Строительные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ: ФИЗИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ

Физические свойства

Эти свойства характеризуют его строение или отношение к физическим процессам окружающей среды. К ним относят массу, истинную и среднюю плотность, пористость, водопоглощение и водоотдачу, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, морозостойкость, воздухо-, газо- и паропроницаемость, теплопроводность и теплоемкость, огнестойкость и огнеупорность.

Масса - это совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле. Масса обладает определенным объемом, т.е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в пространстве. Тела одинакового объема, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу. Для характеристики различий в массе веществ, имеющих одинаковый объем, введено понятие плотности. Последняя подразделяется на истинную и среднюю.

Истинная плотность - отношение массы к объему материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без пор и пустот. Чтобы определить истинную плотность r (кг/м³, г/см³), необходимо массу материала (образца) m (кг, г) разделить на абсолютный объем V (м ³, см³), занимаемый самим материалом (без пор):

Зачастую истинную плотность материала относят к истинной плотности воды при 4^о С, которая равна 1г/см³, тогда определяемая истинная плотность становится как бы безразмерной величиной.

Однако большинство материалов имеют поры, поэтому у них средняя плотность всегда ниже истинной плотности:

Таблица

Материал	Плотность, кг/м3
	истинная	средняя
Сталь	7850-7900	7800-7850
Гранит	2700-2800	2600-2700
Известняк (плотный)	2400-2600	1800-2400
Песок	2500-2600	1450-1700
Цемент	3000-3100	900-1300
Керамический кирпич	2600-2700	1600-1900
Бетон тяжелый	2600-2900	1800-2500
Сосна	1500-1550	450-600
Пенопласты	1000-1200	20-100

Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума и некоторых других) истинная и средняя плотности равны, т.к. объем внутренних пор у них весьма мал.

Средняя плотность - это физическая величина, определяемая отношением массы образца материала ко всему, занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. Среднюю плотность r (кг/м³, г/см³) вычисляют по формуле:

r = m / V,

где m - масса материала в естественном состоянии; V - объем материала в естественном состоянии.

Средняя плотность не является величиной постоянной - она изменяется в зависимости от пористости материала. Например, искусственные материалы можно получит с различной пористостью (тяжелый бетон имеет плотность до 2900 кг/м³, а легкий - до 1800 кг/м³). На плотность оказывает влияние влажность материала.

Для сыпучих материалов важной характеристикой является насыпная плотность - сюда включается не только пористость самого материала, но и пустоты между зернами или кусками материала.

Пористость материала - это степень заполнения его порами. Пористость дополняет плотность до 1 или до 100%. Пористость различных материалов:

· стекло, металл 0%;

· тяжелый бетон 5 - 10%;

· кирпич 25 - 35%;

· газобетон 55 - 85%;

· пенопласт 95%,

т.е. она колеблется в значительных пределах.

На свойства материала оказывают влияние также величина пор и их характер (мелкие или крупные, замкнутые или сообщающиеся).

Плотность и пористость прямо влияют на такие характеристики материалов как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.

Водопоглощение - способность материала впитывать воду и удерживать ее. Величина водопоглощения определяется разностью массы образца в насыщенном водой и в абсолютно сухом состоянии. Различают объемное водопоглощение, когда разность относят к объему образца и массовое водопоглощение - при отнесении разности к массе сухого образца. Массовое водопоглощение для некоторых материалов:

· гранит 0,5 - 0,8%

· тяжелый бетон 2 - 3%

· керамический кирпич 8 - 20%

· пористые теплоизоляционные материалы, например, торфоплиты >100%.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основные свойства: увеличивает плотность и теплопроводность, снижает прочность.

Влажность - содержание влаги, отнесенное к массе материала в сухом состоянии. Влажность материала зависит как от свойств впитывать влагу самого материала, так и от среды, в которой находится материал.

Влагоотдача - свойство материала отдавать влагу окружающей атмосфере. Определяется по количеству воды (в процентах по массе или объему стандартного образца), теряемой материалом в сутки при влажности окружающего воздуха 60% и температуре 20⁰ С. Вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала и влажностью окружающего воздуха.

Гигроскопичность - свойство материалов поглощать определенное количество воды при повышении влажности окружающего воздуха. Это свойство характерно, например, для древесины - чтобы избежать этого, применяют защитные покрытия.

Водопроницаемость - свойство материала пропускать воду под давлением. Характеризуется количеством воды, прошедшей в 1 час через 1 см² площади испытуемого материала при постоянном давлении. Водонепроницаемыми являются особо плотные материалы (сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (например, бетон специально подобранного состава).

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Вода, замерзая, увеличивается в объеме на 9%, при этом, если она заполнила полностью поры - лед разрушит стенки пор, но обычно поры заполняются не полностью, поэтому разрушение может произойти при многократном замораживании и размораживании.

Плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, водопоглощение которых не превышает 0,5%, обладают высокой морозостойкостью. Морозостойкость имеет большое значение для стеновых, фундаментных и кровельных материалов, систематически подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию.

Материалы на морозостойкость испытывают в морозильных камерах. Насыщенные водой образцы охлаждают до температуры - 15-17⁰С и, после чего, их оттаивают при температуре +20⁰ С. Материал считается морозостойким если после заданного числа циклов потеря в массе образцов в результате выкрашивания и расслоения не превышает 5%, а прочность снижается не более чем на 25%. По числу выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания (степени морозостойкости) материалы подразделяют на марки М_мрз 10, 15 ,25 , 35, 50, 100, 150, 200 и более.

Если образцы в процессе испытаний не имеют следов разрушения, то степень морозостойкости устанавливается определением коэффициента морозостойкости:

К_мрз = R_мрз / R_нас,

где R_мрз - предел прочности при сжатии материала после испытания на морозостойкость, МПа; R_нас - предел прочности при сжатии насыщенного водой материала, МПа. Для морозостойких материалов К_мрз должен быть не менее 0,75.

Паро- и газопроницаемость - свойство материала пропускать через свою толщу под давлением водяной пар или газы, в том числе воздух. Все пористые материалы при наличии незамкнутых пор способны пропускать пар или газ.

Паро- и газопроницаемость характеризуется коэффициентом, который определяется количеством пара или газа в литрах, проходящего через слой материала толщиной 1м и площадью в 1 м² в течение одного часа при разности парциальных давлений на противоположных стенках 133,3 Па.

Теплопроводность - свойство материала передавать через толщу теплоту при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. теплопроводность материала оценивается количеством теплоты, проходящей через стену из испытываемого материала толщиной 1 м, площадью 1 м² за 1 час при разности температур противоположных поверхностей стены 1⁰С. Теплопроводность измеряется в Вт/(м·К).

Теплопроводность материала зависит от многих факторов: природы материала, его строения, пористости, влажности, от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен, чем материал аморфного строения. Если материал имеет слоистое или волокнистое строение, то теплопроводность его зависти от направления потока теплоты по отношению к волокнам, например, теплопроводность древесины вдоль волокон в два раза больше, чем поперек волокон.

Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые, даже если их пористость одинакова. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами.

Теплопроводность однородного материала зависит от величины его средней плотности. Так, с уменьшением плотности материала теплопроводность уменьшается и наоборот.

На теплопроводность материала значительное влияние оказывает его влажность: влажные материалы более теплопроводны, чем сухие, так как теплопроводность воды в 25 раз больше теплопроводности воздуха.

При повышении температуры теплопроводность увеличивается.

Теплоемкость - свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (Дж), необходимому для нагревания 1 кг материала на 1⁰С.

Удельная теплоемкость, КДж/(кг·⁰С):

· искусственные каменные материалы 0,75 - 0,92;

· древесина 2,4 - 2,7;

· сталь 0,48;

· вода 4,187.

Теплоемкость учитывается при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при расчете печей.

Огнестойкость - способность материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости материалы делят на: несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (сталь, бетон, кирпич).

Трудно сгораемые материалы под действием огня с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются (древесно-цементный материал фибролит, асфальтовый бетон, некоторые виды полимерных материалов).

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня (дерево, войлок, толь, рубероид).

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные (длительное время выдерживают температуру свыше 1580⁰С), тугоплавкие (1350 - 1580⁰С) и легкоплавкие, размягчающиеся при температуре ниже 1350⁰С (к ним относят и обыкновенный глиняный кирпич).

Механические свойства

Они характеризуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил.

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок. Прочность является основным свойством большинства материалов, используемых в горной промышленности, от ее значения зависит величина нагрузки, которую может воспринять данный элемент при заданном сечении.

Материалы, в зависимости от происхождения и структуры, по- разному противостоят различным напряжениям. Материалы минерального происхождения (природные камни, кирпич, бетон и др.) хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже срезу и еще хуже растяжению. Другие материалы (металл, древесина) хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их используют значительно чаще в конструкциях, работающих на изгиб.

Прочность материала характеризуется пределом прочности (при сжатии, изгибе и растяжении). Предел прочности - напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца материала. Предел прочности при сжатии и растяжении R_раст, МПа, вычисляют по формуле

R_сж(R_раст) = P/F,

где P - разрушающая нагрузка, Н; F - площадь поперечного сечения образца, мм².

Предел прочности при изгибе R_изг:

1. при одном сосредоточенном грузе и образце-балке прямоугольного сечения

R_изг = 3Pl / 2bh²;

2. при двух равных грузах, расположенных симметрично оси балки

R_изг = P(l - a) / bh²,

где l - пролет между опорами, мм; а - расстояние между грузами, мм; b и h - ширина и высота поперечного сечения балки, мм.

Предел прочности материала определяют опытным путем, испытывая в лаборатории на гидравлических прессах или разрывных машинах специально изготовленные образцы. Для испытания материалов на сжатие образцы изготавливают в виде куба или цилиндра, на растяжение - в виде круглых стержней или полос, а на изгиб - в виде балок. Форма и размеры образцов должны строго соответствовать требованиям ГОСТа или технических условий на каждый вид материала.

Пределы прочности некоторых материалов, МПа

	сжатие	изгиб	растяжение
Гранит	150 - 250		3 - 5
Тяжелый бетон	10 - 50	2 - 8	1 - 4
Керамический кирпич	7,5 - 30	1,8 - 4,4
Сталь	210 - 600		380 - 900
Древесина	30 - 65	70 - 120	55 - 150
Стеклопластик	90 - 150	130 - 250	60 - 120

Прочность материалов, применяемых в строительной промышленности, обычно характеризуют маркой, которая соответствует по величине пределу прочности при сжатии, полученному при испытании образцов заданной формы и размеров. Например, для каменных материалов установлены следующие марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000. Материалы с пределом прочности при сжатии, например, от 20 до 29,9МПа относят к марке 200.

Упругость - свойство материала деформироваться под нагрузкой и принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал ее обладает упругостью, называется пределом упругости. Упругость является в подавляющем большинстве случаев положительным свойством материалов.

Пластичность - способность материала изменять под действием нагрузки форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. Это свойство противоположно упругости.

Хрупкость - свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил без предварительной деформации. Хрупкими являются природные камни, керамические материалы, стекло, чугун, бетон и др.

Сопротивление удару - свойство материала сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок. Этого вида нагрузки возникают, например, в бункерах. Хрупкие материалы обычно плохо сопротивляются ударным нагрузкам.

Твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого материала, более твердого. Твердость материала влияет на трудоемкость его обработки.

Существует несколько способов определения твердости материалов. Твердость древесины, бетона, стали определяют, вдавливая в образцы стальной шарик (метод определения твердости по Бринелю), алмазную пирамиду (по Виккерсу) или то и другое (по Роквеллу). О величине твердости судят по глубине вдавливания шарика, диаметру полученного отпечатка или по величине отношения нагрузки к площади поверхности полученного сферического отпечатка.

Твердость природных каменных материалов определяют по шкале твердости ( метод Мооса), в которой десять специально подобранных минералов расположены в такой последовательности, когда следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину), на предыдущем, а сам им не прочерчивается:

1. Тальк или мел.

2. Каменная соль или гипс.

3. Кальцит или ангидрид.

4. Плавиковый шпат.

5. Апатит.

6. Ортоклаз (полевой шпат).

7. Кварц.

8. Топаз.

9. Корунд.

10. Алмаз.

Например, если испытуемый материал чертится апатитом, а сам оставляет черту (царапину) на плавиковом шпате, то его твердость составляет 4,5.

Истираемость - свойство материала изменяться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий. От истираемости зависит возможность применения материала для устройства настилов, футеровки бункеров, исполнительных органов погрузочных машин. Истираемость материалов определяют в лабораториях на специальных машинах - кругах истирания.

Износом называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Подобное воздействие на материал происходит при эксплуатации бункеров. На износ материалы испытывают в специальных вращающихся барабанах.

Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность материала к химическим превращениям под воздействием веществ, с которыми он находится в соприкосновении. Химические свойства материалов весьма разнообразны, основные из них - химическая и коррозионная стойкость.

Химическая стойкость - способность материалов противостоять разрушающему влиянию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов.

Коррозионная стойкость - свойство материалов сопротивляться коррозионному воздействию среды.

Многие материалы, применяемые в строительной промышленности, не обладают этими свойствами. Так, почти все цементы плохо сопротивляются действию кислот, древесина не стойка к воздействию как кислот, так и щелочей, практически все изделия из металлов подвержены в той или иной степени воздействию коррозии. Лучше сопротивляются воздействию кислот и щелочей материалы из пластмасс или стекловолокна.

МЕТАЛЛЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Металлы и их классификация

Металлы широко применяют во всех отраслях народного хозяйства. Этому способствует ряд ценных технических свойств металлов, которые выгодно отличают их от других материалов: высокие прочность и пластичность обработки давлением (прокатка, штамповка и др.). Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги сильно корродируют, а при высоких температурах значительно деформируются.

Металлы разделяют на две основные группы: черные и цветные.

Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). С целью придать черным металлам специфические свойства в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.

Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2-4,3%. В зависимости от назначения различают чугуны литейные, передельные и специальные. Литейные чугуны применяют для отливки различных изделий, в том числе строительных деталей. Передельные чугуны используются для производства стали, а специальные чугуны - в качестве добавок при производстве стали и чугунного литья специального назначения. Наличие в чугуне марганца, кремния, фосфора, а также легирующих добавок - никеля, хрома, магния и др. - придает ему высокие механические свойства и обеспечивает высокие жаростойкость и коррозионную стойкость. Чугуны с добавками никеля, хрома, магния и других элементов называют легированными. Высокопрочные чугуны получают модифицированием жидкого чугуна присадками Si, Са и др.

Сталь - ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2 %. Стали, в зависимости от способа получения, разделяют на: мартеновские, конвертерные и электростали. По химическому составу, в зависимости от входящих в сплав химических элементов, стали бывают углеродистые и легированные. К углеродистым сталям относят сплавы железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Углеродистую сталь, полученную различными способами, по характеру застывания принято разделять на: спокойную, полуспокойную и кипящую. Легированными называются стали, в состав которых входят легирующие добавки (никель, хром, вольфрам, молибден, медь, алюминий и др.). В зависимости от введенной легирующей добавки сталь называют хромомарганцевой, марганцевоникелемедистой и т.д. Кроме того, по суммарному содержанию добавок стали разделяют на: низколегированные (с содержанием легирующих добавок до 2,5%), среднелегированные (с содержанием легирующих добавок от 2,5% до 10%) и высоколегированные (с содержанием легирующих добавок более 10%).

По назначению сталь может быть: конструкционная, применяемая для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин, специальная, характеризующаяся высокой жаро- и износостойкостью, а также коррозионной стойкостью, и инструментальная.

По качеству сталь подразделяют на: обыкновенную (рядовую), качественную, высококачественную и особо высококачественную.

Цветные металлы в чистом виде используют весьма редко. Значительно чаще находят применение сплавы цветных металлов, которые по истинной плотности разделяют на легкие и тяжелые.

Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими являются алюминиево-марганцевые, алюминиево-кремнеземистые, алюминиево-магниевые и сплавы дюралюминия. Их используют для несущих (фермы и др.) и ограждающих (оконные переплеты и др.) конструкций зданий и сооружений.

Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых сплавов применяют бронзу (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунь (сплав меди с цинком).

Основы производства чугуна и стали

Производство черных металлов из железной руды - сложный технологический процесс, который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй - его перерабатывают в сталь.

Чугун выплавляют в доменных печах (рис.1). Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Железные руды - горные породы содержащие железо в виде химических соединений с кислородом и другими элементами. В состав железных руд, кроме того, входят и другие соединения в виде кремнезема, глинозема, известняка и т. п. (объединяемые общим понятием - "пустая порода"). Обычно для производства чугуна используют магнитный железняк (Fe₃O₄) с содержанием железа до 70%, красный железняк (Fe₂О₃ ), содержащий до 65 % железа, и бурый железняк (2Fe₂О₃ 2H₂О), содержащий до 60 % железа. Топливом в доменном процессе служит кокс, получаемый при сухой перегонке (сжигание без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) - известняки, доломиты, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак.

Доменная печь представляет собой шахту, снаружи покрытую металлическим кожухом и изнутри футерованную огнеупорным кирпичом. Печь через верхнюю часть, называемую колошником непрерывно загружают шихтой, чередуя слои руды, флюса и топлива. Для поддержания горения топлива в нижнюю часть печи - горн через фурмы подают под давлением нагретый воздух.

Рис.1. Схема доменной печи

1 - шахта; 2 - колошник; 3 - загрузочное устройство; 4 - металлический кожух; 5 - футеровка;6 - цилиндрическая часть печи; 7 - заплечики; 8 - горн; 9 - шлаковая летка; 10 - чугун;11 - летка для выпуска чугуна; 12 - воздухоподающая труба

Горение топлива - кокса происходит в верхней части горна за счет кислорода воздуха по реакции С + О₂ = СО₂. Образующийся при этом углекислый газ поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода СО₂ + С = 2СО. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа, а сам переходит в углекислый газ. Восстановление железа происходит по схеме: Fe ₂O₃ Fe ₃O₄ FeO Fe.

Процесс этот может быть представлен следующими химическими уравнениями:

3 Fe ₂O₃ + CO = 2Fe ₃O₄+ CO₂

2Fe ₃O₄+ 2CO = 6FeO + 2CO₂

6FeO + 6CO = 6Fe + 6CO

Восстановление железа из его оксидов происходит во время движения шихты под действием собственной массы от верхней части печи к нижней. В нижней части печи при 900-1100°С часть восстановленного железа соединяется с углеродом, в результате чего получается карбид железа Fe₃C. Этот процесс называют: науглероживанием. При температуре около 1150°С начинается плавление науглероженного железа, и образовавшийся жидкий чугун стекает в горн печи. Сюда же стекает расплавленный шлак, который как более легкий материал всплывает над чугуном. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия - чугунную и шлаковую летки, причем сначала выпускают шлак, а затем - чугун.

Чугун в расплавленном состоянии подают к разливочным машинам для отливки в "чушки" или в специальных ковшах доставляют в сталеплавильные цехи, где его перерабатывают в сталь. Жидкий шлак из доменной печи используют для производства шлаковой пемзы, гранулированного шлака, каменного литья или сливают в отвал. Побочным продуктом доменного производства является колошниковый газ, который применяют для нужд металлургической промышленности.

Процесс производства стали состоит в уменьшении содержания имеющихся в передельном чугуне примесей (углерода, кремния, марганца, серы, фосфора). Указанные примеси при выплавке стали выгорают либо переходят в шлак. Исходными материалами для выплавки стали являются: передельный чугун, стальной лом, ферросплавы, железная руда и флюсы.

Современными способами производства стали являются конвертерный, мартеновский и электроплавильный (в электропечах).

По конвертерному способу сталь получают в печах - конвертерах. Конвертер - стальной футерованный сосуд грушевидной формы, поворачивающийся вокруг горизонтальной оси на двух цапфах. В нижней части конвертера имеются фурменные отверстия для подачи воздуха под давлением 0,2-0,25 МПа (изб.). Жидкий передельный чугун заливают из ковша в конвертер, после чего через фурменные отверстия пропускают воздух, обогащенный кислородом. Под воздействием воздуха в расплавленном чугуне образуется закись железа FeO, которая реагирует с примесями (кремнием, марганцем, фосфором), образуя оксиды, которые переходят в шлак или выгорают, а закись железа при этом восстанавливается до чистого железа. Этот процесс продолжается всего 15-30 мин, что является большим преимуществом данного способа. Емкость современных конвертеров достигает 600 т. Этот способ отливки стали высокопроизводителен и наиболее экономичен.

Конвертерную сталь используют для изготовления строительных профилей, сортовой и листовой стали, проволоки и т.д.



Рис.2. Схема конвертера

1 - вращающийся грушевидный сосуд; 2 - футеровка; 3 - фурменные отверстия для подачи воздуха;4 - поворотный механизм

Мартеновский способ получения стали в настоящее время наиболее распространен. Мартеновская печь представляет собой агрегат, рабочее пространство которого имеет форму вытянутой в горизонтальном направлении камеры. Нижнюю часть камеры, имеющей вид ванны, называют подом. Его делают набивным из огнеупорных материалов, а стенки и свод печи выкладывают из огнеупорного кирпича. В верхней части имеются каналы, соединяющие рабочую камеру с газовыми и воздушными регенераторами. Емкость современных мартеновских печей до 1000 т.

Твердый или расплавленный чугун с добавкой скрапа (металлолома) или руды плавится в мартене за счет сжигания топлива - смеси колошникового газа или генераторного газа с воздухом. Для повышения теплового эффекта газ и воздух предварительно нагревают в регенераторах, применяют кислородное дутье. Примеси - кремний, марганец и фосфор окисляются закисью железа FeO, образовавшейся в расплаве, переходят в оксиды и удаляются в виде шлака, а закись железа переходит в чистое железо. Серу из расплава удаляют при помощи известняка, вводимого в качестве флюса. Углерод при высоких температурах выгорает. Образующийся в процессе выплавки стали шлак скапливается на поверхности жидкого металла и его периодически удаляют.

Рис.3. Схема мартеновской печи 1 - под; 2 - свод; 3 - регенераторы

Во время выплавки стали, продолжающейся 4 - 8 ч, в ее состав вводят различные добавки - ферросплавы, например феррохром, феррованадий, получая тем самым легированную сталь. Химический состав расплава контролируют путем систематического отбора проб для анализа. После получения стали заданного химического состава ее выпускают в ковш, а из него разливают по изложницам - чугунным или стальным формам.

Мартеновская сталь отличается от конвертерной более высоким качеством. Ее широко применяют для изготовления строительных конструкций (ферм, подкрановых балок, мостов, рельсов и др.), а также для высокопрочной арматуры.

Электроплавка - наиболее совершенный способ производства специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до 200 т.

В качестве сырьевой шихты для электроплавки стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера. Кроме того, в состав шихты вводят флюсы и легирующие добавки. Источником тепла является электродуга, образующаяся между вертикально установленными угольными электродами и расплавленным металлом. По существу протекающих процессов электроплавка не отличается от мартеновского способа производства стали. Однако существенным недостатком электроплавки является низкая производительность и высокая себестоимость стали.

В последние годы начинают применять комбинированные способы производства стали с использованием последовательной выплавки стали в кислородных конвертерах, а затем в основных мартеновских печах, где происходит получение стали заданного химического состава. Для сокращения расхода электроэнергии при производстве стали вначале используют для нагрева и расплавления мартеновскую печь, а затем для окончательной доводки стали до заданных свойств - электропечь.

Перспективна технология получения губчатого железа непосредственно из руд путем продувки их под давлением водородом или смесью водорода с оксидом углерода с последующим выделением железа.

Чугунное литье

Свойства и марки чугуна. В зависимости от содержания примесей и скорости охлаждения получают два основных вида чугуна: белый и серый. Эти наименования соответствуют цвету чугуна. Белый чугун имеет высокую твердость, но он весьма хрупок; его применяют для получения ковкого чугуна и стали. Серый чугун в расплавленном состоянии обладает хорошей текучестью и легко заполняет формы, дает малую усадку при затвердевании, а также легко поддается механической обработке. Серый чугун используют для литья разнообразных строительных изделий. Разновидность серого чугуна - модифицированный черный чугун. Его получают за счет введения в жидкий чугун добавок (модификаторов). Этот чугун обладает повышенными механическими свойствами.

Серый, а также модифицированный чугун, маркируют буквами СЧ, например, СЧ12-28, СЧ18-36, СЧ28-48 и СЧ32-52. Первая цифра марки чугуна показывает допустимый предел прочности при растяжении, а вторая - при изгибе (в кгс/мм°). Серый чугун, используемый для отливки изделий, работающих главным способом на сжатие (колонны, опорные подушки, канализационные трубы, тюбинги и др.) характеризуется пределом прочности при растяжении 120 - 210 и при изгибе 280 - 400 МПа. Значительно реже в строительстве используют высокопрочные и легированные чугуны.

Чугунные изделия. Чугунные литые изделия изготовляют различными способами, среди которых наиболее простым является литье в формы. Прогрессивные формы литья чугуна - под давлением и центробежный. Путем отливки из серого чугуна получают элементы строительных конструкций, работающих на сжатие (колонны, опорные подушки, арки, своды, тюбинги метрополитена, плиты для полов промышленных зданий и т. п.). Серый чугун используют для литья печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники, решетки), а также архитектурно-художественных изделий.

Виды и свойства сталей

Стали для строительных конструкций разделяют на виды и маркируют условными обозначениями, в которых отражается состав и назначение стали, механические и химические свойства, способы изготовления и раскисления.

Маркировка сталей. По стандарту марку углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента (0,8; 25 и т.д.). В обозначение марок кипящей стали добавляют <кп>, полуспокойной - <пс>, спокойной - <сп>, например Ст3сп, Ст5пс, Ст2кп.

В отличие от маркировки углеродистых сталей буквы в марке низколегированных сталей показывают наличие в стали легирующих примесей, а цифры - их среднее содержание в процентах. Предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Для маркировки стали каждому легирующему элементу присвоена определенная буква:

С - кремний, В - вольфрам, Г - марганец, Ю - алюминий, Х - хром, Д - медь, Н - никель, К - кобальт, М - молибден.

Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей. Буквой указан легирующий элемент и последующими цифрами - его среднее содержание, например, сталь 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Сr, марки 2Х17Н2 - 0,2 % С, 17 % Сг и 2 % Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5 % цифры за соответствующей буквой не ставятся: 1Г2С, 12ХН3А. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш - особо высококачественной. Например, легированная конструкционная сталь марки 1Г2С содержит 0,1 % углерода, 2 % марганца и 1 % кремния.

Углеродистые стали. Сталь углеродистая обыкновенного качества - сплав железа с углеродом. В ее составе также присутствуют в небольшом количестве примеси: кремний, марганец, фосфор и сера, каждая из которых оказывает определенное влияние на механические свойства сталей. В сталях обыкновенного качества, применяемых в строительстве, углерода содержится 0,06-0,62 %. Стали с низким содержанием углерода характеризуются высокой пластичностью и ударной вязкостью. Повышенное содержание углерода придает стали хрупкость и твердость.

Для повышения качества строительных сталей в сплавы добавляют примеси - марганец и кремний. Содержание марганца обычно 0,25 - 0,9%; он повышает прочность стали без значительного снижения ее пластичности. Кремний, содержание которого в обыкновенных сталях не превышает 0,35%, не оказывает существенного влияния на свойства стали. Фосфор и сера являются вредными примесями. Фосфор делает сталь хрупкой (хладноломкой), в связи с этим содержание его в строительных сталях не должно превышать 0,05%. Присутствие серы в количестве более 0,07 % вызывает красноломкость стали, а также снижает ее прочность и коррозионную стойкость. Основные характеристики качества углеродистой стали - пределы текучести и прочности при растяжении, а также величина относительного удлинения. Все эти показатели (кроме относительного удлинения) с возрастанием марки стали увеличиваются.

Наиболее широко в строительстве используют сталь марки СтЗ, которая идет на изготовление металлических конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений, опор линий электропередач, резервуаров и трубопроводов, а также арматуры железобетона. Качественные конструкционные углеродистые стали применяют, как правило, в машиностроении, а инструментальные углеродистые стали для изготовления различных режущих инструментов.

Легированные стали. Низколегированные стали наиболее часто применяют в строительстве. Содержание углерода в них не должно превышать 0,2 %, так как с его возрастанием понижаются пластичность и коррозионная стойкость, а также ухудшается свариваемость стали. Легирующие добавки влияют на свойства стали следующим образом:

· марганец увеличивает прочность, твердость и сопротивление стали износу;

· кремний и хром повышают прочность и жаростойкость;

· медь повышает стойкость стали к атмосферной коррозии;

· никель способствует улучшению вязкости без снижения прочности.

Низколегированные стали имеют более высокие механические свойства, чем малоуглеродистые. Стали, содержащие никель, хром и медь, высокопластичны, хорошо свариваются, их с успехом используют для сварных и клепаных конструкций промышленных и гражданских зданий, пролетных строений мостов, нефтерезервуаров, труб и др.

Наибольшее применение в строительстве для изготовления металлических конструкций получили низколегированные стали марок 10ХСНД, 15ХСНД, 10Г2СД и др.

Средне- и высоколегированные стали используют в строительстве только тогда, когда нужно обеспечить конструкциям высокую коррозионную стойкость. Для этого конструкции изготовляют из специальной нержавеющей стали, например, хромоникелевой и хромоникелемарганцевой.

Свойства сталей. Среди физических свойств сталей наибольшее значение имеют истинная плотность, температура плавления, теплоемкость, теплопроводность, коэффициент температурного расширения (некоторые из перечисленных свойств уже рассматривались).

Температура плавления - температура, при которой сталь из твердого состояния переходит в жидкое. Температура плавления железа 1535°С, но при введении в его состав углерода и других элементов она изменяется. Например, чугун с содержанием 4,3 % углерода плавится около 1130°С.

Коэффициент температурного расширения - показатель относительного удлинения стального образца при повышении температуры на 1° равен (11 - 11,9) 10-6°С. Механические свойства сталей характеризуются пределом прочности при растяжении, пределом текучести, относительным удлинением, твердостью и ударной вязкостью.

Испытание стали на растяжение, с одновременной оценкой ее упругости, производят на образцах в форме стержня круглого или прямоугольного сечения. Для этого используют разрывные машины, снабженные приспособлением для записи диаграммы растяжения образца (рис.4). По вертикальной оси диаграммы откладывают растягивающую нагрузку, а по горизонтальной - соответствующее приращение длины образца. На диаграмме растяжения прямой участок (от начала координат до точки 1) показывает, что удлинение l испытуемого образца прямо пропорционально приложенной нагрузке Р1. Максимальное напряжение, при котором сохраняется прямая пропорциональность между удлинением образца и приложенной нагрузкой, называется пределом пропорциональности пр. Деформации образца, в котором напряжения не превышают предел пропорциональности, являются упругими, и при снятии нагрузки восстанавливается первоначальная длина образца. При незначительном повышении нагрузки до Р2 (точка 2) образец начинает вытягиваться (сталь <течет>), хотя нагрузка остается постоянной, что соответствует горизонтальной площадке на диаграмме. Напряжение, при котором появляется текучесть стали, называется пределом текучести т. Образец приобретает остаточные деформации, т. е. деформации, остающиеся в образце после снятия нагрузки.

Рис.4. Диаграмма растяжения стали

При дальнейшем увеличении нагрузки до Р наступает разрыв образца (точка 3). Максимально достигнутое при этом напряжение в образце называется пределом прочности стали р, МПа, который вычисляют по формуле

р = P/Fo,

где Р - наибольшая нагрузка, Н; Fo - первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм².

Относительное удлинение образца при испытании на разрыв характеризует пластичность стали, т. е. способность приобретать значительные остаточные деформации без разрывов и трещин. Относительное удлинение б,.%, определяют по формуле

б = (l₁ - l₀)/l₀,

где l₀ - расчетная (начальная) длина образца, мм; l₁ - длина образца после разрыва, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей, применяемых в строительстве.

Твердость - способность стали сопротивляться вдавливанию в нее других, более твердых тел, например алмазного конуса или стального шарика.

Ударная вязкость - свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее величина определяется количеством работы, необходимой для разрушения стального образца на маятниковом копре.

Среди химических свойств стали наиболее важным является коррозионная стойкость, которая характеризует способность сталей сопротивляться разрушающему действию окружающей среды.

Технологические свойства показывают способность сталей к обработке давлением, резанием, литьем, сваркой и др.

Основное технологическое испытание стали - испытание ее образцов на загиб в холодном состоянии под воздействием равномерно возрастающей нагрузки. Различают следующие виды испытаний: загиб до определенного угла, загиб вокруг оправки до параллельности сторон, загиб до полного соприкосновения сторон (вплотную). Признаком того, что образец выдержал испытание, служит отсутствие в нем после загиба трещин, расслоений или излома.

Термическая обработка улучшает физико-механические свойства стали. Различают следующие виды термической обработки: закалку, отпуск, отжиг, нормализацию.

Закалка заключается в нагреве стали до 800-900°С и небыстром охлаждении ее в воде или масле. Закалка увеличивает прочность и твердость стали, но снижает ударную вязкость. Отпуск закаленной стали - медленный ее нагрев до 200 - 350°С, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением на воздухе. При отпуске стали снижается твердость, но повышается вязкость. Отжиг - нагрев стали до определенной температуры, выдержка и медленное охлаждение в печи. Отжигают сталь для снижения твердости и повышения ее вязкости. Нормализация стали - разновидность отжига, состоящая из нагрева ее до температуры ниже температуры закалки, выдержки при этой температуре и охлаждения на воздухе. Нормализация повышает твердость, прочность и ударную вязкость стали. Для увеличения прочности и твердости поверхностных слоев стальных изделий производят поверхностную закалку токами высокой частоты, а также цементацию стали, т. е. насыщение углеродом ее поверхностного слоя при нагреве в углеродистой среде.

Изделия из стали

Изготовление стальных изделий. При изготовлении стальных изделий расплавленную сталь разливают по изложницам. Вынутые из них стальные слитки подвергают обработке давлением. Обработка давлением основана на высоких пластических свойствах стали. При этом изменяется не только форма стального слитка, но и его свойства. Существуют следующие способы обработки стальных слитков давлением: прокатка, волочение, ковка, штамповка, прессование.

Прокатка - наиболее распространенный способ изготовления профилированных стальных изделий. При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и в зависимости от профиля прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в холодном состоянии. Сортамент стали горячего проката - сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь периодического профиля и др.

При волочении заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения.

Ковка - обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т.д.).

Штамповка - разновидность ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование - процесс выдавливания находящейся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матрицы. Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получить профили различного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование - процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания - упрочненную холодносплющенную арматуру.

Виды стальных изделий. Металлообрабатывающая промышленность выпускает обширную номенклатуру различных стальных изделий.

Прокатную угловую сталь выпускают в виде равнобоких и неравнобоких уголков с шириной полок 20- 250 мм; швеллеры - высотой 50-400 мм при ширине полки 32 - 115 мм; двутавры - как обыкновенные, так и широкополочные. Высота обыкновенных двутавров 100- 700 мм, широкополочных - до 1000 мм. Отношение ширины полок к высоте колеблется от 1:2 (при малой высоте) до 1:3 (при большой высоте).

Профильную сталь применяют для изготовления при помощи сварки или клепки разнообразных стальных строительных конструкций (каркасы и фермы промышленных и гражданских зданий, пролетные строения мостов, балки перекрытий, опоры линий электропередач, фонари освещения зданий и т, д.). Кроме того, из прокатной и штампованной стали специальных профилей выполняют оконные переплеты промышленных и общественных зданий.

Прокатную сталь квадратного сечения, а также полосовую сталь используют для различных целей. Круглую сталь в основном употребляют в качестве арматуры для железобетона.

Прокатная листовая сталь имеет ряд разновидностей: прокатная толстолистовая шириной 600 - 3800 и толщиной 4 - 160 мм; прокатная тонколистовая шириной 600 - 1400 и толщиной 0,5 - 4 мм; листовая кровельная, в том числе оцинкованная; шириной 510 - 1500 и толщиной 0,5 - 2 мм, а также листовая волнистая и рифленая.

Прокатную сталь для шпунтованных свай выпускают разнообразных профилей; ее применяют для гидротехнического строительства.

Рис. 5. Сортамент прокатных сталей

а - равнобокий уголок; б- неравнобокий уголок; в - швеллер; г - двутавр; д - подкрановый рельс; е - круглая; ж - квадратная; з - полосовая; и - шпунтовая свая; к - листовая; л - рифленая; м - волнистая

Стальные трубы цельнотянутые и сварные диаметром 50 - 1620 мм используют для магистральных газо- и нефтепроводов, водоснабжения, отопления и других целей.

Мелкие стальные изделия в виде болтов, гаек, шайб, заклепок широко применяют при изготовлении из прокатных стальных профилей разнообразных конструкций.

Стальная арматура является важнейшей составной частью железобетона и призвана надежно работать вместе с бетоном в течение всего срока службы изделия или конструкции. Арматуру располагают главным образом в тех местах изделия или конструкции, которые подвергаются растягивающим усилиям, и она должна воспринимать эти усилия.

Арматурную сталь классифицируют по способу изготовления, профилю стержней и области применения. По способу изготовления арматурную сталь разделяют на горячекатаную стержневую и холоднотянутую проволочную. В зависимости от профиля стержней (характера их поверхности) стержневая и проволочная арматура бывает гладкой и периодического профиля. В зависимости от условий применения арматурную сталь подразделяют на ненапрягаемую и напрягаемую, т. е. применяемую соответственно для обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Рис. 6. Виды арматурной стали

а - гладкая стержневая; б - горячекатаная периодического профиля, класса А-II;в - то же, класса А-III; г - холодносплющенная с четырех сторон; д - то же, с двух сторон; е - витая)

Стержневую арматуру выпускают горячекатаной обычной, упрочненной вытяжкой в холодном состоянии и термически упрочненной.

В зависимости от механических свойств стержневую арматуру разделяют на классы с условным обозначением А. Условные обозначения классов горячекатаной арматурной стали: А-I, А-II, А-III, А-IV и др. При обозначении класса термически упрочненной арматурной стали к индексу А добавляют индекс "т", например Aт-III. Сталь, упрочненную вытяжкой, обозначают по классу исходной горячекатаной стали, но при этом добавляют еще индекс "в", например Ав-III.

Арматурную сталь класса А-I изготовляют из углеродистой стали марок Ст3, Ст3пс и Ст3кп, класса А-II диаметром 10 - 40 мм - из углеродистой стали марки Ст5, диаметром 40 - 90 мм - из низколегированной стали марки 18Г2С; класса А-III диаметром 6 - 40 мм - из низколегированной стали марки 25Г2С, диаметром 6 - 8 мм - из низколегированной стали марки 18Г2С; класca A-IV - из низколегированной стали марки 20ХГ2Ц (для конструкций с напрягаемой арматурой). Стержни арматурной стали класса А-1 поставляют круглыми, стержни класса А-II, А-III, А-IV - периодического профиля.

Проволочную арматуру разделяют на арматурную проволоку и арматурные проволочные изделия. Арматурная проволока может быть холоднотянутой класса В-I (низкоуглеродистой) для ненапрягаемой арматуры и класса B-II (углеродистой) для напрягаемой арматуры. Ее выпускают гладкой и периодического профиля диаметром 3 - 8 мм.

Арматурные проволочные изделия можно применять в строительстве и производстве железобетонных изделий в виде нераскручивающихся стальных арматурных прядей, стальных арматурных канатов, сварных арматурных сеток, а также тканых и сварных проволочных сеток, предназначенных для армоцементных конструкций.

Арматурную сталь диаметром менее 10 мм выпускают в мотках (бухтах), диаметром 10 мм и более - в прутках длиной 6 - 12 м.

Цветные металлы и их сплавы

В современном строительстве цветные металлы в чистом виде применяют довольно редко. В основном используют сплавы некоторых цветных металлов, например алюминия, меди, цинка, свинца, олова, марганца, характеризующиеся малой плотностью, высокими пластичностью и коррозионной стойкостью, а также хорошими декоративными качествами.

Алюминий и его сплавы. Алюминий представляет собой легкий металл серебристо-белого цвета, плотностью 2,7 г/см³. Он пластичен, хорошо прокатывается и отливается, температура плавления 657°C. Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость на воздухе за счет образования на поверхности защитной оксидной пленки. Алюминий в чистом виде применяют для отливки деталей, изготовления фольги, в виде тончайшего порошка, используемого в алюминиевой краске, а также в качестве газообразователя ячеистых бетонов.