Поризация строительных материалов

Более плотные строительные материалы являются и более прочными (см. рис. 2.2 и 2.6, табл. 2.5), но обладают очень высокой теплопроводностью (см. рис.2.3). Прочность стеновых материалов во многих случаях является избыточной, т.к. функционально толщина стены определяется не прочностью, а обеспечением минимума тепловых потерь.

Воздух является главным теплоизоляционным материалом (см. раздел 2.6). Поэтому современные стеновые материалы (блоки, кирпичи и т.д.) должны с учетом прочности иметь максимально допустимую пористость, а теплоизоляционные – технологически максимально возможную пористость, т.е. значительно более высокую, чем для стеновых несущих конструкций.

Вариантов получения пор при переработке материалов много (рис. 8.2).

При способе газообразования в сырье вводят химические компоненты, образующие газы при их химическом взаимодействии, в результате чего в непрерывно твердеющей массе возникает пористая структура.

При изготовлении газобетона, газокерамики и др. материалов чаще всего вводят в смесь алюминиевую пудру Al и гидроксид кальция Ca (OH)₂:

3Ca (OH)₂ + 2Al + 6H₂O = CaOH ·Al₂O₃·6H₂O + H₂^↑.

Выделяемый при этой химической реакции водород расширяясь, вспучивает цементное тесто и образует ячейстый бетон.

Способ пенообразования (пенобетон, пеносиликат, пенокерамика) – это введение в сырье пенообразователей (натриевые и калиевые мыла,…). Для повышения стойкости образующихся мыльных пузырьков до момента затвердевания смеси в нее вводят стабилизаторы пены (столярный клей, сернокислый глинозем,...).

Способ повышенного водозатворения (ДСП и др.) заключается в повышенном разжижении формовочных масс. При последующем испарении воды и высушивании материала в нем сохраняются поры.

Способ вспучивания (керамзит, вспученный перлит, …) – это нагрев некоторых горных пород (глины, вермикулит,…) до высоких температур, при которых из сырья выделяются газы и связанная вода и образуются поры.

Способ распушения (минеральные ваты, стекловаты) используется для сравнительно плотного материала (металлургические шлаки, отходы стекла, туфы и др.).

Распушение расплава может выполняться центробежным или дутьевым способами. При центробежном способе струя расплавленной жидкости подается на вращающийся диск, разбрызгивается им в виде тончайших нитей, застывающих на воздухе. При дутьевом способе расплав подается на желоб и рассекатели. Струей воздуха или пара из расплавленного сырья образуются капли, которые сначала вытягиваются в цилиндрики, а далее превращаются в нити.

Способ выгорания (керамика) органических веществ заключается в том, что к керамическому сырью добавляют опилки, торф, лингин, которые, сгорая, при высоких температурах образуют поры.

 

Обработка камня

Камнеобработка – это комплекс операций для придания природному камню требуемых размеров, формы и фактуры в процессе изготовления из него изделия.

Необходимые форму и размеры получают на распиловочных станках с полосовыми или канатными пилами абразивного действия или армированными резцами из твердых сплавов, а также на фрезерных или профилировочных станках с карборундовыми или алмазными дисками.

Современные заводы каменных деталей оснащаются мощными высокопроизводительными механизмами. На заводах крупные монолиты камня перерабатываются в строительные и отделочные детали.

Многие изделия получают раскалыванием и последующей обработкой ударным инструментом. Фактурная отделка выполняется на шлифовальных станках или пневматическими молотками.

Одноцветным серым камням предпочитают придавать рельефные фактуры, создающие живописную игру светотени. Особенно выразительна фактура «скалы», получаемая простейшими приемами. Наиболее экономичны фактуры, получаемые в процессе пиления («пилёная» фактура) или расколки. Многоцветным камням, например, мрамору и граниту шлифованием и полированием придают зеркальную фактуру, выявляющую их собственный цвет и рисунок.

Камни и блоки получают из лёгких пород (туфы, ракушечники и др.) пилением с помощью механического оборудования с использованием дисковых пил со вставными зубьями из твёрдого сплава. Более твёрдый материал (мрамор, гранит и т.д.) требует более сложной обработки. В карьерах его получают в виде блоков, а на камнеобрабатывающем оборудовании получают отделочные материалы (плиты и другие изделия).

Для вынимания из массива горных пород штучного стенового камня и блоков - заготовок применяются камнерезные машины. Режущим органом могут быть пилы (дисковые, канатные или цепные), кольцевые фрезы или буры, оснащённые твёрдосплавными зубьями.

 Стальная канатная пила имеет диаметр 3…6 мм, а в прорез водой подаётся песок, который и разрезает камень.

Эффективно использование дисковых алмазных пил, толщина пропила которых по сравнению с другими методами уменьшается в 3...4 раза, а поверхность пропила получается очень ровной и гладкой, поэтому не требуется дальнейшей шлифовки плит.

 

Обработка древесины

При обработке древесины используется инструмент:

- ручной;

- электроинструмент;

- деревообрабатывающие станки.

Ручной инструмент подразделяется на:

- стамески;

- пилы (одноручные и двуручные);

- ножовки по дереву (зубья у них более крупные, чем у ножовок по металлу);

- лобзики;

- ручные рубанки и  фуганки,...

Древесина может пилиться вдоль, поперёк или под углом, поэтому пилы различаются:

- поперечные (зубья высотой 4..5 мм треугольной равнобедренной формы);

- распускные для пиления вдоль волокон (зубья высотой 5..6 мм и формой косоугольного треугольника);

-  смешанными для пиления вдоль и поперёк волокон с зубьями разной высоты и формой  прямоугольного треугольника.

Лобзиками (ручными и электрическими) выпиливаются детали сложной формы.

Для строгания досок, брусьев и других изделий применяются рубанки. Рабочим органом ручного рубанка является заточенная пластина. Из-за малой длины привалочной плоскости рубанка точность строгания низкая, поэтому для повышения точности после строгания применяют фуганок, имеющий в несколько раз более длинную колодку.

Для соединения деревянных деталей друг с другом стамесками или долотами долбятся различные по форме отверстия.

Цилиндрические отверстия сверлят свёрлами или буравами. Сверло для дерева имеет другую форму, чем сверло для металла.

Для ускорения обработки или улучшения условия труда выпускается много различных моделей электрифицированного инструмента:

- электропилы для резки дерева;

- электрорубанки для строгания досок и брусьев;

- электролобзики для резки досок, брусков и изготовления сложных разрезов в досках.

Для взаимного крепления деревянных деталей кроме традиционно используемых плотниками и столярами клея и клиньев применяют:

- скобы;

- болтовые изделия;

- шурупы по дереву;

- дюбеля;

- гвозди и т.д.

Скобы используют для крепления брусьев, например, при изготовления чердачного перекрытия.

Дюбеля применяют для изготовления и крепления деревянных и металлических конструкций.

При изготовления мебели широко используются саморезы и шурупы. Гвозди - самые распространённые в строительстве крепежные изделия.

Различаются они по конструкции:

- столярные (маленькие шляпки);

- плотницкие (рифленая шляпка больших размеров);

- по размеру (например, 2×30, где 2- диаметр гвоздя в мм, а 30 – его длина, мм);

Гвозди различаются диаметром и длиной стержня, видом головки. С увеличением длины гвоздя увеличивается и его диаметр. Имеются гвоздеобразные шурупы: пластмассовый дюбель устанавливают в отверстие, молотком забивают гвоздь, который можно в случае необходимости вывернуть как винт.

Саморезы и шурупы имеют различную форму головки (круглую, полукруглую, с потаённым отверстием для отвёртки).

Для заворачивания саморезов и шурупов в последнее время широко используются электрические шуруповёрты, обеспечивающие высокую производительность и качество работы и создающие высокий крутящий момент, необходимый для прочного соединения деталей.

 

Литье и прокатка металлов

Высокими литейными свойствами обладают чугун и цветные сплавы, поэтому значительная часть деталей из этих материалов изготовляется литьем. Из-за относительно низких литейных свойств сталей они перерабатываются и используются для изготовления деталей и строительных конструкций, в основном, методами прокатки.

	Рис. 8.3. Разливка металла сверху и снизу

 

Из конвертора или мартена сталь выпускают в сталеразливочный ковш (5…250 т). В основном применяются два традиционных способа разливки (рис. 8.3.): в изложницы (чугунные формы) — сверху и сифонная — снизу. Сверху — для крупных слитков, снизу — для мелких слитков и изготовления некоторых деталей.

Очень эффективна непрерывная разливка стали (рис. 8.4). Расплавленная сталь через регулируемый стакан непрерывно поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор. Дальнейшее охлаждение проводится струями воды. После этого выполняется прокатка слитка валками. С помощью кислородного резака отрезается необходимой длины слиток. Слитки изготовляются прямоугольного (150´500, 300´200 и др.), квадратного (150´150, 400´400 и др.) или круглого (диаметром 200...300 мм) сечения. В слитках непрерывной разливки нет усадочных раковин и создается более однородная структура металла.

	Рис. 8.4. Схема непрерывной разливки стали

 

 

До 90 % сталей и до 50 % цветных металлов используются в виде проката, штампованных и кузнечных заготовок (рис. 8.5). Достоинством процесса прокатки является высокая экономичность:

- мало потерь металла, т. к. происходит перераспределение металла по объему, а при обработке резанием много металла идет в стружку;

- процесс высокопроизводительный;

- прокат эффективно использовать для изготовления сварных и клепаных конструкций и конструктивно сложных и громоздких деталей.

Деформация металла может быть холодной и горячей. В последнем случае снижаются усилия деформации, но обезуглероживается поверхностный слой и образуется окалина.

На прокатных станах используются различные (рис. 8.5) виды калибров. Калибровка валков — это разработка схемы прокатки и такое последовательное размещение калибров по прокатному стану, при котором металл проходит через большое количество калибров, в каждом происходит

его деформация, а в результате последовательного воздействия на металл обеспечивается получение заданного профиля проката (рис.8.7).

	Рис. 8.5. Виды обработки металлов давлением

 

Волочение металла — это процесс протягивания проволоки, прутка или трубы через очко специнструмента (волоку). В итоге получаются высокоточные размеры, чистая и гладкая поверхность. Перед волочением металл очищают от ока­лины, промывают, наносят подсмазочный слой (омеднение, фосфатирование и т. д.), сушат и наносят слой смазки (графит, эмульсии, минеральные масла).

Рис. 8.6. Схемы калибров

Прессование металла используется чаще всего для цветных сплавов: можно получить прутки диаметром 5…200 мм, трубы до 800 мм диаметром с толщиной стенок 1,5…8 мм, и изготовить, самое главное, различные сложные по конфигурации строительные   фасонные профили. Нагретый металл из контейнера выдавливается через очко матрицы. При прессовании труб заготовка прошивается стальной иглой, конец которой проходит через очко; металл выпрессовывается между иглой и очком.

Ковка и штамповка — промежуточные операции для изготовления заготовок деталей на пневматических, гидравлических или механических прессах. Механические свойства кованных и штампованных изделий выше, чем у полученных механической обработкой, т. к. в этом случае волокна перераспределяются в соответствии с формой деталей.

Штамповка может быть горячая и холодная. Объемная штамповка проводится в штампах, где течение металла ограничено поверхностями штампа. По сравнению со свободной кузнечной ковкой объемная штамповка в 50…100 раз производительнее, получаются выше качество и прочность поковок, имеется возможность получения поковок сложной формы. В автомобилестроении листовой штамповкой получают до 75 % деталей, а при производстве товаров широкого потребления — до 98 %.

Толстолистовую сталь изготовляют из слябов массой
до 2 т. Сначала раскатывают сляб в поперечном направлении до получения необходимой ширины, а затем раскатывают вдоль. На стане имеются нормализационная печь, травильная установка и сушильная машина.

Тонколистовую сталь выпускают в листах и рулонах. После травления рулоны поступают на станы холодной прокатки, где проводится лужение (горячее, электролитическое), или цинкование, или нанесение пластмассового покрытия.

Стальные трубы по способу изготовления делятся
на две группы:

- бесшовные (цельнотянутые);

- шовные (сварные).

Шовные трубы могут быть прямошовными и спиральношовными, однослойными (традиционная технология) и многослойными (перспективная технология).

  Сварные трубы дешевле цельнотянутых, но они менее надежны. Сварные трубы изготовляют диаметром от 10 до 2500 мм, а цельнотянутые — только до 100 мм. Для прокатки листовой стали используются гладкие валки, а на калиброванных валках более сложной формы изготовляются остальные виды проката. На калибровочных валках имеются канавки (выступы) и ручьи. Совокупность ручьев пары валков называется калибром.

Сортамент проката:

1. Сортовая сталь: круглая (диаметром 5–250 мм); квадратная (5–250 мм); шестигранная (6–100 мм); полосовая (шириной 10–200 и толщиной 4–60 мм); угловая сталь, лента, проволока; швеллеры, двутавры, рельсы.

2.Листовая сталь (тонколистовая до 4 мм толщиной
и толстолистовая — более 4 мм).

3.Специальные виды проката (колеса, периодические профили, арматурная сталь, гнутые профили и др.).

4. Стальные трубы (бесшовные и сварные).

Технология изготовления бесшовных труб

Цельнотянутые (бесшовные, сплошные) трубы изготовляются в три этапа:

1. Круглый или граненый слиток диаметром 250..600 мм
и массой 0,6…3 т прошивается на прошивочном стане. Валки (грибовидной или дисковой формы) установлены под углом 9–14° друг к другу. Заготовка продавливается через оправку, а из-за растягивающих напряжений, создаваемых вращающимися валками, происходит течение
металла от центра слитка, и за счет этого без больших усилий происходит прошивка отверстия. На прошивочном стане получают гильзу.

2. Раскатка гильзы на оправке, в результате чего уменьшаются внутренний и наружный диаметры ее, и увеличивается длина заготовки. Получают трубу диаметром свыше 57 мм.

3. Прокатка гильзы для уменьшение ее диаметра уже на прокатном стане без оправки.

Сварные трубы изготовляются диаметром до 2500 мм. Они дешевле бесшовных, но менее надежны и прочны. Сначала проводится формовка плоской заготовки в трубу, далее сваривается продольный стык, проводится отделка и правка. Заготовка изготовляется в виде ленты или берутся листы, шириной равные длине трубы. Используются следующие способы продольной листовой сварки при изготовлении труб: электродуговой под слоем флюса, электроконтактной сопротивлением, кузнечной (печной).

Рис. 8.8. Схема электроконтактной сварки труб

При непрерывной печной сварке проводится нагрев заготовки до 1300…1350° С, стык обдувается кислородом или воздухом, металл разогревается до расплавления и проводится кузнечная сварка стыка кромок трубы, сжатой роликами непрерывного стана.

При электроконтактной сварке (рис. 8.8) заготовка поступает в трубоэлектросварочный стан и сжимается. Стык разогревается электрическим током низкого напряжения (6…10 В), подаваемым через сварочные ролики, и при охлаждении сваривается.

                            8.6. Резка металлов

При изготовлении строительных конструкций, при монтажных работах и ремонте машин необходимо разрезать сортовой прокат, элементы конструкций, детали машин.

Используются следующие способы резки материалов:

1. Механические:

- ручные (ножовка, ножницы по металлу, зубило,…);

- механизированные (фреза, резец, сверло, механическая ножовка, штамп, отрезной круг, механические ножницы - «гильотины»…).

2. Электродуговая резка.

3. Газовая (кислородная) резка.

4. Плазменная резка.

Ручные способы резки металлов применяются в основном в бытовых условиях. При небольших объемах работ эффективно использование отрезных (бакелитовых и др.) кругов: шов получается ровный, нет деформаций металла, но относительно низкая производительность процесса и требуются повышенные меры безопасности при резке металлов. При резке в условиях строительной площадки, при монтаже и демонтаже конструкций наиболее эффективна кислородная резка. На машиностроительных заводах и заводах строительных конструкций применяются в основном штампы для листовой штамповки металла и механические ножницы («гильотины») для разделки проката (листов, круга, шестигранника, швеллера,…).

Использование электродуговой резки нерационально, т. к. процесс резки малопроизводителен и получается плохое качество реза, поэтому во многих случаях необходима его последующая механическая обработка. Следовательно, электродуговую резку можно использовать только при малых объемах работ, когда одновременно проводится изготовление конструкции и подготовка элементов для сварки, т. е. в случаях организационных трудностей применения более эффективного способа резки параллельно с электродуговой сваркой.

Газовой резкой называют процесс сжигания металла
в струе кислорода и удаление этой струей образовавшихся окислов.

Чаще всего используется кислородно-ацетиленовая резка, при которой не плавится металл, а плавится окисел металла. Процесс идет в следующей последовательности.

1. Металл сначала нагревается до температуры вспышки его в атмосфере кислорода с выделением тепла Q (напри­мер, 1300° С для малоуглеродистой стали):

C ₂ H ₂ + O ₂ ® CO ₂+ H ₂ O + Q.

2. Подается струя режущего кислорода, образуются окислы металлов и при окислении металла выделяется тепло Q:

Fe + O ₂ ® FeO + Q.

3. Окислы металлов плавятся и выдуваются струей
кислорода.

На плавление окислов (пункт 3) затрачивается тепло, но одновременно с плавлением происходит образование окислов (пункт 2), сопровождаемое выделением тепла Q, поэтому процесс резки поддерживается непрерывно.

В начальный период резки (пункт 1) при сгорании ацетилена в атмосфере кислорода металл нагревается до температуры вспышки. После начала резки открывают вентиль подачи режущего кислорода (пункт 2). При резке стали около 70 % тепла выделяется при сгорании металла в атмосфере кислорода и только 30 % дает подогревающее пламя сгорания ацетилена в кислороде.

Процесс кислородной резки металла получается более экономичным по сравнению с процессом плавления металла, т. к. температура плавления окислов ниже температуры плавления металла.

Не все металлы можно разрезать кислородной резкой,
а только в случаях, когда выдерживаются условия:

1. Температура плавления металлов выше температуры их воспламенения в атмосфере кислорода.

2. Пленка образовавшихся окислов не должна препятствовать дальнейшему окислению металла.

3. Количество выделяющейся теплоты должно быть достаточным для поддержания процесса резки.

4. Чтобы не прерывался процесс, теплопроводность металла не должна быть высокой.

5. Образовавшиеся окислы должны легко выдуваться кислородной струей.

Из этого следует, что легко режется технически чистое железо и малоуглеродистая сталь. При содержании углерода более 0,7 % процесс резки затруднен, т. к. у этих сплавов температура воспламенения металла достигает значений температуры его плавления. Также трудно режется сталь, содержащая более 5 % легирующих элементов.

Чугуны, высокохромистые стали, медные и алюминиевые сплавы не поддаются нормальному процессу кислородной резки по ряду причин (табл. 8.2).

Таблица 8.2