Промышленность строительных материалов и изделий

 

Определение, классификация и свойства строительных материалов

Строительными называют материалы, из которых возводят здания и сооружения различного назначения, изготавливают отдельные детали и конструкции. Промышленность строительных материалов многопрофильна, она включает производство строительных природных материалов, керамики, бетонных и железобетонных изделий, вяжущих.

Объемы строительных материалов составляют более четверти грузооборота страны. В общей стоимости строительно-монтажных работ их доля составляет около 60%.

Разнообразие этих материалов вызывает необходимость их классификации, которая проводится по производственному назначению, виду исходного сырья, показателям качества (например, их массе, прочности и т.д.). наиболее общей можно считать классификацию по генезису (происхождению): природные и искусственные строительные материалы.

Природные (естественные) строительные материалы и изделия получают непосредственно из земных недр или из возобновляемых источников растительного и животного происхождения. Обработкой им придают необходимые форму и размер, воздействуя на них физическими методами. Из природных особенно широко применяют каменные материалы и изделия, лесоматериалы, а также некоторые другие продукты растительного (солома, камыш, торф и др.) и животного (шерсть) происхождения.

Искусственные строительные материалы и изделия производят из природного сырья, побочных продуктов промышленности, сельского хозяйства, используя физические и химические методы их переработки.

По химическому составу строительные материалы можно разделить на неорганические и органические. Наиболее распространена первая группа.

Технологии производства искусственных строительных материалов по температуре их осуществления классифицируют на безобжиговые и обжиговые.

При производстве безобжиговых материалов отсутствуют процессы плавления и спекания отдельных составляющих смеси. К наиболее распространенным безобжиговым неорганическим материалам относятся бетон и железобетон, строительные растворы, к органическим – асфальты, битумы.

Обжиговые строительные материалы синтезируют из неорганических веществ при температурах сжигания исходных сырьевых смесей или образования расплавов, при охлаждении и застывании которых образуется упрочняющая связка. Из этого класса материалов наиболее известны керамика, стекло, изделия из шлаковых расплавов.

Химический состав и структура в значительной степени определяют свойства строительных композиций. Ряд из них имеет общетехнологическое значение, например, плотность, пористость, теплоемкость, механические характеристики (прочность, твердость истираемость и т.д.). Строительные материалы характеризуются водостойкостью, водопроницаемостью, морозостойкостью, теплопроводностью, огнестойкостью и термостойкостью.

Водостойкость – способность материала сохранять прочность при водонасыщении.

Водопроницаемость характеризуется давлением, при котором образцы начинают пропускать воду. Это свойство существенно важно для материалов гидротехнических сооружений, резервуаров, труб, коллекторов и других конструкций, подвергающихся гидростатическому воздействию. Особо плотные вещества (стекло, металлы, полиэтилен и др.) практически водонепроницаемы. Достаточно высока водопроницаемость гидротехнического бетона, достигающая 10–12 атм.

Морозостойкость – способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаивания без выраженных признаков разрушения и потери прочности. Число циклов замораживания и оттаивания для тяжелых бетонов составляет 25–200, для гидротехнических бетонов оно равно 50–300.

Теплопроводность определяется количеством тепла, передаваемого через толщу материала при наличии разности температур по обе его стороны. Величина теплопроводности характеризуется коэффициентом теплопроводности, равным качеству теплоты, проходящей через образец толщиной 1м, площадью 1м² за 1 час при разности температур на противоположных сторонах образца в 1°С. Этот показатель является одним из главных для стеновых и теплоизоляционных материалов и изменяется от 0,035–0,10 для минеральной ваты и древесноволокнистых плит до 1,3–1,5 – в тяжелых бетонах и 55–60 – в стали.

Огнестойкость – способность материала выдерживать без разрушения одновременно действие высоких температур и воды.

Термостойкость материала определяется максимальной температурой, при которой его конструкционные свойства сохраняются неопределенно долго. Например, для древесины она равна 50°С, для обычного бетона – 200–250°С, термостойкого бетона – 1200°С.

 

Искусственные неорганические строительные материалы

Безавтоклавный бетон

Бетон – один из древнейших строительных материалов. Из него сложены галереи египетского лабиринта (3600 г. до н.э.), часть Великой Китайской стены. Однако его использование в массовом строительстве началось только со второй половины XIX в. после получения и организации промышленного производства портландцемента, ставшего основным вяжущим веществом для бетонных и железобетонных конструкций и изделий. В настоящее время бетоны, наряду с железобетоном, применяются во всех областях строительства и составляют около 60% его объема.

Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые при затвердевании взятой в определенной пропорции, перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего, воды, мелкого и крупного наполнителя. В качестве наполнителей применяют минеральные породы, отходы производства (шлаки, топливные золы).

По плотности бетоны делятся на особо тяжелые (более 2500 кг/м³), тяжелые (1800–2500), легкие (500–180), особо легкие (менее 500 кг/м³). Для особо тяжелого бетона используют специальные опилки или стружку, железную руду; для легкого – пористые заполнители (пемзу, туф); для особо легкого – специальные добавки-вспучиватели.

 

Железобетон

 

Железобетон устраняет основной недостаток бетонных изделий – низкую прочность на растяжение. Этот строительный материал сочетает выгоды совместной работы бетона и арматурной стали. Бетон в нем воспринимает сжимающие усилия, которые хорошо переносит. Целесообразно применять железобетон в конструкциях, работающих на изгиб, где возникают растягивающие усилия, воспринимаемые сталью, и сжимающие, передающиеся на бетон, что обеспечивает успешную работу конструкции. Бетон и арматура создают монолитную структуру, чему способствует близость коэффициентов их линейного расширения. Бетон защищает металл от коррозии.

Арматура выполняется в виде стальных стержней, проволок, прядей, канатных или прокатных профилей.

Железобетон готовят в виде монолитных и сборных конструкций. Монолитный железобетон нашел применение в гидротехническом строительстве. В отраслях промышленности и в гражданском строительстве используют сборные железобетонные конструкции, из которых практически полностью изготавливают перекрытия для промышленных, гражданских, жилых зданий, не менее 30% стен зданий и сооружений, свыше 30% фундаментов зданий и 60% каркасов промышленных корпусов.

 

Керамика

Керамическими или обожженными, называют формованные каменные материалы и изделия, полученные из глин и их смесей при сушке и обжиге.

Технология производства керамических изделий включает добычу сырьевых материалов, подготовку исходных масс, формование с получением сырца, сушку и обжиг.

Формование изделий осуществляют полусухим или пластическим (мокрым) способом. При полусухом способе глина дробится в валках, подсушивается до влажности 5–8%, измельчается и поступает в глиносмеситель, где перемешивается с добавками и увлажняется до 10–12%. Однородная масса формуется при давлении 10–15 МПа, после чего сырец подают на обжиг.

При пластическом способе влажность глины в глиносмесителе доводят до 20–25%, изделия формуют на ленточных прессах и сушат в камерах периодического или непрерывного действия до влажности 8–12%.

Обжиг – один из наиболее ответственных этапов в производстве керамических изделий, проводится при температуре 800–1500°С.

При охлаждении обожженных изделий нельзя допускать резкой смены температур, ведущей к образованию трещин.

Керамические материалы различаются по назначению: стеновые, облицовочные, санитарно-технические и др.

К стеновым материалам относятся кирпич обыкновенный (красный), утолщенный, модульный, камни, стеновые блоки и панели. Из данной группы наиболее распространены кирпич обыкновенный (размер 250–120–65 мм, масса 2,75–3,0 кг, плотность 1,6 т/м³ и более). Температура обжига составляет 900–1100°С при продолжительности несколько часов.

Облицовочные керамические материалы применяют для наружной и внутренней отделки зданий. Изделия включают лицевые кирпичи и камни, мелкие плитки, фасонные детали для устройства карнизов, сливов и т.п. Технология их производства подобна используемой для получения красного кирпича, однако они обжигаются при температуре 1500°С и более до образования однородной полностью спекшейся массы. Поверхность облицовочных материалов выполняется гладкой или рельефной, в некоторых случаях глазированной.

К санитарно-техническим изделиям относятся керамические трубы (канализационные и дренажные) санитарные приборы (умывальники, унитазы, сливные бачки и т.д.). Керамические трубы после формовки и сушки покрывают глазурью и обжигают при 1200–1800°С в туннельных печах.

Санитарно-технические приборы выполняют из фаянса, фарфора и полуфарфора по одинаковой технологии, различия состоят в свойствах исходных сырьевых материалов. Фарфор представлен тонкой спекшейся керамикой, фаянс имеет мелкопористую структуру с большим водопоглощением. Изделия формируют в гипсовых формах методом литья, затем их подсушивают, покрывают глазурью и обжигают при 1500°С.