Искусственные каменные материалы

Искусственные каменные материалы включают в себя переработанные вещества для производства материалов (вяжущие: цемент, известь, гипс, жидкое стекло, керамзит и др.), растворы и клеи (бетонные, кладочные и др.) и сами каменные (твердые) материалы (кирпич, блок,…), предназначенные для изготовления фундаментов и ограждающих конструкций:

- бетоны;

- растворы;

- фундаментные подушки и блоки, перемычки, балки;

      - железобетонные плиты;

- кирпичи;

- пеноблоки и газозолоблоки;

- твинблоки,

- керамзитоблоки и др.

Бетоны - древнейшие строительные материалы, известны самые первые примеры использования бетонов - это 5600 лет до новой эры (при археологических раскопках найден пол, толщиной 25 см из бетона на известковой основе). Однако широчайшее применение бетонов стало возможным только после изобретения портландцемента (1824 год). Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый затвердеванием смеси вяжущего вещества, воды, наполнителей и специальных добавок.

Огромно разнообразие бетонов; они классифицируются по признакам назначения, плотности, видам вяжущего и заполнителей, по структуре и условиям твердения (табл. 4.2).

Бетоны, как и другие каменные материалы, хорошо работают на сжатие, поэтому из них можно делать фундаментные подушки и блоки, но плохо работают на растяжение и изгиб. Причем разница эта очень существенная, так прочность на растяжение составляет всего 7…10 % от прочности на сжатие. При работе плит перекрытия, балок, перемычек и др. возникают растягивающие напряжения, что приводит к необходимости эти конструкции армировать более прочным материалом – сталью. Арматурные стальные стержни имеют специальные профили, обеспечивающие прочное сцепление металла с бетоном.

Таблица 4. 2.

Классификация бетонов

№	Признаки	Наименование бетонов	Применение, характеристики и др.
1	Назначение	Конструкционные обычные Специальные: Гидротехнические Дорожные Жаростойкие Коррозийностойкие Констркционно - теплостойкие	Нет особых требований   Для сооружения плотин, водозаборов и т.д. Покрытия дорог, аэродромов Работа при температурах 200..1800 °С Работа в агрессивных средах Обеспечивать не только несущие, но и теплоизоляционные свойства
2	Плотность	Особо тяжелые Тяжелые   Легкие   Особо легкие	ρ > 2500 кг/м^3, для спецконструкций ρ=2000…2500 кг/м^3, в несущих конструкциях ρ=500…2000 кг/м^3ограждающие конструкции ρ< 500 кг/м^3, теплоизоляционный материал
3	Вид вяжущего	Цемент Известь Гипс Специальные вяжущие
4	Заполнители	Плотные Пористые Специальные	Щебенка Керамзит Жаростойкие
5	Крупность зерен заполнителей	Мелкозернистые Крупнозернистые	Размеры зерен менее 10 мм Размеры зерен более10 мм
6	Характер структуры	Плотный Крупнопористые Поризованные   Ячеистые	Нет пустот Межзерновые пустоты Заполнены пустоты пено - или газообразующими добавками Искусственно созданные ячейки - поры
7	Назначение	Кладочные Отделочные  Защитно - декоративные  Монтажные Специальные	Для каменной кладки фундаментов, стен Для оштукатуривания стен, потолков   Для отделки наружных поверхностей Для заделки швов Водонепроницаемые, жаростойкие и пр.

У симбиоза металла и бетона в железобетонных конструкциях есть три замечательных свойства:

1.Коэффициенты линейного расширения у бетона находятся в пределах 0,7…1,48 ×10^-5 град ^-1, а у стали - 1,1 ×10^-5  град ^-1, т.е. они почти одинаковы, поэтому температура не оказывает существенного влияния на возможное разрушение железобетона при резких ее изменениях.

2.Бетон защищает стальные арматурные стержни от коррозии.

3.Железобетон является пожаростойким материалом.

Различия бетонов по видам представлено в табл. 4.3.

Из всех механических характеристик (s_т - предел прочности на растяжение; d - относительное удлинение; Е – модуль упругости) важнейшим является значение пластичности арматурной стали - s_в.

Максимального значения s_в добиваются следующими приемами:

1.Изготовление арматурных стержней  из легированных сталей, в которые вводят редко используемые в других сталях легирующие элементы (цирконий, азот, бор и алюминий), которые существенно увеличивают значение площадки текучести. Так,  из- за легирования у арматурной стали 6-го класса значение прочности на разрыв составляет 1230 МПа, а пластичности чуть ниже – 980 МПа (прил. 4).

2.Бетонирование железобетонных конструкций с предварительно растянутыми арматурными стержнями.

3.Упрочнение (повышение площадки текучести) предварительным растяжением арматурных стержней.

В случае превышения предела текучести s_т нарушается сцепление бетона с арматурным стержнем, и появляются трещины в бетоне. Для увеличения предела текучести s_т проводят упрочнение арматуры (см. рис.3.11) путем предварительного растягивания (Lр) стальных стержней арматуры на 3,5 …5,5 % их первоначальной длины (Lо).

 Состав бетона должен обеспечивать заданные свойства (рис. 4.4). С увеличением марки бетона увеличивается расход цемента и уменьшается песка при одинаковом количестве щебенки.

Марка цемента выбирается исходя из средней прочности бетона на сжатие и условий твердения его. Наиболее распространенный в малоэтажном строительстве бетон на основе цемента марки 400 с соотношением цемента, песка и щебенки 1:3: (5....7).

Для неармированных бетонных конструкций (фундаментные блоки, подушки и др.) минимальное количество цемента на 1 м³ бетона должно быть не ниже 160 кг, а для железобетонных изделий (перемычки, плиты и др.) не менее 220 кг. Максимальное количество цемента в бетоне не должно превышать 600 кг/м³.

Прочность железобетона увеличивают так же предварительным натяжением арматурных стержней при изготовлении железобетона. Для этого с помощью домкратов удлиняют арматурные стержни, закрепляют их, заливают форму бетоном и после выдержки до схватывания бетона освобождают арматуру. Второй вариант: вместо удлинения с помощью домкратов, проводят предварительный нагрев стержней пропусканием электрического тока, нагревающего стержни до 300…500°С, стержни удлиняются и в этом положении их фиксируют в железобетонном изделии. После остывания длина стержней уменьшается, что приводит, как и в первом случае,  к возникновению в арматуре необходимого напряжения.

По прочности на сжатие и растяжение бетоны различаются по классам (В3,5; В5; В7,5; В10;…..; В80) и по маркам (М50, М75, М100,…., М1000). Цифра в марке означает прочность на сжатие кубиков бетона размером 150х150х150 28-и суточной выдержки. Так, у бетона марки 300 прочность на сжатие при испытаниях должна быть не менее 300 кгс/мм² (например, 320 кгс/мм²).

Между классами и марками бетона имеются соотношения. Например, бетон марки М400 будет соответствовать по прочности на сжатие классу В30.

По морозостойкости в циклах (от 50 до 500) бетоны делятся: F50, F75, F100,…, F500.

Таблица 4.3.

Классификация железобетонов

№	Признаки  классификации	Виды бетона	Применение
1	Способ производства	Монолитный Сборные конструкции Сборно - монолитные	Фундаменты Балки, плиты, перемычки Сочетание сборочных конструкций и монолита
2	Вид бетона	Тяжелый Легкий Специальный	Фундаменты Теплоизоляционные Жаростойкие,…
3	Вид напряженного состояния арматуры	Обычные конструкции   Предварительно напряженные Предварительно упрочненные	Без предварительного напряжения стержней С предварительным напряжением стержней Увеличенное значения предела текучести предварительным растяжением стержней

 

Способы повышения качества бетонирования:

- выполнять непрерывное бетонирование монолитных конструкций (без разрыва по времени и месту бетонирования);

- в летний период поверхность бетонной смеси предохранять от дождя (пленкой) и от высыхания (слой торфа, мокрого песка), проводить периодическое увлажнение ее;

- в зимний период прогревать бетон, а также использовать специальные добавки;

- выполнять заполнение всех полостей и проводить уплотнение бетонной смеси (ручное, вибрационное,…);

- опалубку снимать только после достижения необходимой прочности бетона.

Строительные растворы  не имеют крупных заполнителей, изготовляются на основе вяжущего, песка и специальных добавок. Раствор – это тот же бетон, но без наполнителя.

Строительные растворы различаются по назначению:

- кладочные для кладки фундаментов и стен;

- монтажные для монтажа железобетонных конструкций;

- штукатурные для выравнивания ограждающих конструкций;

- защитно – декоративныные для выравнивания и эстетических целей;

- специального назначения: кислотоупорные, влагозащитные и др.

Растворы наносятся тонким слоем (10…20 мм) без механического уплотнения, поэтому важнейшей их характеристикой является вязкость, т.е. способность легко распределяться по поверхности и заполнять все впадины. Раствор необходимо использовать в течение 2…4 часов после замеса, далее начнется его схватывание. Повторное разбавление водой затвердеющего раствора приводит к снижению его вязкости, но при этом снижается его марка, т.е. уменьшается прочность раствора. Чаще всего при кладке используют растворы с соотношением цемента к песку 1:3. Приготовляют раствор в растворомешалке (бетономешалке) с перемешиванием смеси не менее 3-х минут.

Кирпич - это древний и наиболее распространенный строительный материал для возведения стен, перегородок и печей (рис. 4.5). Идет непрерывное совершенствование конструкции, качества и технологии изготовления и использования кирпичей в строительной индустрии.

В настоящее время имеется очень много различных видов кирпичей. Они подразделяются по группам:

- исходного сырья для изготовления (керамический из глины, а силикатный из песка и извести);

- размерам (одинарный и полуторный);

- цвету (белый, красный, шоколадный,…);

- сплошности (полнотелый и пустотный, с большим разнообразием   пустот);

- назначения (стеновой, печной, шамотный);

- месту стеновой кладки (рядовой, лицевой, угловой);

- химической стойкости (обычный и кислотоупорный, изменения цвета под действием атмосферы);

- прочности (марки по прочности 300, 250, 200, 175, 150, 125, 100, 75);

- физических свойств (плотности, теплопроводности,…);

-морозостойкости (Мрз15…Мрз100);

- способу производства (обжиговый и автоклавный);

- геометрии (угловой, полуовальный, …);

- стоимости кирпича и затратам на транспортировку и кладку;

- удобству транспортировки и хранения.

Технологический процесс изготовления керамического кирпича       (рис. 4.6) состоит из 4-х групп операций:

- добыча глины в карьере и транспортировка ее до кирпичного завода;

- обработка глиняной массы (измельчение, размалывание, смешивание с добавками, перетирание на вальцах и бегунах до получения тонкого помола);

- формирование кирпича – сырца на ленточных прессах;

- обжиг кирпича - сырца при температуре 900…1200 º С.

Последовательность выполнения операций изготовления силикатного кирпича следующая (рис. 4. 7):

1. Очистка глины от каменных включений.

2. Увлажнение глины водой в глиномешалке до 18…23 % и тщательное перемешивание ее.

3. Формирование кирпича на прессе. Для получения пустотелого кирпича в мундштуках пресса имеются специальные приспособления, позволяющие получать отверстия, снижающие теплопроводность и плотность кирпича.

4. Укладка кирпича в штабеля на кассетах.

5. Сушка до влажности 5…7 %. Естественная сушка выполняется за 15…20 суток, а искусственная - в сушилках непрерывного действия за 16…24 часа.

6. Обжиг кирпича в печах при температуре 900….1200 °С в течение 24…30 часов.

7. Укладка и упаковка кирпича на поддонах.

Керамический кирпич изготовляют из средней пластичности глин, содержащих 40…50% песка. Шамот - это обожженная (большей части до спекания) огнеупорная глина, или каолин. Шамот вводится в смесь для уменьшения пластичности и усадки при сушке кирпича и повышения его огнеупорности.

Кроме керамического кирпича к керамическим материалам  относятся и другие изделия (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Классификация керамики

№	Наименование	Свойства и назначение
1. 2. 3. 4. 5	Кирпич Стекло Огнеупорные материалы Камень Керамические бытовые изделия	Изготовление ограждающих конструкций Изготовление окон Термоизоляция конструкций (шамотный кирпич) Пластины для режущего инструмента   Посуда, игрушки, художественные изделия и др.

Силикатный кирпич - искусственный безобжиговый стеновой строительный материал, изготовленный прессованием (давление 30…40 МПа) смеси кварцевого песка (90…92 %) и гашеной извести (8…10 %) с последующим твердением в автоклаве. Он подразделяется на одинарный: 250´120´65 мм и полуторный (модульный): 250´120´88 мм. Количество, форма и размещение пустот в кирпичах разнообразны.

Силикатный кирпич изготовляется в следующей последовательности (рис.4.7.):

-измельчение извести;

-смешивание ее с песком;

-гашение извести в этой смеси;

-дополнительное перемешивание и увлажнение смеси до 7…9%;

- формование кирпича (прессование при давлении 15…20 МПа);

-обработка в автоклаве (175…190 °С в течение 10…14 часов).

По сравнению с керамическим кирпичом он менее трудоемок в изготовлении и значительно дешевле. Себестоимость силикатного кирпича на 25…35 % ниже глиняного, т.к. при его изготовлении меньше расход топлива (в 2 раза) и электроэнергии (в 3 раза). Его применяют только для кладки надземной части сооружений, т.к. в условиях постоянного увлажнения прочность его снижается. Также его нельзя использовать для кладки печей и дымоходов, т.к. под действием высоких температур он может разрушаться. При кирпичной кладке наиболее распространен кладочный раствор по соотношению цемента (марки 400) к песку: 1 к 3. На 1 м³ кирпичной кладки (411 условных одинарных  кирпичей) требуется 72 кг цемента, т.е. полтора 50-и килограммовых мешка.

Таблица 4.5