входящие в состав материала легирующие элементы, их процентное содержание, а также количество углерода.
Номенклатура стальных материалов включает различные профили и листы, оболочки, мембраны, тросы, канаты, черепицу, закладные детали, декоративно-художественные изделия. Профили применяют различного сечения, их вид определяется способом получения. В массовом количестве используют профили, полученные способом проката. Перечень прокатных материалов с указанием размеров называется сортаментом проката, который делят на три группы: сортовой прокат (конечная продукция горячей прокатки металла сплошного поперечного сечения, иногда переменного по длине), листовой прокат и трубы. Сортамент проката строительного назначения постоянно расширяется и совершенствуется благодаря внедрению облегченных, тонкостенных, фасонных и других экономичных профилей. Большое значение для повышения эффективности производства стальных материалов имеет увеличение доли эффективных (трубчатых, широкополосных двутавровых и др.) профилей из термически упрочненной углеродистой и низколегированной стали повышенной прочности, обеспечивающих значительную экономию металла. Так, для многих конструкций (каркасы промышленных зданий, опоры) замена уголкового профиля тонкостенным трубчатым приводит к снижению расхода металла на 20% и более. Заметно снижается масса ряда металлических конструкций, повышаются их прочность и надежность при внедрении гнутых профилей, сортамент которых достаточно разнообразен.
Сложные стальные профили получают способами непрерывного литья и прессования.
Листовую сталь выпускают толщиной до 6 мм; тонколистовую кровельную и оцинкованную сталь – толщиной 0,4-0,8 мм. Листовую сталь изготовляют с плоской, волнистой и рифленой поверхностью. Номенклатура материалов из алюминиевых сплавов включает в основном разнообразные профили и листы, декоративно-художественные изделия. Буквы и цифры, обозначающие марки используемых алюминиевых сплавов, указывают на вид и количество легирующих элементов в сплаве (марганца, магния, меди и др.). В строительстве применяют в большом количестве профили из алюминиевых сплавов, получаемые формованием под давлением (непрерывным выдавливанием). Их сортамент составляет около 15 тыс. наименований. В зависимости от качества сплава, формы и размеров поперечного сечения профили из алюминиевых сплавов используют для несущих и ограждающих конструкций, окон, витрин, для подвесных потолков, плинтусов, раскладок и т.д. При производстве листов совмещают процессы непрерывного литья расплава с прокаткой ленты шириной до 1,6 м. Для обшивок панелей, используемых в ограждающих конструкциях различных зданий, панелей покрытий, ограждений балконов и лоджий, наружной облицовки, подвесных потолков и других конструкций, широко применяют профилированные и плоские листы из алюминиевых сплавов. Номенклатура материалов из других цветных металлов ограничена в связи с их высокой стоимостью. Однако цинк часто используют для защитных покрытий, свинец – для герметизации стыков между элементами конструкций, медь и ее сплавы (латунь, бронза) – для производства черепицы, профильных и декоративно-художественных изделий. Вместе с тем перспективными считают материалы из магниевых и, особо, титановых сплавов, учитывая их легкость, высокие прочность и коррозионную стойкость.
Свойства материалов из металла. Эксплуатационно-технические свойства металлических материалов определяются их оригинальным строением. В твердом состоянии атомы всех металлов и сплавов располагаются в строгом порядке, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. Технические металлы и сплавы представляют собой полукристаллические тела, т.е. тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен; поперечный размер этих зерен 0,001-0,1 мм. Для разрушения структуры металлического материала требуются значительные усилия. В результате прочностные характеристики металлических материалов, как правило, превышают аналогичные характеристики других материалов, например, прочность стали в 10 раз и более выше, чем у искусственного камня – бетона, структура которого отличается гораздо большей сложностью. Средняя плотность металлических материалов сравнительно высока (например, стальных – около 7860 кг/м3, что заметно превышает соответствующий показатель у большинства других материалов). Пористость, гигроскопичность, водопоглощение у металлических материалов отсутствуют. Предел прочности стальных материалов при сжатии, изгибе и растяжении – 300-400 МПа, но может достигать 1000 МПа и более. Материалы из алюминиевых сплавов при меньшей средней плотности (около 2800 кг/м3) не уступают стальным по характерным прочностным показателям (предел прочности до 670 МПа). Вследствие высокой прочности металлические материалы отличаются меньшими габаритами и массой по сравнению с другими материалами аналогичного назначения. Наряду с высокой прочностью, к положительным свойствам металлических материалов (кроме чугуна) относится пластичность – способность выдерживать большие остаточные деформации без разрушения и при сохранении прочности. По этой причине металлические материалы незаменимы для многих современных конструкций. При этом учитывают, что напряжения в структуре рассматриваемых материалов распределяются неравномерно и концентрируются в местах переходов сечений, возможных дефектов металла и т.д. Вместе с тем металлические профили или листы всегда имеют на поверхности макро- и микродефекты (неровности, шероховатости), которые являются концентраторами напряжений и приводят к снижению конструктивной прочности металла. В металле, не способном к пластической деформации, состояние неравномерного напряжения сохраняется, и в местах концентрации напряжений может возникнуть трещина, которая еще более усилит неравномерность распределения напряжений и ускорит разрушения. Поэтому для надежной и безопасной эксплуатации нагруженных конструкций требуется, чтобы металл наряду с высокой прочностью всегда имел необходимый запас пластичности.
Метолы испытаний. К основным видам испытаний металлических материалов при статических нагрузках относятся определения прочности при растяжении, твердости, вязкости разрушения. При испытании на растяжение используют стандартные образцы с длиной, равной десяти диаметрам, и площадью поперечного сечения, умноженной на 11,3 (образцы круглого, квадратного или прямоугольного сечения). Соответствующие разрывные машины позволяют автоматически записывать диаграмму растяжения. Предел упругости определяют напряжением, при котором остаточная деформация удлинения не превышает 0,05%. Предел текучести (достигающий у стали 1000 МПа и более, у алюминиевых сплавов 600 МПа и более) характеризуется напряжением, при котором остаточная деформация не превышает 0,2%. Твердость определяют по величине пластической деформации (отпечатка) при вдавливании под определенной нагрузкой стального шарика, алмазного конуса или пирамиды. В зависимости от вида упомянутых наконечников (инденторов) и критерия оценки различают твердость по Бринеллю (для металлов с твердостью не более 4500 МПа), Роквеллу и Виккерсу. Основная нагрузка при использовании стального шарика 900Н (шкала В), алмазного конуса 500Н (шкала А) и 1400Н (шкала С). Вязкость разрушения металла характеризует его трещиностойкость, которая уменьшается при коррозии и понижении температуры. Испытывают образцы – балочки с нарезом на изгиб, оценивая способность материала сопротивляться распространению трещины или аналогичного дефекта, имеющегося в металле. Стойкость металлических материалов при динамических нагрузках определяют, испытывая их на ударный изгиб (образцы определенных размеров с нарезом – концентратором напряжения посередине) и способность сопротивляться циклическому нагружению. Максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения за заданное число циклов, называют пределом стойкости. Этот показатель заметно уменьшается при наличии концентраторов напряжения. Наиболее универсальны с эксплуатационно-технической точки зрения материалы из стали. Однако, материалы из алюминиевых сплавов имеют ряд преимуществ: значительно более высокая коррозионная стойкость в кислой среде – в этом случае коррозионный процесс развивается в 500 раз медленнее; более высокая технологичность; антимагнитность, отсутствие искрообразования при обработке; более высокая стойкость при низких отрицательных температурах.
Основной недостаток широко применяемых стальных и других металлических материалов – способность к коррозии. По механизму реакции взаимодействия агрессивных веществ с материалом выделяют два основных типа коррозии металлов: химическую и электрохимическую. Особо выделяют биологическую коррозию, идущую под влиянием продуктов жизнедеятельности бактерий и других микроорганизмов, и радиационную коррозию под воздействием радиоактивного излучения. Большинство металлов и сплавов неустойчивы в средах, где они используются. Для защиты материалов от коррозии применяют защитные покрытия, электрохимическую защиту и замедлители коррозии (ингибиторы), изменяющие состав коррозионной среды. В строительной практике для защиты конструкций чаще используют лакокрасочные и другие покрытия поверхности. Некоторые металлы, например, алюминий, сами предохраняют себя от коррозии в некоторых средах, в результате образовавшихся на их поверхности защитных пленок при взаимодействии со средой. С помощью защитных покрытий можно изолировать металл от агрессивной среды искусственным нанесением пленки на поверхность изделия или, изменяя химический состав поверхности, сделать металл устойчивым к агрессивной среде. Защитное покрытие должно быть сплошным, непроницаемым для агрессивной среды, иметь высокую прочность сцепления с металлом (адгезию), равномерно распределяться по всей поверхности и придавать изделию более высокую твердость, износостойкость и жаростойкость. Коэффициент теплового расширения пленки должен быть близок к коэффициенту расширения металла. Обычно покрытия совмещают защитные и отделочные функции.
Эстетические характеристики металлических материалов оригинальны и регулируются в широких пределах, причем в ряде случаев цветовая палитра обогащается в процессе эксплуатации. Так, медь и ее сплавы, окисляясь кислородом воздуха, покрываются защитной пленкой – патиной, которая с течением времени приобретает множество цветовых оттенков. Сам процесс коррозии металла в начальной стадии может использоваться для получения своеобразного цветового оттенка стали. После окисления и приобретения красно-коричневого цвета металл покрывают прозрачным защитным лаком. Цвет стали можно изменять после механической (шлифование или полирование) и термической (при температуре 200-300оС) обработки поверхности. На ней образуется оранжевая или синеватая пленка, которая одновременно защищает металл от коррозии. Известны способы изготовления стали золотистого и розового цвета, электролитические процессы окрашивания нержавеющей стали в оранжевый, красный, голубой, синий, зеленый цвета. Часто металлические материалы не нуждаются в отделке поверхности с эстетической точки зрения. Черный цвет чугуна, темно-серый стали, золотистый и зеленовато-коричневый у бронзы и меди, как правило, отвечают эстетическим требованиям. Но лакокрасочные и металлические (анодирование – анодное оксидирование и др.) покрытия не только меняют цвет лицевой поверхности, но и защищают металл от коррозии. Фактура лицевой поверхности металлов может быть рельефной, шероховатой, гладкой, матовой или блестящей.
Области применения. Металлические материалы (преимущественно стальные) в современной архитектурно-строительной практике применяются для следующих основных типов конструкций зданий и сооружений: с жесткими металлическими связями; подвесных систем; большепролетных с растянутыми ограждающими поверхностями. Разнообразные каркасы промышленных и гражданских зданий, в том числе, каркасы зданий повышенной этажности (более 30 этажей), большепролетные покрытия, мосты и путепроводы, радио- и телевизионные башни – представители конструкций зданий с жесткими связями. Металлические стальные профили были впервые применены для ферм с параллельными поясами повышенной жесткости при строительстве зданий Волжского автозавода. При устройстве их кровли использовали стальные профилированные листы с эффективным утеплителем. Весьма популярны металлические профили для пространственных конструкций каркасов общественных зданий. При этом преимущества металлических материалов связаны с унификацией, разнообразием пространственных решений конструкций, их сравнительной легкостью. Возможности металлических материалов используются в зданиях со сложной объемно-пространственной структурой (Кремлевский Дворец съездов), при сооружении разнообразных пространственных ячеек выставочных павильонов. В отдельных элементах каркаса могут сосредотачиваться большие нагрузки и передаваться на ограниченное количество редко поставленных опор. Архитектурная форма многих сооружений с металлическим каркасом связана с повышением жесткости укрупненных элементов и возрастанием их несущей способности (принцип концентрации материала). Например, в павильоне нашей страны на Всемирной выставке в Монреале нагрузки от покрытия размером 67х142 м, перекрытий и ограждений передавались на две мощные стальные опоры. Не вызывает сомнений эффективность профилей из стали высокой прочности (реже из алюминиевых сплавов) для большепролетных покрытий. Сравнительно малы затраты металла для простых покрытий больших пролетов в форме решетчатых арок. Такое покрытие имеет Дворец спорта в Лужниках в Москве. Профили для решетчатых рам пролетом до 120 м применяются при строительстве ангаров, выставочных павильонов. Конструкции покрытий весьма разнообразны, в их числе разработанные в Московском архитектурном институте конструкции из трубчатых профилей (тип «МАРХИ»), получившие сравнительно широкое распространение. Стальные профили являются основными материалами для каркасов зданий повышенной этажности (30-40 и более этажей). Различные типы каркасов применены при строительстве административного здания высотой 125 м на Смоленской площади, Московского государственного университета, здания Гидропроекта в Москве, гостиницы в Киеве и др. Формообразующая роль металлических материалов хорошо проявляется в различных пространственных конструкциях мостов и путепроводов при сочетании их пролетов с крайними и промежуточными опорами. Стальные профили используют для пространственных стержневых систем, жестко заделанных в основании радио- и телевизионных высотных башен. Современные металлические башни отличаются сравнительно малым расходом металла. Так, масса Эйфелевой башни в Париже 8500 т, а телевизионная башня в Токио (близкая по форме и высоте, с основанием на треть меньшим в диаметре) имеет массу 3600 т. Башня в Киеве выше Эйфелевой на 70 м, но ее масса лишь 2240 т.
Подвесные системы включают различные типы висячих мостов, подвесных большепролетных покрытий, консольно-подвесные конструкции, здания с подвешенными этажами. Металлические профили в жестких функциональном и опорном контурах, гибкие канаты (ванты) образуют соответствующие архитектурно-пространственные формы. Растянутые ограждающие поверхности получают из тонких стальных листов и тросов. Их изготовление сравнительно просто в техническом отношении, а соответствующие архитектурно-пространственные формы оригинальны и разнообразны. К конструкциям с растянутыми поверхностями относятся висячие покрытия – криволинейные ограждающие поверхности над сооружениями; перекрестные тросовые системы – поверхности двоякой отрицательной кривизны, в том числе поверхности гиперболического параболоида и седловидная; мембранные покрытия из стали и алюминиевых сплавов – поверхности, совмещающие несущие и ограждающие функции. Толщина таких мембран может составлять всего 1 мм. Мембранные покрытия применены при строительстве спортивных сооружений в Москве перед Олимпийскими играми 1980 года. Плавательный бассейн на проспекте Мира, крупнейший в Европе, имеет эллиптическую форму плана. Стальная мембрана подвешена к железобетонному кольцу с осями 224х183 м. Мембрана толщиной 2 мм использована при сооружении универсального спортивного зала в Измайлове, размером 66х72 м, а мембрана толщиной 4 мм, усиленная стальными полосами, - для покрытия велотрека в Крылатском, размером 168х138 м. К растянутым поверхностям относят и мягкие оболочки из металлической ячеистой сетки – тентовые конструкции, которые могут быть одно- или двухслойными. Распространение получили тенты, где ребрами оболочки являются стальные тросы, создающие складчатые и парусообразные пространственные формы. Важно отметить, что металлические материалы могут служить средством создания динамичных архитектурных форм – многовариантных трансформирующихся конструкций. Листы из стали и алюминиевых сплавов для кровельных и стеновых ограждений промышленных, жилых и административных зданий, профили для оконных переплетов часто используются в современной архитектурно-строительной практике. В интерьерах промышленных и общественных зданий профилированные и гладкие листы из стали и алюминиевых сплавов используются для стационарных и сборно-разборных перегородок, подвесных потолков, отделки стен. Например, заметная роль в отделке станции «Маяковская» Московского метрополитена принадлежит металлическим материалам. Нередко они применяются в виде профилей и профильных изделий для ограждений лестничных маршей, декоративных решеток, светильников, фурнитуры.
Литература: [1], с. 141-152; [4], с. 124-139; [9], с. 72-80.
Тема 8.3 Металлы в дизайне
Медь и медные сплавы и др. относятся к цветным металлам. По технологическому признаку все цветные металлы подразделяются на литейные и деформируемые.
В настоящее время медь получают из сульфидных руд, содержащих медный колчедан (CuFeS2). Обогащенный концентрат медных руд (содержащий 11-35% Cu), сначала обжигают для снижения содержания серы, а затем плавят на медный штейн. Цель плавки на штейн – отделение сернистых соединений меди и железа от рудных примесей. Штейны содержат до 16-60% меди. Медные штейны переплавляют в медеплавильном конвертере с продувкой воздухом и получают черновую медь, содержащую 1-2% примесей железа, цинка, никеля, мышьяка и др. Черновую медь рафинируют для удаления примесей. Чистая медь имеет 11 марок (М006, М06, М16, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, М3р, М2 и М3). Суммарное количество примесей в лучшей марке М006 – 0,01%, а в марке М3 – 0,5%.
Механические свойства чистой отожженной меди: (в = 220-240 МПа (прочность), НВ 40-50 (твердость), ( = 45-50% (пластичность). Чистую медь применяют для электротехнических целей и поставляют в виде полуфабрикатов – проволоки, прутков, лент, листов, полос, труб. Из-за малой механической прочности чистую медь не используют как конструкционный материал, а применяют ее сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом. Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и эксплуатационных свойств. Различают три группы медных сплавов: латуни, бронзы, сплавы меди с никелем. Латунями (Л) называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением). Латуни содержат до 40-45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Литейные латуни предназначены для изготовления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек. Деформируемые латуни выпускают в виде простых латуней, например Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1, ЛС63-3 и др. Латуни поставляют в виде полуфабрикатов – проволок, прутков, лент, полос, листов, труб и др. видов прокатных и прессованных изделий. Латуни широко применяют в общем и химическом машиностроении. Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называют бронзами. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми и т.д. Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием. Для повышения механических характеристик и придания особых свойств бронзы легируют железом, никелем, титаном, цинком, фосфором. Введение марганца способствует повышению коррозионной стойкости, никеля – пластичности, железа – прочности, цинка – улучшения литейных свойств, свинца – улучшению обрабатываемости. Бронзы маркируют буквами Бр, правее ставят элементы, входящие в бронзу: О – олово, Ц – цинк, А – алюминий, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец и др. Затем ставят цифры, обозначающие среднее содержание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержание меди, не ставят). Например, марка БрОЦС5-5-5 означает, что бронза содержит олова, свинца и цинка по 5%, остальное – медь (85%). Оловянные бронзы (4-6% олова) имеют высокие механические, антифрикционные и антикоррозийные свойства; хорошо отливаются и обрабатываются резанием. Деформируемые бронзы поставляются в виде полуфабрикатов (прутки, проволока, ленты, полосы) и применяют для вкладышей подшипников, втулок деталей приборов и т.д. Литейные бронзы применяют для получения различных фасонных отливок. Высокая стоимость и дефицитность олова – основной недостаток оловянных бронз. Алюминиевые бронзы (4-11% алюминия): высокая коррозионная стойкость, хорошие механические (твердость, пластичность, прочность и т.д.) и технологические свойства. Хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, а до 8% алюминия - и в холодном. Марганцовистые бронзы (БрМЦ5) – невысокие механические свойства, но высокая пластичность и хорошая сопротивляемость коррозии. Свинцовистые бронзы (БрС30) – высокие антикоррозионные свойства и теплопроводность; применяют для высоконагруженных подшипников с большими удельными давлениями. Бериллиевые бронзы (БрБ2) после термообработки имеют высокие механические свойства, высокий предел упругости, хорошую антикоррозионную стойкость, теплостойкость; изготовляют детали особо ответственного назначения. Кремнистые бронзы (БрКН1-3, БрКМц3-1) применяют как заменители дорогостоящих бериллиевых бронз.
Сплавы меди с никелем. Медноникелевые сплавы – это сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и электротехнические сплавы. Куниали состоят из 6-13% никеля, 1,5-3% алюминия и (остальное) меди. Их подвергают термообработке (закалка-старение). Служат для изготовления деталей повышенной прочности, пружин и ряда электромеханических изделий. Нейзильберы (15% никеля, 20% цинка, остальное медь) имеют приятный белый цвет, близкий к цвету серебра. Они хорошо сопротивляются атмосферной коррозии; применяют в приборостроении и производстве часов. Мельхиоры (медь – никель и небольшие добавки железа и марганца до 1%) обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности в морской воде. Их применяют для изготовления теплообменных аппаратов, штампованных и чеканных изделий. Копель (никель 43%, марганец 0,5%, остальное медь) – специальный сплав с высоким удельным электросопротивлением, используемый в электротехнике для изготовления электронагревательных элементов. Константон (никель 40%, марганец 1,5%, остальное медь) имеет такое же назначение, как марганец.
Титан – серебристо-белый металл с высокой механической прочностью и высокой коррозионной и механической стойкостью. Для его производства используют рутил, ильменит, титанит и другие руды, содержащие 10-40% двуокиси титана TiO2. Для получения сплавов титана его легируют алюминием, молибденом, хромом и другими элементами. Главное преимущество титана и титановых сплавов – высокие механические свойства и коррозионная стойкость с малой плотностью. Алюминий повышает жаропрочность и механическую прочность титана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов. Сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, обработке резанием, имеют удовлетворительные литейные свойства. Титановые сплавы применяют в авиационной и химической промышленности.
Магний – самый легкий из технических цветных металлов. Это непрочный металл с низкой тепло- и электропроводностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавляют алюминий, кремний, марганец, торий, церий, цинк, цирконий и подвергают термообработке. Литейные магниевые сплавы применяют для изготовления деталей литьем в авиационной промышленности. Деформируемые магниевые сплавы предназначены для изготовления полуфабрикатов (листов, прутков, профилей) обработкой давлением. Данные сплавы применяют для изготовления деталей в авиационной промышленности.
Олово – блестящий белый металл, обладающий низкой температурой плавления (231оС) и высокой пластичностью. Применяется в составе припоев, медных сплавов (бронза) и антифрикционных сплавов (баббит). Свинец – металл голубовато-серого цвета, обладает низкой температурой плавления (327оС) и высокой пластичностью. Входит в состав медных сплавов (латунь, бронза), антифрикционных сплавов (баббит) и припоев. Цинк – светло-серый металл с высокими литейными и коррозионными свойствами, температура плавления 419оС. Входит в состав медных сплавов (латунь) и твердых припоев. Цинк имеет хорошую коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в пресной воде. Служит для хорошей антикоррозионной защиты кровельного железа и изделий из него. Чистый цинк применяют в полиграфической и автомобильной промышленности, а также в электротехнике для изготовления источников постоянного тока. Припои – это металлы или сплавы, используемые при пайке в качестве связки (промежуточного металла) между соединяемыми деталями. Они имеют более низкую температуру, чем соединяемые металлы. К легкоплавким припоям относятся оловянно-свинцовые, оловянные и др.; к среднеплавким – медно-цинковые; высокоплавким – многокомпонентные на основе железа.
В современной реставрационной практике используют черные (чугун, сталь) и цветные (золото, медь и ее сплавы, цинк, олово, мельхиор и некоторые другие сплавы, например титановые, магниевые) металлы. Особо следует отметить способность чугуна передавать разнообразные филигранные формы. Русские мастера создали непревзойденные образцы художественного чугунного литья в архитектуре. Имена почти всех выдающихся зодчих ХVІІІ и первой половины ХІХ вв. связаны с работой в области художественного чугунного литья.
Золото как строительный материал встречается только в древних сооружениях: им покрывались главы соборов, «золотились» украшения фасадов, в интерьерах культовых построек золотом украшали резные иконостасы, а в дворцовых зданиях оно применялось и в элементах декоративно-прикладного искусства. В современной реставрационной практике для позолоты применяется сусальное золото, изготовляемое ручной ковкой в специальных формах. Его листы толщиной в несколько микрон уложены на папиросную бумагу и собраны в книжки (по 60 листов). При весе книжки до 2,5 г золото называется «тяжелым», а при весе до 1,5 г – «легким». Золотом одной книжки позолачивают поверхность около 0,5 м2. Для золочения наружных элементов зданий используют «тяжелое» золото, а для золочения внутренних частей интерьера – «легкое». Золото, серебро и пластина широко используются для изготовления ювелирных украшений. Кроме того, серебро и платина используются в радиотехнике, для изготовления высокоточных приборов и др. в электротехнике для изготовления электронагревательных элементов. еканных изделий. , в частности в морской воде. втулок детал
Литература: [1], с. 141-152; [4], с. 124-139.
ЛИТЕРАТУРА

Основная:
Байер В.Е. Материаловедение для архитекторов, реставраторов, дизайнеров: учебное пособие. – М.: ООО «Издательство Астель»: ООО «Издательство АСТ»: ООО «Транзиткнига», 2004
Барташевич А.А., Аладова Н.И., Романовский А.М. История интерьера и мебели. – Минск: Высшая школа, 2002
Ковешникова Н.А. Дизайн. История и теория: учебное пособие. – М.: Омега-Л, 2005
Козлов Ю.С. Материаловедение. – М.: Агар, 2000
Лаврентьев А.Н. История дизайна: учебное пособие. – М.: Гардарики, 2007
Михайлов С.М. История дизайна. – М.: Союз дизайнеров России, 2000
Соколова М.Л. Металлы в дизайне: научное издание. – 2-е изд., доп. – М.: МИСИС, 2003
Дополнительная:
Михайлов С.М. Дизайн архитектурной среды. Краткий терминологический словарь-справочник. – Казань: ДАС, 1994
Михайлов С.М., Кулеева Л.М. Основы дизайна. – Казань: Новое издание, 1999
Попов Л.Н., Попов Н.Л. Лабораторные работы по дисциплине «Строительные материалы и изделия». – М.: Инфра-М, 2005
Пилявский В.И., Тиц А.А., Ушакова Ю.С. История русской архитектуры. – Л.: Стройиздат, 1994
Ткачев В.Н. Архитектурный дизайн. Функциональные и художественные основы проектирования. – М.: Архитектура-С, 2006
Царев В.И. Эстетика и дизайн непродовольственных товаров: учебное пособие. – М.: Академия, 2004

СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ

Иллюстративный материал журналов «Интерьер + Дизайн», «Лучшие интерьеры», «Ландшафтный дизайн» и т.д.
Образцы материалов, приборы и приспособления для проведения практических и лабораторных работ.
СD-диск «Путешествие по Италии».
СD-диск «Материаловедение» (слайды: схемы, иллюстрации, рисунки).
Комплект таблиц.
Комплект МРПЗ.








13PAGE 15


13PAGE 146915




15

Приложенные файлы

  • doc 10374177
    Размер файла: 847 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий