Строительные материалы

Морская вода, вода соленых озер и лиманов, а также некоторые грунтовые воды, содержащие MgCl₂, MgSO₄, NaCI и другие соли, разрушающе действуют на цементный камень. Так, при воздействии на цементный камень вод, содержащих хлористый магний, последний взаимодействует с гидроксидом кальция цементного камня:

Са(ОН)₂ + MgCl₂ = CaCl₂ + Mg(OH)₂.

Образовавшийся в результате реакции хлористый кальций обладает хорошей растворимостью и быстро вымывается из бетона; остающийся гидроксид магния представляет собой аморфное вещество, не обладающее связующими свойствами.

Природные грунтовые воды обычно содержат свободную углекислоту СО₂ и ее соли, главным образом Са(НСО₃)₂. Эти соли не опасны для цементного камня, но свободная (агрессивная) угпекислота разрушает его. Вначале растворенная углекислота взаимодействует с гидроксидом кальция, образуя труднорастворимый углекислый кальций, который уплотняет поверхность цементного камня. Однако при высоком содержании в воде свободная углекислота вступает в реакцию с углекислым кальцием: СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Ca(НСО₃)₂. В результате образуется легкорастворимый в воде бикарбонат кальция, который вымывается из бетона.

Таким образом, основной причиной данного вида коррозии является присутствие в цементном камне свободного гидроксида кальция. Поэтому в состав цемента необходимо вводить активные минеральные добавки, которые связывают его в труднорастворимые соединения.

В качестве активных минеральных добавок к цементу чаще всего применяют трепелы, опоки, диатомиты, а также доменный гранулированный шлак, тоже способный связывать гидроксид кальция.

Коррозия третьего вида возникает при действии на цементный камень бетона сульфатных вод. Сульфаты CaSO₄, МgSO₄, Na₂SO₄ и др. входят в состав большинства природных грунтовых, а также сточных вод. В результате обменной реакции сульфатов с гидроксидом кальция в порах цементного камня образуется двуводный сернокислый кальций (гипс), который взаимодействует с гидроалюминатом кальция:

2(СаSО₄ 2H₂О) + 3CaO Аl₂О₃ 6H₂O + 19Н₂О = ЗСаО Аl₂О₃ 3CaSО₄ 31Н₂О.

Образующийся при этом труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, кристаллизуясь с большим количеством воды, увеличивается в объеме в 2,5 раза, что влечет за собой растрескивание бетона. Для предотвращения сульфатной коррозии бетона при его приготовлении следует применять сульфатостойкий портландцемент.

Безвредны для цементного камня соли кремниевой, кремнефтористоводородной и угольной кислот, слабые растворы щелочей, а также нефть, бензин, керосин и другие нефтепродукты, если в них нет остатков серной кислоты и значительного количества нафтеновых кислот.

Защиту цементного камня от коррозии осуществляют за счет применения цементов определенного минералогического состава, введения необходимого количества активных минеральных добавок, создания плотных бетонов, а также применения защитных покрытий и облицовок. Битумная изоляция, покрытие полимерными пленками, облицовка из стекла и керамики должны исключать воздействие агрессивной среды на бетон.

Применение портландцемента. Портландцемент используют в качестве вяжущего при изготовлении монолитного и сборного бетона и железобетона. Изделия и конструкции, изготовленные на портландцементе, можно применять в надземных, подземных и подводных условиях, а также в случае попеременного воздействия воды и отрицательных температур.

Портландцемент невысоких марок используют для приготовления кладочных и штукатурных растворов. Не следует изготовлять из портландцемента конструкции, подвергающиеся воздействию морской, минерализованной или даже пресной воды,- проточной или под сильным напором. В этих случаях рекомендуется применять цемент сиециальных видов - сульфатостойкий, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент и др.

Портландцемент - высококачественное и дефицитное вяжущее, его необходимо расходовать экономно, заменяя, где это технически возможно, другими, более дешевыми, вяжущими веществами - известью, смешанными цементами и др.

Разновидности портландцемента

В настоящее время наряду с обыкновенным портландцементом выпускают большое количество его разновидностей - быстротвердеющий, пластифицированный, гидрофобный и сульфатостойкий портландцементы. Эти цементы рекомендуются только в тех случаях, когда их специальные свойства могут быть использованы с максимальной эффективностью.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) характеризуется более интенсивным нарастанием прочности в первые 3 сут твердения. Быстрое твердение цемента достигается за счет содержания в клинкере активных минералов (C3S+C3A = 60 - 65%), а также за счет повышения тонкости помола клинкера до удельной поверхности 3500 - 4000 см²/г. При помоле БТЦ допускается введение активных минеральных добавок (не более 15%) или доменных гранулированных шлаков (до 20 % по массе цемента).

Разновидность БТЦ - особо быстротвердеющий портландцемент (ОБТЦ), изготовляемый тонким измельчением клинкера, содержащего C3S до 60 - 65 % и С3А не более 8 %, совместно с добавкой гипса до удельной поверхности 4000 - 4500 см2/г и более. Введение минеральных добавок не допускается. ОБТЦ характеризуется большой скоростью твердения и высокими марками 600 и 700.

Быстротвердеющие портландцементы марок 400 и 500 целесообразно применять при изготовлении сборных высокопрочных, обычных и предварительно напряженных железобетонных изделий и конструкций. Их применение сокращает длительность тепловлажностной обработки, ускоряет оборачиваемость металлических форм, а в отдельных случаях даже позволяет отказаться от тепло-влажностной обработки изделий. Употребляя быстротвердеющий портландцемент для возведения сооружений из монолитного бетона, можно значительно сократить сроки выдержки конструкций в опалубке. Кроме того, его следует использовать при ремонтных и восстановительных работах, где требуется быстрое нарастание прочности бетона и раствора.

Пластифицированный портландцемент (ППЦ) получают помолом портландцементного клинкера совместно с гипсом и пластифицирующими добавками СДБ в количестве 0,15 - 0,25% по массе цемента. Марки этого цемента 400 и 500. Пластифицированный портландцемент по сравнению с обыкновенным портландцементом придает растворным и бетонным смесям повышенную пластичность, морозостойкость и водонепроницаемость.

Применение пластифицированного портландцемента дает возможность вследствие увеличения подвижности бетонных смесей и понижения их водопотребности снизить расход цемента в среднем на 5 - 8%. Пластифицированный портландцемент рекомендуется для приготовления бетонов, используемых в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве.

Гидрофобный портландцемент (ГПЦ) получают введением при помоле портландцементного клинкера гидрофобизирующей добавки в количестве 0,1 - 0,3% по массе цемента. В качестве гидрофобизирующей (водоотталкивающей) добавки применяют поверхностно-активные органические вещества: мылонафт, асидол, синтетические жирные кислоты и др. Эти вещества образуют на зернах цемента тончайшие водоотталкивающие пленки, препятствующие прониканию влаги к зерну, поэтому гидрофобный портландцемент даже при длительном хранении сохраняет сыпучесть и не теряет активности. Гидрофобные пленки цементных зерен в процессе перемешивания растворных и цементных смесей легко удаляются, что обеспечивает нормальное схватывание и твердение цемента.

Гидрофобный портландцемент повышает подвижность бетонных смесей, что, в свою очередь приводит к увеличению водостойкости, водонепроницаемости и морозостойкости бетонов. Применяют гидрофобный портландцемент в гидротехническом, дорожном и аэродромном строительстве, а также при перевозке бетонных и растворных смесей на большие расстояния.

Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) изготовляют тонким помолом из клинкера следующего минерального состава: C3S - не более 50 %, С3А - не более 5%, С3А+C4AF - не более 22 %, MgO - 5%. Введение в цемент инертных и активных минеральных добавок не допускается. При таком минералогическом составе цемента уменьшается возможность образования в цементном камне (бетоне) под действием сульфатных вод гидросульфоалюмината кальция - цементной бациллы.

Сульфатостойкий портландцемент характеризуется повышенной сульфато-, морозо- и водостойкостью, пониженным тепловыделением в процессе схватывания и твердения, а также замедленной интенсивностью твердения в начальные сроки. Выпускают его марки 400. Остальные требования к этому цементу такие же, как и обыкновенному портландцементу.

Сульфатостойкий портландцемент применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических массивных сооружений, работающих в условиях многократного замораживания и оттаивания в пресной или слабоминерализованной воде.

Белый и цветные портландцементы изготовляют из сырьевых материалов, характеризующихся малым содержанием окрашивающих оксидов (железа, марганца, хрома), из чистых известняков, мраморов и белых каолиновых глин.

Белый портландцемент выпускают марок 400 и 500 и по степени белизны разделяют на три сорта: БЦ-1, БЦ-2 и БЦ-З.

Цветные портландцементы получают совместным помолом клинкера белого портландцемента со свето- и щелочестойкими пигментами (суриком, охрой, ультрамарином и др).

Белый и цветные цементы используют при архитектурно-отделочных работах, для получения фактурного слоя стеновых панелей, а также для изготовления искусственного мрамора и облицовочных плиток.

Портландцементы с активными минеральными добавками

К этой группе гидравлических вяжущих веществ относят цементы, получаемые совместным помолом портландцементного клинкера и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием указанных компонентов после раздельного измельчения каждого из них.

Активные минеральные добавки представляют собой вещества, содержащие в основном аморфный активный кремнезем, легко вступающий в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция с образованием труднорастворимых гидросиликатов кальция. Поскольку портландцемент в процессе твердения выделяет гидроксид кальция, который растворим в воде и поэтому может вымываться из цементного камня, то наличие в составе портландцемента минеральной добавки повышает его водостойкость.

Активные минеральные добавки известны с давних времен, Еще в древнем Риме для придания гидравлических свойств воздушной извести добавляли вулканический пепел - пуццолану (названный по месту залежей вблизи г. Поццуоли в Италии). Отсюда и назвали активные добавки вулканического происхождения "пуццоланическими", а цементы с этими добавками "пуццолановыми".

Активные минеральные добавки разделяют на природные (диатомит, трепел, опока, вулканический пепел, пемза, трассы, туф) и искусственные (доменные гранулированные шлаки, золы от сжигания бурых углей, торфа, горючих сланцев, слабообожженные глины, глиежи, отходы керамического производства и др.).

Среди цементов этой группы различают цемент с минеральными добавками, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками и сульфатостойкий шлакопортландцемент.

Портландцемент с минеральными добавками получают путем совместного измельчения портландцементного клинкера, минеральных добавок и гипса. В качестве добавок вводят доменные гранулированные шлаки или активные минеральные добавки осадочного происхождения, но не более 20% массы цемента. Допускается введение в цемент при его помоле пластифицирующих или гидрофобизующих поверхностноактивных добавок не более 0,3% массы цемента. Схватывание цемента протекает несколько замедленно. В ранние сроки твердения немного замедляется набор прочности. Портландцемент с минеральными добавками выпускают марок 400, 500, 550 и 600.

Этот цемент успешно применяют при приготовлении бетонов вместо портландцемента за исключением случаев, когда требуется высокая морозостойкость бетона.

Пуццолановым портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким помолом цементного клинкера, гипса и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием этих материалов, измельченных раздельно.

Содержание активных минеральных добавок в пуццолановом портландцементе должно составлять в % по массе цемента: добавок вулканического происхождения (пемза, пепел, туфы, трассы), обожженных глин, глиежа или топливной золы не менее 25 и не более 40, добавок осадочпого происхождения {диатомит, трепел, опока) - не менее 20 и не более 30.

Пуццолановый портландцемент выпускают марок З00 и 400. Цвет цемента светлый; плотность в рыхлом состоянии 800 - 1000, в уплотненном - 1200 - 1600 кг/м3, водопотребность 30 - 38%. Сроки схватывания, тонкость помола и равномерность изменения объема пуццоланового портландцемента такие же, как и у обыкновенного портландцемента.

Пуццолановый портландцемент характеризуется замедленным нарастанием прочности в начальный период твердения по сравнению с портландцементом, изготовленным из того же клинкера. Однако после 3 - 6 мес твердения во влажной среде бетоны на пуццолановом пор-ландцементе достигают той же прочности, что и бетоны на портландцементе.

Пуццолановый портландцемент при твердении выделяет меньше теплоты, чем портландцемент. Это обстоятельство позволяет широко использовать пуццолановый портландцемент при бетонировании больших массивов, например гидротехнических сооружений, где очень опасны температурные деформации конструкций. Однако при температуре ниже 10оC твердение его резко замедляется и даже совсем прекращается. Наоборот, при повышенных температурах пуццолановый портландцемент твердеет более интенсивно, чем портландцемент. Поэтому изделия из бетона на этом цементе целесообразно подвергать тепловлажностной обработке в пропарочных камерах и автоклавах.

Бетоны на пуццолановых портландцементах имеют более высокую водостойкость и водонепроницаемость, чем на портландцементах. Однако пуццолановый портландцемент не морозостоек, поэтому не рекомендуется его применять при возведении конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию.

Пуццолановый портландцемент используют наряду с портландцементом для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций (как сборных, так и монолитных). Вследствие повышенной сульфатостойкости его употребляют для бетонных и железобетонных конструкций подводных и подземных частей сооружений, подвергающихся воздействию мягких и сульфатных вод. Следует учитывать, что в сухих условиях эксплуатации твердение бетона на этом цементе практически прекращается, поэтому в течение первых двух недель бетоны необходимо систематически увлажнять и предохранять от высыхания.

Шлакопортландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным измельчением портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака с добавлением небольшого количества гипса, вводимого для регулирования сроков схватывания и активизации твердения шлака. Шлакопортландцемент можно изготовлять и путем смешивания тех же исходных материалов, но измельченных раздельно. Содержание доменного гранулированного шлака в шлакопортландцементе должно составлять не менее 21 и не более 60% по массе цемента.

Шлакопортландцемент выпускают марок З00, 400 и 500. Он сероватого цвета с голубоватым оттенком, отличается от других видов цемента тем, что содержит большое количество металлических частиц, выявляемых магнитом. Плотность его в рыхлом состоянии 1000 - 1300, а в уплотненном - 1400 - 1800 кг/м3, нормальная густота цементного теста 26 - 30%; тонкость помола и равномерность изменения объема такие же, как и у портландцемента.

Тепловыделение шлакопортландцемента при твердении меньше, чем у портландцемента, но он обладает большей жаро-, водо- и сульфатостойкостью. Морозостойкость шлакопортландцемента несколько ниже.

У шлакопортландцемента по сравнению с портландцементом несколько замедлено нарастание прочности в начальные сроки твердения. В более отдаленные сроки твердения прочность возрастает и через 2 - 3 мес превосходит прочность портландцемента той же марки. Замедление твердения особенно ярко проявляется при пониженных температурах, однако это не является препятствием к широкому применению шлакопортландцемента, а повышение температуры при достаточной влажности окружающей среды резко ускоряет твердение. Бетоны на шлакопортландцементе, подвергаемые тепловлажностной обработке при 80 - 95^оС, набирают более высокую прочность, чем бетоны на портландцементе той же марки, твердеющие в тех же условиях.

Разновидность шлакопортландцемента - быстротвердеющий шлакопортландцемент, который отличается от обычного меньшим содержанием гранулированного доменного шлака (не более 50%) и более высокой тонкостью помола. Быстротвердеющий шлакопортландцемент марки 400 характеризуется интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения, которое особенно ускоряется в условиях тепловлажностной обработки.

Шлакопортландцемент с успехом можно применять для изготовления сборных железобетонных изделий и конструкций, твердеющих в пропарочных камерах. Целесообразно использовать шлакопортландцемент в конструкциях горячих цехов и в гидротехнических сооружениях, подвергающихся сульфатной агрессии. Из него, как и из пуццоланового портландцемента приготовляют строительные кладочные и штукатурные растворы. Не рекомендуется шлакопортландцемент для конструкций, которые находятся под систематическим воздействием попеременного замораживания и оттаивания или увлажнения и высушивания.

Массовый выпуск и широкое применение пуццолановых цементов и шлакопортландцементов можно объяснить не только наличием ряда положительных свойств по сравнению с портландцементом, но и меньшей стоимостью (примерно на 15 - 20%).

Среди сульфатостойких цементов кроме сульфатостойкого портландцемента по вещественному составу различают еще сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками, сульфатостойкий шлакопортландцемент.

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками получают измельчением портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, активных минеральных добавок и гипса. В цементе допускается содержание гранулированного доменного шлака не менее 10 - 20% массы цемента и активных минеральных добавок осадочного происхожения (кроме глиежа) не менее 5 - 10%.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент - продукт, получаемый тонким помолом портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, шлака нормированного химического состава (не менее 21 - 60 % по массе цемента) и гипса.

Морозостойкость сульфатостойких цементов ниже, чем у сульфатостойкого портландцемента, но области применения те же.

Специальные цементы

Эта группа гидравлических вяжущих веществ резко отличается от цементов, изготовленных на основе портландцементного клинкера, видом исходного сырья, технологией производства, химическим и минералогическим составом, свойствами, а также областями применения. В нее входят - глиноземистый, расширяющийся и безусадочный цементы, а также гипсоцементнопуццолановое вяжущее.

Глиноземистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания или сплавления сырьевой смеси, богатой глиноземом. В качестве сырьевых материалов для получения глиноземистого цемента используют известняк или известь и породы с высоким содержанием глинозема Аl₂О₃, например, бокситы. Минералогический состав глиноземистого цемента характеризуется большим содержанием низкоосновных алюминатов кальция, главным из которых является однокальциевый алюминат СаО Аl₂О₃ .

Глиноземистый цемент имеет вид тонкого порошка серо-зеленого, коричневого или черного цвета. Плотность его в рыхлом состоянии - 1000 - 1300, а в уплотненном - 1600 - 1800 кг/м³, нормальная густота обычно 23 - 28%. Тонкость помола несколько выше тонкости помола портландцемента; при просеивании глиноземистого цемента через сито № 008 должно проходить не менее 90% пробы (по массе). Сроки схватывания глиноземистого цемента: начало - не ранее чем через 30 мин, конец - не позднее 12 ч с момента затворения цемента водой.

Процесс твердения глиноземистого цемента сопровождается значительным тепловыделением, что ограничивает его применение в массивных бетонных конструкциях, но является весьма полезным при производстве строительных работ в зимнее время.

Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при сжатии образцов-кубов в возрасте 3 сут после твердения в нормальных условиях. Цемент характеризуется интенсивным набором прочности в начальные сроки твердения: через 24 ч он набирает 80 - 90% марочной прочности.

Бетоны на глиноземистом цементе водонепроницаемы, стойки в условиях пресных и сульфатных вод, а также морозостойки. Они хорошо твердеют во влажной среде при 15 - 20%. При повышении температуры выше 25оC прочность бетона значительно снижается, поэтому бетоны на глиноземистом цементе нельзя подвергать пропариванию и другим методам искусственного нагрева, Нельзя смешивать глиноземистый цемент с портландцементом, так как при этом снижается его прочность.

Применение глиноземистого цемента ограничено его высокой стоимостью (он в 3 - 4 раза дороже портландцемента). Его используют при срочных ремонтных и аварийных работах, производстве работ в зимних условиях, для бетонных и железобетонных сооружений, подвергающихся воздействию сильно минерализованных вод, получения жаростойких бетонов, а также изготовления расширяющегося и безусадочного цементов.

Расширяющиеся и безусадочные цементы отличаются способностью при твердении во влажных условиях несколько увеличиваться в обьеме или не давать усадки. Промышленность выпускает водонепроницаемый расширяющийся цемент, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент, а также водонепроницаемый безусадочный цемент.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола и тщательного смешивания измельченных глиноземистого цемента, гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Цемент характеризуется быстрым схватыванием: начало - ранее 4 мин, конец - не позднее 10 мин с момента затворения. Линейное расширение образцов из цементного теста, твердеющих в воде в течение 1 сут, должно быть в пределах 0,3 - 1%. Физико-химическая сущность процесса расширения цемента заключается в том, что в результате взаимодействия алюминатов кальция и гипса происходит образование гидросульфатоалюмината кальция, сопровождающееся увеличением объема.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) применяют для зачеканки и гидроизоляции швов тюбингов, раструбных соединений, создания гидроизоляционных покрытий, заделки стыков и трещин в железобетонных конструкциях и т.д. Его нельзя применять в конструкциях, эксплуатируемых при температуре выше 80^оС.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) - быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тщательного смешивания глиноземистого цемента, полуводного гипса и гашеной извести. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 1 мин, а конец - не позднее 5 мин с момента затворения. Величина относительного линейного расширения образцов из цементного теста через 1 сут их твердения в воде должно находиться в пределах 0,01 - 0,1%.

Цемент применяют для устройства гидроизолирующей торкретной оболочки бетонных и железобетонных подземных сооружений, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности (туннели, фундаменты и т. п).

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ) получают смешением 50 - 75% полуводного (строительного или высокопрочного) гипса, 15 - 25% портландцемента и 10 - 25% пуццоланической (гидравлической) добавки. Вместо портландцемента целесообразно применять пуццолановый портландцемент с необходимым количеством активной добавки, а также шлакопортландцемент.

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее выпускают марок 100 и 150. Оно характеризуется быстрым твердением и повышенной водостойкостью. Прочность бетонов на ГЦПВ 15 - 30 МПа, причем уже через 2 - 3 ч после их приготовления прочность достигает 30 - 40% марочной, коэффициент размягчения - 0,6 - 0,8; морозостойкость - 25 - 50 циклов. Для ускорения твердения бетонов на ГЦПВ их пропаривают при 70 - 80^оC, при этом через 5 - 8 ч прочность бетона достигает 70 - 90% конечной.

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее применяют для изготовления панелей основания пола, санитарно-технических кабин, вентиляционных блоков и других изделий.

Транспортирование и хранение цементов

В бумажных мешках обычно перевозят белый и цветные портландцементы, а также глиноземистые, водонепроницаемые, расширяющиеся и безусадочные цементы.

Цементы, поступающие навалом, хранят в силосных или бункерных складах раздельно по видам, маркам и партиям от различных заводов. Запрещается при хранении смешивать цементы различных видов и марок. Цемент в бумажных мешках хранят в закрытых складах-сараях с плотными водонепроницаемыми крышей, стенами и деревянным полом, приподнятым над поверхностнью земли не менее чем на 30 см. В процессе транспортирования и хранения необходимо оберегать цемент от воздействия влаги и засорения посторонними примесями.

При длительном хранении цемента на складе обычно за счет поглощения влаги из воздуха и преждевременной гидратации происходит его комкование и снижение активности. Активность портландцемента снижается через 3 мес в среднем на 15 - 20 %, через 6 мес - на 20 - 30 %, а тонкомолотые быстротвердеющие портландцементы теряют активность значительно быстрее, поэтому большие запасы цемента на складах строек и предприятий строительной индустрии нежелательны.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

Основные сведения

Древесина - это важный материал, широко применяемый в строительной промышленности, так как он обладает высокой прочностью при небольшой плотности, малой теплопроводностью, легкостью механической обработки. Вместе с тем в древесине присутствуют и недостатки: неравнозначность ряда свойств в различных направлениях, легкая загниваемость и возгораемость, высокая гигроскопичность, наличие ряда пороков.

Так как древесина в последнее время значительно подорожала, то необходимо ее экономно и рационально расходовать. Из отходов древесины - опилок, стружек, щепы и горбыля изготавливают арболит, фибролит, древесноволокнистые и древесностружечные плиты, изделия из древесных пластиков.

Дерево состоит из ствола, кроны и корней, причем ствол - главная и наиболее ценная часть дерева. От строения ствола зависит качество древесины как материала. Древесина ствола имеет неоднородное строение в различных направлениях. При изучении ствола в поперечном разрезе различают следующие части ствола: кору, камбий, древесину и сердцевину.

Рис.1. Торцовый разрез ствола дерева

1 - кора, 2 - камбий, 3 - заболонь, 4 - ядро, 5 - сердцевина)

Кора имеет наружную часть - кожицу, среднюю часть - пробковый слой и внутреннюю часть - луб.

Древесина - основная масса ствола. На поперечном разрезе древесины можно различить годичные кольца прироста, которые светлее к поверхности ствола и темнее у центра. Каждый годичный слой состоит из двух зон: внутренней светлой - ранней, образовавшейся весной, и наружной темной - поздней, образовавшейся к концу лета, называемых соответственно ранней и поздней древесиной. Ранняя древесина более пористая и слабая, чем летняя. Чем больше в слоях поздней древесины тем прочнее материал. На поперечных разрезах дуба, бука, клена и др. пород заметны узкие радиальные линии, так называемые сердцевинные лучи, направленные от коры к древесине. В древесине хвойных пород имеются смоляные ходы, расположенные в продольном и поперечном направлениях, в них сосредотачивается смола. Светлая часть древесины называется заболонью, а темная - ядром. Ядро, в отличие от заболони состоит из мертвых клеток, оно не принимает участия в физиологических процессах, а обеспечивает прочность дереву. Некоторые породы деревьев не имеют ядра (береза, осина, ольха, липа) - это заболонные породы. Остальные, например, - сосна, дуб, лиственница, кедр - ядровые породы.

Камбий расположен однорядным цилиндрическим слоем (в виде кольца на поперечном разрезе), образует с наружной стороны луб, внутри - древесину.

Сердцевина находится в центре ствола и проходит по всей его длине - это слабая ткань первичного образования, легко поддающаяся гниению.

Древесные породы

Хвойные породы наиболее часто применяются в строительстве. Чаще всего применяются: сосна, лиственница, ель, пихта и кедр.

Сосна - имеет розовое или буро-красное ядро и желтовато белую заболонь, обладает повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, хорошо поддается обработке.

Лиственница - древесине ее по внешнему виду напоминает древесину сосны, но обладает большей плотностью и прочностью. Весьма устойчива против загнивания в условиях переменной влажности, поэтому ее часто применяют в гидротехнических, подземных сооружениях и для изготовления шпал.

Ель - древесина ее мало смолиста, поэтому при использовании в сырых местах она быстро загнивает, поэтому применять ее следует в сухих условиях.

Пихта имеет древесину белого цвета, по внешнему виду напоминающую древесину ели, но отличается отсутствием смоляных ходов. Она еще менее стойка к загниванию, чем ель.

Кедр имеет прочную и хорошо обрабатываемую древесину, поэтому его чаще всего применяют в столярном и мебельном производстве.

Лиственные породы используются в значительно реже, чем хвойные. Из них наиболее часто: дуб, ясень, бук и береза.

Дуб имеет плотную, твердую и очень прочную древесину желтоватого цвета и красивой текстуры, она хорошо сохраняется на воздухе и под водой.

Ясень имеет тяжелую, вязкую, твердую и прочную древесину по строению напоминающую древесину дуба, но более светлую.

Бук - у него древесина плотная и прочная с красноватым оттенком. Применяется в основном для изготовления высококачественных столярных изделий и мебели.

Береза имеет твердую, прочную и вязкую белую с желтоватым или красноватым оттенком древесину, но она недолговечна в условиях переменной влажности и высушивания.

Физические и механические свойства

Древесина - анизотропный материал, обладающий весьма разнообразными физическими и механическими свойствами.

Цвет и текстура (рисунок) древесины являются характерными для той или иной породы. Цвет зависит от многих факторов, с увеличением возраста дерева интенсивность окраски древесины увеличивается. Потускнение древесины, появление серой, зеленой, синей окрасок является признаком заболеваний.

Истинная плотность древесины всех пород примерно одинакова - 1,55 г/см³.

Средняя плотность зависит от породы дерева, условий произрастания, влажности и др. факторов и колеблется в пределах 0,37 - 0,7 г/см³.

Влажность. По степени влажности различают древесину: мокрую (сплавную), свежесрубленную (влажностью 35% и более), воздушно-сухую (влажностью 15 - 20%), комнатно-сухую (влажностью 8 - 12%) и абсолютно сухую, высушенную в лаборатории до постоянной массы при температуре 100 - 105⁰С. Условно стандартной считают влажность 12%, поэтому, показатели полученные при определении прочности и плотности должны быть приведены к стандартной влажности. Повышенная влажность древесины приводит к короблению, усушке и растрескиванию деревянных конструкций и деталей и способствует поражению древесины различными грибками.

Гигроскопичность - в результате изменения влажности окружающей среды все время меняется влажность древесины. Максимальное количество влаги в древесине при отсутствии свободной влаги называют точкой насыщения волокон или пределом гигроскопичности. Ее величина для разных пород колеблется в пределах 25 - 35%.

Величина усушки и разбухания древесины неодинакова в разных направлениях. Линейная усушка вдоль волокон составляет 0,1 - 0,3%, в радиальном направлении - 3 - 6%, а в тангенциальном - 6 - 12%.

Теплопроводность сухой древесины незначительна - 0,171 - 0,28 Вт/(м·⁰С), но с повышением ее влажности, теплопроводность повышается.

Сопротивление древесины механическим воздействиям неодинаково в различных направлениях, кроме того, оно зависит от породы древесины, ее влажности, наличия пороков.

Средние значения механических свойств древесины при влажности 12%:

Породы дерева	Средняя плотность, кг/м3	Пределы прочности ( МПа ) вдоль волокон при:
		растяжении	сжатии	изгибе
сосна	500	110	48	85
лиственница	660	125	62	105
ель	450	120	44	80
пихта	370	70	40	70
дуб	700	130	58	106
бук	670	130	56	105
береза	630	125	55	110

Древесина хорошо воспринимает сжатие поперек волокон, при изгибе и растяжении она хорошо работает вдоль волокон.

С увеличением влажности древесины ее прочность снижается, особенно при статическом изгибе и сжатии.

Наличие пороков в древесине (сучки, косослой и др.) также значительно ухудшает ее механические свойства.

При длительном воздействии кислот и щелочей древесина медленно разрушается. Интенсивность разрушения зависит от концентрации растворов. В морской воде древесина хуже сохраняется, чем в речной воде.

мартеновский сталь чугун коррозия

Пороки древесины

Пороками древесины называют как отклонения в древесине, связанные с нарушением внешней формы ствола дерева, так и различные повреждения оказывающие влияние на ее технические свойства и др. Пороки древесины снижают ее сортность и ограничивают области применения. Выделяют следующие группы пороков: сучки, трещины, неправильности формы ствола и строения древесины, ненормальная окраска, гниль, повреждения насекомыми.

Сучки - это основания ветвей, заключенные в древесине ствола. Они нарушают однородность древесины, затрудняют обработку и ухудшают механические свойства древесины.

Сучки могут быть сросшиеся (полностью или частично) и несросшиеся (выпадающие твердые, рыхлые и табачные).

Рис.2. Виды сучков по степени срастания с окружающей древесиной(а - сросшийся здоровый, б - сросшийся роговой, в - выпадающий)

Трещины могут быть как на растущем, так и на срубленном дереве в результате неравномерного сжатия древесины при высыхании, резкого колебания температур в зимнее время и др. причин. Трещины, кроме снижения сортности и механических свойств, способствуют образованию гнили. Трещины бывают следующих видов: метик, отлуп, морозобоина и трещины усушки.

Рис.3. Виды трещин(а - крестовый метик, б - дугообразный отлуп, в - морозобоина, г - трещины усушки_

Метик - одна или несколько продольных трещин, проходящих через сердцевину и суживающихся от центра к периферии ствола. Метик бывает простой - одна или две трещины, расположенные по диаметру, и крестовый - трещины расположены под углом одна к другой, а также согласный (с трещиной в одной плоскости) и несогласный, когда трещина идет винтообразно.

Отлуп - это кольцевая трещина (полный отлуп) или дугообразная трещина (частичный отлуп).

Морозобоина - наружная продольная трещина, широкая с внешней стороны ствола и суживающаяся к центру его.

Трещины усушки часто имеют радиальную направленность и резко снижают сортность древесины.

Отклонения от нормальной формы ствола

· кривизна (односторонняя и разносторонняя);

· сбежимость (резкое уменьшение толщины ствола от комля к вершине);

· закомелистость (резкое утолщение комля);

· косослой (винтообразное расположение волокон в стволе) - сильно ухудшает механические свойства древесины и способствует ее усушке и короблению;

· свилеватость - сильно волнистое или спутанное расположение волокон.

Поражение древесины грибами происходит как на растущем дереве, так и на складе и в деревянных конструкциях. Грибы хорошо развиваются при повышенной влажности древесины (20 - 60%), отсутствии вентиляции и температуре 0 - 60⁰С. При отрицательной температуре грибы не развиваются, но и не погибают - погибают только при температуре свыше 60⁰С и при нахождении древесины под водой.

Некоторые грибы не разрушают древесину, а только окрашивают ее в синий, красный или пятнистый цвет. Не разрушают древесину и пушистые налеты плесени на поверхности.

Наиболее опасными являются домовый, домовый белый, домовый пленчатый, шахтный, которые в короткий срок разрушают древесину как хвойных, так и лиственных пород. Шахтный гриб поражает древесину, находящуюся в темных и сырых местах, признак его появления - возникновение на древесине хвойных пород пленки золотисто-белого оттенка, переходящего в дальнейшем в бурый цвет, древесина при этом разрыхляется.

Зараженную грибами древесину следует сжигать, следя при этом, чтобы другая древесина не заразилась.

Повреждения насекомыми могут быть как у растущих, так и у срубленных деревьев (жуками-короедами, жуками-усачами, мебельными или домовыми точильщиками, шашнем и др.). Червоточины могут быть поверхностными, неглубокими и сквозными, а также некрупными (диаметром не более 3 мм) и крупными. Древесину со сквозными червоточинами не разрешается применять в несущих деревянных конструкциях.

Повышение долговечности деревянных конструкций

Существуют следующие способы защиты древесины: сушка, антисептирование, нанесение на поверхность стойких огнезащитных составов, меры по предотвращению увлажнения конструкций в процессе эксплуатации.

Сушка может быть естественная и искусственная (горячим воздухом, газом, паром или токами высокой частоты, а также за счет погружения в нагретый петролатум). Искусственная сушка - более быстрая, чем естественная. При искусственной сушке достигается малая конечная влажность (6 - 8%), уничтожаются грибковые заболевания и споры.

Защита от гниения и поражения насекомыми - за счет изоляции от грунта, камня и бетона, проветривания, защиты от осадков.

Также защищают древесину антисептиками. Антисептики бывают как водорастворимыми - фтористый натрий, кремнефтористый натрий и аммоний, препараты ББК-3, ХХЦ, ГР-48 и др., так и маслянистыми (они токсичны, с резким запахом, поэтому их применяют для конструкций эксплуатируемых на воздухе) - каменноугольное, креозотовое, антраценовое, сланцевое масло. Применяют также антисептические пасты из водорастворимого антисептика с добавлением связующего вещества-битума, экстракта сульфитного щелока, глины и др.

Древесину антисептируют различными способами: опрыскиванием, последовательной пропиткой в горячей и холодной ваннах, пропиткой под давлением в автоклавах, обмазкой антисептичными пастами. Глубина пропитки зависит от ее влажности, способа антисептирования и строения древесины.

От поражения насекомыми древесину защищают химическими инсектицидами: каменноугольным маслом с растворителями, хлорофосом и др. в виде дустов, суспензий, эмульсий, аэрозолей и в газообразном состоянии.

Защита от возгорания - прежде всего отдалением деревянных элементов от источников нагревания, покрытию древесины штукатуркой, асбестовым картоном и асбоцементными листами. Кроме того, наносят огнезащитные составы (краски или пасты на основе жидкого стекла), которые при повышенной температуре сплавляются и образуют плотный стекловидный слой предотвращающий доступ кислорода или пропитывают древесину химическими веществами - антипиренами (растворами фосфорнокислого аммония, буры, борной кислоты и др.). При нагревании пропитанной антипиреном древесины соли разлагаются с образованием химических веществ, препятствующих горению.

Лесоматериалы и изделия из древесины

Лесоматериалы подразделяют на необработанные (круглые) и обработанные (пиломатериалы, колотые лесоматериалы, шпон и др.)

Круглые лесоматериалы - очищенные от сучьев отрезки древесных стволов:

· бревна строительные и пиловочные должны иметь диаметр верхнего торца не менее 14 см и длину 4 - 6,5 м, должны быть ошкурены и опилены под прямым углом к продольной оси. По качеству бревна подразделяют на три сорта:

· подтоварник - часть ствола дерева с диаметром верхнего торца 8 - 13 см и длиной 3 - 9 м;

· жерди имеют диаметр верхнего торца 3 см и длину 3 - 9 м;

· рудничные стойки - круглый лесоматериал длиной 0,5 - 5 м и толщиной в верхнем торце 7 - 30 см. Отклонения длины стоек допускаются в размере ±2 см, диаметра ±0,5 см для стоек толщиной до 11 см (включительно) и ±1 см для стоек толщиной 12 см и более.

Пиломатериалы изготавливают путем продольной распиловки пиловочных бревен:

· пластины или распилы - распиловкой бревна на две половины;

· четвертины - распиловкой по двум взаимно перпендикулярным диаметрам;

· горбыль или обапол - срезанная наружная часть бревна. Обапол может быть горбыльным, когда пропил имеется только с одной стороны или дощатым - с пропилом с двух сторон;

· доски - пиломатериал, ширина которого более двойной толщины. Толщина досок 13 -100 мм, ширина - 80 - 250 мм. Доски хвойных пород имеют длину до 6,5 м, лиственных - до 5 м с градацией через 0,25 м. Доски бывают необрезные (с неопиленными кромками на всю длину или на половину доски) и обрезные (пропил должен быть более чем на половину длины доски). По качеству древесины и обработке доски подразделяют на пять сортов - отборный, 1, 2, 3 и 4;

· брусья имеют толщину или ширину 100 - 250 мм при отношении ширины к толщине менее двух. Брусья, опиленные с двух сторон, называют двухкантными или шпальным брусом, а пропиленные с четырех сторон - четырехкантными;

· бруски - пиломатериал типа бруса толщиной до 100 мм, длина его та же что и у досок.



Рис.4. Пиломатериалы

а - пластины, б - четвертины, в - горбыль, г - доска необрезная, д - доска полуобрезная,е - доска обрезная, ж - брус четырехкантный, з - брус чистообрезной)

Изделия из древесины

· строганые погонажные изделия - доски для полов, шпунтованные доски, фальцевые доски; профильные погонажные изделия - плинтусы и галтели, поручни для перил, наличники для оконных и дверных коробок, а также доски подоконников;

· изделия для паркетных полов - штучный, наборный и щитовой паркет, а также паркетные доски;

· столярные плиты - реечные щиты, оклеенные с одной или двух сторон строганой фанерой или шпоном (для дверей, перегородок, полов и щитовой мебели;

· строительная фанера - плоский лист, состоящий из трех, пяти и более слоев шпона. Шпон получают на лущильных станках путем срезания слоя древесины (березы, ели, сосны и т.д.) в виде непрерывной широкой ленты с вращающегося предварительно распаренного кряжа и последующего раскраивания на форматные листы. Листы шпона склеивают таким образом, чтобы волокна двух смежных слоев были взаимно перпендикулярны, что придает фанере прочность большую, чем у древесины. Фанеру выпускают толщиной до 15 мм. Фанера бывает повышенной, средней и ограниченной водостойкости.

Рис. 5. Погонажные изделия а - шпунтованные доски, б - фальцовые доски, в - плинтус, г - наличник, д - поручень

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Горные породы и их классификация

Природными каменными материалами называют строительные материалы, получаемые из горных пород за счет применения лишь механической обработки (дробления, раскалывания, распиливания, шлифования, полирования и др.). В результате такой обработки природные каменные материалы почти полностью сохраняют физико-механические свойства горной породы, из которой они были получены.

Горные породы представляют собой природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Горные породы, состоящие из одного минерала, называют простыми, или мономинеральными, а породы из нескольких минералов называют сложными, или полиминеральными. Минерал (от латинского mineга - руда) - природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образовавшееся в результате различных физико-химических процессов, происходящих в земной коре. Каждый минерал характеризуется определенными химическим составом и физико-механическими свойствами.

Природные каменные материалы начали применять несколько тысячелетий назад. Украина располагает богатыми запасами разнообразных природных каменных материалов.

Природные каменные материалы широко применяют в строительстве, они являются также основным сырьем для получения минеральных вяжущих веществ и искусственных каменных материалов.

По происхождению горные породы разделяют на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические.

Магматические. Глубинные горные породы (граниты, сиениты, диориты и др.) образовались в результате медленного остывания магмы в толще земной коры под значительным давлением верхних слоев. В таких условиях горные породы приобрели равномерную кристаллическую структуру в результате того, что крупные зерна различных минералов прочно срослись между собой.

Излившиеся горные породы (базальты, андезиты, диабазы и др.) образовались при быстром остывании магмы на поверхности земли. В таких условиях не происходила полная кристаллизация остывающей магмы. В зависимости от условий образования излившиеся горные породы имеют мелкозернистое, скрытокристаллическое или аморфное строение. Если же из вязкой магмы медленно выделялись газообразные продукты, образовывались пористая или пемзообразная структуры. Кроме того, к изверженным горным породам относятся обломочные породы, которые образовались из мельчайших частиц раздробленной лавы, выброшенной на поверхность земли при извержении вулканов. Эти отложения остались в рыхлом состоянии (вулканический пепел, пемза) либо при наличии природных цементирующих веществ и под давлением вышележащих слоев превратились в плотные цементированные породы (вулканический туф).

Осадочные горные породы. По характеру образования и составу осадочные горные породы делят на : обломочные (механические отложения - брекчии, конгломераты, пески и др.), глинистые, хемогенные (доломит, магнезит) и органогенные (известняки, мел).

Метаморфические или видоизмененные горные породы. При их образовании происходила перекристаллизация минералов без их плавления, способствовавшая повышению плотности образовавшихся пород по сравнению с исходными. Как правило метаморфические горные породы имеют сланцевое строение, но могут сохранять структуру первичных пород.

Горные породы, применяемые в строительстве

Условия образования горных пород в значительной мере предопределяют характер их строения. В то же время от строения зависят основные свойства, следовательно, и область применения горных пород в строительстве.

Глубинные магматические горные породы характеризуются высокой плотностью, морозостойкостью и малым водопоглощением. Основные виды глубинных горных пород - гранит, диорит, габбро, лабрадорит.

Гранит - плотность в среднем 2700 кг/м³, пористость всего 0,5-1,5%, предел прочности при сжатии - 100 - 250 МПа. Гранит характеризуется высокой морозостойкостью и малым водопоглощением, большим сопротивлением выветриванию, хорошо обтесывается, шлифуется и полируется, однако отличается хрупкостью и невысокой огнестойкостью.

Гранит применяют для облицовки зданий и сооружений, из него изготовляют бортовые камни, ступени и другие изделия, а также щебень для высокопрочного бетона. Месторождения гранита имеются во многих районах Украины и граниты считаются одними из лучших в мире.

Диорит имеет цвет от темно- до черно-зеленого, плотность - 2700-2900 кг/м³, предел прочности при сжатии - 150-300 МПа. Диорит характеризуется высокой вязкостью, хорошей сопротивляемостью удару и истиранию, а также стойкостью против выветривания. Он хорошо поддается полировке. Применяют диорит для дорожных покрытий и облицовок. Диорит добывается в нескольких районах Украины.

Габбро - темно-серая, черная или темно-зеленая с оттенками порода, плотностью 2800-3100 кг/м³, предел прочности при сжатии - 200-350 МПа. Габбро имеет высокие вязкость и стойкость против выветривания. Изделия из габбро применяют в дорожном строительстве.

Лабрадорит - разновидность габбро. Особенно ценны те лабрадориты, которые при полировке дают декоративные поверхности с переливами синего, зеленого, золотистого и других цветов. Лабрадорит применяют в качестве декоративного облицовочного камня. Основные месторождения габбровых пород находятся на Украине.

Излившиеся магматические горные породы

Порфиры характеризуются порфировой структурой, т.е. наличием "вкрапленников" в основной мелкозернистой массе. Цвет порфиров изменяется от красно-бурого до серого с разнообразными оттенками, плотность - 2400- 2500 кг/м,³ предел прочности при сжатии - 120-180 МПа. Порфиры применяют в дорожном строительстве и для изготовления облицовочных плит. Месторождения порфиров имеются в Крыму.

Диабаз - цвет его темно-серый, часто с зеленоватым оттенком, плотность - 2800 - 3000 кг/м³, предел прочности при сжатии - 200 - 300 МПа. Диабаз отличается высокой твердостью, вязкостью и долговечностью. Он является хорошим материалом для устройства дорожных покрытий, получения щебня. Диабазы добываются в Украине.

Базальт по химическому составу так же, как и диабаз - аналог габбро, он имеет темно-серый цвет, высокие плотность и долговечность. Плотность базальта доходит до 3300 кг/м³, предел прочности при сжатии иногда достигает 400 МПа и более. Базальт с трудом поддается обработке, но хорошо полируется. Из него изготовляют разнообразные дорожные материалы. Добывают базальт в Украине, на Кавказе и Дальнем Востоке.

В качестве примера обломочных рыхлых магматических пород можно назвать вулканический пепел и пемзу, а цементированных пород - вулканический туф.

Вулканический пепел представляет собой порошкообразные частицы вулканической лавы, состоящие в основном из аморфного кремнезема. Частицы крупностью до 5 мм называют вулканическим песком. Вулканический пепел и песок применяют в качестве добавок к цементам.

Пемза - пористая порода светло-серого цвета, по внешнему виду похожая на застывшую пену. Плотность ее 400-600 кг/м³, предел прочности при сжатии - 2-4 МПа. Пемза залегает в виде частиц размером от 5 до 30 мм. Применяют ее как заполнитель для легких бетонов.

Вулканический пепел, пемза и другие пористые вулканические породы в Украине не встречаются .