Материаловедение в строительном производстве (стр. 4 )

В растущем дереве можно условно выделить три части: корни, ствол и крону. Корни дерева образуют сложную, широко разветвленную, многофункциональную систему. Мелкие корни всасывают из почвы воду с растворенными в ней минеральными солями и углекислотой и передают ее через крупные корни и ствол в крону (восходящий ток). Крупные корни удерживают дерево в вертикальном положении и хранят запас питательных веществ. Корни сосны используются при производстве скипидара и канифоли.

Ствол – это основная часть дерева, дающая товарную древесину. Его условно делят на верхнюю тонкую (вершинную) и нижнюю толстую (комлевую) части. Крона дерева представляет собой совокупность вершины ствола, сучьев, ветвей и листвы (или хвои).

Разрезы ствола, наиболее полно отражающие природу капиллярно-пористого строения древесины, называются главными. Различают три главных разреза: поперечный, или торцовый, – разрез плоскостью, перпендикулярной оси ствола; радиальный – разрез плоскостью, проходящей вдоль ствола через его сердцевину; тангенциальный – разрез плоскостью, проходящей вдоль ствола на некотором расстоянии от его сердцевины.

Строение древесины, наблюдаемое на главных разрезах невооруженным глазом или при небольшом увеличении, называется макроскопическим. На поперечном и радиальном разрезах можно наблюдать основные анатомические структуры дерева: сердцевину, центральную часть, луб и кору. Сердцевина расположена примерно в центре ствола. У большинства пород она наблюдается в виде темного круглого пятнышка диаметром 2...5 мм (у бузины около 10 мм).

Центральная часть – основная по массе часть ствола. В зависимости от окраски центральной части различают породы ядровые и безъядровые. У ядровых пород центральная часть (ядро) окрашена темнее, периферическая зона, ограничивающая ядро (заболонь), окрашена светлее.

Ядровые породы подразделяются на хвойные (сосна, ель, лиственница, кедр, можжевельник, тис) и лиственные (дуб, ясень, ильм, карагач, грецкий орех, тополь, ива, рябина, яблоня и др.).

Безъядровые породы, у которых окраска древесины и содержание в ней влаги по всей массе одинаковы, называются заболонными. К ним относятся береза, липа, ольха, граб, клен, груша, самшит и др.

Породы, у которых окраска древесины по всему разрезу одинакова, но центральная часть содержит меньше влаги, чем периферийная, называют спелодревесными. Древесина таких пород называется спелой, к ним относятся: хвойные – ель, пихта; лиственные – осина и бук.

Иногда у заболонных и спелодревесных пород центральная часть ствола окрашена темнее (главным образом под влиянием грибов) и образует так называемое ложное ядро.

Камбий – тонкий, не различимый невооруженным глазом слой, расположенный на границе между заболонью и лубом. Состоит из живых клеток, обусловливающих прирост древесины и коры.

Луб расположен между камбием и корой. В растущем дереве проводит питательные вещества от кроны вниз ствола (нисходящий ток).

Кора – наружный слой ствола дерева, предохраняющий его от резких колебаний температуры, испарения влаги и механических повреждений. По химическому составу кора резко отличается от древесины.

На поперечном разрезе стволов деревьев, произрастающих в умеренном климатическом поясе, можно заметить концентрически расположенные слои, окружающие сердцевину. В большинстве случаев каждый такой слой представляет собой ежегодный прирост древесины – годичный слой. Он состоит из двух зон, содержащих раннюю и позднюю древесину. Поздняя древесина более темная, более плотная, расположена с наружной стороны годового слоя (обращена к коре).

Сосуды имеют форму трубок различного диаметра и различной длины (в зависимости от породы дерева) и имеются только в лиственных породах. В зависимости от размеров и распределения сосудов по годичному слою различают кольцесосудистые и рассеянно-сосудистые породы

В кольцесосудистых породах сосуды четко разделяются по размерам (крупные и мелкие) и распределению: крупные сосредоточены в ранней зоне годичного слоя и образуют на поперечном разрезе пористое кольцо, а мелкие – в поздней зоне годичного слоя, где они заметны благодаря более светлой окраске.

В рассеянно-сосудистых породах нет резкого разделения сосудов по размерам, и располагаются они более или менее равномерно пой всему годичному слою. К рассеянно-сосудистым относятся береза, осина, ольха, липа, бук, клен, рябина и др.

Пиломатериалами называется продукция лесопильного производства, получающаяся при продольной распиловке бревен и кряжей различных древесных пород. Пиломатериалы классифицируют:

- по форме поперечного сечения (см. рис.): а, б, в – брусы однокантный, двухкантный и трехкантный соответственно; г – необрезная доска (1 – острый обзол); д – обрезная доска (1 – пласть; 2 – кромка; 3 – торец; 4 – ребра); е – обрезная доска с тупым обзолом; ж – обрезная доска с острым обзолом; з – брусок; и – обапол горбыльный; к – обапол дощатый; л – необрезная шпала; м – обрезная шпала.

- по породам: хвойные и лиственные;

- по сортам: в зависимости от качества древесины выпускают хвойные пиломатериалы пяти сортов (для досок и брусков) – отборный 1, 2, 3, 4; лиственные – трех сортов – I, II, III;

- по размерам: доски (ширина больше двойной толщины), бруски (ширина равна или меньше двойной толщины) и брусья (ширина или толщина более 100 мм).

По толщине хвойные пиломатериалы выпускают следующих размеров: доски– 13, 16, 19, 22, 25, 32, 40, 45 мм; доски и бруски – 50, 60, 70, 75, 100 мм; брусья – 130, 150, 180, 200, 220, 250 мм. Пиломатериалы толщиной до 32 мм называют тонкими, свыше 32 мм – толстыми. По длине хвойные пиломатериалы изготовляют от 1 до 6,5 м с градацией 0,25 мм; по ширине – 80...250 мм. Номинальные размеры пиломатериалов установлены для влажности древесины 15%.

По характеру обработки пиломатериалы разделяют на: обрезные и необрезные, строганые и нестроганые.

Столярные плиты – трехслойные щиты, состоящие из заполнения, оклеенного с двух сторон шпоном. В качестве заполнения используют рейки или сотовое заполнение из древесноволокнистых плит, бумаги и других материалов.

Столярные плиты выпускаются следующих типов: из щитов с несклеенными между собой рейками; из щитов со склеенными рейками; из блочно-реечных щитов; из блочно-шпоновых щитов. Размеры плит: а) формат 2500х1525, 2500х1220» 1830x1220, 1525x1525 мм; б) толщина 16, 19, 22, 25, 30 мм.

Фанера. Фанерой называются плоские трех - или многослойные листы, изготовленные путем горячего склеивания шпона – широкой ровной стружки, получаемой при лущении кряжей древесины.

Фанеру изготовляют из березы, ольхи, ясеня, дуба, клена, осины и хвойных пород. Для, производства фанеры может быть использован шпон одной или разных древесных пород. Название фанеры – березовая, дубовая, ольховая и т. д. дается по древесине шпона наружных слоев. Фанера маркируется по применяющемуся клею: фенолоформальдегидный – ФСФ, карбамидный – ФК, белковоальбуминовый – ФБА.

Древесностружечные плиты (ДСП). Эти древесные листовые материалы изготовляют горячим прессованием древесных частиц (древесной стружки) со связующим веществом (например, фенолоформальдегидными смолами). Для получения древесностружечных плит используются крупномерные отходы лесопиления и деревообработки, стружка от строгальных и фрезерных станков и другие отходы.

ДСП подразделяются на плиты плоского и экструзионного прессования. Первое изготовляют с приложением прессующего усилия перпендикулярно пласти плиты, вторые – путем выдавливания проклеенных стружек между двумя горячими плитами с приложением прессующего усилия параллельно пласти плиты. Плиты экструзионного прессования выпускаются однослойными сплошными и многопустотными (с внутренними каналами).

По конструкции ДСП разделяются на однослойные, трехслойные и многослойные. Однослойные плиты имеют одинаковые размеры древесных частиц и одинаковое количество связующего по всей толщине. В трех - и многослойных плитах наружные слои изготовляют из более тонких, чем во внутренних слоях, стружек или мелких древесных частиц с большим количеством связующего вещества.

По виду отделки поверхности ДСП разделяют на шлифованные и нешлифованные, на необлицованные и облицованные (шпоном, текстурной бумагой, пресс-порошками и пластмассами).

Древесноволокнистые плиты (ДВП). Они представляют собой древесные листовые материалы, вырабатываемые путем отлива на сетке различных видов древесной массы с добавками специальных составов. Используют крупномерные отходы лесопиления и деревообработки, низкотоварную и дровяную древесину, другие отходы, которые измельчают до волокнистого состояния последовательным размалыванием в специальных аппаратах – рубильных машинах, рафинаторах и др. Также вводятся добавки с целью придания плитам огнестойкости, гидрофобных, декоративных и некоторых других свойств.

ДВП изготавливаются следующих марок: мягкие – М-4, М-12 и М-20; полутвердые – ПТ-100; твердые – Т-350 и Т-400; сверхтвердые – СТ-500.

Лекция 3. Металлические материалы

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств специально (легирующие элементы).

Стали, классифицируют по самым различным признакам.

В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные.

В свою очередь углеродистые стали могут быть:

a) малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;

б) среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,3 – 0,65%

в) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,70%

Легированные стали подразделяют на:

а) низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%

б) среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;

в) высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

По назначению стали бывают:

1)  конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

2)  инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

3)  с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар.

4)  с особыми химическими свойствами, например, жаропрочные.

В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) стали подразделяют на:

1)  Стали обыкновенного качества, содержание до 0,06% серы и до 0,07% фосфора.

2)  Качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.

3)  Высококачественные - до 0,025% серы и фосфора.

4)  Особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени ее раскисления, существуют:

1)  спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами «сп» в конце марки (иногда буквы опускаются);

2)  кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами «кп»;

3)  полуспокойные стали; обозначаются буквами «пс».

Чугун отличается от стали: по составу более высоким содержанием углерода; по технологическим свойствам – более высокими литейными свойствами, малой способностью к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

-  белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;

-  серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8% углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;

-  половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2% углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый – с пластинчатым графитом; высокопрочный – с шаровидным графитом; ковкий – с хлопьевидным графитом.

Алюминий выпускается в виде чушек, круглых и плоских слитков, перерабатываемых деформацией в полуфабрикат: листы, профили, проволоку, прутки, оболочку для кабелей и т. д.

Алюминиевые сплавы подразделяются:

1) по способу производства полуфабрикатов и изделий на: деформируемые, литейные предназначенные для фасонного литья, и спеченные;

2) по свойствам на сплавы низкой, нормальной и повышенной прочности;

3) по способности к упрочнению в результате термообработки на неупрочняемые и упрочняемые.

Дуралюмины – сплавы системы А1-Сu (2,6…4,9%)-Mg (0,25...2,5%) с добавками Mn (0,15...0,9%) всегда содержат десятые доли процента примесей железа и кремния, т. е. являются многокомпонентными сплавами с весьма сложным фазовым составом.

Авиали (AB) – сплавы системы AI-Mg-Si, обладают хорошей свариваемостью, высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, высоким пределом выносливости. Прочность авиалей несколько ниже, чем дуралюминов.

Алюминий ковочный содержит медь, магний, марганец и кремний. Он отличается от авиалей повышенным содержанием меди, при этом сплав АК8 отличается от дуралюмина Д1 только содержанием специального компонента – Si (AK8 называют иногда супердуралюмином).

Согласно ГОСТу техническую медь делят на марки: высокой чистоты МЭ (99,995% Cu) М00 (99,99% Cu), М0 (99,95%), и технической чистоты М1 (99,9%), М2 (99,70%), М3 (99,5%), М4 (99%), М0б, М1р, М2р, М3р.

Латунь – сплав меди с цинком. Латуни подразделяются на: простые (двойные), которые содержат только медь и цинк; сложные (легированные или многокомпонентные) - содержат один или несколько легирующих элементов.

Маркируются простые латуни буквой Л и цифрами, указывающими на содержание меди в процентах: Л96, Л70 и др. В обозначение марок специальных латуней после буквы Л добавляются буквы и цифры, показывающие соответственно наименование легирующих элементов и их процентное содержание. Содержание цинка определяется вычитанием суммарного количества меди и легирующих элементов из 100%.

Бронзы – сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка и никеля. Они обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в газовой атмосфере при высоких температурах и др. Сравнительно высокие механические свойства некоторых бронз могут еще быть повышены путем термообработки (закалки и старения). Изделия из бронз получают литьем, обработкой давлением и резанием. Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т. д.

Лекция 4. Полимеры и пластмассы

Основу неметаллических материалов составляют высокомолекулярные соединения – полимеры – сложные вещества с большой молекулярной массой. Молекулы полимеров, имеющие значительно большие размеры, чем молекулы веществ с небольшой молекулярной массой, называются макромолекулами. Они состоят из большого числа регулярно или нерегулярно повторяющихся звеньев (мономеров) одного или нескольких типов.

Различают полимеры: природные (натуральный каучук, целлюлоза, белки, природные смолы и др.); искусственные (полученные переработкой природных полимеров); синтетические (фенолоформальдегидные и карбамидные смолы, полиэтилен, полистирол, полиамиды, эпоксидные смолы и др.).

По составу полимеры подразделяются на органические (наиболее распространены из них смолы и каучуки), отличающиеся эластичностью и прочностью; элементоорганические (в составе основной цепи встречаются атомы неорганических элементов – Ti, Si, A1 и др., придающие полимерам теплостойкость); неорганические – силикатные стекла, слюда и др. (их основу составляют окислы кремния, алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов).

По форме макромолекул различают полимеры линейные (макромолекулы – длинные, зигзагообразные или спиралевидные цепочки, отсюда и название их – цепные молекулы); разветвленные (относятся к линейным, но с боковыми ответвлениями); лестничные, или ленточные (макромолекулы состоят из двух цепей, соединенных химическими связями); пространственные, или сетчатые (образуются при соединении – «сшивке» – линейных или разветвленных макромолекул прочными поперечными химическими связями).

По структуре (фазовому состоянию) полимеры делятся на: аморфные и кристаллические. Аморфные полимеры состоят из нерегулярно, беспорядочно распределенных мономерных единиц. Такие полимеры имеют вид стеклообразного (полистирол), каучуко - или коже - подобного (полибутадиен и др.) материала, их размягчение при нагреве происходит в широком интервале температур. Кристаллические полимеры (полиэтилен низкого давления и др.) имеют упорядоченное расположение мономеров, причем процесс кристаллизации обусловлен силами межмолекулярного взаимодействия (силами, действующими между различными цепями, т. е. различными молекулами). Такие полимеры имеют резко выраженную температуру размягчения, при нормальной температуре они обладают достаточной прочностью, жесткостью.

По отношению к нагреву полимеры делятся на термопласты и реактопласты. Первые способны обратимо размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, т. е. могут быть подвергнуты повторному формованию; вторые при нагреве претерпевают химические изменения и непригодны для повторного формования.

Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, полученные на основе природных; или синтетических полимеров. Из них под влиянием нагревания и давления можно получать изделия сложной конфигурации, устойчиво сохраняющие приданную форму и размеры после прекращения термомеханического воздействия.

Изделия из пластмасс характеризуются высокими фрикционными и антифрикционными свойствами, хорошей химической и коррозионной стойкостью, низкой теплопроводностью, хорошими электроизоляционными свойствами, а главное, малой плотностью: 0,015...2 г/см3.

Кроме того, силовые пластмассы, обладают в силу малой плотности высокой удельной прочностью, хорошо свариваются, склеиваются и обрабатываются резанием. К недостаткам пластмасс можно отнести низкие по сравнению с металлами модуль упругости и ударную вязкость.

Основу пластмасс составляют полимеры (смолы, чаще синтетические, реже эфиры целлюлозы) – связующие вещества, определяющие основные свойства пластмасс.

По составу различают простые и сложные пластмассы. К простым относятся пластмассы, состоящие только из полимера (полиэтилен, оргстекло и др.), к сложным – содержащие, кроме полимера, различные добавки – наполнители, красители, пластификаторы и др. (текстолит, гетинакс и др.).

Введение добавок производится с целью воздействия на межмолекулярные силы полимеров, придания им специфических свойств и др.

Наполнители вводятся в количестве 40...70% (по массе) для улучшения механических свойств пластмасс, уменьшения усадки при отвердении, повышения стойкости к действию различных, сред, снижения их стоимости.

По типу наполнителя пластмассы классифицируют следующим образом: порошковые (древесная мука, графит, тальк и др.); волокнистые (стекловолокно); слоистые, или листовые (бумага, хлопчатобумажная или стеклянная ткань, древесный шпон); крошкообразные (кусочки ткани, древесного шпона); газонаполненные (воздух или нейтральные газы, способствующие образованию замкнутоячеистой структуры – пенопласты или сообщающихся пор – поропласты).

Пластификаторы (камфора, дибутилфталат, олеиновая кисло та и др.) вводятся в количестве 10...20% для повышения пластичности массы при повышенной температуре и придания (большей упругости и морозостойкости отформированному изделию.

Стабилизаторы (крахмал, желатрн, свинцовый сурик и др.) вводятся для придания пластмассам термостабильности, замедления процессов старения.

Отвердители (органические перекиси и др.) вводятся для «сшивания» макромолекул, превращающего линейную структуру полимера в трехмерную.

Для сокращения времени отвердевания вводятся катализаторы (известь, окись магния и др.).

По отношению к тепловому воздействию пластмассы делятся на две большие группы: термопластичные и термореактивные.

Основу термопластов составляют полимеры, имеющие линейную или разветвленную структуру, обладающую эластичностью. При тепловом воздействии термопласты не претерпевают химических превращений и не теряют способности к повторной переработке.

Среди термопластов наибольшее распространение получили целлулоид, полиэтилен, полистирол, фторопласты, прозрачные органические стекла (акрилаты), капрон и др. Как правило, термопласты относятся к простым пластмассам, хотя иногда к ним добавляют пластификаторы. Рассмотрим кратко некоторые виды термопластов.

Полиэтилен – продукт полимеризации газа этилена, механически достаточно прочен, сохраняет полученную при обработке форму до 60°С, хороший диэлектрик, морозостоек (до - 60°С). Это очень дешевый, легкий, водостойкий материал применяется в основном для изоляции проводов и кабелей, для изготовления пленок, емкостей и труб для агрессивных жидкостей.

Полистирол – твердый аморфный продукт полимеризации ненасыщенного углеводорода – стирола. Выпускается промышленностью в виде листов, стержней (блоков), порошка. Блочный полистирол прозрачен (его светопрозрачность достигает 90%), бесцветен. Высокий коэффициент преломления (1,60) позволяет использовать его для изготовления оптических стекол. Полистирол – хороший диэлектрик, широко применяется в качестве электроизоляционного материала для высокочастотной техники. Он растворяется в мономере (стироле), в бутилацетате и других растворителях. Нерастворим в спиртах и бензине.

Фторопласт – кристаллический полимер, обладающий высокой химической стойкостью по отношению к кислотам, растворам щелочей, органическим растворителям, наилучшей морозостойкостью (до -195°С), хорошими антифрикционными свойствами.

Полиметилметакрилат (органическое стекло) – прозрачный бесцветный аморфный материал. Выпускают оргстекло в виде листов толщиной от 0,8 до 24 мм. Этот материал широко применяется в авиации, светотехнике и др.

Капрон – пластик на основе полиамидных смол, прочный, упругий, с низким коэффициентом трения, с очень высокой стойкостью к щелочам, бензину, спирту и другим веществам. Из капрона изготовляют подшипники скольжения, зубчатые колеса, втулки, пленки, волокна.

Основу реактопластов составляют полимеры, которые в процессе отверждения приобретают сетчатую структуру с высокой прочностью поперечных связей. Полимеры при этом претерпевают химические изменения и необратимо теряют способность к повторному формованию. Термореактивные пластмассы относятся к сложным: в их состав входят наполнители, отвердители и др. Для изготовления реактопластов в качестве связующих широко применяют фенолоформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы. Основные требования к ним: высокая клеящая способность (адгезия) и прочность, теплостойкость, химическая стойкость, небольшая усадка и др.

Реактопласты подразделяются на пресс-порошки, компаунды, волокнистые и слоистые пластики.

Пресс-порошки получают на основе фенолоформальдегидных смол – фенопласты (карболиты), на. основе карбамидных смол – амины. В качестве наполнителей применяют молотый тальк, цемент, древесную муку и др. Теплостойкость фенопластов до 200°С, аминов до 100°С, но последние имеют лучший декоративный вид. Пресс-порошки идут для изготовления электроизоляционных деталей, бытовых изделий и др.

Компаунды получают на основе кремнийорганических полимеров с применением в качестве наполнителей кварцевого порошка, асбеста и др. Компаунды отличаются хорошими электроизоляционными свойствами, повышенной теплостойкостью (до 300°С) и др.

Фенолоформальдегидные смолы являются также основой волокнитов, асбоволокнитов и стекловолокнитов. В качестве наполнителей применяются соответственно, хлопковые очесы, асбестовое и стекловолокно.

Волокниты имеют высокую ударную вязкость и применяются для изготовления шкивов, маховиков и др. Асбоволокниты отличаются теплостойкостью (до 200°С), хорошими фрикционными свойствами: идут для изготовления деталей тормозных устройств и др. Стекловолокниты применяются для изготовления изделий с повышенной механической прочностью и термостойкостью (корпусная изоляция коллекторов электромашин и т. д.).

Текстолиты – слоистые материалы, полученные путем прессования уложенной правильными слоями хлопчатобумажной ткани (бязь, батист, шифон, саржа и др.), пропитанной фенолоформальдегидными смолами. Они масло - и бензостойки, достаточно водостойки, имеют хорошие физико-механические свойства. Как конструкционный материал текстолит широко применяют в машиностроении для изготовления прокладочных колец шестерен, вкладышей подшипников, различных деталей в электро - и радиотехнике и т. д.

На примере технологии получения текстолита удобно проследить производство слоистых пластмасс. Пропитку ткани проводят в специальных пропиточно-сушильных машинах. Ткань, сматываясь с рулона, поступает в ванну, наполненную водно-спиртовым раствором резольного олигомера с концентрацией не ниже 55%, пропитывается и сушится при температурах, ступенчато изменяющихся от 60 до 140°С. В процессе сушки удаляются летучие компоненты (спирт, вода, фенол и др.), ив результате дальнейшей поликонденсации частично образуется резитол. Высушенная ткань разрезается на листы нужных размеров, пакетируется, пакеты загружаются между плитами гидравлического пресса и прессуются.

Гетинакс – дешевый электроизоляционный материал. В качестве наполнителя используют различные сорта бумаги. Гетинаксы применяются в электротехнике и в качестве облицовочного декоративного материала.

Стеклотекстолит получают, используя в качестве наполнителя стеклоткань. Это придает материалу большую теплостойкость и морозоустойчивость, электроизоляционную способность. Из стеклотекстолита изготовляют крупногабаритные изделия. Стеклотекстолит производят также на основе эпоксидных смол. Их преимущество заключается в возможности отверждения последних без подогрева.

Лекция 5. Стекло и ситаллы

Стеклами называют переохлажденные жидкости, не успевшие при остывании перейти в кристаллическое состояние. Иными словами стекла – это жидкости, имеющие бесконечно большую вязкость. Последнее и придает им многие свойства твердого тела. В отличие от истинно твердых тел стекла при нагревании не плавятся, а размягчаются, постепенно переходя в пластичное, а затем и в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратной последовательности. Еще одна отличительная черта стекол – изотропность – одинаковость свойств во всех направлениях.

Способность к образованию стекол характерна для многих минеральных и органических веществ. Наиболее ярко эта способность выражена у диоксида кремния (SiO2) и соединений на его основе – силикатов, к которым относится большинство природных минералов.

Стекла по сравнению с кристаллическими веществами обладают повышенной внутренней энергией (скрытой энергией кристаллизации), поэтому вещество в стеклообразном состоянии метастабильно (термодинамически не устойчиво). Из-за этого обычное стекло при некоторых условиях, а иногда и самопроизвольно начинает кристаллизоваться (этот процесс в стеклоделии называют «зарухание» или «расстекловывание»). Расстекловывание является браком стеклоизделий.

Этот же процесс, но проводимый направленно с целью частичной или полной кристаллизации расплава, используется для получения стеклокристаллических материалов – ситаллов и каменного литья.

В строительстве, за малым исключением, применяют силикатное стекло, получаемое в промышленных масштабах из простейшего минерального сырья: кварцевого песка, мела, соды и других компонентов (далее вместо термина «силикатное стекло» будет использоваться термин «стекло»).

Прозрачность и возможность окраски стекла в любые цвета, высокая химическая стойкость, достаточно высокая прочность и твердость, электроизоляционные и многие другие ценные свойства делают стекло незаменимым строительным материалом. Его используют не только для сооружения светопрозрачных конструкций (окон, витражей, фонарей), но и как конструкционный и отделочный материал. В современном строительстве высотные здания часто имеют фасады, полностью выполненные из стекла с улучшенными декоративными, светоотражающими и теплозащитными свойствами. Кроме того, из стекла получают различные стехлоизделия (блоки, трубы, стеклопрофилит), эффективные теплоизоляционные материалы (пеностекло и стеклянную вату), а также стекловолокно и стеклоткани.

Современное стекольное производство включает в себя три этапа: подготовка сырья, стекловарение и формование стеклоизделий.

Стекловарение – главнейшая операция стекольного производства. На первой стадии этого процесса – силикатообразовании – щелочные компоненты образуют с частью кремнезема силикаты, плавящиеся уже при 1000...1200°С. В этом расплаве при дальнейшем нагревании растворяются наиболее тугоплавкие компоненты SiO2 и А12О3. Образующаяся при этом масса неоднородная по составу и насыщена газовыми пузырьками.

При охлаждении стекла вследствие низкой его теплопроводности в нем возникают большие градиенты температур, вызывающие внутренние напряжения. Наиболее опасным моментом с этой точки зрения является переход стекла от вязкопластического состояния к хрупкому, поэтому для снятия внутренних напряжений после формования производят отжиг – охлаждение по специальному режиму: быстрое до начала затвердевания стекломассы, очень медленное в опасном интервале температур (600…300°С) и вновь быстрое до нормальной температуры.

Основной вид строительного стекла – листовое. С начала XX в. большая часть листового стекла стала производиться (а в России производится и до сих пор) методом вертикального вытягивания. Так получают стекла толщиной до 6 мм.

Витринное стекло – листовое стекло толщиной 6мм и размером до 3500х6000 мм. Витринное стекло, как правило, делают полированным.

Светорассеивающее стекло пропускает свет, но не дает сквозной видимости. Оно может быть матовое или узорчатое. Матовое получают пескоструйной обработкой или обработкой в парах плавиковой кислоты. Узорчатое получают методом горизонтального проката на фигурных вальцах. Оригинальный метод используется для получения стекла под названием «мороз»: узор получается при помощи столярного клея, наносимого на поверхность стекла.

Увиолевое стекло – стекло, пропускающее большую долю ультрафиолетовых лучей (45...75%), получают из сырья с минимальными примесями оксидов железа, хрома и титана. Такие стекла применяют в лечебных учреждениях, для остекления оранжерей и т. п.

Теплоизоляционные стекла отличаются от обычных тем, что благодаря специальному тонкому покрытию на внутренней стороне стекла они снижают долю теряемого через стекло тепла путем отражения инфракрасной части спектра («тепловых лучей») обратно вовнутрь помещения. Светопропускание таких стекол немного ниже, чем у обычных – 72...79%.

Теплозащитные (солнцезащитные) стекла выполняют обратную функцию: они отражают часть, падающей на них лучистой энергии, не пропуская ее в помещение.

Стеклопакеты – наиболее распространенный вид изделий из стекла, применяемый в строительстве. Получают стеклопакеты из двух (одинарный стеклопакет) или трех (двойной стеклопакет) листов стекла, герметично соединенных между собой по контуру. Между листами стекла находится прослойка из сухого воздуха или инертного газа.

Стеклянные блоки целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимо получить светопрозрачную ограждающую конструкцию с хорошими тепло - и звукоизоляционными характеристиками.

Стеклянные трубы благодаря высокой химической стойкости, гладкости поверхности и прозрачности с успехом соперничают с металлическими. В ряде областей (например, химическая и пищевая промышленность) их применение предпочтительнее. Пропускная способность стеклянных труб на 5... 10% выше, чем стальных.

Ситаллы – стеклокристаллические материалы, получаемые путем направленной частичной кристаллизации стекол. Структура ситаллов напоминает микробетон, где наполнителем являются кристаллы, а вяжущим – прослойки стекла.

Благодаря такому строению ситаллы сохраняют в себе многие положительные свойства стекла, в том числе и его технологичность, но лишены его недостатков: хрупкости, низкой термостойкости. Сырье для производства ситаллов такое же, как и для стекла, но в расплав вводятся вещества-модификаторы, обеспечивающие направленную кристаллизацию.

Для строительных целей весьма перспективны шлакоситалаы, получаемые на основе металлургических шлаков и модификаторов.

Лекция 6. Керамические материалы

Керамика – собирательное название широкой группы искусственных каменных материалов, получаемых формованием из глиняных смесей с минеральными и органическими добавками с последующей сушкой и обжигом. На древнегреческом языке «керамос» означало гончарную глину, а также изделия из обожженной глины.

Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, называют керамическим черепком.

В зависимости от структуры черепка керамические материалы разделяются на две основные группы: пористые и плотные.

Пористыми условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка более 5% по массе (в среднем 8...20%). К ним относятся все виды кирпича и стеновых камней, черепица, облицовочные плитки.

Плотными считают изделия, водопоглощение черепка которых менее 5% (обычно 2...4%); эти изделия практически водонепроницаемы. К ним. относятся плитки для полов, санитарный фарфор и т. п.

Сырьевая масса для изготовления керамических материалов состоит из пластичных материалов (глин) и непластичных (отощающих и выгорающих добавок, плавней и др.). Глины обеспечивают получение удобоформуемой связной массы и после обжига прочного и водостойкого черепка. Непластичные добавки улучшают технологические свойства сырьевой массы (облегчают сушку, уменьшают усадку и снижают температуру обжига) и придают материалу желаемые свойства (пористость, теплопроводность и т. п.).

Глины – основной сырьевой компонент керамики – осадочные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов – водных алюмосиликатов различного состава.

Различные глины требуют определенных температур обжига. По этому признаку глины делят на легкоплавкие, тугоплавкие и огнеупорные.

Легкоплавкие глины, содержащие большое количество примесей, плавятся при температуре ниже 1350°С. Из таких глин, называемых кирпичными, изготовляют кирпич, стеновые камни и черепицу.

Тугоплавкие глины, содержащие незначительное количество примесей, плавятся при температуре 1350...1580°С. Применяют их для изготовления облицовочных керамических изделий, лицевого кирпича, канализационных труб.

Огнеупорные глины, почти не содержащие примесей, плавятся при температуре выше 1580°С. Применяют для производства огнеупорных материалов.